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光伏储能系统之铅酸蓄电池:原理和种类

导读: 储能电池及器件是太阳能光伏发电系统不可缺少的存储能电能的部件,其主要功能是存储光伏发电系统的电能,并在日照量不足,夜间以及应急状态下为负载供电。

储能电池及器件是太阳能光伏发电系统不可缺少的存储能电能的部件,其主要功能是存储光伏发电系统的电能,并在日照量不足,夜间以及应急状态下为负载供电。常用的储能电池有铅酸蓄电池、碱性蓄电池、锂电池、超级电容,它们分别应用于不同场合或者产品中。目前应用最广是铅酸蓄电池,从19世纪50年代开发出来至今,已经有160余年的历史,目前衍生出很多种类,如富液铅酸电池、阀控密封铅酸电池、胶体电池,铅碳电池等。

一、工作原理及基本结构

铅酸电池是用铅和二氧化铅作为电池负极和正极活性物质,以稀硫酸为电解质的化学储能装置,具有电能转换效率高、循环寿命长、端电压高、安全性强、性价比高、安装维护简单等特点,目前是各类储能、应急供电、启动装置中首选的化学电源。铅酸电池的主要构成包括:

1.极板:正负极板均是以特殊的合金板栅涂敷上活性物质所得,极板在充放电时存储和释放能量,确保电池的容量和性能可靠。

2.隔板:是置放于电池正负极中间的一个隔离介质,防止电池正负极直接接触而短路的装置,不同类型的铅酸电池隔板材质不同,阀控类电池主要以AGM、PE、PVC 为主。

3.电解液:铅酸电池的电解液是用蒸馏水配制的稀硫酸,电解液在充放电时起到在正负极间传输离子的作用,因而电解液必须要没有杂质。

4.容器(电池壳盖):电池包覆的容器,电解液和极板均在容器内,主要起支撑作用,同时防止内部物质外溢,外部物质进入内部结构污染电池。

二、种类及优势

铅酸电池的工作原理就是通过电化学反应,电能和化学能之间相互转化,电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。 英语:Lead-acid battery 。

放电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅。

充电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。

铅酸蓄电池种类较多,应用在光伏储能系统中,比较多的有三种,富液型铅酸蓄电池、阀控式密封铅酸蓄电池、铅碳蓄电池等等。

2.1 富液型铅酸蓄电池

铅酸电池的电解液中的硫酸直接参与电池充放电反应过程,传统铅酸电池中,电池槽内除去极板、隔板及其他固体组装部件的剩余空间完全充满硫酸电解液,电解液处于富余过量状态,故被称为“富液式”电池,电池极板完全浸泡在硫酸电解液中。富液式蓄电池顶部有一个能够通气而又能够阻挡液体溅出的盖子,在使用过程中由于水分的蒸发和分解损失,需要定期将盖子打开补加蒸馏水及调整电解液密度,所以习惯上被称为“开口式”蓄电池。

富液型铅酸蓄电池特点是价格便宜,寿命长,缺点是需要经常维护。

2.2 阀控式密封铅酸蓄电池

阀控式密封铅酸蓄电池,又称免维护电池,分为AGM密封铅蓄电池和GEL胶体密封铅蓄电池两种。

AGM型电池使用纯的硫酸水溶液作电解液,大部分存在于玻璃纤维膜之中,同时极板内部吸有一部分电解液外。AGM式密封铅蓄电池电解液量少,极板的厚度较厚,活性物质利用率低于开口式电池,因而电池的放电容量比开口式电池要低10%左右。

AGM密封铅蓄电池与当今的胶体密封电池相比,其放电容量要小一些。与富液型相同规格蓄电池相比,价格较高,具有以下优点:

(1)循环充电能力比铅钙蓄电池高3倍,具有更长的使用寿命。

(2)在整个使用寿命周期内具有更高的电容量稳定性。

(3)低温性能更可靠。

(4)降低事故风险,减少环境污染风险(由于酸液100%密封装)。

(5)维护很简单,减少深度放电。

胶体密封铅蓄电池(即GEL型电池),胶体铅酸蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进,用胶体电解液代换了硫酸电解液,在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通电池有所改善。其电解液是由硅溶胶和硫酸配成的,硫酸溶液的浓度比AGM式电池要低,电解液的量比AGM式电池要多,跟富液式电池相当。这种电解质以胶体状态存在,充满在隔膜中及正负极之间,硫酸电解液由凝胶包围着,不会流出电池。

胶体密封铅蓄电池其优点如下:

(1)漏酸机率小。GEL型胶体电池是电解质凝胶后没有游离电液,因而漏酸的机率比AGM型电池小得多。

(2)失水少。因其灌注量比稀硫酸多,失水少,所以胶体电池不会因失水造成失效。

(3)有效延长电池寿命。胶体的灌入增加了隔板的强度,保护了极板,弥补了隔板遇酸收缩的缺陷,使装配压力不明显降低是其具有延长电池寿命的原因之一。

(4)胶体铅酸蓄电池抗过充能力强。

(5)严重放电情况下的恢复能力强。胶体填充了隔板与极板之间的空隙,降低了电池的内阻,充电接受能力可因此而改善。

所以胶体电池的过放电,恢复能力和低温充放性能都比AGM型电池优越。

(6)体铅酸蓄电池的自放电性能好,在同样的硫酸纯度和水质情况下,蓄电池的存放时间可以延长2倍以上。

(7)胶体铅酸蓄电池在严重缺电的情况下,抗硫化性能很明显。

(8)胶体铅酸蓄电池后期放电性能好。

2.3 铅碳电池

铅炭电池是一种电容型铅酸电池,是从传统的铅酸电池演进出来的技术,它是在铅酸电池的负极中加入了活性炭,能够显著提高铅酸电池的寿命。

铅碳电池是一种新型的超级电池,并结合了铅酸电池和超级电容器两者的优势:

(1)既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点,也发挥了铅酸电池的比能量优势,且拥有非常好的充放电性能。

(2)电池寿命延长。由于加了碳(石墨烯),阻止了负极硫酸盐化现象,改善了过去电池失效的一个因素,延长了电池寿命。

(3)度电成本下降。铅炭电池的度电成本可低至0.5元/kWh,在规模化生产的基础上,铅炭电池甚至有望将度电成本降至0.4元以下。

铅炭电池是铅酸蓄电池领域最先进的技术,也是国际新能源储能行业的发展重点,具有非常广阔的应用前景。广泛应用于光伏电站储能、风电储能和电网调峰等储能领域。

经过多年的精耕细作,古瑞瓦特公司储能产品线多样化,包含了SPF系列家用离网控制逆变一体机,SP系列户用并网储能控制器,HPS系列商用光伏离并网储能机,PCS系列双向储能变流器。古瑞瓦特公司的储能产品涵盖了家用,商用,微网等多种应用。这些产品兼容各种铅酸蓄电池和锂电池,并集成铅酸蓄电池充放电管理和保护功能。

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