太阳能光伏应用中的蓄电池研究_陈维.pdf

作者简介 陈 维 1977 - ,男 ,湖北 人 , 中国科技大学热科学和能源工程系博士生 , 研究方向 太阳 能光伏应用 ;沈 辉 1956 - ,男 ,江苏 人 , 中山大学太阳能系统研究所教授 , 研究方向 太阳能光伏应 用 ,本文联系人 。基金项目 国家 “ 十五 ” 攻关项目 2004BA411A09 , 2004BA411A19 , 广东省科技计划项目 2004A11005002太阳能光伏应用中的蓄电池研究陈 维 1, 2 ,沈 辉 1 1. 中山大学太阳能系统 研究所 , 广东 广州 510275; 2. 中国科技大学 热科学和能源工程系 ,安徽 合肥 230026摘要 分析了在光伏应用中的 蓄电池 的主 要特点 , 并 阐述 了当前 在太 阳能光 伏系 统中主 要使 用的 蓄电 池是 铅酸 、 Cd/ Ni、M H/ Ni 电池 ,分析和比较了价格 、 充放电效率 、 自放电和 寿命等基本 性能 , 对于 光伏系统 中对蓄 电池的 性能和 寿命有 重大影响的因素 放电深度 、 充放电电流和工作温度等 进行了 分析 。关键词 光伏系统 ; 蓄电池 ; 太阳能中图分类号 TM 914. 4 ,T M 912 文献标识码 A 文章编号 1001- 1579 2006 01- 0067 - 02Application research of storage batteries in photovoltaic systemCHEN Wei 1 , 2 ,SHEN Hui 1 1. Solar SystemResearchInstitute , Sun Yat- Sen University , Guangzhou, Guangdong 510275, China ; 2. Department ofThermal Scienceand Energy Engineering , University of Scienceand Technology of China , Hefei , Anhui 230026, ChinaAbstract T he feature for storagebatteries usedin photovoltaic systemswas described. M ain storagebatteries usedin photovoltaicsystem, such as lead acid, Ni/ Cd and Ni/ M H batteries were described in detail , their main characteristics such as cost, charge-disharge efficiency, self- dischargeandlife time were analyzedand compared. T he influences dischargedepth ,charge- dischargecur-rent ,operating temperature in photovoltaic systems on the performance and lifetime of storagebatteries were studied.Key words photovoltaic system; storage batteries ; solar energy在独立的光伏系统中 ,产 生的电能 不能一 直满足 用电负 载的需求 ,需要用 储能 装置 进行 能量 调节 。 在光 伏系 统中 , 蓄 电池的主要作用 是 ① 储存 能量 。 在 大部 分 独立 光伏 系统 中 , 光伏阵列产能 和负载用 电不 一致 , 在 晚上 或 多云 等情 况下 , 光 伏阵列不能提供足够的能量而用电 负载又 必须工 作时 , 蓄电池 是必要的 。 ② 对太阳 电池 的工 作电 压的 钳位 作用 。 太阳 电池 的工作特性受 太阳辐照 度 、 温度 等影 响很 大 , 太 阳电 池组 件直 接连接负载时 ,负载常常不能 处在最佳 工作点 附近 , 系统 效率低 ,而蓄电池对太阳电池的工作电压 具有钳 位作用 , 能够 保证光 伏阵列处在最佳工 作点 附近 。 ③ 提 供启 动电 流 。 由 于受 到最 大短路电流的限 制 , 光 伏阵 列可 能 不 能满 足 负载 的 启 动电 流 要求 ,而蓄电池能够在短时间内提供大电流给负 载启动 。1 光伏系统中蓄电池的使用环境应用于光伏系 统中 的 蓄电 池与 其他 用途 时的 工作 特点 不同 ,这些特点对蓄电池性能 有很大 的影响 。 光 伏系统 中的蓄 电池工作特点 是 ① 晚上以及 阴 、 雨天放 电 ,白 天充电 , 属 于循环 、浮充混合工作方式 ; ② 充 电倍率 低 , 平均 充电电 流一 般为 0. 01～ 0. 02 C , 很少达到 0. 1～ 0. 2 C[ 1] ; ③ 放电电流小 , 放电倍率通常为 0. 004～ 0. 050 C ,但放电时间长 、 频率高 , 蓄电池长时 间处于放电状态 ,有时候甚至出 现过放 电 ; ④ 相对 于放电时 间来讲 ,一次充电时间较短 ,即使长的时 候也仅 为白天 , 约 10 h, 光 伏系统很少能完全 、 快 速地 给蓄 电池 充满 电 , 蓄电 池往 往会 处于 欠充电状态 ; ⑤ 除大 型光 伏电 站有 专门 的放 置蓄 电池 的房 间 , 能做到较好的维护以外 ,其他 光伏系 统 ,如 太阳能 路灯 、 草坪 灯等使用的蓄电池 ,工 作环 境都 较恶 劣 , 经常 在夏 季高 温和 冬季 低温条件下工作 。2 目前光伏系统中常用的蓄电池2. 1 铅酸蓄电池广泛用于光伏系统中的铅 酸蓄电池 , 主 要是固 定式铅 酸蓄电池 、 工业型 阀控 密 封铅 酸 蓄电 池 及 小型 阀 控密 封 铅酸 蓄 电池 。2. 1. 1 影响铅酸蓄电池寿命的因素作为光伏发电中的关键部 件 ,蓄 电池的 失效和 寿命短 是阻碍光伏独立发电系统推广的 原因之 一 。 光伏发 电系统 中 , 影响第 36 卷 第 1 期2006 年 2 月电 池BAT T ERY BIM ONT HLYVol. 36, N o. 1Feb. , 2006铅酸蓄电池寿命的因素主要有 a. 放电深度 在蓄 电池循 环使 用时 , 寿命 主要 决定 于放 电深度 [ 1] 。 蓄电池正极活 性物 质 PbO2 在 充 放电 过程 中 , 将反 复发生收缩和 膨胀 , 使 PbO2 粒 子逐 渐松 弛 , 易于 从板 栅上 脱落 。随着放电深 度的增加 , 收 缩和 膨胀 的程 度 增大 , 结 合力 的破 坏变大 ,使得蓄电池的循环寿命变短 。b. 长期 欠充电 由于 太阳能 资源的 随机性 , 光伏 系统应 用中的蓄电池常难以得 到完 全 的再 充电 , 往 往处 于欠 充电 状态 ,导致蓄电池发生酸分层 。 极板上 硫酸浓 度的不 同分布 , 将导 致正极板腐蚀和膨胀 ,负极板底部硫酸盐化 [ 2] 。c. 小电流放电 光伏系统中 ,蓄电 池的放电 电流通 常较小 ,根据蓄电池放电时 PbSO4 的 结晶 机理 , 当 电池 小电 流放 电时 ,形成的 PbSO4 晶体颗粒 数目 较少 、 尺寸 较 大 , 再充 电时 会加 速极板的极化 ,影响蓄电池的寿命 [ 3] 。d. 过充 电 过 充电时 , 正 极活性物 质会受 气体的 冲击而 脱落 ,蓄电池寿命缩短 。e. 温度影响 温 度升高 , 会引 起蓄 电池 失水 干涸 、 热 失控 ,影响寿命 。 在设计太阳能光伏系 统时 , 应保证 蓄电池 有良好 的工作环境 ,工作温度控制在 20～ 30 ℃, 能延长 铅酸蓄 电池的 寿命 。2. 1. 2 太阳能光伏系统中铅酸蓄电池的设计板栅材 料对蓄电池的寿命和 性能有 很大的 影响 , 制作板 栅的合金材料通常有低锑和铅钙 合金 。 低 锑合金 板栅抗拉 、 延 展性好 , 与活性物质有较好的结 合力 , 循环 时不易 变形 , 循环性 能良好 ; 铅钙合金板栅析氢电位 高 , 充电时 水的分 解较少 , 适合 于长期浮充使 用 ,但循环性能 差 。 大型光 伏电站 中的蓄 电池一 般处于循环使 用状态 , 选用 低锑 合金 板栅 较 好 , 在小 型光 伏系 统中使用的阀 控密封铅酸 蓄电 池 , 一般使 用 AG M 技术的 铅钙 合金 。 普通阀控密封铅酸蓄电池在 光伏系 统中使 用寿命 不理想 ,为此 ,一些公司在进行太阳能 光伏系统 专用的 胶体铅 酸蓄电 池研究 [ 4 - 5] 。 由于胶体本身的固定 作用 , 胶体铅 酸蓄电 池内部 几乎消除了电 解液的分层 现象 ; 胶 体电池 比 AG M 电池有 更好 的深放电恢复特性 , 在较 高的 环境 温度 下也 有更 长的 使用 寿命 ,更适合太阳能光伏系统使用 。2. 2 Cd/ Ni 电池Cd/ Ni 电池由于生产 工艺 的原 因 , 镉晶粒 较粗 。 如 果电 池在完全放电 之前就重 新充 电 , 镉晶 粒容 易 聚集 成块 , 使 电池 放电时形成次级放电平台 , 具有记忆效应 。 Cd/ Ni 电池 的废弃物 ,会对环境造成污染 。2. 3 M H/ Ni 电池MH/ Ni 电池的比能量密度高 , 理论 上是 Cd/ Ni 电池 的 1. 5～ 2倍 。 M H/ Ni 电池的规格指标 和 Cd/ Ni 电池 大体一 致 ,在 性能上也有不少相同的地方 。 与铅酸蓄电池相比 , M H/ Ni 电池 和Cd/ Ni 电池的放电 电 压更 平稳 , 一般 标称 1. 2 V 的 M H/ Ni 电池 ,可在 1. 2 V 以上释放 85的电量 。3 太阳能光伏系统中常用蓄电池的比较太阳能 光伏 系统对 蓄电 池的要 求是 价 格低 、 充放 电效 率高 、 自放电低 、 寿命长和维护少 。 以下从 几个方 面 ,对 在光伏 系统中常用的蓄电池进行了比较 ,见表 1。M H/ Ni电池和 Cd/ Ni 电池有相 对简单的充 放电控制 电路 ,表 1 光伏系统用蓄电池的比较Table 1 Comparision of storagebatteries used in photovoltaic system蓄电池种类比能量/ Wh kg - 1价格/ 元 Wh - 1效率/ 循环寿命/ 次Cd/ Ni 50 1. 4 ～ 1. 8 67 ～ 75 500M H/ Ni 60 2. 4 ～ 2. 6 55 ～ 65 700锂离子 100 4. 0 ～ 4. 5 95 1 000小型阀控密封铅酸 30 0. 6 ～ 0. 8 90 400 11 80 放电深度时的寿命都具有一定的耐过放能力 ,能够完 全放电 。 在完全放电 终止电压 1. 0～ 1. 1 V 、 深循环的条件下 , 也有很好 的寿命 。 当应 用于太阳能草坪灯 时 , 只 需要 为 系统 设 计 合适 的 太阳 能 电池 板 容量 , 而不需要过充 、 过放电保 护电路 , 这使 得系统 成本降 低 。 锂离子电池的效率最高 ,为 95 ;Cd/ Ni 电池为 67～ 75; MH/Ni 电池只有 66 , 相对 于铅酸 蓄电 池的 90 明显 偏低 。 锂 离子电池的寿命最长 ,M H/ Ni 电池和 Cd/ Ni 电池的循环使用 寿命也长于小型阀控密封 铅酸蓄 电池 。 M H/ N i 电池 和 Cd/ Ni 电 池的自放电率比较高 ,而在光伏 系统中 常用的 固定式 和密封 铅酸蓄电池的自放电率只有 5/ 月 。 M H/ Ni 电 池和 Cd/ Ni 电 池具有较好的低温放电特性 ,即使是在 - 20 ℃ 的环境温度下 , 采用 1C 放电 ,M H/ Ni 电池 放出 的容 量也 能达 到标 称容 量的 85 以上 , 因此在高寒地带使用的 光伏系 统 ,一 般使用 M H/ Ni 电 池和Cd/ Ni 电池 。4 结语在独立太阳能光伏系统中 , 蓄电 池是仅 次于太 阳电池 组件的重要组成部分 ,也是对 系统性能 可靠性 影响最 大的部 分 。 蓄电池的成本在光伏 系统 的寿 命期 内 , 若考 虑更 换成 本 , 与太 阳电池组件相差不大 。 发展新的 储能技术 和先进 的控制 技术 , 是降低光伏 系统成本 的重 要途 径 。 目 前还 没有 一种 蓄电 池适 合所有的光伏系统 ,也有许 多因素影 响蓄电 池的选 择和性 能 。 在现阶段 ,考虑到高 的性 价比 和可 靠性 , 铅 酸蓄 电池 是应 用最 广泛的 ,在某些场合 , M H/ Ni 电池和 Cd/ Ni 电池将有很好的应用 。参考文献 [ 1] Spiers D J, Rasinkoski A D. 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