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1、 7 3 2光伏蓄电池 光伏系统中蓄电池是用来储存电能的部件 在蓄电池中 电能被转化为化学能 这就是蓄电池充电的过程 当太阳能电池给蓄电池充电完毕 负载开始用电的时候 蓄电池中的化学能就开始转换为电能 这就是蓄电池的放电过程 目前最常用的是铅 酸蓄电池和碱性镍 镉蓄电池 固定式铅 酸蓄电池性能稳定 价格较低 容量较大 所以使用相当广泛 密封铅 酸蓄电池由于具有不泄漏酸液 运输和维护方便等优点 在中小型光伏系统中普遍使用 镍 镉蓄电池具有耐过充放 低温性能好 循环寿命长等优点 但是价格较高 所以一般只在为重要负载供电的系统中使用 目前在光伏系统中常用的蓄电池基本上是密封铅酸蓄电池 为什么 因为这
2、种电池非常便宜 但是 因为这种电池是密封免维护的 与以往的开口式铅酸蓄电池相比 不能人工加水 加酸 并在线测试电池电解液的温度 比重 电压来切实维护 所以这种铅酸密封免维蓄电池对充电制度和放电制度要求极为精细严格 再也不能用过去那种粗放式的简单充放电方法来管理蓄电池了 所以现在蓄电池技术专家们已经研究出更加科学安全的充放电制度来 比如PWM 脉宽调制 充电技术 就非常好 而且充放电控制器也嵌入了单片计算机系统对受控蓄电池组进行严密监控 温度自动控制的化成冷却水槽 2V系列200AH单体 储能电池及器件是太阳能光伏发电系统不可缺少的存储电能的部件 其主要功能是存储光伏发电系统的电能 并在日照量不
3、足 夜间以及应急状态时为负载供电 本章主要介绍太阳能光伏发电系统中常用的几种储能电池及器件 重点介绍在太阳能光伏发电系统中大量使用的阀控型免维护铅酸蓄电池 太阳能光伏发电系统对所用蓄电池组的基本要求如下 自放电率低 使用寿命长 深放电能力强 充电效率高 少维护或免维护 工作温度范围宽 价格低廉 目前我国与太阳能光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池 配套200Ah以上的铅酸蓄电池 一般选用固定式或工业密封免维护铅酸蓄电池 配套200Ah以下的铅酸蓄电池 一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池 铅酸蓄电池的结构和工作原理 1 铅酸蓄电池的基本概念 1 蓄电池充电 蓄电池充电是指通过外电路给蓄电池
4、供电 使电池内发生化学反应 从而把电能转化成化学能而存储起来的操作过程 2 过充电 过充电的意思是指对已经充满电的蓄电池或蓄电池组继续充电 3 放电 放电是指在规定的条件下 蓄电池向外电路输出电能的过程 4 自放电 蓄电池的能量未通过外电路放电而自行减少 这种能量损失的现象叫自放电 5 活性物质 在蓄电池放电时发生化学反应从而产生电能的物质 或者说是正极和负极存储电能的物质统称为活性物质 6 放电深度 放电深度是指蓄电池在某一放电速率下 电池放电到终止电压时实际放出的有效容量与电池在该放电速率的额定容量的百分比 放电深度和电池循环使用次数关系很大 放电深度越大 循环使用次数越少 放电深度越小
5、循环使用次数越多 经常使电池深度放电 会缩短电池的使用寿命 7 极板硫化 在使用铅酸蓄电池时要特别注意的是 电池放电后要及时充电 如果蓄电池长时期处于亏电状态 极板就会形成PbS04晶体 这种大块晶体很难溶解 无法恢复原来的状态 将会导致极板硫化无法充电 8 相对密度 相对密度是指电解液与水的密度的比值 相对密度与温度变化有关 25 时 充满电的电池电解液相对密度值为1 265g cm3 完全放电后降至1 120g cm3 每个电池的电解液密度都不相同 同一个电池在不同的季节 电解液密度也不一样 大部分铅酸蓄电池的密度在1 1 1 3g cm3范围内 充满电之后一般为1 23 l 3g cm3
6、 2 铅酸蓄电池的基本结构铅酸蓄电池主要由正极板 负极板 电解质 隔板 电池槽 电池盖 跨桥 安全阀 接线端子等组成 电池可组装成2V 6V 12V等形式 电池每2V为一个单位 1 正极板 正极板是指铅酸蓄电池的阳极板 是发生氧化反应的电极 它是以结晶紧密 疏松多孔的二氧化铅作为存储电能的活性物质 正常颜色为红褐色 铅酸蓄电池的每个单元也分为正极和负极 阳极是放电时的负极 充电时的正极 2 负极板 负极板是铅酸蓄电池的阴极 是发生还原反应的电极 它是以海绵状的金属铅作为存储电能的物质 正常颜色为深灰色 负极板是放电时的正极 充电时的负极 3 电解质 铅酸蓄电池的电解液是稀硫酸溶液 胶体蓄电池的
7、电解质是一定浓度的硫酸和硅凝胶的胶体电解质 电解质在铅酸蓄电池中的作用是 参加电化学反应 传导溶液的正负离子 扩散极板在反应时产生的温度 电解质是影响电池容量和使用寿命的主要因素 4 隔板 隔板分为玻璃纤维隔板 微孔橡胶隔板 塑料隔板等 隔板的作用是吸收电解液 并将正负极板隔开而互不短路 隔板可以防止极板的弯曲和变形 防止活性物质的脱落 降低电池的内阻 因此隔板材料要有足够的机械强度和多孔性 还要有良好的绝缘性能和耐酸性 亲水性 5 电池槽 盖 电池槽 盖就是蓄电泡的外壳 它为整体结构 壳内由隔壁分成3个或6个互不相通的单格 格子底部有突起的筋条 用来搁置极板组 筋条间的空隙用来堆放从极板上脱
8、落下来的活性物质 以防止极板短路 外壳材料要保证电池密封 有优良的耐腐蚀 耐热和耐机械力性能 一般选用硬橡胶或ABS工程塑料 6 跨桥 跨桥的作用是并联电池单体的所有正负极板 以确保电池的容量并传导电流 跨桥的材料是耐腐蚀铅合金 7 安全阀 安全阀的作用是维持电池正常的内部压力 防止外界空气和杂质的进入 安全阀一般用三元乙丙橡胶制作 8 接线端子 接线端子的作用是实现电池与外界的连接 传导电流 接线端子的材质一般是铜材镀银 3 铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池的工作过程就是通过电化学反应将电能转化为化学能 再将化学能转化为电能的过程 其电化学反应过程如下 铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆反应
9、理论比较复杂 目前公认的是 双硫酸化理论 该理论的含义为铅酸电池在放电后 两电极的活性物质和硫酸发生作用 均转变为硫酸化合物 硫酸铅 充电时又恢复为原来的铅和二氧化铅 VRLA蓄电池又称 贫液蓄电池 蓄电池采用负极板富余容量设计 使氢气析出时电位提高 使正极出现氧气先于负极出现氢气 充电时 正极析出的氧气 通过玻璃纤维隔板传送到负极表面与氢气结合为水 从而有效控制水的电解 减少电解液的消耗 因此失水量很小 所以无需加水加酸 电池容量 电池在一定条件下所能给出的电量称为电池的容量 符号 C单位 Ah mAh 额定容量也叫保证容量 按有关标准保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度容量比容量是单
10、位体积或单位质量电池所能给出的电量 其单位为Ah Kg或Ah l 可以用于比较不同系列的电池 电池内阻电池内阻包括 欧姆内阻和极化内阻 内阻的存在使电池放电时的端电压 电池的电动势和开路电压 充电时端电压高于电动势和开路电压 内阻值不是常数 欧姆内阻遵守欧姆定律 极化内阻随电流密度增加而非线性变大 电池的使用寿命电池使用寿命 在规定条件下 电池的有效寿命期限称为电池的使用寿命 电池的使用寿命包括 使用期限和使用周期 使用期限指电池可供使用的时间 包括电池的存放时间 使用周期是指蓄电池可供重复使用的次数 2铅酸蓄电池的型号识别 根据JB2599 85部颁标准的有关规定 铅酸蓄电池的名称由单体蓄电
11、池的格数 型号 额定容量 电池功能和形状等组成 通常分为三段表示第一段为数字 表示单体电池的串联数 每一个单体蓄电池的标称电压为2V 当单体蓄电池串联数 格数 为1时 第一段可省略 6V 12V蓄电池分别用3和6表示 第二段为2 4个汉语拼音字母 表示蓄电池的类型 功能和用途等 第三段表示电池的额定容量 典型产品系列介绍 产品型号组成及代表意义2GFM XXXX 10小时率额定容量 密封 阀控式 固定型 单体个数 GFM 800表示为1个单体电池 标称电压为2V 固定式阀控密封型蓄电池 10小时率额定容量为800Ah 6 GFMJ 120表示有6个单体电池串联 标称电压为12V 固定式阀控密封
12、型胶体蓄电池 10小时率额定容量为120Ah 虽然各蓄电池生产厂家的产品型号有不同的解释 但产品型号中的基本含义不会改变 通常都是用上述方法表示 3铅酸蓄电池常用技术术语 1 蓄电池的容量 处于完全充电状态下的铅酸蓄电池在一定的放电条件下 放电到规定的终止电压时所能给出的电量称为电池容量 以符号C表示 常用单位是安时 Ah 通常在C的下角处标明放电时率 如Cl0表明是10小时率的放电容量 C60表明是60小时率的放电容量 电池容量分为实际容量和额定容量 实际容量是指电池在一定放电条件下所能输出的电量 额定容量 标称容量 是按照国家或有关部门颁布的标准 在电池设计时要求电池在一定的放电条件下 如
13、在25 环境下以10小时率电流放电到终止电压 应该放出的最低限度的电量值 2 放电率 根据蓄电池放电电流的大小 放电率分为时间率和电流率 时间率是指在一定放电条件下 蓄电池放电到终了电压时的时间长短 常用时率和倍率表示 根据IEC标准 放电的时间率有20小时率 10小时率 5小时率 3小时率 1小时率 0 5小时率 分别标示为20h 10h 5h 3h 1h 0 5h等 电池的放电倍率越高 放电电流越大 放电时间就越短 放出的相应容量越少 3 终止电压 终止电压是指在蓄电池放电过程中 电压下降到不宜再放电时 非损伤放电 的最低工作电压 为了防止电池不被过放电而损害极板 在各种标准中都规定了在不
14、同放电倍率和温度下放电时电池的终止电压 一般10小时率和3小时率放电的终止电压为每单体1 8V 1小时率的终止电压为每单体1 75V 由于铅酸蓄电池本身的特性 即使放电的终止电压继续降低 电池也不会放出太多的容量 但终止电压过低对电池的损伤极大 尤其当放电达到0V而又不能及时充电时将大大缩短蓄电池的寿命 对于太阳能光伏发电系统用的蓄电池 针对不同型号和用途 放电终止电压设计也不一样 终止电压视放电速率和需要而规定 通常 小于10h的小电流放电 终止电压取值稍高一些 大于10h的大电流放电 终止电压取值稍低一些 4 电池电动势 蓄电池的电动势在数值上等于蓄电池达到稳定时的开路电压 电池的开路电压
15、是无电流状态时的电池电压 当有电流通过电池时所测量的电池端电压的大小将是变化的 其电压值既与电池的电流有关 又与电池的内阻有关 5 浮充寿命 蓄电池的浮充寿命是指蓄电池在规定的浮充电压和环境温度下 蓄电池寿命终止时浮充运行的总时间 6 循环寿命 蓄电池经历一次充电和放电 称为一个循环 一个周期 在一定的放电条件下 电池使用至某一容量规定值之前 电池所能承受的循环次数 称为循环寿命 影响蓄电池循环寿命的因素是综合因素 不仅与产品的性能和质量有关 而且还与放电倍率和深度 使用环境和温度及使用维护状况等外在因素有关 7 过充电寿命 过充电寿命是指采用一定的充电电流对蓄电池进行连续过充电 一直到蓄电池
16、寿命终止时所能承受的过充电时间 其寿命终止条件一般设定在容量低于10小时率额定容量的80 8 自放电率 蓄电池在开路状态下的储存期内 由于自放电而引起活性物质损耗 每天或每月容量降低的百分数称为自放电率 自放电率指标可衡量蓄电池的储存性能 9 电池内阻 电池的内阻不是常数 而是一个变化的量 它在充放电的过程中随着时间不断的变化 这是因为活性物质的组成 电解液的浓度和温度都在不断变化 铅酸蓄电池的内阻很小 在小电流放电时可以忽略 但在大电流放电时 将会有数百毫伏的电压降损失 必须引起重视 电池内阻严重影响电池工作电压 工作电流和输出能量 因而内阻越小的电池性能越好 10 比能量 比能量是指电池单位质量或单位体积所能输出的电能 单位分别是Wh kg或Wh L 比能量有理论比能量和实际比能量之分 前者指1kg电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量 实际比能量为1kg电池反应物质所能输出的实际能量 由于各种因素的影响 电池的实际比能量远小于理论比能量 比能量是综合性指标 它反映了蓄电池的质量水平 也表明生产厂家的技术和管理水平 常用比能量来比较不同厂家生产的蓄电池 该参数对于太阳能光伏发电
