VRLA蓄电池在光伏系统的应用

前言

中国幅员辽阔，人口分布不均，东密西疏，因地理环境和经济相对落后等原因，造成一些地区的电力相对匮乏，国家电力电网无法覆盖，无法集中供电，或者电网质量不稳定，给当地的经济发展，人民生活的改善造成一定的障碍。尤其在中国的北方、西北等地问题尤为突出，迫切需要有适合当地区使用的稳定可靠的电力系统。现在常用的单独供电系统有发电机组、太阳能系统、风力发电系统、风光互补系统。

发电机组，以一次能源作为动力源推动内燃机，内燃机传动发电机，发电机做磁力线切割运动产生电能。而一次能源资源越来越稀少，价格越来越高，并且严重影响自然环境。

太阳能系统、风力发电系统、风光互补系统，以自然界取之不尽用之不完的光能、风能作为能量源，通过一定装换装置转化为可以使用的电能，此能源自然、环保，充分体现了节能、环保、爱地球的理念。而此类电源能够持续供电的能力需要储能设备提供保障，目前主要使用的储能设备有镉镍电池、VRLA蓄电池。但由于成本，原材料缺乏等原因，镉镍电池逐步被VRLA蓄电池取代。下面以光伏系统为例介绍一下VRLA蓄电池在光伏系统的应用。

光伏系统介绍

一． 光伏系统的工作原理

在光照条件好的情况下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。一部分供给电力系统使用，一部分通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将光能转换而来的电能储存起来。在光照条件达不到要求时，蓄电池组再通过逆变器提供电力系统所需的电力。

二． 光伏系统的组成

光伏系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器等设备组成。其各部分设备的作用是：

（1）太阳能电池方阵：在有光照情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生"光生电压"，这就是"光生伏打效应"。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。

（2）蓄电池组：其作用是储存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。

（3）控制器：自动控制电力的选择，在市电、太阳能电、蓄电池电之间选择，对蓄电池充电。

（4）逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。

光伏系统对蓄电池性能要求分析

一． 光伏发电系统用蓄电池的工作条件

在光伏电站使用环境中，光照条件好时（白天），太阳能电池组件接收太阳光，输出电能，一部分直流和交流负载工作，另一部分供给蓄电池充电；光照条件不好时（夜晚或阴雨天），太阳能电池组件无法工作，蓄电池组供电，供给直流或交流负载，蓄电池是处于循环状态，所以，在这种使用环境下，蓄电池的寿命为循环寿命。

应用于光伏系统中的蓄电池的工作条件和蓄电池应用在其它场合的工作条件不同。其主要区别可以概括为以下几点:

（1）充电率非常小, 由于成本，位置空间等问题，太阳电池投入数量会受到很大的限制，为了保证电力系统的正常使用，往往提供给蓄电池的充电电力变得十分有限，平均充电电流一般为0.05C10～0.1C10,很少达到0.1C10A。

（2）放电率非常小,太能系统设计时需要考虑到最大负载容量，最长后备时间，配置的蓄电池容量较大，而实际使用过程中负载相对设计负载小得多，蓄电池放电率通常为C20～C240,或者更小。

（3）由于受到自然资源的限制,蓄电池只有在有日照时才能充电:即充电时间受到限制。

（4）不能按给定的充电规律对蓄电池进行充电。

二． 光伏发电系统对VRLA蓄电池的性能要求

光伏发电系统中的蓄电池频繁处于充电-放电的反复续循环中，由于日照的不稳定性，过充电和深放电的不利情况时有发生，加之光伏发电系统大部分在西部地区使用，海拔都在2500M以上。因此，对光伏发电系统中的蓄电池有如下要求：

（1）具有深循环放电性能，充放电循环寿命长；
（2）耐过充电能力强；
（3）过放电后容量恢复能力强；
（4）良好的充电接受能力；
（5）电池在静态环境中使用时，电解液不易分层；
（6）具有免维护或少维护的性能；
（7）应具备良好的高、低温充放电特性；
（8）能适应高海拔（海拔都在2500M以上）地区的使用环境；
（9）蓄电池组中各蓄电池一致性良好。

三．影响光伏发电系统用储能VRLA蓄电池寿命的因素

（1）正极活性物质软化脱落

VRLA蓄电池在循环使用条件下,电池的失效主要是由正极活性物质(ＰＡＭ)的软化、脱落所致。

铅酸电池循环过程中,正、负极活性物质经历了可逆的溶解再沉积过程,改变了多孔二氧化铅电极的结构。尤其对二氧化铅电极,可能会引起表观体积的增加,改变颗粒和孔尺寸的分布，多孔二氧化铅结构中颗粒之间的机械结合性能和导电性能降低，随着循环的继续,这种情况还会进一步的恶化,结果使得该区域的活性物质软化和脱落。

（2）放电电流对蓄电池寿命影响

在光伏系统中,蓄电池的放电电流非常小。在小电流条件下形成的PbSO4比大电流条件下形成的PbSO4转化困难得多。这是因为在小电流条件下形成的PbSO4结晶颗粒要比大电流条件下形成的PbSO4结晶颗粒粗大，粗大的PbSO4结晶颗粒减少了PbSO4的有效面积,这样在再充时加速了极板极化,导致PbSO4转化困难，随着循环的继续,这种情况还会更加加剧,结果使得极板充不进电，最后导致蓄电池寿命终止。

（3） 深度放电后蓄电池容量恢复

在光伏系统中,蓄电池的放电率要比蓄电池应用在其它场合低,通常介于C20～C240，甚至更低。小电流下深度放电意味着极板上的活性物质将得到更充分的利用。在许多光伏系统中,通常不会发生深度放电,除非充电系统出现故障或者持续长时间的坏天气。在这种情况下,如果蓄电池得不到及时的再充电,硫化问题将更加严重,进一步导致容量损失。