VRLA蓄電池在光伏發(fā)電系統中的研究與應用

　　在早期光伏發(fā)電系統中，一般使用開(kāi)口式鉛酸蓄電池作為儲能裝置，但開(kāi)口式鉛酸蓄電池有需要加酸加水維護，酸液易污染環(huán)境等缺點(diǎn)，不利于無(wú)人值守使用及環(huán)保。近些年來(lái)，閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）由于密封不漏酸、不腐蝕設備污染環(huán)境，備受歡迎，在我國電信、電力、鐵路等行業(yè)得到廣泛使用?，F在的光伏系統用蓄電池，幾乎全部為VRLA蓄電池。VRLA蓄電池的主要作用有兩點(diǎn)：（1）在晚上或多云及光伏陣列產(chǎn)能和負載用電不一致等情況下，蓄電池能夠存儲多余能量或給負載提供能量；（2）由于太陽(yáng)能電池組件的工作特性受太陽(yáng)輻照度、溫度等影響很大，負載常常不能處在最理想工作點(diǎn)附近。蓄電池對太陽(yáng)能電池的工作電壓具有鉗位作用，能夠保證負載處在最理想工作點(diǎn)附近。

　　光伏發(fā)電系統的組成

　　光伏發(fā)電系統是利用光電效應原理將太陽(yáng)能轉換為電能的發(fā)電系統，通常由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等組成，如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統組成框圖

　　太陽(yáng)能電池組件的作用是將太陽(yáng)能轉化為電能，供給負載工作或給蓄電池組充電；控制器的作用是對蓄電池組的充放電進(jìn)行保護；蓄電池組用于存儲電能；逆變器的作用是將直流電變換為交流電。在夜晚或陰雨天，太陽(yáng)電池組件無(wú)法工作時(shí)，由蓄電池組供電給負載工作?？梢?jiàn)，蓄電池組在光伏發(fā)電系統中起著(zhù)相當重要的作用。

　　光伏發(fā)電系統用VRLA蓄電池特點(diǎn)

　　1 光伏發(fā)電系統用蓄電池的工作方式

　　蓄電池的工作方式可分為循環(huán)使用和浮充使用兩種。經(jīng)常處于頻繁的充放電工作狀態(tài)，即循環(huán)使用；經(jīng)常處于充電狀態(tài)則為浮充使用，能彌補蓄電池因自放電而造成的容量損失。光伏發(fā)電系統用VRLA蓄電池屬于循環(huán)使用方式。

　　2 光伏系統用蓄電池充放電特性

　　光伏發(fā)電系統用蓄電池充放電特性一般有4點(diǎn)：（1）白天充電，晚上以及陰、雨天放電；（2）充電倍率低，平均充電電流一般為0.01～0.02C，很少達到0.1～0.2C；（3）放電電流小，放電倍率通常為0.004～0.05C；（4）一次充電時(shí)間較短，即使長(cháng)的時(shí)候僅為約10 h。光伏系統很少能完全、快速地給蓄電池充滿(mǎn)電，蓄電池往往會(huì )處于欠充電狀態(tài)。

　　3 光伏發(fā)電系統用VRLA蓄電池性能要求

　　光伏發(fā)電系統多建立在邊遠偏僻的山區、高原、戈壁，自然環(huán)境十分惡劣，工作環(huán)境溫度變化范圍很大。因此，對光伏發(fā)電系統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(cháng)；（2）耐過(guò)充電能力強；（3）過(guò)放電后容量恢復能力強；（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）具有免維護或少維護的性能；（7）應具備良好的高、低溫充放電特性；（8）能適應高海拔地區的使用環(huán)境；（9）蓄電池組中各蓄電池一致性良好。

　　在早期光伏發(fā)電系統中，一般使用開(kāi)口式鉛酸蓄電池作為儲能裝置，但開(kāi)口式鉛酸蓄電池有需要加酸加水維護，酸液易污染環(huán)境等缺點(diǎn)，不利于無(wú)人值守使用及環(huán)保。近些年來(lái)，閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）由于密封不漏酸、不腐蝕設備污染環(huán)境，備受歡迎，在我國電信、電力、鐵路等行業(yè)得到廣泛使用?，F在的光伏系統用蓄電池，幾乎全部為VRLA蓄電池。VRLA蓄電池的主要作用有兩點(diǎn)：（1）在晚上或多云及光伏陣列產(chǎn)能和負載用電不一致等情況下，蓄電池能夠存儲多余能量或給負載提供能量；（2）由于太陽(yáng)能電池組件的工作特性受太陽(yáng)輻照度、溫度等影響很大，負載常常不能處在最理想工作點(diǎn)附近。蓄電池對太陽(yáng)能電池的工作電壓具有鉗位作用，能夠保證負載處在最理想工作點(diǎn)附近。

　　光伏發(fā)電系統的組成

　　光伏發(fā)電系統是利用光電效應原理將太陽(yáng)能轉換為電能的發(fā)電系統，通常由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等組成，如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統組成框圖

　　太陽(yáng)能電池組件的作用是將太陽(yáng)能轉化為電能，供給負載工作或給蓄電池組充電；控制器的作用是對蓄電池組的充放電進(jìn)行保護；蓄電池組用于存儲電能；逆變器的作用是將直流電變換為交流電。在夜晚或陰雨天，太陽(yáng)電池組件無(wú)法工作時(shí)，由蓄電池組供電給負載工作?？梢?jiàn)，蓄電池組在光伏發(fā)電系統中起著(zhù)相當重要的作用。

　　光伏發(fā)電系統用VRLA蓄電池特點(diǎn)

　　1 光伏發(fā)電系統用蓄電池的工作方式

　　蓄電池的工作方式可分為循環(huán)使用和浮充使用兩種。經(jīng)常處于頻繁的充放電工作狀態(tài)，即循環(huán)使用；經(jīng)常處于充電狀態(tài)則為浮充使用，能彌補蓄電池因自放電而造成的容量損失。光伏發(fā)電系統用VRLA蓄電池屬于循環(huán)使用方式。

　　2 光伏系統用蓄電池充放電特性

　　光伏發(fā)電系統用蓄電池充放電特性一般有4點(diǎn)：（1）白天充電，晚上以及陰、雨天放電；（2）充電倍率低，平均充電電流一般為0.01～0.02C，很少達到0.1～0.2C；（3）放電電流小，放電倍率通常為0.004～0.05C；（4）一次充電時(shí)間較短，即使長(cháng)的時(shí)候僅為約10 h。光伏系統很少能完全、快速地給蓄電池充滿(mǎn)電，蓄電池往往會(huì )處于欠充電狀態(tài)。

　　3 光伏發(fā)電系統用VRLA蓄電池性能要求

　　光伏發(fā)電系統多建立在邊遠偏僻的山區、高原、戈壁，自然環(huán)境十分惡劣，工作環(huán)境溫度變化范圍很大。因此，對光伏發(fā)電系統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(cháng)；（2）耐過(guò)充電能力強；（3）過(guò)放電后容量恢復能力強；（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）具有免維護或少維護的性能；（7）應具備良好的高、低溫充放電特性；（8）能適應高海拔地區的使用環(huán)境；（9）蓄電池組中各蓄電池一致性良好。

　　光伏發(fā)電系統用鉛酸蓄電池容量的設計方法

　　確定蓄電池容量，首先要測定接入系統的負載每天需要多少電量；其次根據氣候條件蓄電池需要存儲多少天的電量。在確定蓄電池容量時(shí)，并不是容量愈大愈好，過(guò)大的電池容量規模也會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。這是因為在日照不足時(shí)，蓄電池組可能維持在部分充電狀態(tài)，這種欠充電狀態(tài)將導致電池硫酸化增加、容量降低、壽命縮短。蓄電池容量的一般計算公式為

　　C=E·t/(D·η0·η1) (1)

　　式中，C為蓄電池的容量；E為負載日平均功耗；t為最長(cháng)無(wú)日照用電時(shí)數；D為VRLA蓄電池允許放電深度；η0為VRLA蓄電池充放電效率；η1為逆變器轉換效率。

　　光伏發(fā)電系統用VRLA蓄電池性能改進(jìn)

　　蓄電池的失效和壽命短是阻礙光伏發(fā)電系統推廣的原因之一。VRLA蓄電池用于光伏系統后壽命會(huì )逐漸縮短，影響其壽命的因素主要有：充電時(shí)間受限，長(cháng)期欠充電；小電流放電；過(guò)充電；溫度等。根據光伏發(fā)電系統光伏系統對蓄電池性能的特殊要求，結合上述影響蓄電池壽命的因素，在原VRLA蓄電池的基礎上進(jìn)行了一系列性能改進(jìn)。具體改進(jìn)措施包含以下幾方面：
　
　?。?）提高循環(huán)使用壽命。為延長(cháng)VRLA電池的循環(huán)使用壽命，板柵合金在板柵與活性物質(zhì)界面形成的腐蝕層導電性應良好，板柵應具有抗蠕變性能。電池設計采用緊裝配，并適當提高裝配壓力。

　?。?）提高電池充電接受能力。對VRLA電池來(lái)說(shuō)，充電不足對電池的危害比過(guò)充電更嚴重，所以提高VRLA電池的充電接受能力尤其重要。在負極鉛膏配方中加入高穩定性的膨脹劑和導電性添加劑，提高了充電接受能力。

　?。?）提高過(guò)放電性能。降低硫酸電解液的比重，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。

　?。?）采用專(zhuān)用安全閥。對于高原地區，由于大氣壓較低，特別調整了安全閥壓力值。