VRLA蓄電池在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用

    光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池頻繁處于充電—放電的反復(fù)續(xù)循環(huán)中，由于日照的不穩(wěn)定性，過(guò)充電和深放電的不利情況時(shí)有發(fā)生，加之光伏發(fā)電系統(tǒng)大部分在西部地區(qū)使用，海拔都在2500M以上。因此，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池有如下要求：

    （1）具有深循環(huán)放電性能，充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)；

    （2）耐過(guò)充電能力強(qiáng)；

    （3）過(guò)放電后容量恢復(fù)能力強(qiáng)；

    （4）良好的充電接受能力；

    （5）電池在靜態(tài)環(huán)境中使用時(shí)，電解液不易分層；

    （6）具有免維護(hù)或少維護(hù)的性能；

    （7）應(yīng)具備良好的高、低溫充放電特性；

    （8）能適應(yīng)高海拔（海拔都在2500M以上）地區(qū)的使用環(huán)境；

    （9）蓄電池組中各蓄電池一致性良好。

    三．影響光伏發(fā)電系統(tǒng)用儲(chǔ)能VRLA蓄電池壽命的因素：

    （1）正極活性物質(zhì)軟化脫落

    VRLA蓄電池在循環(huán)使用條件下,電池的失效主要是由正極活性物質(zhì)(ＰＡＭ)的軟化、脫落所致。

    鉛酸電池循環(huán)過(guò)程中,正、負(fù)極活性物質(zhì)經(jīng)歷了可逆的溶解再沉積過(guò)程,改變了多孔二氧化鉛電極的結(jié)構(gòu)。尤其對(duì)二氧化鉛電極,可能會(huì)引起表觀(guān)體積的增加,改變顆粒和孔尺寸的分布，多孔二氧化鉛結(jié)構(gòu)中顆粒之間的機(jī)械結(jié)合性能和導(dǎo)電性能降低，隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會(huì)進(jìn)一步的惡化,結(jié)果使得該區(qū)域的活性物質(zhì)軟化和脫落。

    （2）放電電流對(duì)蓄電池壽命影響

    在光伏系統(tǒng)中,蓄電池的放電電流非常小。在小電流條件下形成的PbSO4比大電流條件下形成的PbSO4轉(zhuǎn)化困難得多。這是因?yàn)樵谛‰娏鳁l件下形成的PbSO4結(jié)晶顆粒要比大電流條件下形成的PbSO4結(jié)晶顆粒粗大，粗大的PbSO4結(jié)晶顆粒減少了PbSO4的有效面積,這樣在再充時(shí)加速了極板極化, 導(dǎo)致PbSO4轉(zhuǎn)化困難，隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會(huì)更加加劇,結(jié)果使得極板充不進(jìn)電，最后導(dǎo)致蓄電池壽命終止。

    （3） 深度放電后蓄電池容量恢復(fù)

    在光伏系統(tǒng)中,蓄電池的放電率要比蓄電池應(yīng)用在其他場(chǎng)合低,通常介于C20～C240，甚至更低。小電流下深度放電意味著極板上的活性物質(zhì)將得到更充分的利用。在許多光伏系統(tǒng)中,通常不會(huì)發(fā)生深度放電,除非充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的壞天氣。在這種情況下,如果蓄電池得不到及時(shí)的再充電,硫化問(wèn)題將更加嚴(yán)重,進(jìn)一步導(dǎo)致容量損失。

    （4）酸分層對(duì)蓄電池壽命影響

    電解液分層現(xiàn)象是由于重力的作用在電池的充放電過(guò)程中產(chǎn)生的，即充電時(shí)正負(fù)極板表面都產(chǎn)生Ｈ2ＳＯ4,它的密度大,因重力的作用而下沉。在放電時(shí),正負(fù)極板表面均消耗Ｈ2ＳＯ4,故表面液層密度小, 低密度的電解液順著極板間上升,而極群上部高密度的電解液則從極群側(cè)面向下流,電解液流動(dòng)的結(jié)果造成了上部密度低、下部密度高。分層現(xiàn)象的產(chǎn)生對(duì)蓄電池的使用壽命和容量均產(chǎn)生不利影響，加速了板柵的腐蝕和正極活物質(zhì)的脫落,導(dǎo)致負(fù)極板硫酸鹽化。

    （5）電液密度對(duì)鉛蓄電池壽命的影響

    電解液的濃度不僅與蓄電池的容量有關(guān)，而且與正極板柵的腐蝕和負(fù)極活性物質(zhì)硫酸鹽化有關(guān)。過(guò)高的硫酸濃度加速了正極板柵的腐蝕和負(fù)極活性物質(zhì)硫酸鹽化，并導(dǎo)致失水加劇。

    （6）板柵合金的影響

    VRLA蓄電池，由于長(zhǎng)期使用,正極板柵會(huì)在電解液的作用下逐步腐蝕并長(zhǎng)大,板柵的長(zhǎng)大使活物質(zhì)和板柵的結(jié)合性降低,從而導(dǎo)致電池容量逐漸喪失。這種正極板柵的腐蝕和長(zhǎng)大主要受板柵的合金組成、電解液密度以及板柵筋條形狀等因素的影響。

    在蓄電池充電過(guò)程中,板柵和活性物質(zhì)的介面上形成非導(dǎo)電層,這些非導(dǎo)電層或低導(dǎo)電性層在板柵和ＰＡＭ介面引起了高的阻抗,導(dǎo)致充放電時(shí)發(fā)熱和板柵附近ＰＡＭ膨脹,從而限制了電池的容量（即所謂的PCL效應(yīng)）。

    （7）極板的厚度的影響

    極板的厚度應(yīng)屬于電池設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，較厚極板的循環(huán)壽命要長(zhǎng)于較薄極板，而活性物質(zhì)利用率相比之下要差一些。但有利于循環(huán)回圈壽命的延長(zhǎng)。

    （8）裝配壓力的影

    裝配壓力對(duì)ＶＲＬＡ電池壽命有很大影響,ＡＧＭ隔板彈性差,組裝時(shí),極群不加壓或壓力過(guò)小,隔板和極板之間不能保持良好的接觸,電池容量大大下降。

    在循環(huán)過(guò)程中，活性物質(zhì)的膨脹、疏松、脫落是電池壽命提前終結(jié)的原因之一，而采用較高的裝配壓力可以防止活性物質(zhì)在深回圈過(guò)程中的膨脹。若裝配壓力太低，還會(huì)導(dǎo)致隔板過(guò)早地與極板分離，引起電液傳輸困難，電池內(nèi)阻迅速增大，容易導(dǎo)致蓄電池壽命終止。因此，采用較高的裝配壓力是電池具有長(zhǎng)循環(huán)壽命的保證。

    （9）溫度的影響

    高溫對(duì)蓄電池失水干涸、熱失控、正極板柵腐蝕和變形等都起到加速作用，低溫會(huì)引起負(fù)極失效，溫度波動(dòng)會(huì)加速枝晶短路等等，這些都將影響電池壽命。      在一定環(huán)境溫度范圍放電時(shí)，使用容量隨溫度升高而增加，隨溫度降低而減小。在環(huán)境溫度10～45℃范圍內(nèi)，鉛蓄電池容量隨溫度升高而增加，如閥控密封鉛蓄電池在40℃下放電電量，比在25℃下放電的電量大10%左右，但是，超過(guò)一定溫度范圍，則相反，如在環(huán)境溫度45～50℃條件下放電，則電池容量明顯減小。低溫（<5℃）時(shí)，電池容量隨溫度降低而減小，電解液溫度降低時(shí)，其粘度增大，離子運(yùn)動(dòng)受到較大阻力，擴(kuò)散能力降低；在低溫下電解液的電阻也增大，電化學(xué)的反應(yīng)阻力增加，結(jié)果導(dǎo)致蓄電池容量下降。其次低溫還會(huì)導(dǎo)致負(fù)極活性物質(zhì)利用率下降，影響蓄電池容量，如電池在-10℃環(huán)境溫度環(huán)境溫度下放電時(shí)，負(fù)極板容量?jī)H達(dá)35%額定容量。

    通常情況下，若在25℃條件下使用時(shí)，蓄電池的壽命為3年，那么30℃條件下使用時(shí)，就下降至2.5年；40℃時(shí)就下降至1.5年。即以25℃為基準(zhǔn)，每升高10℃，其使用壽命縮短一半

    四．光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能VRLA蓄電池的設(shè)計(jì)實(shí)踐

    根據(jù)光伏系統(tǒng)用蓄電池的工作條件以及對(duì)光伏系統(tǒng)用蓄電池性能的特殊要求，結(jié)合上述影響蓄電池壽命的因素，在原VRLA蓄電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的研究和技術(shù)改進(jìn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了光伏系統(tǒng)專(zhuān)用VRLA蓄電池。具體改進(jìn)措施包含以下幾方面：

    （1）板柵合金：采用了適合與循環(huán)使用鉛銻或者鉛鎘板柵合金，既能防止極板在使用過(guò)程中腐蝕增長(zhǎng)，又可消除板柵和活性物質(zhì)的介面上的阻擋層，杜絕了早期容量衰減。其充電效率和深放電后的恢復(fù)性能都很理想。由于鎘為有毒元素，現(xiàn)在限制使用。但由于鉛銻合金電池，失水嚴(yán)重，現(xiàn)在一般做成開(kāi)口式蓄電池需要定期補(bǔ)水，需要人員定期維護(hù)。

    （2）板柵結(jié)構(gòu)：采用了特殊的板柵結(jié)構(gòu)，可防止因板柵增長(zhǎng)而導(dǎo)致蓄電池?fù)p壞，并增加了板柵的厚度，以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。現(xiàn)在常用管式正極板柵設(shè)計(jì)，有限解決了因活性與板柵之間接觸不好的問(wèn)題。

    （3）鉛膏：在正、負(fù)鉛膏中，添加能增加導(dǎo)電性的添加劑，如石墨、乙炔黑等，并改進(jìn)和膏工藝和固化工藝，提高了蓄電池的充電接受能力、過(guò)放電后容量恢復(fù)能力和深循環(huán)壽命。

    （4）裝配壓力：提高了電池的裝配壓力，以提高蓄電池的循環(huán)使用壽命。采用了高強(qiáng)度緊裝配技術(shù)，確保蓄電池緊裝配壓力得以實(shí)現(xiàn)。

    （5）電解液：降低了硫酸電解液的比重，并添加了特殊的電液添加劑，可以降低對(duì)極板的腐蝕，減少電液分層的產(chǎn)生，提高了電池的充電接受能力，和過(guò)放電性能。

    （6）雜質(zhì)的控制：對(duì)各種材料的雜質(zhì)（如Sb、Fe、Ni等）進(jìn)行嚴(yán)格的控制，特別是合金中雜質(zhì)的控制，降低了電池的自放電，杜絕了負(fù)極匯流排腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

    （7）正負(fù)活性物質(zhì)的配比：針對(duì)光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能VRLA蓄電池的充放電特點(diǎn)，調(diào)整了正負(fù)活性物質(zhì)的配比，提高蓄電池的循環(huán)壽命。

    （8）安全閥：對(duì)安全閥還考慮了海拔2500m以上的高原氣候的影響，特別調(diào)整了開(kāi)閉閥壓力，采用專(zhuān)用安全閥。

    （9） 電池結(jié)構(gòu)：降低了電池總高度。采用用矮型結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，可以大大降低由于電液分層現(xiàn)象導(dǎo)致蓄電池的使用壽命和容量受到不利影響。但由于膠體電池不易出現(xiàn)電解液分層現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)此限制。

    （10）蓄電池各單體電池的一致性：這里提到的一致性不僅是指電池的開(kāi)路電壓，初期容量，還包括電池的內(nèi)阻，自放電，以及充電效率等，這就要求足夠的制造精度，即從鉛粉、鑄片、和膏、涂片、固化、化成、干燥裝配、加酸、充電到最后的四項(xiàng)功能檢測(cè)都必須控制在較小的公差范圍內(nèi)，所以采用機(jī)鑄、機(jī)涂、組立機(jī)裝配以及精確注酸是確保電池一致性的可靠保證，盡量減少人為因數(shù)。

    總結(jié)

    由于光伏發(fā)電系統(tǒng)用轉(zhuǎn)化效率低，成本高，以及沒(méi)有相應(yīng)配套的鼓勵(lì)發(fā)展的法律法規(guī)，使得光伏系統(tǒng)發(fā)展較慢。但發(fā)展新型能源是大勢(shì)所趨，必將高速發(fā)展。而儲(chǔ)能蓄電池目前主要包括鎘鎳蓄電池和鉛酸蓄電池，其中鎘鎳電池正逐步被淘汰。鉛酸蓄電池包括富液式和貧液式，必將在近幾年在光伏發(fā)電系統(tǒng)都得到廣泛的應(yīng)用。■