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    太阳能系统用铅酸蓄电池特点与要求
    来源:广东电源    发布时间:2014-12-02    浏览:
    摘要:简单介绍了近年来国内、外太阳能光伏(PV) 市场的发展情况,以及用于太阳能系统的铅酸电池的情况。
    关键词:太阳能;光伏系统;储能用铅酸电池;
    太阳能光伏(PV 系统用铅酸蓄电池的使用特点和要求
    1.蓄电池的使用特点
    在太阳能光伏发电系统中,蓄电池是重要的组成部分,约占系统价值的20 %~30 %。太阳能贮能系统的使用情况与通常铅酸VRLA 电池的使用条件差别较大,它放电电流较小,放电深度较小。根据系统设计富裕量不同,一般以24 小时率放电,放电深度为20 %~70 %。
    多数电池与PV 系统被安装于偏远地区的室外,所以系统(包括电池) 通常工作的环境较为恶劣。比如温度变化大、海拔高、人工监控和维护困难等。这就要求电池必须具有更加可靠的性能、更加宽泛的操作条件,同时还要有合适的寿命。
    太阳能光伏系统中,蓄电池充电由太阳能电池直接提供,其充电电流和充电电压随着太阳辐照强度变化而变化,充电电压不够(欠充电) 和充电电压过高(过充电) 时常发生。另外系统中充电电压不能根据温度变化自动调节,易造成高温条件下蓄电池过充,而低温情况下蓄电池充电不足,其结果使蓄电池寿命提前终止。
    其工作方式属于典型的PSOC 工作,PSOC 下工作的时间较多,对电池寿命是个极大考验。而且在目前使用光伏系统较多的西部地区交通极不方便,使用维护人员素质不高,人为影响系统的运行质量。
    2.对蓄电池的几点要求
    根据太阳能光伏发电系统的使用特点,电池应满足以下技术性能要求:
    太阳能光伏系统中太阳能电池组件寿命达到20 年以上,控制器、逆变器的寿命达到10 年以上,要求蓄电池组寿命达到5 年以上,所以储能用电池应选择循环应用的长寿命电池。  一般太阳能光伏系统的设计蓄电池循环深度为20 %~50 %,在50 %D.O.D 循环深度下,循环寿命应达到l 000 次以上,国外的专用产品可达2 500~3 500 次[1],而目前最常用的AGM- VRLA 电池难以达到此要求。
    太阳能光伏发电系统大部分是在偏远地方的野外使用,蓄电池必须具有广泛的温度适应性。比如澳大利亚、美国西部热带地区和中国西部地区的环境条件恶劣,室外气温变化范围为- 35~+50 ℃,蓄电池的工作环境温度为- 20~+40 ℃,湿度为90 %,最高海拔为4 500 m,要特别注意蓄电池排气阀的压力范围、高低/ 温放电性能、高/ 低温下对蓄电池槽、盖密封性和极柱密封可靠性的影响。另外,还必须考虑到高温下,板栅变形对电池性能、寿命以及密封可靠性的影响[1- 2]。
    系统中蓄电池放电深度不稳定,当连续阴天时,容易造成电池过放电,如果过放电后容量得不到恢复,将影响系统使用的可靠性。所以电池过放电后应具有极佳的恢复性能,要求蓄电池100 %放电后,再开路搁置120 h 后,充电可恢复到实际容量的95 %以上,而普通AGM蓄电池实际只能恢复75 %~85 %[1]。
    蓄电池的工作电流较小,多数按C100 或C240 进行计算,工作电流很小,只有0.004~0.01C20 A,是典型的小电流长时间放电,电池负极很容易硫酸盐化,产生较大的极板变形等。
    蓄电池是循环使用,系统中蓄电池数量较多,因此对整组电池容量的均一性要求较高。系统中如有落后电池,那么它在放电时可能会处于过放电,而在充电时又会产生充电不足的情况,如此反复,落后电池将提前失效,从而影响整组电池的安全性和寿命。参照相关标准,对配组的储能电池容量偏差要求小于5 %,以提高整组电池的循环寿命。
    蓄电池还应该达到防爆阻燃、抗震的安全性要求,另外自放电小、搁置寿命要长、恒流过充寿命等要求应符合信息产业标准的要求和最新的标准IEC 61427。
    3. 国外领先PV 系统用电池产品情况
    3.1国外产品
    目前能够用于太阳能系统的电池主要还是铅酸蓄电池,其中主要包括两个类型的铅酸蓄电池:太阳能储能用的铅酸蓄电池不同于普通电池,其要求较高,国外的几大厂商都开发了专用的系列电池产品。
    目前以EXIDE 下属的德国阳光公司的产品最具代表性,也最先进。众所周知,胶体电池技术最早是由德国阳光(哈根) 于60 年代开发成功的,目前世界上各厂家的胶体技术基本上都来源于德国阳光的dryfit 胶体技术。该技术时至今日依然独步天下,一直是业界无可争议的领先者。
    日本由于对太阳能技术起步早,于80 年代中期开发了适合于PV 用途的专用铅酸蓄电池,其技术主要是对原来的传统阀控式铅酸电池进行不断的改进,因此与欧洲胶体技术相比自成一派。比如其1989 年SRE100- 12 系列采用管式极板以及粒状二氧化硅和活性物添加石墨的技术(GS 专利) 使得其40 %D.O.D 放电循环寿命高达6 000 次,与胶体电池的最为接近。目前日本国内已经在隧道照明系统、风力混合式系统、海洋应用系统、孤岛用系
    统、海水淡化系统以及防灾系统中大量使用其产品,并且取得了不错的效果。另外一个就是以日本GS、YUASA 为代表的AGM技术的改进产品。其利用材料技术和结构改进等不断改进现有的AGM技术使之具有适合太阳能应用的特性,也取得了很大的成功[5- 6]。
    在欧美一直应用传统的富液式低维护铅酸蓄电池,不过近年来有不断下降的趋势,主要原因是其需要专业的维护,较为麻烦。
    3.2 AGM电池的用于PV 系统的局限性
    为了降低成本,起初人们使用普通的AGM电池,但是最终证明效果不好,寿命不长。这是因为AGM电池由于对电池的使用环境(主要是温度)和充放电制度限制严格,循环寿命低,并不适合于恶劣的太阳能系统使用,国外实际案例也证明AGM类型电池用于该环境时其寿命较短。
    改良的AGM电池在很多性能上取得了很大的突破,同时具备了较高的能量密度。目前对于该技术,日本是一枝独秀,其产品与国内的太阳能系统配套应用较多,但在其它地区并不多。
    3.3富液式电池用于PV 系统的局限性
    相对于目前发展迅速的胶体电池技术,富液式电池存在以下固有的缺点:
    ●其使用场合相对受到影响,电池不适合在低温下使用,一般推荐最低温度为10 ℃,这大大限制了其使用范围和场合。
    ●电池需要维护。实践表明该类型电池如果维护得当,其寿命的确可以长达10 a 以上,但是如果缺乏专业的维护,其寿命将大大缩减。但是维护也增加了电池的使用成本。
    ●电池使用时析出酸雾和有害气体较多,需要建设专门的隔离电池室。
    ●在偏远地区供电状态下使用,电池会经常处于欠充电、过充电以及过放电等状态,这将大大加剧电解液的分层现象、活性物脱落、极板盐化和板栅腐蚀速率加快,使得电池的性能和寿命提前终止。CSIRO 曾用了数年的时间对用于PV 系统的富液式和胶体电池进行了各种对比,发现在PSOC 下工作的富液电池的寿命大大降低,其实际寿命只有胶体电池的1/3 左右,主要失效原因是电解液分层导致容量衰减严重[7- 8]。
    3.4 胶体电池的优点
    经过时间的验证,胶体电池被证明最合适于PV 系统使用。和富液式电池相比,胶体电池具有无可比拟的优势,是太阳能系统最佳的选择:
    ●具有和富液式电池接近的深循环性能和使用寿命。80 %D.O.D 循环达1 200~1 600 次。
    ●免维护设计,不需要单独的电池室。全密封设计,具有与AGM密封电池同样的氧复合原理。“准富液”的胶体电解液设计,保证了长寿命和免维护。
    ●适用温度范围广,- 20 ℃~45 ℃范围内都能正常使用,胶体电解液大大增强了电池耐高、低温的性能,真正适合偏远地区供电的恶劣工作环境。
    ●真正的长寿命设计,设计寿命≥20 a,实际寿命可达10 a 以上。
    ●对PSOC 状态使用具有最佳的适应能力,循环过程中容量衰减小,电解液分层小。国外案例表明,长期于40 %~70 %PSOC 下的电池, 6 000 次循环(约30 %D.O.D) 后,容量仍有94 %。
    ●充电接受能力极佳,胶体电池具有较佳的充电接受能力,在PSOC 下其充电效率可达99.5 %,只需较小的过充电量就能保证充足电,深放电后的容量恢复能力好,过充电被限制小于5 %,这样改善了循环效率,同时减少了板栅的腐蚀和内部发热[7]。
    ●“固态”胶体电液不流动,整体全密封设计,运输、使用和安装更加安全、方便,可以作为非危险品进行运输。
    ●自放电最小,搁置寿命长达2 a 以上,适用于特殊场合和要求(比如军用)。
    4. 国内光伏系统用电池的现状
    目前中国还没有成熟的太阳能光伏系统专用储能电池,也缺乏能进行整套系统供应的厂家。国内很多系统都是国外公司包办的,而所用的配套电池也都是国外的知名品牌。
    部分光伏系统厂家从成本上考虑以及缺乏对蓄电池的了解,一般有如下两种选择:部分选用普通的铅酸蓄电池,比如汽车电池、阀控电池等,使用中存在诸多的问题,比如,寿命短(一般1~3 年),早期容量衰减严重(主要是极板盐化)、易发生“热失控”、高温下密封失效等。也有的厂家改进原有的AGM电池,简单的采取了以AGM电池灌注胶体电解液的方法,我公司曾生产过这样的电池。经过实验测试和实际投入使用后,发现效果并不好,显现出电池的一致性比AGM电池的还要差。
    另外就是提高电池的设计容量,通过改进极板,配方来改善电池的充电接受能力和耐过充/ 过放电的能力。国内某著名厂家就是采取该方式对原有的GFM系列电池进行改进的,改进后的电池被用于西部“光明工程”的部分配套系统中,据说其效果不错,其GFMU 系列2 V 500 Ah 电池的初期容量高达650 Ah[11]。
    前面提到,目前国内只有两、三家公司开发了专门的胶体电池(已生产多年),其他公司基本上是处于仿制和试验阶段。但是其产品水平和质量与国外产品的还存在着相当明显的差距,特别是某些关键指标,我们测试过国内某知名厂家产品的循环寿命,只能达到其宣称的1/3 左右。
    5.PV 用铅酸电池发展前景预测
    PV 系统用胶体电池前景广阔,市场需求量较大,必将成为今后铅酸蓄电池发展的一个方向。PV 用电池要求较高,目前国内与国外先进水平还存在很大的差距。国内厂家应该奋起直追,通过加强基础研究、引进技术和设备等途径快速缩短与世界先进水平的差距,以中国产品的价格优势,开辟出一片广阔的天地,打破高端市场国外“一统天下”的局面。
    2006 年9 月中国取消了铅酸蓄电池出口退税政策,铅酸蓄电池出口量下跌。数据显示,2007年1~4 月中国铅酸蓄电池出口量为0.5 亿只,下降12.2 %,价值3.7 亿美元。2006 年,美国铅酸蓄电池的产量只有中国的1/3,但是其产值是中国的4.5 倍左右。中国产量约占世界的1/3,产值却小很多,利润就更不用说了。国内厂家要想提高利润,并且保持一定的国际竞争力,开发和生产高品质的产品尤为迫切。
    太阳能的快速发展带来了新的机遇。政府对其的重视程度日益提高,国内基本上还处于“群雄混战”状态,谁能够占得先机意义重大。当然,前提是能够拿得出好的产品,能够接近国外水平,最差也要做到国内领先。NDRC (国家发改委) 预计2020 年太阳能的需将达1 800 MW,太阳能产业将达到3 000 亿元的规模,比2005 年增加25 倍。保守估计,按太阳混合系统占总PV 系统的5 %,储能电池占系统25 %计算,则对储能电池需求将
    达到约37.5 亿元。此外,今后通信市场将需求越来越多的胶体电池。胶体电池用于通讯系统必将具有较大的优势,特别是高端市场。
     
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