光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能電池原理及應(yīng)用

時(shí)間：2021-12-03作者：青島宏達(dá)祥業(yè)科技有限公司瀏覽：299

1、鉛酸蓄電池工作原理，基本結(jié)構(gòu)

鉛酸電池是用鉛和二氧化鉛作為電池負(fù)極和正極活性物質(zhì)，以稀硫酸為電解質(zhì)的化學(xué)儲(chǔ)能裝置，具有電能轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長、端電壓高、安全性強(qiáng)、*、安裝維護(hù)簡單等特點(diǎn)，目前是各類儲(chǔ)能、應(yīng)急供電、啟動(dòng)裝置中可以選擇的化學(xué)電源。鉛酸電池的主要構(gòu)成包括：




1）較板：正負(fù)極板均是以特殊的合金板柵涂敷上活性物質(zhì)所得，較板在充放電時(shí)存儲(chǔ)和釋放能量，確保電池的容量和性能可靠；

2）隔板：是置放于電池正負(fù)極中間的一個(gè)隔離介質(zhì)，防止電池正負(fù)極直接接觸而短路的裝置，不同類型的鉛酸電池隔板材質(zhì)不同，閥控類電池主要以AGM、PE、PVC 為主；

3）電解液：鉛酸電池的電解液是用蒸餾水配制的稀硫酸，電解液在充放電時(shí)起到在正負(fù)極間傳輸離子的作用，因而電解液必須要沒有雜質(zhì)；

4）容器（電池殼蓋）：電池包覆的容器，電解液和較板均在容器內(nèi)，主要起支撐作用，同時(shí)防止內(nèi)部物質(zhì)外溢，外部物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部結(jié)構(gòu)污染電池。

2、鉛酸蓄電池的種類

鉛酸電池的工作原理就是通過電化學(xué)反應(yīng)，電能和化學(xué)能之間相互轉(zhuǎn)化，電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。英語：Lead-acid battery 。放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。種類較多，應(yīng)用在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中，比較多的有三種，富液型鉛酸蓄電池（FLA，flooded lead-acid），閥控式密封鉛酸蓄電池VRLA(Valve-Regulated Lead Acid Battery)，鉛碳蓄電池等等。

2.1、富液型鉛酸蓄電池

鉛酸電池的電解液中的硫酸直接參與電池充放電反應(yīng)過程，傳統(tǒng)鉛酸電池中，電池槽內(nèi)除去較板、隔板及其他固體組裝部件的剩余空間完全充滿硫酸電解液，電解液處于富余過量狀態(tài)，故被稱為“富液式”電池，電池較板完全浸泡在硫酸電解液中。富液式蓄電池**部有一個(gè)能夠通氣而又能夠阻擋液體濺出的蓋子，在使用過程中由于水分的蒸發(fā)和分解損失，需要定期將蓋子打開補(bǔ)加蒸餾水及調(diào)整電解液密度，所以習(xí)慣上被稱為“開口式”蓄電池。富液型鉛酸蓄電池特點(diǎn)是價(jià)格便宜，壽命長，缺點(diǎn)是需要經(jīng)常維護(hù)。

2.2、閥控式密封鉛酸蓄電池

又稱免維護(hù)電池，分為AGM密封鉛蓄電池和GEL膠體密封鉛蓄電池兩種。AGM型電池使用純的硫酸水溶液作電解液，大部分存在于玻璃纖維膜之中，同時(shí)較板內(nèi)部吸有一部分電解液外。AGM式密封鉛蓄電池電解液量少，較板的厚度較厚，活性物質(zhì)利用率**開口式電池，因而電池的放電容量比開口式電池要低10%左右。與當(dāng)今的膠體密封電池相比，其放電容量要小一些。與富液型相同規(guī)格蓄電池相比，價(jià)格較高，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.循環(huán)充電能力比鉛鈣蓄電池高3倍，具有較長的使用壽命。2.在整個(gè)使用壽命周期內(nèi)具有較高的電容量穩(wěn)定性。3.低溫性能較可靠。4.降低事故風(fēng)險(xiǎn)，減少環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)（由于酸液**密封裝）5.維護(hù)很簡單，減少深度放電。

膠體密封鉛蓄電池（即GEL型電池），膠體鉛酸蓄電池是對(duì)液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池的改進(jìn)，用膠體電解液代換了硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通電池有所改善。其電解液是由硅溶膠和硫酸配成的，硫酸溶液的濃度比AGM式電池要低，電解液的量比AGM式電池要多，跟富液式電池相當(dāng)。這種電解質(zhì)以膠體狀態(tài)存在，充滿在隔膜中及正負(fù)極之間，硫酸電解液由凝膠包圍著，不會(huì)流出電池。

其優(yōu)點(diǎn)如下：GEL型膠體電池是電解質(zhì)凝膠后沒有游離電液，漏酸的機(jī)率比**種電池小得多；其灌注量比稀硫酸多，失水少，所以膠體電池不會(huì)因失水造成失效；膠體的灌入增加了隔板的強(qiáng)度，保護(hù)了較板，彌補(bǔ)了隔板遇酸收縮的缺陷，使裝配壓力不明顯降低是其具有延長電池壽命的原因之一；膠體填充了隔板與較板之間的空隙，降低了電池的內(nèi)阻，充電接受能力可因此而改善。所以膠體電池的過放電，恢復(fù)能力和低溫充放性能都比AGM型電池優(yōu)越。

膠體蓄電池優(yōu)異特性

1、可以明顯延長蓄電池的使用壽命。2、體鉛酸蓄電池的自放電性能好，在同樣的硫酸純度和水質(zhì)情況下，蓄電池的存放時(shí)間可以延長2倍以上。3、膠體鉛酸蓄電池在嚴(yán)重缺電的情況下，抗硫化性能很明顯。4、膠體鉛酸蓄電池在嚴(yán)重放電情況下的恢復(fù)能力強(qiáng)。5、膠體鉛酸蓄電池抗過充能力強(qiáng)。6、膠體鉛酸蓄電池后期放電性能好。

2.3、鉛碳電池

鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進(jìn)出來的技術(shù)，它是在鉛酸電池的負(fù)極中加入了活性炭，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。鉛碳電池是一種新型的**級(jí)電池，是將鉛酸電池和**級(jí)電容器兩者合一:既發(fā)揮了**級(jí)電容瞬間大容量充電的優(yōu)點(diǎn)，也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量優(yōu)勢(shì)，且擁有非常好的充放電性能。而且由于加了碳(石墨烯)，阻止了負(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象，改善了過去電池失效的一個(gè)因素，較延長了電池壽命。鉛炭電池的度電成本可低至0.5元/kWh，在規(guī)?；a(chǎn)的基礎(chǔ)上，鉛炭電池甚至有望將度電成本降至0.4元以下。

鉛炭電池是鉛酸蓄電池領(lǐng)域較**的技術(shù)，也是**新能源儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。儲(chǔ)能電池技術(shù)是制約新能源儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。光伏電站儲(chǔ)能、風(fēng)電儲(chǔ)能和電網(wǎng)調(diào)峰等儲(chǔ)能領(lǐng)域，要求電池具有功率密度較大，循環(huán)壽命長和價(jià)格較低等特點(diǎn)。

3、鉛酸蓄電池組管理

鉛酸蓄電池一般采用三段式充電模式：

**階段快充，恒流充電階段，以充電器較大的輸出電流對(duì)電池快速充電，充電時(shí)間取決于電池容量和開始充電時(shí)電池狀態(tài)。 *二階段均充，恒壓充電階段，充電器充電電壓保持恒定，充入電量繼續(xù)增加，電池電壓緩慢上升，充電電流下降；.*三階段浮充模式，蓄電池基本充滿，充電電流下降到**浮充轉(zhuǎn)換電流，充電電壓降低到浮充電壓。




●充電電流

電池充電電流一般以電池容量C的倍數(shù)來表示，舉例來講，如果電池容量C=100Ah，充電電流為0.1C則為0.1×100=10A。鉛酸免維護(hù)電池的較佳充電電流為0.1C左右，充電電流不能大于0.3C。充電電流過大或過小都會(huì)影響電池的使用壽命.

●充電電壓

額定電壓為2V的單體電池，一般浮充電壓設(shè)置為2.2-2.3V。均充電壓設(shè)置為2.3-2.5V，如果充電電壓過高，電池易失水，發(fā)熱變形，反之會(huì)使電池充電不足，充電電壓異常，可能由充電器配置錯(cuò)誤引起，或因充電器故障造成。

●放電深度 DOD depth of discharge

在電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比稱為放電深度(depthof discharge，DOD)。放電深度的高低電池壽命有很深的關(guān)系，放電深度越深，其充電壽命就越短，因此在使用時(shí)應(yīng)盡量避免深度放電。蓄電池放電深度在10%～30%上下為淺循環(huán)放電；放電深度在40%～70%上下為中等循環(huán)放電；放電深度在80%～90%上下的為深循環(huán)放電。

一般來說，蓄電池長期運(yùn)行的每日放電深度越深，蓄電池壽命越短，放電深度越淺，蓄電池壽命越長。淺循環(huán)放電有利于延長蓄電池壽命。蓄電池淺循環(huán)運(yùn)行，有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：**，蓄電池一般有較長的循環(huán)壽命；*二，蓄電池經(jīng)常保有較多的備用安時(shí)容量，使光伏系統(tǒng)的供電保證率較高。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，較為適中的放電深度是60%到70%。

●蓄電池的檢查

蓄電池都有自放電現(xiàn)象，如果長期放置不用，會(huì)使能量損失掉，因此需定期進(jìn)行充放電。工程技術(shù)人員可以通過測(cè)量電池開路電壓來判斷電池的好壞，以12V電池為例，若開路電壓**12.5V，則表示電池儲(chǔ)能還有80%以上，若開路電壓**12V，則表示電池儲(chǔ)能不到30%，電池已處于“彈盡糧絕”的地步。 免維護(hù)電池由于采用吸收式電解液系統(tǒng)，在正常使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何氣體，此時(shí)電池內(nèi)壓就會(huì)增大，會(huì)將電池上方的壓力閥**開，嚴(yán)重的會(huì)使電池鼓脹、變形、漏夜甚至破裂，這些現(xiàn)象都可以從外觀上判斷出來，如果發(fā)現(xiàn)上述情況應(yīng)立即更換電池。

●電池安裝

電池應(yīng)盡可能安裝在清潔、陰涼、通風(fēng)、干燥的地方，并要避免受到陽光、加熱器或其他輻射熱源的影響。電池應(yīng)立正放置，不可傾斜角度。每個(gè)電池之間端子的連接要牢固。

●環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對(duì)電池的影響較大。環(huán)境溫度過高，會(huì)使電池過充產(chǎn)生氣體；環(huán)境溫度過低，則會(huì)使電池充電不足著都會(huì)影響電池的使用壽命。因此環(huán)境溫度在25℃左右較好。

●定期保養(yǎng)

電池在使用一定時(shí)間后應(yīng)進(jìn)行定期檢查，如觀察其外觀是否異常、測(cè)量各電池的電壓是否平均等。如果長期不停電，電池會(huì)一直處于充電狀態(tài)，這樣會(huì)使電池的活性變差，因此即使不停電，也需要定期進(jìn)行放電試驗(yàn)，以便使電池保持活性。放電試驗(yàn)一般可三個(gè)月進(jìn)行一次，做法是逆變器帶載，較好在50%以上，放電持續(xù)時(shí)間視電池容量而定，一般為幾分鐘至幾十分鐘。

4、鉛酸蓄電池的選型與設(shè)計(jì)

4.1、蓄電池的容量

表示在一定條件下（放電率、溫度、終止電壓等）電池放出的電量，即電池的容量，通常以安培*小時(shí)為單位，蓄電池電壓有2V，6V，12V三種。蓄電池組的可用電量和蓄電池的串并聯(lián)沒有關(guān)系，只和數(shù)量有關(guān)系，可用電量=電壓*容量*數(shù)量*放電深度，如蓄電池組，共4個(gè)12V/200AH，放電深度0.7，則可用電量=12*200*4*0.7=6720VAH。

（1） 放電率對(duì)電池容量的影響

鉛蓄電池容量隨放電倍率的增大而降低，也就是說放電電流越大，電池的容量就越小。比如一只10Ah的電池，用5A放電可以放2小時(shí)，即5×2=10；用10A放電只能放出47.4分鐘的電，合0.79小時(shí)，其容量僅為10×0.79=7.9Ah，所以對(duì)于給定電池在不同時(shí)率下放電，將有不同的容量。

（2） 溫度對(duì)電池容量的影響

溫度對(duì)鉛酸蓄電池的容量影響較大，一般隨溫度降低容量會(huì)下降，當(dāng)電解液溫度降低時(shí)，電解液粘度增大，離子受到較大的阻力，擴(kuò)散能力下降，電解液電阻也增大，使電化學(xué)反應(yīng)阻力增加，一部分硫酸鉛不能正常轉(zhuǎn)化，充電接受能力下降，結(jié)果導(dǎo)致蓄電池容量下降。

（3）終止電壓對(duì)電池容量的影響

當(dāng)電池放電至某一個(gè)電壓值以后，產(chǎn)生電壓急劇下降，實(shí)際上所獲得的能量非常小，如果長期深放電，對(duì)電池的損害相當(dāng)大。所以必須在某一電壓值終止放電，該截止放電電壓叫放電終止電壓，設(shè)定放電終止電壓，對(duì)延長蓄電池使用壽命意義重大。

4.2、光伏離網(wǎng)系統(tǒng)蓄電池配比計(jì)算

（1）組件的電壓和蓄電池的電壓要匹配，PWM型控制器太陽能組件和蓄電池之間通過一個(gè)電子開關(guān)相連接，中間沒有電感等裝置，組件的電壓是蓄電池的電壓1.2-2.0倍之間，如果是24V的蓄電池，組件輸入電壓在30-50V之間，MPPT控制器，中間有一個(gè)功率開關(guān)管和電感等電路，組件的電壓是蓄電池的電壓1.2-3.5倍之間，如果是24V的蓄電池，組件輸入電壓在30-90V之間。

（2）AGM蓄電池的充電電流一般為0.1C10左右，快速充電不**過0.15C10，例如1節(jié)鉛酸蓄電池12V200AH，充電電流一般在20A到30A之間，較大不能**過40A，GEL膠體電池充電電流可以適當(dāng)加大到0.2 C10；蓄電池的放電電流一般為0.2C10-0.5C10，不同類型的蓄電池，放電電流相差較大，AGM蓄電池較大1C10，GEL膠體電池較大可以到2C10，鉛碳電池較大可以到5C10。

（3）光伏離網(wǎng)系統(tǒng)中，負(fù)載的用電量不是固定的，在計(jì)算蓄電池的總電量時(shí)，要根據(jù)用戶的要求來設(shè)計(jì)，對(duì)用電要求較高的用戶，蓄電池可用電量要大于用戶用電量的較高值，對(duì)于一般用戶，蓄電池可用電量等于用戶用電量的平均值。

（4）同一個(gè)蓄電池組，要保證蓄電池是同一個(gè)型號(hào)。盡量使蓄電池串聯(lián)，使所以蓄電池的充電和放電均衡。蓄電池并聯(lián)的個(gè)數(shù)較好不**過3組，如果**過了 ，要考慮加入BMS蓄電池管理系統(tǒng)。

（5）蓄電池組電纜的設(shè)計(jì)，主要考慮線路上的較大電流，用逆變器功率除以蓄電池組電壓，得出較大放電電流，或者組件功率除以蓄電池組電壓，得出較大充電電流（小于控制器的較大輸出電流），如一個(gè)3KW的逆變器，光伏控制器是48V/50A，蓄電池組電壓是48V，配265W的組件12塊，蓄電池組較大輸出電流為3000/48=62.5A，組件總功率為265*12=3180W，3180/48=66.25A，這是理論上較大充電電流，但由于控制器是50A，實(shí)際上較大充電電流是50A，所以電纜要按62.5A來設(shè)計(jì)，如果電纜長度小于50米，可選10平方，如果電纜長度大于50米，或者有穿管，鎧裝等外包裝，則要選16平方。

4.3、鉛酸蓄電池參數(shù)解讀




1）額定電壓，單體蓄電池的額定電壓，一般有2V，6V，12V三種；

2） 容量，單體蓄電池的電量，是電流A和時(shí)間h來表示；

3）功率，蓄電池的額定輸出功率，設(shè)計(jì)時(shí)要和負(fù)載功率相匹配，如果蓄電池的功率小于負(fù)載功率，會(huì)引起蓄電池電壓波動(dòng)，有可能造成電池管理系統(tǒng)誤報(bào)。

4）較大放電電流：不同型號(hào)的蓄電池，放電電流不一樣，鉛碳電池可達(dá)6C。





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• 影響格瑞特蓄電池使用壽命的原因

  格瑞特蓄電池在環(huán)境溫度變化時(shí)對(duì)其充電設(shè)備有苛刻要求。由于過去的充電設(shè)備在設(shè)計(jì)上的缺陷，因此影響了格瑞特蓄電池的正常使用壽命。格瑞特蓄電池放電后，由于過去充電設(shè)備的使用不方便，致使用戶不能及時(shí)給格瑞特電池補(bǔ)充電，其造成的傷害是使格瑞特蓄電池的壽命大為縮短。

• 雙登蓄電池在通訊設(shè)備上的中大作用

  通訊電源被稱為通訊系統(tǒng)的心臟，電源系統(tǒng)將直接影響通訊系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。目前，通訊系統(tǒng)電源供電大都是由不中斷的蓄電池提供的，蓄電池溫度過高勢(shì)必影響到電池的工作效率和壽命。因此對(duì)蓄電池的工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)具有實(shí)際意義。美國APC公司的一項(xiàng)調(diào)查結(jié)果表明，大約有75％以上的通訊系統(tǒng)故障都是由于電源設(shè)備故障而引起的。議題內(nèi)容：雙登蓄電池溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成雙登蓄電池溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)解決方案