太阳能光伏应用中的蓄电池研究

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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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