何道清《太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理與應(yīng)用技術(shù)》第3章蓄電池

1、1、第四章光伏蓄電池、光伏蓄電池的電能化學(xué)能，2、在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是重要的組成部件。 由于太陽光變化無常，光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力輸出也無常，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力需要蓄電和調(diào)整。 即使在日照不足發(fā)電少的情況下，或需要光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)的情況下，蓄電電池也能夠提供比較穩(wěn)定的電力。 電池的投資占系統(tǒng)總投資的20%。 蓄電池的合理選擇、正確的使用和維護(hù)等是光伏發(fā)電系統(tǒng)的修改和運(yùn)行、管理中的重要問題。 3、4.1光伏電池概述4.1.1電池概述化學(xué)電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，可分為一次電池和電池。 一次電池的活性物質(zhì)只能利用一次，放電后被廢棄，也稱為一次電池。 蓄電池放電后，以與放電電流相反

2、的電流進(jìn)行充電，可以再次恢復(fù)再利用，也稱為二次電池，能量轉(zhuǎn)換過程是可逆的。 電能化學(xué)能，4，4.1光伏蓄電池概要，4.1.1蓄電池概要蓄電池分類：鉛酸蓄電池鎳鎘(NiCd )蓄電池； 氫鎳(NiMH )蓄電池； 鋰離子(Liion )蓄電池。 電池的主要技術(shù)指標(biāo)：工作電壓、放電曲線上的平臺(tái)電壓、電池容量，以常用穩(wěn)定時(shí)(Ah )或毫安時(shí)(mAh )表示的工作溫度范圍、正常放電溫度范圍、循環(huán)壽命、正常工作的充放電次數(shù)。 電池特性曲線：充電曲線放電曲線保存充放電循環(huán)曲線溫度曲線等光伏發(fā)電系統(tǒng)中最常見的是閥控密封式鉛酸蓄電池(Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLA

3、 )。5、4.1光伏蓄電池概要、4.1.2鉛蓄電池的基本概念(1)單元蓄電池指蓄電池的最小單元(格)。 (2)電池組的電池組為了滿足儲(chǔ)存大容量電力的需要，由單元的串聯(lián)和并聯(lián)組成。 從太陽能電池的正方陣發(fā)出的電力，起到隨時(shí)向負(fù)載供給電力的作用。 (3)電池充電是外部電路向蓄電池供給電力，使電池內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)藏的操作。 (4)過充電過充電繼續(xù)向完全充電的電池或電池組充電。 6，4.1光伏蓄電池的概要，5 )熱失控?zé)崾Э厥侵感铍姵卦诤銐撼潆姇r(shí)，在充電電流和電池溫度中產(chǎn)生蓄積性的增強(qiáng)作用，逐漸破壞蓄電池現(xiàn)象。 VRLA蓄電池過充電時(shí)正極產(chǎn)生的大量氧氣在負(fù)極復(fù)合，復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生的熱量

4、使蓄電池的溫度進(jìn)一步上升。 溫度上升時(shí)，電池的內(nèi)部電阻降低，浮動(dòng)充電電流增大。 這樣，增大的浮動(dòng)電流使蓄電池的溫度上升，上升的溫度又使浮動(dòng)電流增大，這樣反復(fù)進(jìn)行惡性循環(huán)熱失控。 VRLA鉛酸蓄電池“熱失控”故障的原因：電池脫水單元電池的早期故障充電器和鉛酸蓄電池組不一致(充電電壓過高)電池的氧循環(huán)氣體通過。 7、4.1光伏蓄電池的概要、(6)放電在規(guī)定條件下電池向外部電路輸出電能的過程。 (7)活性物質(zhì)在電池放電時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的物質(zhì)，或者正極和負(fù)極蓄積電能的物質(zhì)統(tǒng)稱為活性物質(zhì)。 (8)板極硫化電池在放電后不能立即充電，或長期半放電或充電不足，過充電時(shí)或長時(shí)間充電和放電也會(huì)形成難溶性的

5、PbSO4結(jié)晶，無法恢復(fù)到原來的狀態(tài)。 由于板的硫化導(dǎo)致充電困難，或者電池故障。8、4.1光伏蓄電池的概要、(9)容量是在規(guī)定的放電條件下電池輸出的電荷。 其單位總是用安時(shí)(Ah )表示。 能量和比能量蓄電池的能量是指在一定的放電控制下蓄電池可以提供的能量，通常用w表示，其單位為瓦時(shí)(Wh )。 理論能量可以用理論容量和電動(dòng)勢(shì)的乘積表示的實(shí)際能量是一定放電條件下的實(shí)際容量和平均工作電壓的乘積。比能蓄電池的比能是由每單位體積或單位重量(質(zhì)量)的蓄電池提供的能量，分別稱為體積比能(Wh/L )和重量比能(Wh/kg )。 9，4.1光伏發(fā)電電池的概要，電力和比電力電池的電力是電池在一定的放電控制下

6、，單位時(shí)間內(nèi)給予的能量的大小，通常用p表示，單位為瓦特(w )。 理論功率是一定放電條件下的放電電流與蓄電池電動(dòng)勢(shì)的積，實(shí)際功率是一定放電條件下的放電電流與平均工作電壓的積。 比電力是指單位體積或單位質(zhì)量的蓄電池輸出電力，分別稱為體積比電力(W /L )和質(zhì)量比電力(W /kg )。 比電力是蓄電池的重要技術(shù)性能指標(biāo)，表明蓄電池的比電力大，耐大電流放電的能量強(qiáng)。10，4.1光伏蓄電池的概要、(10 )相對(duì)密度相對(duì)密度是指電解液與水的密度之比，用于檢查電解液的強(qiáng)度。 相對(duì)密度與溫度變化有關(guān)。 25時(shí)，滿充電的電池電解液的相對(duì)密度值為1.265。 密閉型電池?zé)o法測量相對(duì)密度值。 純酸溶液的密度為1

7、.835g/cm3，完全放電后降低到1.l20g/cm3。 大部分鉛電池的密度在1.11.3 g/cm3的范圍，滿充電后一般為1.231.3 g/cm3。 高溫或低溫中的電池，相對(duì)密度也受到影響。11、4.1光伏蓄電池概要、(11 )運(yùn)轉(zhuǎn)溫度對(duì)電池性能有很大影響。 電池運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間，就會(huì)感覺到燙印，鉛酸電池有很強(qiáng)的發(fā)熱性。 如果運(yùn)轉(zhuǎn)溫度超過25，鉛電池的壽命每上升10 %就會(huì)減少50%。 因此，電池的最高運(yùn)轉(zhuǎn)溫度比外界低，運(yùn)轉(zhuǎn)溫度的變化超過5時(shí)，請(qǐng)采取溫度補(bǔ)償充電措施。 電池溫度傳感器請(qǐng)安裝在陽極上，與外部絕緣。12，4.2鉛酸二次電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，4.2.1鉛酸二次電池的結(jié)構(gòu)：鉛二次電池

8、由正極板、負(fù)極板、隔板、電池槽和電解液構(gòu)成。 活性物質(zhì)：正極、PbO2、負(fù)極、Pb； 電解液：在H2SO4電化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，e、h、HSO4不斷發(fā)生、不斷復(fù)合。 圖4-1 VRLA蓄電池的基本結(jié)構(gòu)，13，4.2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，1 .極板由板柵和活性物質(zhì)組成。 板柵是極板的骨架，用來支撐活性物質(zhì)，傳導(dǎo)電流。 (1)正極板(陽極)的陽極是指發(fā)生氧化反應(yīng)的電極。 鉛酸二次電池陽極板是正極。 它將結(jié)晶致密、稀疏的多孔二氧化鉛作為儲(chǔ)存電能的活性物質(zhì)，正常為紅褐色，按鉛酸蓄電池的電池分為正極和負(fù)極，陽極是放電時(shí)的負(fù)極，充電時(shí)的正極。 (2)負(fù)極板(陰極)的負(fù)極是指發(fā)生還原反應(yīng)的電極。 負(fù)極板是

9、放電時(shí)的正極，充電時(shí)的負(fù)極。 負(fù)極(陰極板)是海綿狀的金屬鉛蓄積電能的物質(zhì)，正常為灰色。14、4.2鉛酸二次電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，2 .隔膜插入電池兩極板組之間的隔離物，防止正、負(fù)極板相互接觸而短路和活性物質(zhì)脫落。 隔膜由防止離子滲透的材料制成，主要有AGM (超微細(xì)玻璃纖維)隔膜和PVC-SiO2隔膜兩種3 .容器用于容納電解液和支撐極板、硬橡膠式和塑料槽。 4 .電解液包含可動(dòng)離子，具有離子傳導(dǎo)性的液體或固體物質(zhì)稱為電解液。 一般為稀硫酸，一部分為膠體。 電解液在鉛酸二次電池中的作用是參加電化學(xué)反應(yīng)的溶液的正負(fù)離子的傳導(dǎo)體極板溫度上升的熱擴(kuò)散體。15，4.2鉛酸二次電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，4

10、.2.2鉛酸二次電池的工作原理鉛酸二次電池是將兩組極板插入稀硫酸溶液而構(gòu)成的。 電極充電完畢后，正極板為二氧化鉛，負(fù)極板為海綿狀鉛。 放電后，兩極板上產(chǎn)生細(xì)而柔軟的硫酸鉛，充電后轉(zhuǎn)化為原來的物質(zhì)。鉛酸二次電池的充電和放電過程中的可逆反應(yīng)理論比較復(fù)雜，目前公開的是“二硫酸化理論”，其意思是：放電時(shí)，兩電極的有效物質(zhì)和硫酸作用，轉(zhuǎn)化為硫酸化合物硫酸鉛的充電時(shí)，如圖4-1(b )所示，轉(zhuǎn)化為原來的鉛和二氧化鉛。16，4.2鉛酸二次電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，1 .鉛酸二次電池電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生鉛酸二次電池充電后，正極板的PbO2在硫酸溶液中的水分子的作用下，能夠與水解離的不穩(wěn)定物質(zhì)氫氧化鉛(Pb(OH)4)、氫

11、氧化物離子在溶液中、鉛離子(。 同時(shí)，負(fù)極板的Pb與電解液中的H2SO4反應(yīng)，成為鉛離子(Pb2)，鉛離子向電解液中移動(dòng)，在負(fù)極板上殘留多馀的2個(gè)電子(2e )。 在外部電路沒有接通時(shí)(電池開路時(shí))，由于化學(xué)作用，正極板中電子不足，負(fù)極板中出現(xiàn)多才多藝的電子，兩極板之間產(chǎn)生一定的電位差，可知這是電池的電動(dòng)勢(shì)。 鉛酸蓄電池單元(格)的電動(dòng)勢(shì)為2.0V。17，4.2鉛酸二次電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，2 .鉛酸二次電池充放電過程中電化學(xué)反應(yīng)二次電池充放電時(shí)，正極、負(fù)極活性物質(zhì)和電解液同時(shí)參與化學(xué)反應(yīng)。 鉛酸二次電池的充放電化學(xué)反應(yīng)的方程式是，在以下：正極電解液負(fù)極正極水負(fù)極放電過程： PbO2 2H2S

12、O4 Pb PbSO4 2H2O PbSO4充電過程： PBO2h2so4Pb pbso42 h2o pbso 4化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，有電子和離子的產(chǎn)生。 正極： PbO2 H2SO4PbSO4 H2O負(fù)極： Pb H2SO4PbSO4 H2總反應(yīng)： PBO2h2so4Pb2pbso4h2o，18， 4.2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，伴隨鉛酸蓄電池充放電過程的副反應(yīng)是2 h2o2h2o 2220 19，4.2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，4.2.3鉛酸蓄電池的分類和命名1 .鉛酸蓄電池的分類(1) 按電解液量和電池槽結(jié)構(gòu)分類以往的開口式鉛酸二次電池的閥控密封式鉛蓄電池(VRLA ) :全密封式結(jié)構(gòu)，

13、電解液為貧液狀態(tài)，使用中不需要加水或加酸，維持“免維護(hù)”。 AGM電池：主要采用AGM (玻璃纖維)隔板，電解液吸附在隔板的空隙內(nèi)的GEL電池：主要采用PVC-SiO2隔板，電解質(zhì)是凝膠化的膠體電解質(zhì)。20，4.2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，(2)按電池用途分別循環(huán)和啟動(dòng)使用的電池：鐵路電池、汽車電池、太陽能電池、電動(dòng)汽車電池、牽引電池等類型。 浮動(dòng)使用電池：浮動(dòng)電池主要是備用電池。 (3)根據(jù)電池的使用環(huán)境對(duì)固定型電池進(jìn)行分類：主要用于備用電源，廣泛用于郵政、電站和醫(yī)院等，最大的要求是安全可靠，其使用固定在一邊，因此重量不是重要問題。 移動(dòng)電池：主要有內(nèi)燃機(jī)用電池、鐵路客車用電池、摩托車用電

14、池、電動(dòng)汽車及牽引車用電池等。21，4.2鉛酸二次電池的結(jié)構(gòu)和工作原理、2 .二次電池的命名方法、型號(hào)組成和其代表性含義二次電池名稱由單電池單元數(shù)、型號(hào)、額定容量、電池功能或形狀等組成(圖4-2 )。 單電池?cái)?shù)為1時(shí)(2V )省略，6V、12V分別為3和6。 各公司產(chǎn)品形式的解釋不同，但產(chǎn)品形式的基本含義相同。 表4-3是常用字母的含義。圖4-2蓄電池名稱的組成、22、4.2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理、表4-3蓄電池常用文字的意思、例如gfm-500，1，1單元、g為固定型、f為閥控制式、m為密封、500為10小時(shí)率的額定6-GFMJ-100,6、6、6為6單體、電壓12V、g為固定、23，4

15、.2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，表4-4 12V系列無鉛酸蓄電池，24，4.2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，表4-5 12V系列膠體蓄電池，25，4.2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，4.2.4鉛酸蓄電池的性能殘奧表鉛酸蓄電池由圖可知，硫酸密度增加(硫酸密度在1.051.300g/cm3的范圍內(nèi))，蓄電池電動(dòng)勢(shì)的值也相應(yīng)增加，呈線性關(guān)系。 圖4-3的蓄電池電動(dòng)勢(shì)與硫酸密度的關(guān)系，26，4.2鉛酸二次電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，(1)蓄電池電動(dòng)勢(shì)(e )二次電池的電動(dòng)勢(shì)根據(jù)以下近似式，在E0.85 d (4-1)式中，0.85是VRLA二次電池的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 d是電解液的比重，單位采用g/cm3。 圖4-3

16、蓄電池電動(dòng)勢(shì)與硫酸密度的關(guān)系、27、4.2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理、(2)開路電壓(Uk )蓄電池的開路電壓是蓄電池的開路狀態(tài)(無電流狀態(tài))下的端子電壓。 在UkEz Ef (4-2)式中，Ez是蓄電池的正極電位。 Ef是蓄電池的負(fù)極電位。 電池穩(wěn)定時(shí)的開路電壓還可以與電池的電勢(shì)數(shù)值相等，并近似為UkE0.85 d。28、4.2鉛酸二次電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，(3)工作電壓(u )二次電池的工作電壓是二次電池接通負(fù)載后放電中顯示的端子電壓，也稱為負(fù)載(負(fù)載)電壓或放電電壓。 工作電壓的大小發(fā)生變化，與電池的放電電流和電池的內(nèi)部電阻兩方面都有關(guān)。 在式(4-3)中，I是蓄電池的放電電流。 R0是

17、蓄電池的歐姆電阻Rj是蓄電池的極化電阻。 (4)充電電壓電池的充電電壓是指電池充電時(shí)，外部電源施加在電池兩端的電壓。 (5)初始電壓電池的初始電壓是電池放電初期的動(dòng)作電壓。29、4.2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，(6)浮動(dòng)充電電壓電池充電器對(duì)二次電池進(jìn)行浮動(dòng)充電時(shí)設(shè)定的電壓值。 鉛酸蓄電池的單體(格)電壓為2V/格，實(shí)際電壓根據(jù)充放電情況而變化，充電結(jié)束時(shí)的電壓為2.52.7V/格，然后逐漸下降到2.05V/格左右的穩(wěn)定狀態(tài)。 放電時(shí)，電壓緩慢下降，一旦下降到1.7V，就無法繼續(xù)放電，可能會(huì)損壞電池極板。 200Ah以上鉛酸蓄電池分別為單體，電壓為2V。 200Ah以下的鉛酸蓄電池每只有6個(gè)單體(格)串聯(lián)連接，電壓是12V。 VRLA蓄電池在25點(diǎn)浮動(dòng)充電電壓u開路