太阳能蓄电池容量分析.pdf

第五组：倪晨晓李 渊胡鹏展支峥峥蓄电池容量分析蓄 电 池 容 量 分 析目前， 蓄电池的应用已渗透到了人们生产、 生活的各个方面， 特别是世界性石油危机多次爆发后， 人们在未来能源应用的多元化开发与高效率利用中， 蓄电池相对于提升水位蓄能，电解水制氢储氢蓄能等方法， 有着独特的电能存储效率高的特点， 可方便地组成各种不同电压和容量的电源应用系统； 同时还兼有电能取出使用方便的特点， 非常适合用作各种移动设备的工作电源与应急备用电源。 该产品的诸多优良特性， 是今后社会发展中， 其它的电能储存产品与方法难以替代的，是今后最有发展前途的电源应用产品之一。然而，由于人们对蓄电池一些最基本问题的认识，至今仍有许多原因并未完全弄明白。使得蓄电池在使用中维护过于困难， 使用安全难以获得有效的保障， 使用过程中的寿命更是难以捉摸， 导致蓄电池的使用成本太高， 影响着今天一些需要大规模应用蓄电池的产品， 如电动汽车、 可再生能源发电系统和各种后备式应急电源等产业的真正高效率、 低成本、 高可靠产业化开发的进程。一、 蓄电池工作原理蓄电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。它的工作原理就是把化学能转化为电能。铅酸蓄电池用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用 1.28 ％的稀硫酸作电解质。 在充电时， 电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。 电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后， 它又恢复到放电前的状态， 组成化学电池。 铅蓄电池是能反复充电、 放电的电池， 叫做二次电池。它的电压是 2V ，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是 6V。汽车上用的是 6 个 [2]铅蓄电池串联成 12V 的电池组。铅蓄电池在使用一段时间后要补充蒸馏水，使电解质保持含有 22～ 28％的稀硫酸。放电时，电极反应为： PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O 负极反应： Pb + SO42- - 2e- =PbSO4 总反应 :： PbO2 + Pb + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O ( 向右反应是放电 ,向左反应是充电 ) 二、蓄电池容量的含义一般用 20 小时放电率（ C10）的安时数代表电池额定容量的大小，即在 25℃下以恒定电流放电 20 小时至终止电压（ 1.75V/ 单格） ，该电流的 20 倍即为电池的容量，一般用 AH数表示。例如， 12V/100AH 的电池是指该电池能够以 5A （ 0.05C）的电流恒定放电至终止电压 10.5V ，可连续放电 20 小时。另外要注意，电池放电时间与放电电流不是线性关系，如 100AH 电池以 100A 的电流放电支持不了 1 个小时， 只有数十分钟； 而以 1A 的电流放电，则会超出 100 小时（不推荐如此方式放电） 。三、蓄电池容量知识1 蓄电池容量定义的问题蓄电池容量，是蓄电池充足电后放出电能大小的数值，单位为安时 (A2h) ，用方程描述，即式中： C为蓄电池容量安时 (A2h) ；I 为蓄电池放电电流 (A) ；t 为蓄电池放电时间 (h) 。式 (1) 描述了蓄电池储存电能能力的大小。 据了解， 在蓄电池容量有限的情况下， 式 (1)中测量负载的大小与测量时截止电压取值的高低，都将影响容量安时值 (A2h) 测量的大小。因此， 容量安时不是一个单值数。它的大小， 依从于测量与使用的条件和环境。在严格规定的条件下，按式 (1) 实验获得的容量值，是可以方便地用来比较蓄电池储存电能能力的。但离开严格规定条件下的滥用， 却是造成今天蓄电池日常使用中众多问题无法取得突破和进展的根源。2、蓄电池组容量设计太阳能电池电源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浮充状态下， 其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。 它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。（ 1）蓄电池的选用能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多 ,目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。 国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池， 因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点 ,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。 普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大， 所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能 ,但由于其价格较高，仅适用于较为特殊的场合。（ 2）蓄电池组容量的计算蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内 ,方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份 ,要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以方阵发电量的不足和过剩值 ,是确定蓄电池容量的依据之一。同样 ,连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以 ,这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此，蓄电池的容量 BC 计算公式为 :：BC=A× QL× NL× TO/CC A 为安全系数 ,取 1.1～ 1.4 之间；QL 为负载日平均耗电量 ,为工作电流乘以日工作小时数；NL 为最长连续阴雨天数；TO 为温度修正系数 ,一般在 0℃以上取 1,-10℃以上取 1.1,-10℃以下取 1.2；CC 为蓄电池放电深度 ,一般铅酸蓄电池取 0.75,碱性镍镉蓄电池取 0.85。四、太阳能电池方阵设计1.太阳能电池组件串联数 Ns 太阳能电池组件按一定数目串联起来 ,就可获得所需要的工作电压 ,但是 ,太阳能电池组件的串联数必须适当。串联数太少 ,串联电压低于蓄电池浮充电压，方阵就不能对蓄电池充电。如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时 ,充电电流也不会有明显的增加。因此 ,只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时，才能达到最佳的充电状态。Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+Uc)/Uoc UR 为太阳能电池方阵输出最小电压；Uoc 为太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf 为蓄电池浮充电压；UD 为二极管压降 ,一般取 0.7V；UC 为其它因数引起的压降。电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关 ,应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。2.太阳能电池组件并联数 Np 在确定 NP 之前 ,我们先确定其相关量的计算方法。(1)将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量 Ht,转换成在标准光强下的平均日辐射时数 H： H=Ht 3 2.778/10000h 式中： 2.778/10000(h.m2/kJ) 为将日辐射量换算为标准光强 (1000W/m2) 下的平均日辐射时数的系数。(2)太阳能电池组件日发电量 Qp ： Qp=Ioc × H× Kop× Cz 式中： Ioc 为太阳能电池组件最佳工作电流；Kop 为斜面修正系数；Cz 为修正系数 ,主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失 ,一般取 0.8。(3)两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数 Nw,此数据为本设计之独特之处 ,主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来 ,需补充的蓄电池容量 Bcb 为： Bcb=A× QL× N(4)太阳能电池组件并联数 Np 的计算方法为： Np=(Bcb+Nw 3 QL)/(Qp 3 Nw)并联的太阳能电池组组数 ,在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量，不仅供负载使用，还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。3.太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数 ,即可得出所需太阳能电池方阵的功率 P： P=Po× Ns× Np 式中： Po 为太阳能电池组件的额定功率。五、设计实例以某地面卫星接收站为例 ,负载电压为 12V，功率为 25W，每天工作 24h,最长连续阴雨天为 15d，两最长连续阴雨天最短间隔天数为 30d。 太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的 38D975 3 400 型组件， 组件标准功率为 38W,工作电压 17.1V ， 工作电流 2.22A 。 蓄电池采用铅酸免维护蓄电池，浮充电压为 (14± 1)V 。 其水平面太阳辐射数据参照表 1,其水平面的年平均日辐射量为 12110(kJ/m2),Kop 值为 0.885,最佳倾角为 16.13° ,计算太阳能电池方阵功率及蓄电池容量。1、蓄电池容量 Bc Bc=A× QL× NL× To/CC=1.2 × (25/12) ×24× 15× 1÷ 0.75=1200Ah 2、太阳能电池方阵功率 P 因为：Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+UC)/Uoc=(14+0.7+)/17.1=0.92 ≈ 1 太阳能电池每天发电量：Qp=Ioc 3 H3 Kop 3 Cz =2.22 ×12110 × (2.778/10000) ×0.885 × 0.8 ≈ 5.29Ah 需补充的蓄电池容量Bcb=A 3 QL3 NL=1.2 3 243 15=900Ah 系统每天耗电量：QL= （ 25/12）3 24=50Ah Np=(Bcb+Nw 3 QL)/ （ Qp3 Nw)= （ 900+303 50） /（ 5.293 30）≈ 15 故太阳能电池方阵功率为：P=Po3 Ns3 Np=383 13 15=570W 计算结果该地面卫星接收站需太阳能电池方阵功率为 570W,蓄电池容量为 1200Ah。六、结语太阳能蓄电池是 “蓄电池” 在太阳能光伏发电中应用， 目前采用的有铅酸蓄电池免维护蓄电池、 普通蓄电池、 胶体蓄电池和碱性镍镉蓄电池四种。 国内目前被广泛使用的太阳能学电池主要是：铅酸蓄电池免维护蓄电池和胶体蓄电池这两类， 因为其固有的 “免” 维护特性及对环境较少污染的特点， 很适合适合用于性能可靠的太阳能电源系统， 特别是无人值守的工作站。