光伏發(fā)電技術7.2蓄電池

1、光伏系統(tǒng)是將太陽電池在光照時發(fā)出的電能，供給負載使用。需要多種部件協(xié)調(diào)配合才能組成完整的光伏系統(tǒng)，太陽電池方陣是最主要的部件，此外，還需要一系列配套部件才能正常工作，主要包括：儲能設備；防反充及旁路二極管；交、直流斷路器，變壓器及保護開關；計量儀表及記錄顯示設備；連接電纜、套管及匯流箱；框架、支持結構及緊固件；接地及防雷裝置。7.1 太陽電池方陣一般情況下，單獨一塊太陽電池組件，無法滿足負載電壓或功率的要求，需要將若干太陽電池組件通過串、并聯(lián)組成太陽電池方陣，才能正常工作。（1）太陽電池方陣：由若干個太陽電池組件，在機械和電氣上按一定方式組裝在一起，并且有固定的支撐結構而構成的直流發(fā)電單元。（

2、2）太陽電池組件的連接 要根據(jù)系統(tǒng)電壓及電流的要求來決定串并聯(lián)的方式。應將最佳工作電流相近的組件串聯(lián)在一起。若組成方陣的所有電池組件性能參數(shù)差別較大，會造成各串聯(lián)電池組件的工作電流受限于其中電流最小的組件，各并聯(lián)電池組件的工作電壓也會被其中電壓最低的電池組件限制，因此方陣的總效率就會低于所有單個組件的效率之和。在串并聯(lián)數(shù)目較多時，最好采用混合式連接法。（3）熱斑效應當樹葉、鳥糞等雜物落在太陽電池上時，單獨被遮擋的太陽電池不但不能發(fā)電，而且電阻會明顯增加，并且串聯(lián)連接回路的全部電壓都加在這個電池單元上，電流流過高電阻的單元就會使其發(fā)熱，特別是在強烈日光下，溫度會急劇升高，于是該單元電池甚至整個太

3、陽能電池組件都被損壞（出現(xiàn)燒壞的暗斑），這就是所謂的熱斑效應（又稱為熱島效應）。7.2 二極管在太陽電池方陣中，二極管是很重要的元器件，常用的二極管有以下兩類。1.防反充（阻塞）二極管在儲能蓄電池或逆變器與太陽電池方陣之間，要串聯(lián)一個阻塞二極管，使太陽電池相當于一個具有p-n結的二極管，以防止夜間或陰雨天太陽電池方陣工作電壓低于其供電的直流母線電壓時，蓄電池反過來向太陽電池方陣倒送電，因而消耗能量和導致方陣發(fā)熱。它串聯(lián)在太陽電池方陣的電路中，起單向?qū)ǖ淖饔?。阻塞二極管存在導通管壓降，串聯(lián)在電路中運行時要消耗一定的功率。硅整流二極管管壓降為0.6-0.8V，大容量的可達1-2V，肖特基二極管0

4、.2-0.3V2.旁路二極管在有較多太陽電池組件串聯(lián)成太陽電池方陣時，需要在 每個太陽電池組件兩端并聯(lián)一個二極管。當其中某個組件被陰影遮擋或出現(xiàn)故障而停止發(fā)電時，在二極管兩端可以形成正向偏壓，實現(xiàn)電流的旁路，不至于影響其他正常組件的發(fā)電，同時也保護太陽電池組件避免受到較高的正向偏壓或由于“熱斑效應”發(fā)熱而損壞。這類并聯(lián)在組件兩端的二極管稱為旁路二極管。光伏方陣中常用的是硅整流二極管，為了防止旁路二極管被擊穿損壞，在選用型號時應注意其容量，通常其耐壓容量應能達到最大反向工作電壓的兩倍，電流容量也要達到預期最大運行電流的兩倍。7.3 儲能裝置由于太陽能發(fā)電要受到氣候條件的影響，發(fā)電量與負載用電規(guī)律

5、不符合，需要配備儲能裝置。太陽能和風能都屬于間隙性能源，要成為全球的主要能源，必須解決電網(wǎng)能量的儲存問題。7.3.1 主要儲能技術1.機械儲能機械儲能是將電能轉(zhuǎn)換為機械能，需要時再將機械能轉(zhuǎn)換成電能。目前實際應用的有以下幾種：（1）抽水儲能（2) 飛輪儲能（1）抽水儲能需要配備上下游兩個水庫。在電網(wǎng)負荷低谷時段，抽水儲能設備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫，將電能轉(zhuǎn)換成重力勢能存儲起來；電網(wǎng)負荷高峰時，工作在發(fā)電機狀態(tài)，釋放上游水庫中的水來發(fā)電。優(yōu)點：技術成熟可靠，容量可以做得很大，僅受水庫庫容限制缺點：建造受地理條件限制，需要適合落差的高低水庫，往往遠離負荷中心，抽水和發(fā)電中有相

6、當多的能量損失，實際綜合效率為70-75%，儲能密度較差，建設周期長，投資大。(2)飛輪儲能將能量以動能形式儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。整個系統(tǒng)由高強度合金和復合材料的轉(zhuǎn)子、高度軸承、雙饋電機、電力轉(zhuǎn)換器和真空安全罩組成。原理：電能驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變成飛輪動能存儲，需要電能時，飛輪減速，電機作為發(fā)電機運行，飛輪的加速和減速實現(xiàn)了充電和放電。優(yōu)點：運行于真空度較高的環(huán)境中，沒有摩擦損耗、風阻小、壽命長、對環(huán)境沒有影響，幾乎不需要維護，適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障。缺點：能量密度低，保證系統(tǒng)安全性方面的費用很高，在小型場合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢，目前主要用于蓄電池系統(tǒng)的補充，超大容量的飛輪儲能技術尚

7、不成熟。（3）壓縮空氣儲能20世紀50年代提出的儲能方法，系統(tǒng)由兩個循環(huán)構成：充氣壓縮循環(huán)和排氣膨脹循環(huán)。壓縮時，雙饋電機起電動機作用，利用電網(wǎng)負荷低谷時的多余電力驅(qū)動壓縮機，將高壓空氣壓入地下儲氣洞；在電網(wǎng)負荷高峰期，雙饋電機起發(fā)電機作用，儲存壓縮空氣先經(jīng)過回熱器預熱，再使用燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，進入膨脹系統(tǒng)做功發(fā)電。缺點：受地形制約，對地質(zhì)結構有特殊要求。2.化學儲能化學儲能是經(jīng)過化學反應充電，將電能儲存在電池中，需要時再通過化學反應放電，輸出電能。(1)蓄電池鉛酸蓄電池：最古老最成熟的產(chǎn)品目前，蓄電池儲能系統(tǒng)主要用來提高電能質(zhì)量。（2）鈉硫電池鈉硫電池是美國福特公司于1967年首先發(fā)明的，

8、是一種以金屬鈉為負極、硫為正極（熔融液態(tài)電極）、陶瓷管為電解質(zhì)（固體）隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應，形成能量的釋放和儲存。（3）液流電池目前應用較多的主要是全釩液流儲能電池，釩電池電能以化學能的方式存儲在不同價態(tài)釩離子的硫酸電解液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內(nèi)，在機械動力作用下，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動，采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流，從而使得儲存在溶液中的化學能轉(zhuǎn)換成電能。這個可逆的反應過程 使釩電池順利完成充 電、放電和再充電。（4）鈉/氯化鎳

9、電池（5）鋰離子電池鋰離子電池：是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表。鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池，而真正的鋰電池由于危險性大，很少應用于日常電子產(chǎn)品。3.電磁儲能（1）超導儲能（2）超級電容器儲能（3）高能電容器儲能（1）超導儲能超導儲能是利用超導體的電阻為零特性制成的儲存電能的裝置，其不僅可以在超導體電

10、感線圈內(nèi)無損耗地儲存電能，還可以通過電力電子換流器與外部系統(tǒng)快速交換有功和無功功率，用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電品質(zhì)。將一個超導體圓環(huán)置于磁場中，降溫至圓環(huán)材料的臨界溫度以下，撤去磁場，由于電磁感應，圓環(huán)中便有感應電流產(chǎn)生，只要溫度保持在臨界溫度以下，電流便會持續(xù)下去。試驗表明，這種電流的衰減時間不低于10萬年。顯然這是一種理想的儲能裝置，稱為超導儲能。超導儲能的優(yōu)點很多，主要是功率大、質(zhì)量輕、體積小、損耗小、反應快等等，因此應用很廣。（2）超級電容器儲能超級電容器（SC），又叫雙電層電容器、電化學電容器、黃金電容、法拉電容，通過極化電解質(zhì)來儲能。它是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發(fā)

11、生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。超級電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極表面與液面兩側(cè)會出現(xiàn)符號相反的過剩電荷，從而使相間產(chǎn)生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質(zhì)溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層。（3）高能電容器儲能電容器也是一種儲能元件，其存儲的電能與自身的電容和端電壓的平方成正比。電容儲能容易保持，不需要超導體。特點：能夠提供瞬間大功率，非

12、常適合于激光器、閃光燈等應用場合。 各種儲能技術在其能量密度、功率密度方面均有不同的表現(xiàn)，而同時電力系統(tǒng)也對儲能系統(tǒng)不同應用提出了不同的技術要求，很少有一種儲能技術可以完全勝任電力系統(tǒng)中的各種應用。因此，必須兼顧雙方的需求，選擇匹配的儲能方式與電力應用。抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學電池儲能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應急電源、可再生能源接入等大規(guī)模、大容量的應用場合。超導、飛輪及超級電容器儲能適合于提供短時較大的脈沖功率場合。鈉硫電池可能成為未來電化學儲能的一種方式。液流電池有望在未來10-20年內(nèi)逐步取代鉛酸電池。鋰離子電池在電動汽車的推動下也有望成為后起之秀。在離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，蓄電池經(jīng)常處于浮充

13、放電狀態(tài)。目前常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和鎳鎘電池等。在蓄電池系統(tǒng)的選擇和設計時，考慮的因素主要包括：電氣特性、性能、物理性能、維護需要、安裝、安全和輔助系統(tǒng)、成本。化學電池：將化學能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，分為原電池和蓄電池兩大類。原電池的活性物質(zhì)只能使用一次，放完電后廢棄，又稱一次電池。蓄電池：放電后可以用與放電電流相反的電流進行充電，重新獲得復原而再次使用，又稱二次電池。1.鉛酸蓄電池1859年由G.Plante發(fā)明的，因其價格低廉、原料易得、性能可靠、適用環(huán)境溫度范圍較寬和適于大電流放電等特點，一直是世界上產(chǎn)量最大、使用最多的蓄電池。廣泛應用于汽車、電動車、軍用、通信、電力、UPS（不間斷電源

14、）、鐵路等行業(yè)，近年來在太陽能發(fā)電領域的應用也在不斷增加。分類：開口式、富液免維護式、玻璃絲棉隔板吸附式閥控密封型（AGM）、閥控膠體型等幾大類產(chǎn)品。國內(nèi)鉛酸蓄電池主要是吸附式和膠體式兩類蓄電池產(chǎn)品。（1）基本構造由正、負極板，隔板，殼體，電解質(zhì)和接線柱頭組成。 正極板的活性物質(zhì) 是 是二氧化鉛，負極 班 板的活性物質(zhì)是灰色 色海綿狀鉛。a.正極板陽極，發(fā)生氧化反應的電極。是以結晶細密、疏松多孔的二氧化鉛作為儲存電能的活性物質(zhì)。正常為紅褐色。鉛酸蓄電池的每個單元也分正極和負極，陽極是放電時的負極，充電時的正極b.負極板陰極，發(fā)生還原反應的電極。是以海綿狀的金屬鉛作為儲存電能的物質(zhì)，正常時為灰色

15、。c.隔板有防止離子滲透的材料制成，能防止電池內(nèi)極性相反的離子之間接觸而發(fā)生短路和活性物質(zhì)脫落的組件。蓄電池的正極和負極之間由隔板隔開。d.電池槽硬橡膠和塑料槽。e.電解質(zhì)含有可移動離子、具有離子導電性的液體或固體物質(zhì)叫做電解液。作用：參加電化反應；溶液正、負離子的傳導體；極板產(chǎn)生溫度的熱擴散體。(2)基本概念a. 單體蓄電池蓄電池的最小單元（格）b. 蓄電池組由單體蓄電池串聯(lián)和并聯(lián)組成，以滿足存儲大容量電能的需要。作用：存儲太陽電池方陣發(fā)出的電能并隨時向負載供電。c.電池充電 外電路給蓄電池供電，使電池內(nèi)發(fā)生化學反應，從而把電能轉(zhuǎn)化為化學能而儲存起來的操作。d.過充電對完全充電的蓄電池或蓄電

16、池組繼續(xù)充電。e.浮充電蓄電池充滿后，改用小電流給電池繼續(xù)充電，也稱為消流充電。f. 熱失控蓄電池在恒壓充電時充電電流和電池溫度發(fā)生一種積累性的增強作用并逐步損壞蓄電池現(xiàn)象。g.電池放電在規(guī)定條件下，電池向外電路輸出電能的過程。h.自放電電池的能量未經(jīng)過放電就進入外電路，像這種損失能量的現(xiàn)象稱為自放電。i.活性物質(zhì)在電池放電時發(fā)生化學反應從而產(chǎn)生電能的物質(zhì)，或者說是正極和負極儲存電能的物質(zhì)。j.放電深度是指蓄電池使用過程中放電到何種程度開始停止。k.極板硫化使用鉛酸蓄電池時要特別注意的是：電池放電后要及時充電，如果長時間處于半放電或充電不足，甚至過充電或者長時間充電和放電都會形成硫酸鉛晶體，這

17、種大塊晶體很難溶解，無法恢復到原來的狀態(tài)，導致極板硫化以后充電更加困難。l.容量容量是指在規(guī)定的放電條件下蓄電池輸出電荷。其單位常用安時（A h）表示。與充電的程度、放電電流大小、放電時間長短、電解液密度、環(huán)境溫度、蓄電池效率及新舊程度等有關。通常在使用過程中，蓄電池的放電率和電解液溫度是影響容量的最主要因素。能量和比能量能量：指在一定放電值下，蓄電池所能給出的能量，單位為W h理論能量=理論容量*電動勢實際能量=一定放電條件下的實際容量*平均工作電壓比能量單位體積或單位重量（質(zhì)量）的蓄電池所給出的能量，分別稱為體積比能量（ W h /L）和重量比能量（ W h /kg） 。功率和比功率功率蓄

18、電池在一定放電值下，在單位時間內(nèi)所給出的能量的大小，通常用P表示，單位為瓦（W）。理論功率=一定放電條件下的放電電流*蓄電池的電動勢實際功率=一定放電條件下的放電電流*平均工作電壓比功率單位體積或單位質(zhì)量的蓄電池輸出功率，分別稱為體積比功率（ W /L）和重量比功率（ W /kg） 。比功率是蓄電池的重要的技術性能指標，蓄電池的比功率大，表示它承受大電流放電的能力強。m.相對密度電解液與水的密度的比值，用于檢驗電解液的強度。相對密度與溫度變化有關。25時，滿充的電池電解液相對密度值為1.265，密封式電池，相對密度值無法測量。每個電池的電解液密度均不相同，即使同一個電池在不同季節(jié)，電解液密度也

19、不相同。大部分鉛酸電池的密度在1.1-1.3g/cm3范圍內(nèi)，滿充之后一般為1.23-1.3g/cm3 。常用液態(tài)密度計來測量電解液的相對密度值。高溫或低溫時的電池，相對密度也會受到影響。電池效率受放電電流的影響，因此應避免大放電電流輸出導致的效率下降。n.運行溫度電池運行一段時間，就會感到燙手，由此可知，鉛酸蓄電池具有很強的發(fā)熱性。溫度對電池性能影響很大。當運行溫度超過25，每升高10，鉛酸電池的使用壽命就會減少50%，所以電池的最高運行溫度應該比外界低，對于溫度變化超過5的情況下最好帶溫度補償充電措施，電池溫度傳感器應安裝在陽極上，且與外界隔絕。（3）工作原理a.鉛酸蓄電池電動勢的產(chǎn)生充電

20、后，正極板的PbO2在硫酸溶液中水分子的作用下,少量與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)氫氧化鉛Pb(OH)4,氫氧根離子在溶液中，鉛離子（Pb4+）留在正極板上，因此正極板上缺少電子。同時，負極板的Pb與電解液中的硫酸發(fā)生反應，變成鉛離子（ Pb2+ ），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負極板上留下多余的兩個電子（2e）?？梢?，在未接通外電路（開路）時，由于化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差。鉛酸蓄電池單體（格)的電動勢為2.0V。b.鉛酸蓄電池放電過程的電化學反應鉛酸蓄電池接通外電路負載時（放電），在蓄電池的電動勢作用下，負極板上的電子經(jīng)負載進入正極板形成電流，在極板上

21、生成難溶的PbSO4。正極PbO2+H2SO4=PbSO4+H2O負極 Pb+H2SO4=PbSO4+H2正極板的Pb4+得到來自負極的2e后，變成Pb2+ ，與電解液中SO42-的反應，在正極板上也生成難溶的PbSO4 ，正極板水解出的氧離子與電解液中的氫離子反應，生成穩(wěn)定物質(zhì)水。電解液中存在的SO42-和H+在電場的作用下分別移向電池的正、負極，在電池內(nèi)部產(chǎn)生電流放電電流，形成回路，使蓄電池向外持續(xù)放電，放電時，H2SO4濃度不斷下降，正負極上的PbSO4增加，電池內(nèi)阻增大。c.鉛酸蓄電池充電過程的電化學反應鉛酸蓄電池外接一個直流電源，使正、負極板在放電后生成的PbSO4?；謴统稍瓉淼幕钚?/p>

22、物質(zhì)。正極PbO2+H2SO4=PbSO4+H2O負極 Pb+H2SO4=PbSO4+H2正極板上，在外電源作用下，PbSO4被離解成Pb2+和SO42-，由于外電源不斷從正極吸取電子，正極板負極附近游離的Pb2+不斷放出2e來補充，變成Pb4+，并與水繼續(xù)反應，最終在正極板上形成PbO2。負極板上，在外電源作用下 ，PbSO4被離解為Pb2+和SO42-，由于負極不斷從外電源獲得電子，因此負極板附近游離的Pb2+被中和為Pb，并以絨狀鉛附著在負極板上。蓄電池充放電總的化學反應過程PbO2+2H2SO4+Pb=PbSO4+2H2O+PbSO4雙硫酸鹽化反應蓄電池充電時的管理蓄電池溫度：充完電后，馬上用手觸摸蓄電池的外殼就會有發(fā)燙的感覺，這說明充電時溫度會上升，但是溫度升的過快，蓄電池的壽命會明顯縮短，這是因為溫度升高，陰、陽極板上的活性物質(zhì)會劣化，陽極格子收到腐蝕，縮短電池壽命。蓄電池的溫度不能太低，溫度太低，會使容量減少，容易過度放電，使電池壽命縮短，通常電解液的溫度應維持在15-55，特殊情況，也