鉛酸免維護蓄電池在光伏系統(tǒng)中的應用

前言
中國幅員遼闊，人口分布不均，東密西疏，因地理環(huán)境和經(jīng)濟相對落后等原因，造成一些地區(qū)的電力相對匱乏，國家電力電網(wǎng)無法覆蓋，無法集中供電，或者電網(wǎng)質量不穩(wěn)定，給當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，人民生活的改善造成一定的障礙。尤其在中國的北方、西北等地問題尤為突出，迫切需要有適合當?shù)貐^(qū)使用的穩(wěn)定可靠的電力系統(tǒng)。現(xiàn)在常用的單獨供電系統(tǒng)有發(fā)電機組、太陽能系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、風光互補系統(tǒng)。
發(fā)電機組，以一次能源作為動力源推動內燃機，內燃機傳動發(fā)電機，發(fā)電機做磁力線切割運動產(chǎn)生電能。而一次能源資源越來越稀少，價格越來越高，并且嚴重影響自然環(huán)境。
太陽能系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、風光互補系統(tǒng)，以自然界取之不盡用之不完的光能、風能作為能量源，通過一定裝換裝置轉化為可以使用的電能，此能源自然、環(huán)保，充分體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、愛地球的理念。而此類電源能夠持續(xù)供電的能力需要儲能設備提供保障，目前主要使用的儲能設備有鎘鎳電池、VRLA蓄電池。但由于成本，原材料缺乏等原因，鎘鎳電池逐步被VRLA蓄電池取代。下面以光伏系統(tǒng)為例介紹一下VRLA蓄電池在光伏系統(tǒng)的應用。
光伏系統(tǒng)介紹
一．光伏系統(tǒng)的工作原理：
在光照條件好的情況下，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動勢，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統(tǒng)輸入電壓的要求。一部分供給電力系統(tǒng)使用，一部分通過充放電控制器對蓄電池進行充電，將光能轉換而來的電能儲存起來。在光照條件達不到要求時，蓄電池組再通過逆變器提供電力系統(tǒng)所需的電力。
二．光伏系統(tǒng)的組成：
光伏系統(tǒng)是由太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器等設備組成。其各部分設備的作用是：
（1）太陽能電池方陣：在有光照情況下，電池吸收光能，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生"光生電壓"，這就是"光生伏打效應"。在光生伏打效應的作用下，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉換成電能，是能量轉換的器件。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。
（2）蓄電池組：其作用是儲存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負載供電。
（3）控制器：自動控制電力的選擇，在市電、太陽能電、蓄電池電之間選擇，對蓄電池充電。
（4）逆變器：是將直流電轉換成交流電的設備。

光伏系統(tǒng)對蓄電池性能要求分析
一．光伏發(fā)電系統(tǒng)用蓄電池的工作條件：
在光伏電站使用環(huán)境中，光照條件好時（白天），太陽能電池組件接收太陽光，輸出電能，一部分直流和交流負載工作，另一部分供給蓄電池充電；光照條件不好時（夜晚或陰雨天），太陽能電池組件無法工作，蓄電池組供電，供給直流或交流負載，蓄電池是處于循環(huán)狀態(tài)，所以，在這種使用環(huán)境下，蓄電池的壽命為循環(huán)壽命。
應用于光伏系統(tǒng)中的蓄電池的工作條件和蓄電池應用在其它場合的工作條件不同。其主要區(qū)別可以概括為以下幾點:
（1）充電率非常小, 由于成本，位置空間等問題，太陽電池投入數(shù)量會受到很大的限制，為了保證電力系統(tǒng)的正常使用，往往提供給蓄電池的充電電力變得十分有限，平均充電電流一般為0.05C10～0.1C10,很少達到0.1C10A。
（2）放電率非常小,太能系統(tǒng)設計時需要考慮到最大負載容量，最長后備時間，配置的蓄電池容量較大，而實際使用過程中負載相對設計負載小得多，蓄電池放電率通常為C20～C240,或者更小。
（3）由于受到自然資源的限制,蓄電池只有在有日照時才能充電:即充電時間受到限制。
（4）不能按給定的充電規(guī)律對蓄電池進行充電。
二．光伏發(fā)電系統(tǒng)對VRLA蓄電池的性能要求:
光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池頻繁處于充電—放電的反復續(xù)循環(huán)中，由于日照的不穩(wěn)定性，過充電和深放電的不利情況時有發(fā)生，加之光伏發(fā)電系統(tǒng)大部分在西部地區(qū)使用，海拔都在2500M以上。因此，對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池有如下要求：
（1）具有深循環(huán)放電性能，充放電循環(huán)壽命長；
（2）耐過充電能力強；
（3）過放電后容量恢復能力強；
（4）良好的充電接受能力；
（5）電池在靜態(tài)環(huán)境中使用時，電解液不易分層；
（6）具有免維護或少維護的性能；
（7）應具備良好的高、低溫充放電特性；
（8）能適應高海拔（海拔都在2500M以上）地區(qū)的使用環(huán)境；
（9）蓄電池組中各蓄電池一致性良好。
三．影響光伏發(fā)電系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池壽命的因素：
（1）正極活性物質軟化脫落
VRLA蓄電池在循環(huán)使用條件下,電池的失效主要是由正極活性物質(ＰＡＭ)的軟化、脫落所致。
鉛酸電池循環(huán)過程中,正、負極活性物質經(jīng)歷了可逆的溶解再沉積過程,改變了多孔二氧化鉛電極的結構。尤其對二氧化鉛電極,可能會引起表觀體積的增加,改變顆粒和孔尺寸的分布，多孔二氧化鉛結構中顆粒之間的機械結合性能和導電性能降低，隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會進一步的惡化,結果使得該區(qū)域的活性物質軟化和脫落。
（2）放電電流對蓄電池壽命影響
在光伏系統(tǒng)中,蓄電池的放電電流非常小。在小電流條件下形成的PbSO4比大電流條件下形成的PbSO4轉化困難得多。這是因為在小電流條件下形成的PbSO4結晶顆粒要比大電流條件下形成的PbSO4結晶顆粒粗大，粗大的PbSO4結晶顆粒減少了PbSO4的有效面積,這樣在再充時加速了極板極化, 導致PbSO4轉化困難，隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會更加加劇,結果使得極板充不進電，最后導致蓄電池壽命終止。
（3） 深度放電后蓄電池容量恢復
在光伏系統(tǒng)中,蓄電池的放電率要比蓄電池應用在其它場合低,通常介于C20～C240，甚至更低。小電流下深度放電意味著極板上的活性物質將得到更充分的利用。在許多光伏系統(tǒng)中,通常不會發(fā)生深度放電,除非充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者持續(xù)長時間的壞天氣。在這種情況下,如果蓄電池得不到及時的再充電,硫化問題將更加嚴重,進一步導致容量損失。
（4）酸分層對蓄電池壽命影響
電解液分層現(xiàn)象是由于重力的作用在電池的充放電過程中產(chǎn)生的，即充電時正負極板表面都產(chǎn)生Ｈ2ＳＯ4,它的密度大,因重力的作用而下沉。在放電時,正負極板表面均消耗Ｈ2ＳＯ4,故表面液層密度小, 低密度的電解液順著極板間上升,而極群上部高密度的電解液則從極群側面向下流,電解液流動的結果造成了上部密度低、下部密度高。分層現(xiàn)象的產(chǎn)生對蓄電池的使用壽命和容量均產(chǎn)生不利影響，加速了板柵的腐蝕和正極活物質的脫落,導致負極板硫酸鹽化。
（5）電液密度對鉛蓄電池壽命的影響
電解液的濃度不僅與蓄電池的容量有關，而且與正極板柵的腐蝕和負極活性物質硫酸鹽化有關。過高的硫酸濃度加速了正極板柵的腐蝕和負極活性物質硫酸鹽化，并導致失水加劇。
（6）板柵合金的影響
VRLA蓄電池，由于長期使用,正極板柵會在電解液的作用下逐步腐蝕并長大,板柵的長大使活物質和板柵的結合性降低,從而導致電池容量逐漸喪失。這種正極板柵的腐蝕和長大主要受板柵的合金組成、電解液密度以及板柵筋條形狀等因素的影響。
在蓄電池充電過程中,板柵和活性物質的接口上形成非導電層,這些非導電層或低導電性層在板柵和ＰＡＭ界面引起了高的阻抗,導致充放電時發(fā)熱和板柵附近ＰＡＭ膨脹,從而限制了電池的容量（即所謂的PCL效應）。
（7）極板的厚度的影響
極板的厚度應屬于電池設計方面的問題，一般來說，較厚極板的循環(huán)壽命要長于較薄極板，而活性物質利用率相比之下要差一些。但有利于循環(huán)循環(huán)壽命的延長。
（8）裝配壓力的影
裝配壓力對ＶＲＬＡ電池壽命有很大影響,ＡＧＭ隔板彈性差,組裝時,極群不加壓或壓力過小,隔板和極板之間不能保持良好的接觸,電池容量大大下降。
在循環(huán)過程中，活性物質的膨脹、疏松、脫落是電池壽命提前終結的原因之一，而采用較高的裝配壓力可以防止活性物質在深循環(huán)過程中的膨脹。若裝配壓力太低，還會導致隔板過早地與極板分離，引起電液傳輸困難，電池內阻迅速增大，容易導致蓄電池壽命終止。因此，采用較高的裝配壓力是電池具有長循環(huán)壽命的保證。
（9）溫度的影響
高溫對蓄電池失水干涸、熱失控、正極板柵腐蝕和變形等都起到加速作用，低溫會引起負極失效，溫度波動會加速枝晶短路等等，這些都將影響電池壽命。 在一定環(huán)境溫度范圍放電時，使用容量隨溫度升高而增加，隨溫度降低而減小。在環(huán)境溫度10～45℃范圍內，鉛蓄電池容量隨溫度升高而增加，如閥控密封鉛蓄電池在40℃下放電電量，比在25℃下放電的電量大10%左右，但是，超過一定溫度范圍，則相反，如在環(huán)境溫度45～50℃條件下放電，則電池容量明顯減小。低溫（5℃）時，電池容量隨溫度降低而減小，電解液溫度降低時，其粘度增大，離子運動受到較大阻力，擴散能力降低；在低溫下電解液的電阻也增大，電化學的反應阻力增加，結果導致蓄電池容量下降。其次低溫還會導致負極活性物質利用率下降，影響蓄電池容量，如電池在-10℃環(huán)境溫度環(huán)境溫度下放電時，負極板容量僅達35%額定容量。
通常情況下，若在25℃條件下使用時，蓄電池的壽命為3年，那么30℃條件下使用時，就下降至2.5年；40℃時就下降至1.5年。即以25℃為基準，每升高10℃，其使用壽命縮短一半
四．光伏系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池的設計實踐
根據(jù)光伏系統(tǒng)用蓄電池的工作條件以及對光伏系統(tǒng)用蓄電池性能的特殊要求，結合上述影響蓄電池壽命的因素，在原VRLA蓄電池的基礎上進行了一系列的研究和技術改進，設計開發(fā)了光伏系統(tǒng)專用VRLA蓄電池。具體改進措施包含以下幾方面：
（1）板柵合金：采用了適合與循環(huán)使用鉛銻或者鉛鎘板柵合金，既能防止極板在使用過程中腐蝕增長，又可消除板柵和活性物質的界面上的阻擋層，杜絕了早期容量衰減。其充電效率和深放電后的恢復性能都很理想。由于鎘為有毒元素，現(xiàn)在限制使用。但由于鉛銻合金電池，失水嚴重，現(xiàn)在一般做成開口式蓄電池需要定期補水，需要人員定期維護。
（2）板柵結構：采用了特殊的板柵結構，可防止因板柵增長而導致蓄電池損壞，并增加了板柵的厚度，以延長蓄電池的使用壽命?，F(xiàn)在常用管式正極板柵設計，有限解決了因活性與板柵之間接觸不好的問題。
（3）鉛膏：在正、負鉛膏中，添加能增加導電性的添加劑，如石墨、乙炔黑等，并改進和膏工藝和固化工藝，提高了蓄電池的充電接受能力、過放電后容量恢復能力和深循環(huán)壽命。
（4）裝配壓力：提高了電池的裝配壓力，以提高蓄電池的循環(huán)使用壽命。采用了高強度緊裝配技術，確保蓄電池緊裝配壓力得以實現(xiàn)。
（5）電解液：降低了硫酸電解液的比重，并添加了特殊的電液添加劑，可以降低對極板的腐蝕，減少電液分層的產(chǎn)生，提高了電池的充電接受能力，和過放電性能。
（6）雜質的控制：對各種材料的雜質（如Sb、Fe、Ni等）進行嚴格的控制，特別是合金中雜質的控制，降低了電池的自放電，杜絕了負極總線腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
（7）正負活性物質的配比：針對光伏系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池的充放電特點，調整了正負活性物質的配比，提高蓄電池的循環(huán)壽命。
（8）安全閥：對安全閥還考慮了海拔2500m以上的高原氣候的影響，特別調整了開閉閥壓力，采用專用安全閥。
（9） 電池結構：降低了電池總高度。采用用矮型結構生產(chǎn)，可以大大降低由于電液分層現(xiàn)象導致蓄電池的使用壽命和容量受到不利影響。但由于膠體電池不易出現(xiàn)電解液分層現(xiàn)場，無此限制。
（10）蓄電池各單體電池的一致性：這里提到的一致性不僅是指電池的開路電壓，初期容量，還包括電池的內阻，自放電，以及充電效率等，這就要求足夠的制造精度，即從鉛粉、鑄片、和膏、涂片、固化、化成、干燥裝配、加酸、充電到最后的四項功能檢測都必須控制在較小的公差范圍內，所以采用機鑄、機涂、組立機裝配以及精確注酸是確保電池一致性的可靠保證，盡量減少人為因子。
總結
由于光伏發(fā)電系統(tǒng)用轉化效率低，成本高，以及沒有相應配套的鼓勵發(fā)展的法律法規(guī)，使得光伏系統(tǒng)發(fā)展較慢。但發(fā)展新型能源是大勢所趨，必將高速發(fā)展。而儲能蓄電池目前主要包括鎘鎳蓄電池和鉛酸蓄電池，其中鎘鎳電池正逐步被淘汰。鉛酸蓄電池包括富液式和貧液式，必將在近幾年在光伏發(fā)電系統(tǒng)都得到廣泛的應用。