太阳能光伏发电储能装置

太阳能光伏发电储能装置 光伏发电产生的电能最适合的储能方式是将电能 转换为化学能，需要时再将化学能转换为电能，铅酸 蓄电池就是目前能有效完成这种转换的最好的装置。 组成蓄电池的正极是氧化铅，负极是铅，而电解液主 要是稀硫酸，所以称为铅酸蓄电池。 铅酸蓄电池，因 其能长期储存电能、大电流放电、价格低廉、原料易 得、性能可靠、容易回收和维护成本低等特点，目前 已成为世界上产量最大、用途最广泛的蓄电池品种。 铅酸蓄电池现已被广泛应用于太阳能发电系统、电动 车、汽车、通信、电力、铁路、等各个领域。为了在 安装、使用和维护中更好地发挥光伏发电系统的作用 。 6.1 铅酸蓄电池分类 发明铅酸蓄电池，已经历了近 150年的发展历程，铅酸蓄电池在理论研究方面， 在产品种类及品种、产品电气性能等方面都得到了长足的进步，不论是在交通、通信 、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要 作用。 (1)根据铅酸蓄电池用途分类 启动用铅酸蓄电池、动力用铅酸蓄电池、固定 型阀控密封式铅酸蓄电池。 (2)按铅酸蓄电池制造方法分类 浇铸板栅、拉网板栅、铅布板栅等。 (3)按铅酸蓄电池维护方法分类 全免维护、少维护、干荷电等。 (4)常用的铅酸蓄电池分类 ① 普通蓄电池：普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的 水溶液。它的主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低 (即每千克蓄电池存储的 电能 )、使用寿命短和日常维护频繁。 ② 干荷蓄电池：它的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是负极板有较 高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时只需加入 电解液，过 20～ 30min就可使用。 ③ 免维护蓄电池：免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常 小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电 小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种：第 一种在购买时一次性加电解液，以后使用中不需要维护 (添加补充液 )；另一种是电池 本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。 n 铅酸蓄电池的分类 以产品的结构形式分类，可以分 为 开口式、富液免维护式、玻璃丝棉隔板吸附式阀控 密封型 (AGM)、阀控胶体型 等几大类产品。国内铅酸 蓄电池主要是 AGM吸附式和胶体两类阀控密封型蓄电 池产品，目前 AGM吸附式蓄电池在市场上占主导地位 。胶体蓄电池尽管有放电性能好、板极不易弯曲、寿 命长等优点，但因生产难度大、技术水平高、国内胶 体材料不稳定、生产成本高等原因，国内只有少数几 家蓄电池厂在生产，而且用户反映产品质量并没有明 显的提高。据国外权威蓄电池研究机构报道，胶体动 力型蓄电池综合技术指标和寿命明显优于普通的 AGM 吸附式蓄电池，胶体蓄电池是动力型铅酸蓄电池的发 展方向。 6.2 铅酸蓄电池的组成 n 铅蓄电池由 正极板、负极板、隔板、电槽及电解液 组成。 (1)正极板：阳极指发生氧化反应的电极。铅酸蓄电池的阳极板 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。 (3)隔板：由防止渗透离子的材料制成，能防止电池内极性相反 的离子接触的组件。蓄电池的正极和负极之间由隔板隔开，吸附式密封 蓄电池的隔板是由超细玻璃丝棉制作的，这种隔板可以把电解液吸附在 隔板内，吸附式密封蓄电池的名称也是由此而来。 (4)电池槽：硬橡胶式及塑料槽。 (5)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，由一部分做成胶体。其在铅酸蓄电池中 的作用是：参加电化反应；溶液正、负离子的传导体；极板产生温度的 热扩散体。 6.3 铅酸蓄电池的基本概念 (1)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。 (2)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。 (3)放电： 放电是在规定的条件下，电池向外电路输出电能的过程。 (4)自放电： 电池的能量未通过放电就进入外电路，像这种损失能量的 现象称为自放电。 (5)活性物质： 在电池放电时发生化学反应从而产生电能的物质，或者 说是正极和负极储存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使用过程中放电到何程度开始停止 。 (7)板极硫化： 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 pbs04晶体。这种大块晶体很难溶解，无法 恢复原来的状态，导致板极硫化以后充电就困难了。 (8)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 (a•h)表示。 (9)相对密度： 相对密度是指电解液与水的密度的比值，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 1.120g／ cm3。电解液注入 水后，只有待水完全融合电解液后才能准确测量密度。融入过程大 约需要数小时或者数天，但是可以通过充电来缩短时问。每个电池 的电解液密度均不相同，即使同一个电池在不同的季节，电解液密 度也不一样。大部分铅酸电池的密度在 1.1～ 1.3g／ cm3范围内，满 充之后一般为 1.23～ 1.3g／ cm3。常用液态密度计来测量电解液的 相对密度值。 高温或者低温中的电池，相对密度也会受影响。这种情况一般 会在电池上标明。电池效率受放电电流的影响，因此应避免大放电 电流输出导致的效率下降，以及影响电池的使用寿命。 (10)运行温度： 电池运行一段时间，就感到烫手，由此可知，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 的使用寿命就减少 50%。所以电池的最高运行温度应比外界低，对 于温度变化超过 ±5℃ 的情况下最好，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。 6.4 蓄电池充放电 n 充、放电原理 在蓄电池充、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： PbO2+H2SO4→PbSO 4+H2O 负极： Pb+H2SO4→PbSO 4+H2↑ 总反应： PbO2+2H2SO4+Pb=2PbSO4+H2O 从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活 性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在 电化学上把这种反应叫做 “ 双硫酸盐化反应 ” 。在蓄电池刚放电结束时，正、负 极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的物质，活性程度非常高 。 在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下 会重新变成二氧化铅和金属铅，蓄电池又处于充足电的状态。 由此可以知道以上 反应是可逆的。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放 电能的功能。人们在日常使用中，通常使用蓄电池的放电功能，把充电作为对蓄 电池的维护。铅酸蓄电池在充足电的情况下可以长时间保持电池内化学物质的活 性，而在蓄电池放出电以后，如果不及时充足电，电池内的活性物质很快就会失 去活性，使蓄电池内部产生不可逆转的化学反应。所以对太阳能蓄电池及其他用 途的铅酸蓄电池，应对蓄电池充足电保存，并定期给电池补充电。 PbO2+pb+H2SO4==2PbSO4+2H2O n 在充电时，在电能的作用下，转化为 pbO2、铅和硫酸 ，也就是说充电是由电能转化为化 学能的过程。放电时，正极板接受了负极板送来的电子，铅离子由正 4价变为正 2价 ，与 硫酸根接触生成难溶于水的硫酸铅，负极的铅由于输出 2个电子，变成正 2价，同样也生成 硫酸铅。也就是说放电时，再由贮存的化学能转为电能。 1、正极活性物质和功能 正极板活性物质的主要成分是二氧化铅，具有较强的氧化性，放电时，与硫酸发 生反应生成硫酸铅，并吸收电子。二氧化铅有两种类型晶格，简单地讲就是两种二氧化铅 ，一种是 α—pbO2 另一种是 β － pbO2。两种二氧化铅的差别很大，它们所起的作用也不相 同。 β—pbO2 给出的容量是 α—pbO2 的 1.5～ 3倍，而 α—pbO2 具有较好的机械强度，它的 存在，正极板活性物质不宜软化脱落，只有 α—pbO2 和 β—pbO2 的比例达到 1： 1.25时， 铅蓄电池才会表现出良好的性能。正极活性物质在放电状态下，与电解质中的硫酸发生反 应生成硫酸铅与水，其反应式如下： pbO2+3H++HSO4-+2e == pbSO4+2H2O，充电时，在外 线路的作用下转化为 pbO2与 H2SO4，放电时，二氧化铅的 pb4+ 接受了负极送来的电子形成 pb+2与溶液中的硫酸根离子结合生成 pbSO4。当硫酸铅达到一定量时，变成沉淀物附着在 极板上。充电时硫酸铅中的铅离子的电子被外线路带走转化为二氧化铅。将水中氢离子留 在溶液中，氧离子与铅离子结合生成二氧化铅进入晶格，形成正极活性物质 . 2、负极活性物质和功能 在铅酸蓄电池里，为了供负极板活性物质充分与电解液发生反应，故将铅制成多 孔海绵状，又称为海绵铅，在放电时，铅给出外线路电子形成 pb+2与溶液的硫酸根结合生 成硫酸铅，充电时 pbSO4首先溶解成 pb2+与 SO4-2， Pb+2接受电子进行阴极还原生成铅，进 入负极活性物质晶格。 充电时的管理 (1)蓄电池温度 充完电后，马上用手摸蓄电池的外壳就有发烫的 感觉，这说明充电时温度会上升。但是，温度 (电 解液温度 )升得过高，蓄电池寿命会明显缩短，这 是因为蓄电池温度升高，阴阳极板上的活性物质就 会劣化，阳极格子受到腐蚀。电池寿命缩短。蓄电 池温度也不能太低，温度过低，会使蓄电池容量减 少，容易过度放电，电池寿命缩短。通常蓄电池的 电解液温度应维持在 15～ 55℃ 为理想使用状态，特 殊情况，也不可超过放电时 -15～ 55℃ 这个温度范 围，充电时 0～ 60℃ 的范围。放电终了时，电解液 温度维持在 40℃ 以下最好。 (2)充电量 蓄电池的充电量与放电量之比不能过高，若过高 易使水分解，气体产生，电解液明显减少，会使充 电时温度上升，蓄电池寿命缩短。 假设充电量为放电量 120%时的电池，使用寿命有 4年；当电池的充电量与放电 量之比达到 150％时，该电池的寿命为 4×120／ 150=3.2(年 ) 此外，充电不足又重复放电使用，则会严重影响电池寿命。 (3)气体 充电场所必须通风良好，注意远离火源，避免触电。充电中产生的气体是氧 气与氢气，氢气具有可燃性和爆炸性，若空气中的氢气达到 3.8％以上，又离火源 近，就会发生爆炸。 放电时的管理 放电时电池内部阻抗即随之增强，完全充电时若为 1倍，则当完全放电时，即 会增强 2～ 3倍 。严禁到达额定电压时还继续放电，因为放电愈深，电瓶内温度会 升高，则活性物质劣化愈严重，进而缩短蓄电池寿命。因此电池电压若已达到厂 家规定的最高电压时，则应停止使用，马上充电。每日反复充放电以供使用时， 则电池寿命将会因放电量的深浅，而受到影响。 蓄电池的电解液比重几乎与放电量成比例。因此，根据蓄电池完全放电时 的比重及 10％放电时的比重，即可推算出蓄电池的放电量。测定铅酸蓄电池的电 解液比重为得知放电量的最佳方式。因此，定期地测定使用后的比重，以避免过 度放电。测比重的同时，也要测电解液的温度，以 20℃ 所换算出的比重为准，切 勿使其降到 80％放电量的数值以下。 (1)放电状态与内部阻抗 内部阻抗会因放电量增加而加大，尤其 放电终点时，阻抗最大 ，主要因为 放电的进行，使得极板内产生电流的不良导体 —— 硫酸铅及电解液比重的下降， 都导致内部阻抗增强，故放电后，务必马上充电，若任其持续放电状态，则硫酸 铅形成安定的白色结晶后 (即硫化现象 )，即使充电，极板的活性物质也无法恢复 原状，而将缩短电瓶的使用年限。 (2)放电中的温度 当电池过度放电，内部阻抗即显著增加，因此蓄电池温度也会上升。放电 时的温度高，会提高充电完成时的温度，因此，将放电终了时的温度控制在 40℃ 以下最好。 蓄电池自放电 6.5 蓄电池的深度放电 n 放电深度即使用过程中放电到何程度开始停止。 100% 深度指放出全部容量。铅酸蓄电池寿命受放电深度影 响很大。设计考虑的重点就是深循环使用、浅循环使 用还是浮充使用。若把浅循环使用的电池用于深循环 使用时，则铅酸蓄电池会很快失效。因为正极活性物 质二氧化铅本身的结合不牢，放电时生成硫酸铅，充 电时又恢复为二氧化铅，硫酸铅的摩尔体积比二氧化 铅大，则放电时活性物质体积膨胀。若 1摩尔二氧化铅 转化为 1摩尔硫酸铅，体积增加 95%。这样反复收缩和 膨胀，就使二氧化铅粒子之间的相互结合逐渐松驰， 易于脱落。若 1摩尔二氧化铅的活性物质只有 20%放电 ，则收缩、膨胀的程度就大大降低，结合力破坏变缓 慢，因此， 放电深度越深，其循环寿命越短 。 当蓄电池深度放电（指从 10.5V到 0V），此时蓄电池电解液表 现出来的是铅的 “溶解度增大 ”铅离子浓度升高，当铅离子浓度增高 到一定程度时就会形成铅枝，甚至产生铅枝搭桥而造成短路、断 格。其原因是蓄电池在放电过程中，阴极的硫酸充当着两个角色 ，既是电解质又是反应物质。 也就是说 Pb若想与硫酸根结合成 PbSO4 ,必须从零价变成 2价 ，而在深度放电时其中大部分硫酸在放电到 10.5V时已经在正负极 板化合成了硫酸铅。而深度放电时，此时的硫酸溶液已经变得密 度很低，换句话说已经变成了弱电解质，硫酸根数目相对减少， 随着电流的放出，正负极板的铅被迫变成 2价的铅离子。因为电解 质密度变得越来越低，电离强度变得越来越弱，没有足够的 “动力 ” 促使铅离子与硫酸根离子结合成硫酸铅，在低温状态下就更加困 难。随着放电深度的增加，正负极板释放的铅离子浓度越来越高 ，由于相同物质的亲和性导致铅离子结合成铅枝。这就是普通蓄 电池为什么深度放电时电解液中反而会出现大量铅离子的根本原 因。在过去的技术书籍和文献中曾有人认为深度放电铅的溶解度 会大幅度提高，而且百思不得其解。显然 “铅的溶解度会增加 ”是一 个错误的理解。 深度放电时阳极表现为： Pb首先分解成 P和 2离子，然后 P+4+S+2→P +2 在弱电解质中，如果铅离子与硫酸根离子强行结合 ，会因为硫酸根离子不够用而产生大颗粒不可逆硫酸铅。 6.6 铅酸蓄电池的容量 在一定的放电条件下，可以从电池中获得的电量 。用 W•h或 A•h表示。 W•h容量表示电池做功的能力， A•h容量指电池输出的电量。显然，铅酸蓄电池的容 量愈大，该电池能输出的电量就愈多，做功的能力就 愈强。 电池的容量可以分为三种：一种是 理论 容量，它 是依据活性物质的量按法拉第定律计算求得的；理论 容量是假设极板上的活性物质全部用于放电时的电量 ，这实际上是不可能的；第二种容量是 实际 容量，由 于不可能全部的活性物质都参加反应，所以在一定条 件下实际放出的电量，总是低于理论容量。 第三种 容 量是在设计电池时，在规定放电条件下应该放出的最 低限度的电量。 实际容量与理论容量之比叫做活性物 质的利用率。 如何来提高铅酸蓄电池的实际电容量呢？ (1)增加活性物质的数量 活性物质参加反应量的多少又与极板的厚度有关。由于小电流长时间放电时， 电解液能渗透到极板深层的活性物质孔隙中，活性物质利用率高，放电容量就大 。反之，即短时问内，放电电流过大，极板表面生成的硫酸铅易堵塞活性物质的 孔隙，导致极板深层的活性物质得不到电解液的及时补充而中断反应。因此，采 用大电流短时间放电，放电容量只取决于极板面积的大小。 (2)活性物质的孔隙率的影响 活性物质中孔洞所占的总体积 (容积 )与活性物质总的体积 (容积 )之比，叫做活性 物质的孔隙率 (又称孔度 )。由定义可知，活性物质的孔隙率愈大，实际孔洞就愈多 ，活性物质就少。虽然孔隙率大，电解液与活性物质接触面积大，铅酸蓄 电池放电量大，但因孔洞过多，活性物质太少，铅酸蓄电池放电量反而减少，因 此，一定存在一个最佳的孔隙率，一般正极板孔隙率为 55％，负极板孔隙率约为 60％。此外，当活性物质组成中二氧化铅中的 β-Pb02多时，放电容量就大。 (3)电解液的温度、密度和纯度都对铅酸蓄电池的容量有影响 温度低，硫酸电解液的黏度和电阻都增大，扩散困难，浓度差急剧增加，电阻 增大，使活性物质内部的化学反应难以进行。电解液密度低了，参加反应的硫酸 量不够，密度太高了也不行，因为电解液的黏度和电阻也会增加。起初用的铅酸 蓄电池一般采用 1.270～ 1.290g／ cm3的电解液。此外，放电电流也会影响铅酸蓄 电池的容量。利用较小电流放电时，电流密度小，铅离子的数量在电极附近少， 即铅离子过饱和度小，容易形成疏松的晶粒粗大的硫酸铅盐层，有利于硫酸电解 液通过孔隙扩散到极板深处与活性物质接触，放电容量也提高了。 (4)铅酸蓄电池不能闲置时间太长（图 6-2P111） 6.7 极板化成 n 极板化成是利用化学和电化学反应使极板转化 成具有电化学特征的正、负极的过程。极板化 成时需要用直流电源在正、负极板间施加电压 ，形成电流通过电极而实现电极物质的氧化还 原反应，这个过程就叫做 电化学反应 过程。在 极板化成的中后期将会有氧气和氢气排出。这 是由于电解液分解成水的原因。而水又进一步 分解为氧气和氢气。因此，极板化成，肯定有 少量的气体排出，如果有大量的气体排出则表 明电池被过充电。这时往往有火花产生，将可 能导致电池爆炸。 6.8 铅酸蓄电池的电动势 n 铅酸蓄电池 的电动势与端电压是不同的，铅酸蓄电池 的 电动势是开路电压，端电压是闭路电压。 电动势与 硫酸密度关系如图 6-3所示，硫酸密度增加 (在硫酸密 度为 1.05～ 1.300g／ cm3范围时 )，蓄电池电动势的值 也相应增加，呈 线性 关系。温度对铅酸蓄电池的电动 势影响不大。