通信太阳能供电系统对储能用蓄电池的技术要求.pdf

www.batterychn.com2010 No.3 Vol.47收稿日期 2009- 11- 07实验研究1 前言太阳能技术在通信基站的广泛应用，不仅有助于节约资源，还有助于通信网络的大规模覆盖，由于村村通工程的大部分地区自然条件恶劣，现有电网不完善或者无市电可用，太阳能电源系统在国内开始得到较大的发展 。目前，国内的太阳能电源系统大部分为离网型供电系统，太阳能控制器控制功能简单，主要存在以下问题系统利用效率低，不能让太阳能电池组件输出最大功率；对蓄电池的充 / 放电管理功能较差，蓄电池运行寿命短；控制器对系统的监控和管理功能较差；系统为非模块化设计，扩容改造难度大 。 以上问题是否可以得到有效解决，是否能够提高太阳能系统的利用效率，实现太阳能组件在不同使用条件下的最大功率输出，对太阳能电源系统的发展极其重要 。当前蓄电池在太阳能系统中出现问题较多，已成关注的焦点 。 其实这是对蓄电池要求不清楚造成的，储能用蓄电池不同于起动电池 、 动力电池 、 备用电池 、 工业电池，它有另外的要求耐浅容量循环 、 耐高温或低温能力强，过放电恢复性能好，充电接受能力强，耐低温间歇放电，耐过放或过充 。实践证明，起动电池 、 动力电池 、 备用电池 、 工业电池并不适用于太阳能储能领域 。 本文以通信太阳能供电系统为例，阐述储能用蓄电池的技术要求，对其它应用领域的储能用蓄电池也有参考的价值 。通信太阳能供电系统对储能用蓄电池的技术要求王金生，周庆申（ 山东圣阳电源股份有限公司，山东 曲阜 273100）摘要 讨论了储能用蓄电池作为通信太阳能供电系统的储能电源，在全天候运行时的耐候性问题 。 从放电的温度系数 、 倍率系数 、 充电容量效率 、 充电接受能力等指标分析系统对储能蓄电池的技术要求，给出了储能蓄电池循环寿命的试验方法和要求 。关键词储能蓄电池；胶体蓄电池；太阳能供电系统中图分类号 TM912.7 文献标识码 A 文章编号 1006- 0847201003- 05Abstract The climate endurance of energy storagebatteries used in solar telecom power supply systemisdiscussed in this article. This article analyzesthe technical requirements of energy storagebatteries fromthe points of temperaturecoefficient in discharge, rate coefficient, charge capacityefficiency, charge accep-tance andother factors. Test methodsand demandson cycle life are shownin the article.Key words energystoragebattery; gel battery; solar telecompower supply systemTechnical requirements of energy storage battery in solar telecompower supply systemWANG Jin- sheng,ZHOU Qing- shenShandongSacred Sun Power SourcesCo.,Ltd, Qufu, Shandong273100,China99蓄 电 池ChineseLABAT Man2010 No.3 Vol.472 系统工作原理太阳能供电系统主要是将转换效率达 18 的太阳能电池方阵产生的能量输送到控制器中，再由控制器通过控制太阳能方阵的投入和撤出产生所需要的电压和电流给蓄电池充电，同时通过蓄电池给负载供电，而在晚上或者阴雨天则完全由蓄电池给负载供电 。 由太阳能方阵产生输入电压的最大开路电压为 96 V。 控制器通过对输入功率板的控制产生相应的浮充电压范围和均充电压范围，根据蓄电池的容量和电压状态对蓄电池进行相应的浮充电或均充电，同时给负载供电 。 当蓄电池的电压过高时，输出功率板将使负载脱离以保护负载设备；当蓄电池电压过低时，输出功率板也将切断负载以保护蓄电池，控制器还具有反向放电保护 、 极性反接电路保护等功能 。储能用蓄电池是系统管理核心，太阳能控制器是系统的关键控制部件 。 同时，控制器还具有多种充电接口，便于接入风能发电机 、 市电 、 油机，可以根据基站环境提供多种供电解决方案 。 蓄电池作为系统的储能部件，主要是将太阳能电池和其他能源方式产生的电能存储起来方便供电 。图 1 风能 / 太阳能 / 柴油机混合发电系统3 系统对储能用蓄电池的技术要求3.1 环境温度通信太阳能供电系统中的蓄电池只能与系统一起放在室外，在严冬和酷暑的环境温度下工作 。 与常规蓄电池在室内使用是不同的 。 该系统要求在室外使用，而且一般无遮蔽，与室外地面温度相同 。不同地区的环境温度范围有所不同 。 中国南方，环境温度在 050 ℃ 范围内，而北方则在 - 4040 ℃范围内 。 按阿里纽斯原理，铅酸蓄电池受温度影响较大，温度每升高 10 ℃ ，寿命就降低一半，寿命终止的主要原因是 ① 硫酸电解液干涸 ② 热失控； ③ 内部短路等 。由于温度差别，蓄电池配置也有所区别 。 原则上，配置蓄电池容量是按低温放电性能确定 。 蓄电池充电性能则需要考虑 ① 低温低荷电态的充电接受能力； ② 高温高荷电态的充电容量效率； ③ 综合考虑循环寿命指标 。3.2 放电性能在通信太阳能供电系统应用领域内，一般采用4 只 12 V 蓄电池或是 24 只 2 V 蓄电池 。 设置储能蓄电池容量 Ah由以下条件决定 1负载用电量的计算； 2无日照维持天数； 3环境低温值； 4蓄电池的放电深度 。 如何给出储能用蓄电池的标称容量数据，才能满足实际条件下的放电容量要求，还涉及两个参数温度系数和倍率系数 。在配置储能用蓄电池的容量时，首先要考虑蓄电池的低温放电性能 。 例如，一太阳能通信基站，在不考虑温度对电池容量影响的条件下，应该配置电池容量为 24 只 2 V 600 Ah C10的涂膏式胶体电100www.batterychn.com2010 No.3 Vol.47图 3 电池放电深度和循环寿命的关系实验研究池 。 而该地区冬季的最低气温在 - 10 ℃ ，胶体蓄电池在 - 10 ℃ 下 10 小时率放电容量是额定容量的72 ，因此这个标称容量与实际使用要求相差甚远 。 考虑到温度对电池放电容量的影响，实际系统应该配置的电池为 24 只 2 V 800 Ah C10的胶体蓄电池 。 同时蓄电池的放电容量还受放电倍率的影响，放电倍率越大实际放电容量越小，反之越大 。假如按维持 5 d 选用电池容量为 2 V 800 Ah C120，应用在另外一个负载电流稍大场合，维持 2 d ，实际放出容量仅能达到 2 V 720 Ah。3.3 温度系数蓄电池标称容量是指在 25 ℃ 下的放电容量 。在环境温度低于 25 ℃ 时，放电容量下降，尤其是当环境温度低于 10 ℃ 时，容量下降是非常明显的 。图 2 曲线给出了温度对储能胶体蓄电池实际容量的影响，此指标并不是固定不变的，如果改进蓄电池工艺，或者寻找到新品种蓄电池，能够提高蓄电池的低温性能 。 但是温度对储能用蓄电池的实际容量总是有影响的，在系统设计过程中务必考虑，这不单是几个百分点容量的问题，而是低温循环寿命长短及防止低温低荷电态下出现硫酸盐化的标致性参数 。3.4 倍率系数电池放电容量安时是放电电流 I与放电时间 t的乘积，即 C I t。 对于同一个电池， I 与 t 的乘积不是常数， I 愈大， C 愈小 。 从容量计算式是看不出放电电流与放电容量的关系的 。对于上述问题，通常采用 Peukert 表达式，见式 （ 1） 。I n t k （ 1）式中 I 放电电流 A；t 放电时间 h；n 与蓄电池类型有关常数；k 与活性物质有关常数 。因为 I1、 I 2 以及相应的放电时间 t1、 t2 是已知的，求得 n 值代入公式 1中即可求得 k 值 。 有了 n值和 k 值就可以求得任意放电率下的容量 。 实际上这是一个容量变换经验公式 。 倍率系数反应蓄电池放电性能，不同放电电流条件下，电极反应深度不同，同时也反映遇到阻力的差异 。3.5 维持天数与循环寿命低温无日照维持天数，对于系统设计师而言非常重要 。 在系统设计过程中只有将低温无日照维持天数做为参数，系统设计才能有效满足储能用蓄电池使用寿命的技术要求 。 仍采用上例，假定低温无日照维持天数设定 3 d， 8 A 就是 72 小时率放电电流，则 72 小时率放电容量为 576 Ah，每天放电深度 24 DOD。 如果系统设计师把低温无日照维持天数设定 5 d，负载决定放电电流仍是 8 A，但它已是 120 小时率放电电流，则 120 小时率放电容量应为 960 Ah，应该配备 24 只 1 500 Ah 的胶体电池，每天放电深度约 12.8 DOD。 不同放电深度，循环寿命差别很大，放电深度愈浅，循环寿命愈长 。 图 3 给出了涂膏式胶体电池放电深度和循环寿命的关系，不同厂家蓄电池的情况会有所不同 。从图 3 看出，设定低温无日照维持天数从 3 d改为 5 d，放电深度 DOD 从 24 降为 12.8 。 循环寿命从 3 500 次提高至 5 200 次，使用寿命延长4 年 。 当然，要求蓄电池配置容量也从 800 Ah 提升到 1 500 Ah，蓄电池费用同步倍增 。3.6 充电性能太阳能电池额定功率是开路电压与短路电流的乘积 。 电压变化不大，可以按选购太阳能电池输出电压值估算 。 短路电流就不同了，它与光照强度相图 2 不同温度下的放电容量101蓄 电 池ChineseLABAT Man2010 No.3 Vol.47关，光照强度愈强，短路电流愈大 。 太阳能电池输出电流从清晨起随时间逐步增大，到近正午时达最大值，随后又逐步减小，到黄昏时结束电流输出 。将输出电流对时间积分，就是白天太阳能电池输出电量，乘输出电压得输出能量 。 不同地区，不同季节，不同周围环境，白天太阳能电池输出能量显然是不同的 。 储能用蓄电池能否接收这些能量，是至关重要的充电性能问题 。 表述储能用蓄电池充电性能有两个指标充电容量效率和充电接受能力 。 充电性能的两个指标，与蓄电池使用寿命有着密不可分的关系，应加以重视 。3.6.1 充电容量效率蓄电池充电容量效率定义为放电容量与充电容量的比值，由于充电必然伴随着副反应发生，比值一定小于 1，愈接近 1，充电容量效率愈好 。 充电时输入的能量部分用来将活性物质转换为充电态，部分消耗在副反应上，产生氧气和氢气 。 充电效率受到充电速率和环境温度的影响，充电时充电电流必须在一定范围内，电流太小或太大时充电效率都很低，由于电池还存在自放电，致使电池无法充满电 。 以铅酸蓄电池为例，正极和负极的放电产物均是 PbSO4，充电过程就是将这产物，在正极氧化成PbO2，在负极还原成海绵 Pb。 正极电位在阳极氧化过程必然往正移，到一定程度就开始发生析 O2副反应 。 负极电位在阴极还原过程必然往负移，到一定程度就开始发生析 H2 副反应 。 同时，在电池内还存在某些杂质 （ 如 Fe 等 ），会加剧副反应发生 。 换言之，充进电量并不是都用在放电产物的转化上，还有一部分消耗在副反应上，随之进行的放电当然给不出相同的电量 。蓄电池荷电态愈高，意味着正极电位愈正，负极电位愈负，其结果副反应发生愈多 。 同样，温度愈高，副反应发生愈多 。 为此，评估储能用蓄电池充电容量效率的试验是在高温和高荷电态下进行的，如果这种条件下给出的结果令人满意，那么其它情况更是可行的了 。 铅酸蓄电池效率低，意味着失水严重，易造成电解液干涸，接着是热失控恶性循环，导致电池变形，寿命终结 。3.6.2 充电接受能力充电接受能力是指蓄电池能接受多大充电电流值 。 电流是单位时间通过的库仑数，经法拉第定律换算，就表述为电化学反应速率 。 充电电流大，放电产物转化速率快，充电接受能力好 。 反应速率与温度有关，温度低，反应速率慢，充电接受能力就差 。 反应速率也与荷电态有关，荷电态低，电极表面覆盖放电产物就多，转化阻力大，反应速率慢，充电接受能力也差 。 为严格评估蓄电池充电接受能力，一般将电池置于低温和低荷电态下进行数据测量，如果测试结果满意，其它情况更是可行 。 蓄电池充电接受能力不单纯是充电电流大小的问题 。 或者说，不应看成可采用增加充电时间来弥补电流小的事 。 充电接受能力与循环寿命密切相关，充电接受能力变差往往是从某个单体电池开始出现 。 由于它的充电量相对其它单体电池少，放电后它的荷电态就相对其他单体电池低 。 如果不能自动调节恢复，就会进入荷电态愈低，充电接受能力愈差的恶性循环 。 特别在低温低荷电态下循环时，蓄电池调节恢复就更加困难，最终导致正极脱落，或是负极硫化，寿命提前终结 。3.7 循环寿命由于每年不同季节的日照差异大，储能电池工作可能 “ 充多放少 ” ，也可能 “ 充少放多 ” 。 为此，电池充 / 放电循环是在不同荷电态情况下运行，当然电池充 / 放电循环也会在不同环境温度下运行 。储能电池工作的另一特点是日放电深度浅，不足30 DOD，遇有阴雨天气连续放电，放电深度接近 100 DOD。 为了考核储能用蓄电池的循环寿命，选择在高温 、 高荷电态下浅循环，重点考查充电容量效率；选择在低温低荷电态下浅循环，重点考查充电接受能力 。储能用蓄电池循环试验分两阶段进行， A 阶段是在 0 ℃ 和低荷电态循环； B 阶段在 40 ℃ 和高荷电态循环 。 放电深度为 25 30 DOD。 这种方法类似但有别于 IEC61427- 2005 太阳能光伏能力系统用蓄电池和蓄电池组 一般要求和测试方法 。（ 1） A 阶段循环a 在 25 5 ℃ 下进行，以 I 10 放电 9 h，置电池于低荷电状态；b 在 0 2 ℃ 下进行，以 1.03I 10 充电 3 h；c I 10 放电 3 h；重复 b 和 c 49 次，继续进行 B 阶段 。（ 2） B 阶段循环102www.batterychn.com2010 No.3 Vol.47实验研究表 1 胶体蓄电池和管式富液铅酸蓄电池2 V GFMJ 涂膏式胶体蓄电池YD/T1360- 2005管式胶体蓄电池 （ OPzV）DIN40742/4074412 V GFMJ 涂膏式胶体蓄电池 YD/T1360- 2005管式胶体蓄电池 （ OPzV）DIN40736C10 容量 （ Ah）Uf1.80 V/ 单体2 V 200/300/400/500/600/800/1000/1200/1500/200010 个规格C10 容量 （ Ah）Uf1.80 V/ 单体12 V 50/1006 V/2002 V 200/250/300/350/420/490/600/800/1000/1200/1500/200015 个规格C10 容量 （ Ah）Uf1.80 V/ 单体12 V 33/50/65/100/120/150/2007 个规格C10 容量 （ Ah）Uf1.80 V/ 单体12 V 50/1006 V/2002 V 200/250/300/350/420/490/600/800/1000/1200/1500/200015 个规格a 在 25 5 ℃ 下进行，充电至完全充电态，置电池于高荷电状态；b 在 40 3 ℃ 下进行，以 1.25 I10 放电 2 h；c 恒流 I10，限压 2.40 V/ 单体充电 6 h；重复 2和 3反复 99 次 。先做 A 阶段循环，接着做 B 阶段循环，完成一个周次试验为 150 次循环，然后检测 C10 容量 。如果未出现终止循环条件，那么继续下一次周次循环 。 每周次循环终止条件是 （ 1） 在 A 阶段循环中，放电电压低于 1.60 V/ 单体 。 或是 （ 2） 在完成B 阶段循环时，在 25 ℃ 下 C10 容量检验的实测值小于 80 C10。 循环寿命要求，阀控式铅酸蓄电池大于 4 周次即 600 次循环，阀控式胶体蓄电池大于 6周次即 900 次循环，管式富液铅酸蓄电池大于 10周次即 1 500 次循环 。4 系统用储能用蓄电池的选型贫液铅酸蓄电池的关键问题是使用寿命，尽管其放电过程属浅循环，在常温和满荷电态下， 20 DOD 的循环次数可达 2 000 次以上，但在实际使用条件下远非如此，循环次数要少得多 。 在夏天，日照充足，蓄电池在高温 、 高荷电态下工作，充电时产生的热要尽快散发，否则极易进入热失控的恶性循环，造成电池不可修复的损害 。 在冬天，日短阴冷，蓄电池在低温 、 低荷电态下工作，各个单体电池充电接受能力的差异会拉开，如果得不到调整，极易出现单格落后的恶性循环，同样造成电池不可修复的损害 。 阀控式铅酸蓄电池，属贫电液和高酸密度的电池，相对散热性差，低荷电态下充电转化稳定性差，不适合储能用蓄电池的实际使用要求 。经过测试，开发的 GFMJ 系列胶体蓄电池 、OPzV 管式胶体蓄电池 、 OPzS管式富液铅酸蓄电池很好地满足了上述要求，适合通信太阳能供电系统使用 。 其中富液铅酸蓄电池耐高 、 低温，耐过充 /放电能力强，循环使用寿命长，安全可靠性高 。 但是这种蓄电池的板栅合金中含有锑 、 砷等有害元素，开口阀排出的酸气污染环境，需要按时补水，使用维护费用高，对使用人员的技术要求高，仅适用于较为特殊的场合 。 而阀控式胶体蓄电池因为使用时无需补充水分，密封包装更适合长距离运输，在维护成本很高的偏远地区，这种类型的蓄电池具有很大的优势 。 适合通信太阳能供电系统选择使用的储能用蓄电池系列规格见表 1。在通信太阳能供电系统中，选择富液式设计低酸密度的阀控式胶体蓄电池是发展趋势 。 储能胶体蓄电池解决了贫液阀控铅酸蓄电池循环性能差的问题，而且虽然采用富液式设计，但并不像富液式电池一样需要经常加水维护 。 阀控式胶体蓄电池充电反应式为2PbSO4 2H 2O PbO2 Pb 2H2SO4 2固相反应，放电产物 PbSO4，经充电在正极转化为 PbO2，负极转化为海绵状 Pb。 与此同时在多孔体内还存在受扩散控制的液相反应，充电反应物是 H2O，产物是 H2SO4。 液相反应速率也制约着充电性能，稀酸水多，加速反应速率；而且稀酸可在多孔体内建立更高的硫酸浓度差，即扩散梯度大，有利于液相反应产物 H2SO4 向外扩散速率的提高 。因此，低酸密度是提高储能胶体蓄电池充电性能的（ 下转至第 112 页 ）103蓄 电 池ChineseLABAT Man2010 No.3 Vol.47（ 上接第 103 页 ）关键性措施 。其实，富液式设计对胶体蓄电池的充电性能也有积极的作用，可大大改善蓄电池的散热性能 。 富液式设计使槽体与电解液充分接触，电极充电产生的内部热量可以很快向外散发，有效避免了热失控的产生 。 在寒冷地区，低温天气在 - 10 ℃ 以下，甚至达 - 15 ℃ 以下，且时间长，胶体蓄电池的电解液被固化在二氧化硅形成的空间网络中，降低了电极附近硫酸铅的过饱和度，使负极板表面形成的PbSO4 晶粒相对粗大，相对延长了对负极表面的覆盖，从而改善了负极板的低温性能 。 因此在低温性能方面，胶体蓄电池相对于贫液铅酸蓄电池有较大的优势 。 储能蓄电池采用胶体电解液是扬长避短的必然趋势，勿庸置疑 。胶体电池电性能的缺点是扩散阻力大，不适合大电流充 / 放电，但是这种弊端对通信太阳能储能用蓄电池是不重要的，储能用蓄电池一般都是小电流放电 。 另外，储能胶体蓄电池与贫液铅酸蓄电池相比较，电池重，体积大，成本高 。 生产储能胶体蓄电池需要稳定的胶体电解液，不能出现分层和水化现象 。 应采用合理地灌胶工艺流程，保证胶体电解液渗入电极内部，并与活性物质结合反应 。其实，还有两种电池适合通信太阳能供电系统选用，分别是磷酸铁锂电池和液流电池 。 磷酸铁锂电池的固相电极是晶格骨架，充 / 放电过程是溶液中 Li 离子在晶格骨架上进行嵌入和脱嵌过程，固相电极的晶格骨架变化甚微 。 从本质上，它的寿命要优于胶体蓄电池， 100 DOD 循环次数在 1 000次以上，是胶体蓄电池的 2 倍还多 。 但是磷酸铁锂电池在技术上正处于发展期，主要表现在工艺不完善 、 产品生产一致性差；电路板 、 电池管理系统都不成熟 。液流电池是利用正 、 负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池 。 具有容量高 、 使用领域广 、 循环使用寿命长的特点，目前是一种新能源产品 。 氧化还原液流电池是一种正在积极研制开发的新型大容量电化学储能装置 。 目前液流储能电池还处于样式研制的阶段，对许多技术问题还需要深入的研究 。5 结束语光伏系统的储能装置主要是蓄电池，与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浅充浅放状态下，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化 。 蓄电池的容量比负载所需的电量大得多，蓄电池提供的能量还受环境温度的影响 。 为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单 。 储能胶体蓄电池 、 磷酸铁锂电池 、 液流电池是户外通信太阳能供电系统的合适选择，其中储能胶体蓄电池因其生产技术成熟 、 产品性能卓越且得到批量化规模生产，是当前乃至相当一个时期内，户外通信太阳能供电系统的最佳选择 。参考文献[1] 王菊芬 . 光伏发电系统中影响蓄电池寿命因素分析 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