太阳能光伏发电系统原理与应用技术 教学课件 ppt 作者 何道清 何涛 丁宏林 编第4章 蓄电池

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1、第4章 光伏蓄电池,何 道 清 编制 2011.12,第4章 光伏蓄电池,光伏蓄电池电能化学能,第4章 光伏蓄电池,光伏发电系统中，蓄电池是重要组成部件。由于太阳光 变化无常，光伏发电系统的功率输出也变化无常，因此光 伏发电系统产生的电能需要蓄电池进行储存和调节。在日 照不足发电很少或需要维修光伏发电系统时，蓄电池也能 够提供相对稳定的电能。蓄电池的投资占系统总投资的 20%25%。蓄电池的合理选择、正确使用和维护等，是光 伏发电系统设计和运行、管理中至关重要的问题。,4.1 光伏蓄电池概述,4.1.1 蓄电池简介 化学电池是将化学能转换为电能的装置，分为原电池和 蓄电池两大类。 原电池的活性

2、物质只能利用一次，放完电后废弃，又称 一次电池。蓄电池放电后可以用与放电电流相反的电流进行 充电，重新获得复原而再次使用，又称二次电池，能量转换 过程是可逆的。 电能 化学能,4.1 光伏蓄电池概述,4.1.1 蓄电池简介 蓄电池的分类：铅酸蓄电池；镉镍（NiCd）蓄电池；氢 镍（NiMH）蓄电池；锂离子（Liion）蓄电池。 蓄电池的主要技术指标：工作电压，放电曲线上的平台 电压；蓄电池容量，常用安时（Ah）或毫安时（mAh）表 示；工作温区，正常放电温度范围；循环寿命，正常工作 的充、放电次数。 蓄电池的特性曲线：充电曲线；放电曲线；充放电循环 曲线；温度曲线；储存曲线；等 光伏发电系统使

3、用最普遍的是阀控密封式铅酸蓄电池 （Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLA）。,4.1 光伏蓄电池概述,4.1.2 铅酸蓄电池的基本概念 （1）单体蓄电池 单体蓄电池指蓄电池的最小单元（格）。 （2）蓄电池组 蓄电池组由单体蓄电池串联和并联组成，以满足存储大 容量电能的需要。其作用是储存太阳电池方阵发出的电能 并随时向负载供电。 （3）电池充电 电池充电是外电路给蓄电池供电，使电池内发生化学反 应，从而把电能转化成化学能而储藏起来的操作。 （4）过充电 过充电是对完全充电的蓄电池或蓄电池组继续充电。,4.1 光伏蓄电池概述,（5）热失控 热失控是指蓄电池在

4、恒压充电时充电电流和电池温度发 生一种积累性的增强作用并逐步损坏蓄电池现象。VRLA蓄 电池过充时正极产生的大量氧气在负极复合，复合反应产 生的热使蓄电池温度进一步升高。温度升高又使电池内阻 下降，导致浮充电流增大。这样，增大的浮充电流使蓄电 池温度升高，升高的温度又使浮充电流增大，如此反复形 成恶性循环热失控。 VRLA铅酸蓄电池“热失控”故障的原因： 电池失水； 单格电池提前失效故障； 充电器与铅酸蓄电池组不匹配（充电电压过高 ）； 电池的氧循环气路过于畅通。,4.1 光伏蓄电池概述,（6）放电 在规定的条件下，电池向外电路输出电能的过程。 （7）活性物质 在电池放电时发生化学反应从而产生

5、电能的物质，或者 说是正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。 （8）板极硫化 电池放电后未及时充电，或长时期处于半放电或充电不 足，甚至过充电情况下或者长时间充电和放电都会形成难 溶的PbSO4晶体，无法恢复原来的状态板极硫化。板极 硫化导致充电困难或电池失效。,4.1 光伏蓄电池概述,（9）容量 容量是在规定的放电条件下电池输出的电荷。其单位常 用安时(Ah)表示。 能量和比能量 能量 蓄电池的能量是指在一定放电制下，蓄电池所能 给出的能量，通常用W表示，其单位为瓦时（Wh）。 理论能量可以用理论容量和电动势的乘积表示； 实际能量为一定放电条件下的实际容量与平均工作电压的 乘积。 比能量

6、蓄电池的比能量是单位体积或单位重量（质 量）的蓄电池所给出的能量，分别称为体积比能量(Wh/L) 和重量比能量（Wh/kg）。,4.1 光伏蓄电池概述,功率和比功率 功率 蓄电池的功率是指蓄电池在一定放电制下，在单 位时间内所给出的能量的大小，通常用P表示，单位为瓦 （W）。 理论功率为一定放电条件下的放电电流与蓄电池电动势 的乘积; 实际功率为一定放电条件下的放电电流与平均工作电压 的乘积。 比功率 是指单位体积或单位质量的蓄电池输出功率， 分别称为体积比功率（W /L）和质量比功率（W /kg）。 比功率是蓄电池的重要的技术性能指标，蓄电池的比功 率大，表示它承受大电流放电的能量强。,4.

7、1 光伏蓄电池概述,（10）相对密度 相对密度是指电解液与水的密度的比值，用来检验电解 液的强度。相对密度与温度变化有关。25时，满充的电 池电解液相对密度值为1.265。密封式电池，相对密度值无 法测量。纯酸溶液的密度为1.835g/cm3，完全放电后降至 1.l20g/cm3。 大部分铅酸电池的密度在1.11.3 g/cm3范围内，满充之后 一般为1.231.3 g/cm3。 高温或者低温中的电池，相对密度也会受影响。,4.1 光伏蓄电池概述,（11）运行温度 温度对电池性能影响很大。 电池运行一段时间，就感到烫手，铅酸电池具有很强的 发热性。当运行温度超过25，每升高10，铅酸电池的 使

8、用寿命就减少50%。所以电池的最高运行温度应比外界 低，运行温度变化超过5时应带温度补偿充电措施。电 池温度传感器应安装在阳极上，且与外界绝缘。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,4.2.1 铅酸蓄电池的结构 结构：铅蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解 液组成。 活性物质： 正极，PbO2， 负极，Pb； 电解液：H2SO4 电化学反应同时， e、H、HSO4 不断产生，不断 复合。,图4-1 VRLA蓄电池的基本结构,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,1.极板 极板由板栅和活性物质组成。板栅是极板的骨架，用于 支撑活性物质，传导电流。 （1）正极板(阳极) 阳极指发生氧化反应的电极。铅

9、酸蓄电池的阳极板就是 正极。它是以结晶细密、疏松多孔的二氧化铅作为储存电 能的活性物质，正常为红褐色，铅酸蓄电池的每个单元也 分正极和负极，阳极是放电时的负极，充电时的正极。 （2）负极板(阴极) 负极指发生还原反应的电极。负极板是放电时的正极， 充电时的负极。负极(阴极板)是以海绵状的金属铅作为储存 电能的物质，正常为灰色。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,2.隔板 在电池两极板组间插入的隔离物，防止正、负极板相互 接触而发生短路和活性物质脱落。 隔板由防止渗透离子的材料制成，主要有AGM（超细玻 璃纤维）隔板和PVC-SiO2隔板两类 3.容器 容器用于盛装电解液和支撑极板， 硬橡胶式及

10、塑料槽。 4.电解液 含有可移动离子，具有离子导电性的液体或固体物质叫 做电解液。一般为稀硫酸，有一部分做成胶体。 电解液在铅酸蓄电池中的作用是：参加电化学反应；溶液 正、负离子的传导体；极板温升的热扩散体。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,4.2.2铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池由两组极板插入稀硫酸溶液中构成。电极在 完成充电后，正极板为二氧化铅，负极板为海绵状铅。放 电后，在两极板上都产生细小而松 软的硫酸铅，充电后又恢复为原来 物质。 铅酸蓄电池在充电和放电过程中 的可逆反应理论比较复杂，目前公 认的是“双硫酸化理论”，其含义： 放电时，两电极的有效物质和硫酸 发生作用，均转化为硫酸

11、化合物 硫酸铅；充电时，又恢复为原来的 铅和二氧化铅，如图4-1（b）所示。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,1.铅酸蓄电池电动势的产生 铅酸蓄电池充电后，正极板的PbO2在硫酸溶液中水分子 的作用下，少量与水生成可离解的不稳定物质氢氧化 铅(Pb(OH)4)，氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4+ ）留在 正极板上，因此正极板上缺少电子。同时负极板的Pb与电 解液中的H2SO4发生反应，变成铅离子（Pb2+），铅离子 转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子(2e)。可 见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正 极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了 一定的电位差，这

12、就是电池的电动势。铅酸蓄电池单体 （格）的电动势为2.0V。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,2.铅酸蓄电池充、放电过程的电化学反应 蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质和电解液同时 参加化学反应。铅酸蓄电池充、放电化学反应的方程式如 下: 正极 电解液 负极 正极 水 负极 放电过程：PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4+2H2O+PbSO4 充电过程：PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4+2H2O+PbSO4 化学反应的同时，有电子和离子的产生。 正极：PbO2+H2SO4PbSO4+H2O 负极：Pb+H2SO4PbSO4+H2 总反应：PbO2+2H2SO4+

13、Pb 2PbSO4+2H2O,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,铅酸蓄电池在充、放电过程伴随着的副反应为 2H2O 2H2+ O2 2Pb+ O2 2PbO PbO+H2SO4 PbSO4 +H2O 该反应使电池中水分逐渐损失，需不断补充纯水才能保 持正常使用。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,4.2.3 铅酸蓄电池的分类和命名 1.铅酸蓄电池的分类 （1）按照电解液数量和电池槽结构分类 传统开口式铅酸蓄电池：开口半密封式结构，电解液处 于富液状态，使用过程中需要加水调节酸密度； 阀控密封式铅酸蓄电池（Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLA）：全密封式结

14、构，电解液为贫液状态， 使用过程中不需要进行加水或加酸维护“免维护”。 AGM电池：主要采用AGM（玻璃纤维）隔板，电解液 被吸附在隔板孔隙内； GEL电池：主要采用PVC-SiO2隔板，电解质为已经凝胶 的胶体电解质。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,表4-1 AGM电池与GEL电池结构比较,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,表4-2 AGM电池与GEL电池性能比较,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,（2）按照电池的用途分类 循环和启动使用电池：铁路电池、汽车电池、太阳能 电池、电动车电池、牵引电池等类型。 浮充使用电池：浮充电池主要是后备电池。 （3）按照电池的使用环境分类 固定型电池：

15、主要用于后备电源，广泛用于邮电、电站 和医院等，最大要求是安全可靠，因其使用固定在一地 方，重量不是关键问题。 移动型电池：主要有内燃机车用电池、铁路客车用电 池、摩托车用电池、电动汽车及牵引车用电池等。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,2.蓄电池的命名方法、型号组成及其代表意义 蓄电池名称由单体蓄电池格数、型号、额定容量、电池 功能或形状等组成(图4-2)。当单体蓄电池格数为1时(2V)省 略，6V、12V分别为3和6。各公司的产品型号有不同的解 释，但产品型号中的基本含义相同。表4-3为常用字母的含 义。,图4-2 蓄电池名称的组成,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,表4-3 蓄电池常用

16、字母的含义,例：GFM-500，1个单体，G为固定型，F为阀控式，M为密封，500为 10小时率的额定容量；6-GFMJ-100，6为6个单体，电压12V，G为固定 型，F为阀控式，M为密封，J为胶体，100为10小时率的额定容量。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,广泛应用于太阳能、风能发电系统，太阳能路灯，广告 箱等领域的蓄电池型号、规格如表4-4、表4-5所示，供选用 参考。,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,表4-4 12V系列免维护铅酸蓄电池,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,表4-5 12V系列胶体蓄电池,4.2 铅酸蓄电池结构和工作原理,4.2.4 蓄电池的性能参数（铅酸蓄电池） 1.蓄电池的电压 （1）蓄电池电动势（E） 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，它是由蓄电池电极的活性物质与电解质的电化学特 性决定的。 铅酸蓄电池的电动势与硫酸 密度的关系如图4-3