各種儲(chǔ)能技術(shù)在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用

各種儲(chǔ)能技術(shù)在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用1.1儲(chǔ)能單元的概念1.2飛輪儲(chǔ)能技術(shù)41.1.1飛輪儲(chǔ)能原理51.1.2飛輪儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)61.1.3飛輪儲(chǔ)能局限性61.2抽水儲(chǔ)能技術(shù)61.1.1抽水儲(chǔ)能原理61.1.2抽水儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)71.1.3抽水儲(chǔ)能局限性71.3壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)71.3.1壓縮空氣技術(shù)原理71.3.2壓縮空氣技術(shù)優(yōu)勢(shì)71.3.3壓縮空氣技術(shù)局限性71.4超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)81.4.1結(jié)構(gòu)和工作原理91.4.2超級(jí)電容器的簡(jiǎn)化等效電路模型111.4.3超級(jí)電容器的充電特性121.4.4優(yōu)點(diǎn)131.4.5缺點(diǎn)141.4.6注意事項(xiàng)141.5鋰電池151.5.1鋰電池工作原理161.5.2電池特點(diǎn)161.5.3電池缺點(diǎn)171.5.4電池特征181.6膠體鉛酸蓄電池191.6.1工作原理191.6.2膠體蓄電池優(yōu)異特性201.7充放電控制器221.7.1控制器充放電原理231.7.2光伏充電控制器251.7.3光伏放電控制器291.8蓄電池的荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）291.8.1荷電狀態(tài)的概念291.8.2SOC估算方法簡(jiǎn)介30各種儲(chǔ)能技術(shù)在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用1.1儲(chǔ)能單元的概念電力系統(tǒng)引入儲(chǔ)能單元后，可以有效地消除晝夜峰谷差，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、補(bǔ)償負(fù)載波動(dòng)，還可以降低分布式供電成本。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要性以及適用范圍的增加，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展迅速，儲(chǔ)能方式也越來越多樣化，一般地，儲(chǔ)能方式主要有以下幾種：1)物理儲(chǔ)能方式：包括飛輪儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能等；2)電化學(xué)儲(chǔ)能方式：即蓄電池儲(chǔ)能方式，包括鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等；3)電磁儲(chǔ)能方式：包括超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能、高能量電容儲(chǔ)能等。1.2飛輪儲(chǔ)能技術(shù)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種機(jī)械儲(chǔ)能方式。早在20世紀(jì)70年代就有人提出利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來儲(chǔ)存能量，并應(yīng)用于電動(dòng)汽車的構(gòu)想。由于飛輪材料和軸承問題等關(guān)鍵技術(shù)一直沒有解決而停滯不前，20世紀(jì)90年代以來，由于高強(qiáng)度的碳纖維材料、低損耗磁懸浮軸承、電力電子學(xué)三方面技術(shù)的發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能器才得以重提，并且得到了快速的發(fā)展。1.1.1飛輪儲(chǔ)能原理圖1飛輪儲(chǔ)能原理圖圖1是飛輪儲(chǔ)能的原理圖，外部輸入的電能通過電力電子裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪將電能儲(chǔ)存為機(jī)械能，當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能變換為電能，并通過電力電子裝置對(duì)輸出電能進(jìn)行頻率、電壓的變換，滿足負(fù)載的需求。實(shí)際的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)（EESS）基本結(jié)構(gòu)由以下5個(gè)部分組成：1)飛輪轉(zhuǎn)子，一般采用高強(qiáng)度復(fù)合纖維材料組成。2)軸承，用來支承高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子。3)電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，一般采用直流永磁無刷電動(dòng)/發(fā)電互逆式雙向電機(jī)。4)電力轉(zhuǎn)換器，這是將輸入交流電轉(zhuǎn)化為直流電供給電機(jī)，將輸出電能進(jìn)行調(diào)頻、整流后供給負(fù)載的部件。5)真空室，為了減小損耗，同時(shí)防止高速旋轉(zhuǎn)的飛輪發(fā)生事故，飛輪系統(tǒng)必須放置于高真空密封保護(hù)套筒內(nèi)。另外在飛輪儲(chǔ)能裝置中還必須加入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)飛輪的位置、振動(dòng)和轉(zhuǎn)速、真空度、電機(jī)參數(shù)等運(yùn)行參數(shù)。1.1.2飛輪儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)技術(shù)成熟度高、高功率密度、長(zhǎng)壽命、充放電次數(shù)無限以及無污染等特性。1.1.3飛輪儲(chǔ)能局限性飛輪儲(chǔ)能需要電能的持續(xù)輸入，以維持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒定。一旦斷電，飛輪儲(chǔ)能通常只能維持一兩分鐘。這就是說，飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)不在于時(shí)間的長(zhǎng)短，而在于充放的快捷。1.2抽水儲(chǔ)能技術(shù)1.1.1抽水儲(chǔ)能原理抽水儲(chǔ)能是在電力負(fù)荷低谷期將水從下池水庫(kù)抽到上池水庫(kù)，將電能轉(zhuǎn)化成重力勢(shì)能儲(chǔ)存起來，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放上池水庫(kù)中的水發(fā)電。1.1.2抽水儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)抽水儲(chǔ)能目前技術(shù)成熟，容量大，是一種可靠的儲(chǔ)能方式。1.1.3抽水儲(chǔ)能局限性受地理位置影響較大，工期巨大，效率不高，且影響生態(tài)環(huán)境，需要可靠安全系統(tǒng)保證。1.3壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)1.3.1壓縮空氣技術(shù)原理壓縮空氣技術(shù)在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報(bào)廢礦井、沉降的海底儲(chǔ)氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲(chǔ)氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮的空氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。1.3.2壓縮空氣技術(shù)優(yōu)勢(shì)壓縮空氣儲(chǔ)能電站建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水儲(chǔ)能電站，儲(chǔ)氣庫(kù)漏氣開裂可能性極小，安全系數(shù)高，壽命長(zhǎng)，可以冷啟動(dòng)、黑啟動(dòng)，響應(yīng)速度快，效率高，主要用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負(fù)荷、頻率調(diào)制、分布式儲(chǔ)能和發(fā)電系統(tǒng)備用。1.3.3壓縮空氣技術(shù)局限性其能量密度低，并受巖層等地理?xiàng)l件的限制，需要占用大面積土地，且工程費(fèi)用較高。1.4超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)超級(jí)電容電池它通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能，屬于雙層電容的一種。由于其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此這種儲(chǔ)能過程是可逆的，正因?yàn)榇顺?jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級(jí)電容一般使用活性碳電極材料，具有吸附面積大，靜電儲(chǔ)存多的特點(diǎn)，在新能源汽車中有廣泛使用。超級(jí)電容器電池是一種新型儲(chǔ)能裝置，它具有充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點(diǎn)。超級(jí)電容器用途廣泛。用作起重裝置的電力平衡電源，可提供超大電流的電力；用作車輛啟動(dòng)電源，啟動(dòng)效率和可靠性都比傳統(tǒng)的蓄電池高，可以全部或部分替代傳統(tǒng)的蓄電池；用作車輛的牽引能源可以生產(chǎn)電動(dòng)汽車、替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)、改造現(xiàn)有的無軌電車；用在軍事上可保證坦克車、裝甲車等戰(zhàn)車的順利啟動(dòng)（尤其是在寒冷的冬季）、作為激光武器的脈沖能源。此外還可用于其他機(jī)電設(shè)備的儲(chǔ)能能源。雙電層電容器與鋁電解電容器相比內(nèi)阻較大，因此，可在無負(fù)載電阻情況下直接充電，如果出現(xiàn)過電壓充電的情況，雙電層電容器將會(huì)開路而不致?lián)p壞器件，這一特點(diǎn)與鋁電解電容器的過電壓擊穿不同。同時(shí)，雙電層電容器與可充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，且充電次數(shù)可達(dá)10E6次以上，因此雙電層電容不但具有電容的特性，同時(shí)也具有電池特性，是一種介于電池和電容之間的新型特殊元器件。1.4.1結(jié)構(gòu)和工作原理其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，雙電層電容器是根據(jù)電化學(xué)基本原理而工作,即導(dǎo)體與電解質(zhì)(液體與固體)接觸后會(huì)在其表面(即界面)產(chǎn)生穩(wěn)定而符號(hào)相反的雙層電荷,稱為雙電層,這些電解質(zhì)表面的電荷在一定的電壓下是不能被雙電層電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)拉到緊靠它且符號(hào)相反的電極上,因此,形成了事實(shí)上電容器的兩個(gè)電極傳統(tǒng)物理電容中儲(chǔ)存的電能來源于電荷在兩塊極板上的分離,兩塊極板之間為真空或一層介電物質(zhì)(相對(duì)介電常數(shù)為ε)所隔離,電容為:其中A為極板面積,d為介質(zhì)厚度。所儲(chǔ)存的能量為:其中C為電容值,ΔV為極板間的電壓降.可見,若想獲得較大的電容量,儲(chǔ)存更多的能量,必須增大面積A或減少介質(zhì)厚度d，但這個(gè)伸縮空間有限，導(dǎo)致它的儲(chǔ)電量和儲(chǔ)能量較小。超級(jí)電容采用活性炭材料制作成多孔電極,同時(shí)在相對(duì)的碳多孔電極之間充填電解質(zhì)溶液,當(dāng)在兩端施加電壓時(shí),相對(duì)的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子,而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場(chǎng)作用分別聚集到與正負(fù)極板相對(duì)的界面上,從而形成兩個(gè)集電層,相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián),由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面積(即獲得了極大的電極面積A),而且電解液與多孔電極間的界面距離不到1nm(即獲得了極小的介質(zhì)厚度d),根據(jù)前面的計(jì)算公式可以看出,這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,從而使單位重量的電容量可達(dá)100F/g，并且電容的內(nèi)阻還能保持在很低的水平，碳材料還具有成本低，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。從而使利用電容器進(jìn)行大電量的儲(chǔ)能成為可能，且在實(shí)際使用時(shí)，可以通過串聯(lián)或者并聯(lián)以提高輸出電壓或電流。1.4.2超級(jí)電容器的簡(jiǎn)化等效電路模型簡(jiǎn)化電阻電容模型將超級(jí)電容器等效為一個(gè)理想電容器C與一個(gè)阻值較大的電阻Rep(等效并聯(lián)電阻)相并聯(lián),再與一個(gè)阻值較小的電阻Res(等效串聯(lián)電阻)相串聯(lián)的結(jié)構(gòu),如圖所示。由電路原理知道,由于Res的存在,充放電時(shí)電流流經(jīng)Reg會(huì)產(chǎn)生能耗并引起超級(jí)電容器發(fā)熱,因此,超級(jí)電容器的能效小于1;在放電過程中,由于Res的分壓作用而減少了放電電壓范圍,尤其當(dāng)放電電流較大時(shí),Res會(huì)消耗較大的能量,降低超級(jí)電容器實(shí)際可用的有效儲(chǔ)能率;超級(jí)電容器處于靜置儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí),等效并聯(lián)電阻Rep與等效理想電容器C之間會(huì)形成回路,隨著靜止時(shí)間變長(zhǎng),超級(jí)電容器所存儲(chǔ)的能量會(huì)逐漸消耗在等效并聯(lián)電阻Rep上,因此,處于儲(chǔ)能保持態(tài)的超級(jí)電容器,通常要加能量保持電路,補(bǔ)償由于Rep引起的靜置能量損耗,維持一定的備用儲(chǔ)能量。在實(shí)際應(yīng)用中,超級(jí)電容器通常并于較快的和頻繁的充放電循環(huán)過程中,Rep的影響可以忽略。因此,可進(jìn)一步將超級(jí)電容器模型簡(jiǎn)化為理想電容器C和等效串聯(lián)內(nèi)阻Res的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。1.4.3超級(jí)電容器的充電特性超級(jí)電容器在使用過程中老化現(xiàn)象不明顯,同時(shí)超級(jí)電容器對(duì)充電儲(chǔ)能沒有記憶效應(yīng),理論上可以充放電無數(shù)次。此外,超級(jí)電容器儲(chǔ)存的電荷及儲(chǔ)能量可以通過檢測(cè)電壓值的方式來近似確定,判斷充電儲(chǔ)能過程是否結(jié)束非常方便?；谝陨线@些特點(diǎn),超級(jí)電容器充電控制既可以借鑒蓄電池等電化學(xué)儲(chǔ)能器件的充電儲(chǔ)能方式,同時(shí)又由于其具有優(yōu)越的大物理電容特性,對(duì)大脈動(dòng)電流具有較好的吸收能力,能夠簡(jiǎn)化充電控制要求,目前常用的超級(jí)電容器充電儲(chǔ)能方式介紹如下:(1)恒流充電恒流充電的主要特點(diǎn)是適應(yīng)性好,可以任意選擇充電電流。對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行恒流充電,超級(jí)電容器的端電壓隨時(shí)間按直線規(guī)律升高。由于超級(jí)電容器的充電電流選擇范圍較大,因此可結(jié)合不同應(yīng)用需求以及超級(jí)電容器自身狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化控制。(2)浮充充電浮充充電屬于一種連續(xù)的、長(zhǎng)時(shí)間的恒電壓充電方法。關(guān)于超級(jí)電容器的浮充充電,浮充電壓的選擇是很重要的。浮充電過程中,超級(jí)電容器的浮充電壓不能太低,否則不能補(bǔ)償超級(jí)電容器的漏電流損耗,仍然會(huì)造成超級(jí)電容器的儲(chǔ)能量流失;也不能過高,否則會(huì)過多地增加能量損耗,或者因嚴(yán)重過充電縮短超級(jí)電容的使用壽命。因此,在超級(jí)電容器的浮充充電儲(chǔ)能過程中要注意對(duì)電壓的監(jiān)測(cè)。(3)脈沖充電超級(jí)電容器具有可以瞬時(shí)大功率充放電特性,能夠平滑高峰脈沖功率,因此,超級(jí)電容器具有良好的脈沖充電特性。目前,在許多電動(dòng)車儲(chǔ)能系統(tǒng)中,超級(jí)電容器與蓄電池配合構(gòu)成的混合儲(chǔ)能單元就是利用超級(jí)電容器瞬時(shí)大功率特性擴(kuò)大混合儲(chǔ)能單元的尖峰功率范圍,既保證了電動(dòng)車對(duì)于加速和制動(dòng)瞬時(shí)功率的需求,又減少了瞬時(shí)大功率對(duì)蓄電池的沖擊,延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。(4)組合充電為了充分利用超級(jí)電容器的儲(chǔ)能特性,同蓄電池充電一樣,目前對(duì)于超級(jí)電容器采用靈活的組合充電方式,例如在低壓時(shí)采用大電流恒流充電,隨著超級(jí)電容器端電壓的升高改變?yōu)檫f減恒流充電或恒壓限流等充電方式,直至超級(jí)電容器的最高額定電壓。蓄電池的一些充電控制方法,如恒功率充電方式、電壓負(fù)增量控制方式、電壓二次導(dǎo)數(shù)控制等方式在超級(jí)電容器的充電儲(chǔ)能控制中也可以借鑒。超級(jí)電容器進(jìn)行充電時(shí)產(chǎn)生的能量損耗主要是由等效內(nèi)阻引起的,系統(tǒng)的充電效率也與其有關(guān)。1.4.4優(yōu)點(diǎn)（1）充電速度快，只要充電幾十秒到幾分鐘就可達(dá)到其額定容量的95%以上；而現(xiàn)在\h使用面積最大的鉛酸電池充電通常需要幾個(gè)小時(shí)。（2）循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50萬次，如果對(duì)超級(jí)電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年如果相應(yīng)地和鉛酸電池比較,它的使用壽命可達(dá)68年,且沒有“記憶效應(yīng)”。（3）大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小，大電流能量循環(huán)效率≥90%；（4）功率密度高，可達(dá)300W/kg~5000W/kg，相當(dāng)于普通電池的數(shù)十倍；比能量大大提高，鉛酸電池一般只能達(dá)到0.02kWh/kg，而超級(jí)電容電池目前研發(fā)已可達(dá)10KWh/kg，(5)能量管理簡(jiǎn)單準(zhǔn)確:超級(jí)電容器儲(chǔ)存的能量與端電壓有確定的關(guān)系,即,因而對(duì)荷電狀態(tài)(SOC)判斷準(zhǔn)確且簡(jiǎn)單,只需檢測(cè)端電壓就可以確定所儲(chǔ)存的能量,使系統(tǒng)的能量管理簡(jiǎn)便易行。（6）產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源；1.4.5缺點(diǎn)●如果使用不當(dāng)會(huì)造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象;●和鋁電解電容器相比,它內(nèi)阻較大,因而不可以用于交流電路;1.4.6注意事項(xiàng)1)超級(jí)電容器具有固定的極性。在使用前，應(yīng)確認(rèn)極性。2)超級(jí)電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用。當(dāng)電容器電壓超過標(biāo)稱電壓時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電解液分解，同時(shí)電容器會(huì)發(fā)熱，容量下降，而且內(nèi)阻增加，壽命縮短，在某些情況下，可導(dǎo)致電容器性能崩潰。3)超級(jí)電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會(huì)導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會(huì)導(dǎo)致電容器性能崩潰。4)安裝超級(jí)電容器后，不可強(qiáng)行傾斜或扭動(dòng)電容器，這樣會(huì)導(dǎo)致電容器引線松動(dòng)，導(dǎo)致性能劣化。5)在焊接過程中避免使電容器過熱。若在焊接中使電容器出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，會(huì)降低電容器的使用壽命，例如：如果使用厚度為1.6mm的印刷線路板，焊接過程應(yīng)為260℃，時(shí)間不超過5s。6)將電容器串聯(lián)使用時(shí)。當(dāng)超級(jí)電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問題，單純的串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致某個(gè)或幾個(gè)單體電容器過壓，從而損壞這些電容器，整體性能受到影響。另外，超級(jí)電容器在變配電站\h直流系統(tǒng)中、稅控機(jī)、稅控收款機(jī)上、搖晃式手電筒上（免換電池，只要搖晃30秒鐘，即可發(fā)光5分鐘；照射距離1公尺）、智能表類（如智能水表和煤氣表）上、計(jì)算機(jī)UPS電源方面亦多有應(yīng)用。1.5鋰電池鋰\h電池是一類由鋰金屬或鋰合金為\h負(fù)極材料、使用非水\h電解質(zhì)溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰電池來自于偉大的發(fā)明家\h愛迪生，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2該反應(yīng)為\h氧化還原反應(yīng)，放電。由于鋰金屬的化學(xué)特性非?；顫姡沟娩嚱饘俚募庸?、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長(zhǎng)期沒有得到應(yīng)用?，F(xiàn)在鋰電池已經(jīng)成為了主流。1.5.1鋰電池工作原理鋰離子電池：鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為\h正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。正極正極材料：可選的正極材料很多，主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。充電時(shí)：放電時(shí)：負(fù)極負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫嵌，充電時(shí)鋰離子嵌入。充電時(shí)：放電時(shí)：1.5.2電池特點(diǎn)鋰電池主要優(yōu)點(diǎn)：1．能量比較高。具有高儲(chǔ)存\h能量密度，已達(dá)到460-600Wh/kg，是\h鉛酸電池的約6-7倍；2．使用壽命長(zhǎng)，使用壽命可達(dá)到6年以上，\h磷酸亞鐵鋰為正極的電池1C（100%DOD）充放電，有可以使用10,000次的記錄；3．額定電壓高（單體工作電壓為3.7V或3.2V），約等于3只鎳鎘或鎳氫\h充電電池的串聯(lián)電壓，便于組成電池電源組；4．具備高功率承受力，其中電動(dòng)汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達(dá)到15-30C充放電的能力，便于高強(qiáng)度的啟動(dòng)加速；5．自放電率很低，這是該電池最突出的優(yōu)越性之一，一般可做到1%/月以下，不到鎳氫電池的1/20；6．重量輕，相同\h體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/6-1/5；7．高低溫適應(yīng)性強(qiáng)，可以在-20℃--60℃的環(huán)境下使用，經(jīng)過工藝上的處理，可以在-45℃環(huán)境下使用；8．綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)、使用和報(bào)廢，都不含有、也不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害\h重金屬元素和物質(zhì)。9．生產(chǎn)基本不消耗水，對(duì)缺水的我國(guó)來說，十分有利。比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時(shí)；kg是千克(重量單位)，L是升(\h體積單位)。1.5.3電池缺點(diǎn)1．鋰\h原電池均存在安全性差，有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。2．鈷酸鋰的鋰離子電池不能大\h電流放電，價(jià)格昂貴，安全性較差。3．鋰離子電池均需保護(hù)線路，防止電池被過充過放電。4．生產(chǎn)要求條件高，成本高。5．使用條件有限制，高低溫使用危險(xiǎn)大。1.5.4電池特征1.高能量密度鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或\h鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。1.高電壓一個(gè)鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(平均值)，相當(dāng)于三個(gè)串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。3.無污染鋰離子電池不含有諸如鎘、鉛、汞之類的有害金屬物質(zhì)。4.不含金屬鋰鋰離子電池不含金屬鋰，因而不受飛機(jī)運(yùn)輸關(guān)于禁止在客機(jī)攜帶鋰電池等規(guī)定的限制。5.循環(huán)壽命高在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可超過500次，磷酸亞鐵鋰（以下稱磷鐵）則可以達(dá)到2000次。6.無記憶效應(yīng)記憶效應(yīng)是指鎳鎘電池在充放電循環(huán)過程中，電池的容量減少的現(xiàn)象。鋰離子電池不存在這種效應(yīng)。7.快速充電使用額定電壓為4.2V的恒流恒壓\h充電器，可以使鋰離子電池在1.5--1.5個(gè)小時(shí)內(nèi)就充滿電；而新開發(fā)的磷鐵鋰電，已經(jīng)可以在35分鐘內(nèi)充滿電。1.6膠體鉛酸蓄電池膠體鉛酸蓄電池是對(duì)液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池的改進(jìn)，用膠體電解液代換了硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通電池有所改善。膠體鉛酸蓄電池采用凝膠狀電解質(zhì)，內(nèi)部無游離液體存在，在同等體積下電解質(zhì)容量大，熱容量大，熱消散能力強(qiáng)，能避免一般蓄電池易產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象；電解質(zhì)濃度低，對(duì)極板的腐蝕作用弱；濃度均勻，不存在電解液分層現(xiàn)象。1.6.1工作原理膠體蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)時(shí)如下：放電反應(yīng)：負(fù)極（+）：正極（-）：總反應(yīng)：充電反應(yīng)：負(fù)極（-）：正極（+）：總反應(yīng)：膠體電解液的主要成份為一種粒徑近乎于納米級(jí)的功能化合物，流變性較好，容易實(shí)施對(duì)鉛蓄電池的配液灌裝。膠體電解液進(jìn)入蓄電池內(nèi)部或充電若干小時(shí)后，會(huì)逐漸發(fā)生膠凝，使液態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)態(tài)為膠狀物，膠體中添加有多種表面活性劑，有助于灌裝蓄電池前抗膠凝，而且有助于灌裝蓄電池后防止極板硫酸鹽化，減小對(duì)板柵的腐蝕，提高極板活性物質(zhì)的反應(yīng)利用率。1.6.2膠體蓄電池優(yōu)異特性獨(dú)特的膠體蓄電池生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，提高了產(chǎn)品的抗高低溫性能。在蓄電池的電解液中增加粒徑近似納米級(jí)的硅膠化合物，待充電若干小時(shí)后會(huì)發(fā)生凝膠現(xiàn)象，原液態(tài)電解質(zhì)將轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)電解質(zhì)，使膠體電解質(zhì)蓄電池具備了一般鉛酸電解質(zhì)蓄電池所不能比擬的優(yōu)良抗溫特性，膠體蓄電池可在-45℃～70℃高低溫環(huán)境中使用性能好，容量高。每一節(jié)電池在出廠時(shí)的容量都比額定容量有一定比例的富余，保證電池容量充足。膠體電池的膠體電解液會(huì)隨著不斷地充放電，逐漸完成電解液凝膠過程，對(duì)極板產(chǎn)生良好的保護(hù)，使用1-2年后，極板經(jīng)過充分活化放電性能及放電容量會(huì)越來越佳，正常情況下放電能力可達(dá)到新電池的≥105%。使用壽命長(zhǎng)。在鉛酸電解液中添加一定數(shù)量的硅膠，有效地防止了電解液分層，使極板活化反應(yīng)均勻，延長(zhǎng)了極板的活化反應(yīng)循環(huán)次數(shù)，提高了電池的使用壽命。自放電小。膠體蓄電池自放電極小，在25℃時(shí)平均自放電≤1.3%/季度，新出廠的膠體蓄電池充足電后，溫度在25℃時(shí)，連續(xù)存放12個(gè)月不需充電可投入使用，提高了蓄電池的存放能力。電力容量恢復(fù)能力強(qiáng)。新出廠的膠體蓄電池充足電后，溫度在25℃時(shí)，連續(xù)存放24個(gè)月，恒壓充電24小時(shí)，靜滯12小時(shí)后，在正常情況下容量可恢復(fù)到≥95%。充放電性能穩(wěn)定、使用環(huán)境廣泛。膠體蓄電池放電性能穩(wěn)定，接受充電能力強(qiáng)，電解液凝膠且可以多方位放置。凝膠的電解液可有效的防止酸液泄露，無故障率高，適用范圍廣泛，可承擔(dān)重要場(chǎng)合的特殊供電要求，為用戶提供安全可靠的放電環(huán)境。注意保護(hù)環(huán)境。膠體蓄電池多為密封閥控式免維護(hù)結(jié)構(gòu)，電解液凝膠無泄漏，充放電無酸霧無污染，安全環(huán)保。顯著優(yōu)勢(shì)：可以明顯延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，可以延長(zhǎng)蓄電池壽命2-3倍。膠體鉛酸蓄電池的自放電性能得到明顯改善，在同樣的硫酸純度和水質(zhì)情況下，蓄電池的存放時(shí)間可以延長(zhǎng)2倍以上。膠體鉛酸蓄電池在嚴(yán)重缺電的情況下，抗硫化性能很明顯。膠體鉛酸蓄電池在嚴(yán)重放電情況下的恢復(fù)能力強(qiáng)。膠體鉛酸蓄電池后期放電性能得到明顯改善。1.7充放電控制器控制器是有效控制太陽(yáng)能發(fā)出的電向蓄電池充電,蓄電池向負(fù)載放電,使蓄電池在安全工作電壓、電流范圍內(nèi)工作的裝置。它的控制性能直接影響蓄電池使用壽命和系統(tǒng)效率。控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，也是平衡系統(tǒng)的主要組成部分。在小型光伏系統(tǒng)中，控制器也稱為充放電控制器，防止蓄電池過充電和過放電。大中型光伏發(fā)電系統(tǒng)中：平衡管理光伏系統(tǒng)能量，保護(hù)蓄電池及整個(gè)光伏系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。充放電控制器主要功能：1)高壓（HVD)斷開和恢復(fù)功能2)欠電壓（LVG)告警和恢復(fù)功能3)低壓（LVD)斷開和恢復(fù)功能4)溫度補(bǔ)償功能保護(hù)功能：1)蓄電池反接保護(hù)2)太陽(yáng)能板反接保護(hù)3)蓄電池過放保護(hù)4)蓄電池過充保護(hù)5)反充電保護(hù)6)負(fù)載過載保護(hù)（可自動(dòng)恢復(fù)）7)負(fù)載短路軟硬件保護(hù)（可自動(dòng)恢復(fù)）1.7.1控制器充放電原理早期的蓄電池光伏充放電系統(tǒng)是不帶充放電控制器的，光伏電池通過一個(gè)防止反充二級(jí)管直接接向蓄電池，當(dāng)光伏電池電壓高于蓄電池電壓時(shí),對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)光伏電池電壓低于蓄電池電壓時(shí)，不充電。通過手動(dòng)開關(guān)的通斷對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電。這樣一個(gè)不帶控制器的系統(tǒng)存在著許多的缺點(diǎn)和不足，最主要的有：光伏電池直接對(duì)蓄電池供電，使得蓄電池的充電狀態(tài)基本上無法得知，對(duì)蓄電池的維護(hù)極為不利，負(fù)載只能手動(dòng)控制，實(shí)用性非常低。對(duì)光伏電池和蓄電池各自特性的分析可知：早期光伏充放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)充電來說，只要光伏電池的電壓高于蓄電池的端電壓，光伏電池就能向蓄電池充電，但蓄電池可能長(zhǎng)期處于過沖狀態(tài)，充電的電壓和電流也不穩(wěn)定，這樣對(duì)蓄電池的壽命是非常的不利,甚至可能由于蓄電池升溫過快帶來安全的隱患；對(duì)于放電來說，早期不帶控制器的光伏系統(tǒng)需要通過手動(dòng)的通斷開關(guān)來給負(fù)載供電，實(shí)用性大大降低。所以，在光伏電池與蓄電池充電回路之間加入蓄電池光伏充放電控制器是非常必要的。下圖所示是一個(gè)最基本的充放電控制器原理圖。在該電路原理圖中,由太陽(yáng)電池組件、蓄電池、控制器電路和負(fù)載組成了一個(gè)基本的光伏應(yīng)用系統(tǒng)。開關(guān)Kl，K2分別為充電開關(guān)和放電開關(guān)，它們均屬于控制器電路的一部分。Kl，K2的開合由控制電路根據(jù)系統(tǒng)充放電狀態(tài)來決定：當(dāng)蓄電池充滿時(shí)斷開充電開關(guān)KI，否則閉合；當(dāng)蓄電池過放時(shí)斷開放電開關(guān)K2，否則閉合。開關(guān)K1，K2：是廣義上的開關(guān)，它包括各種開關(guān)元件，如各種電子開關(guān)、機(jī)械式開關(guān)等?；境浞烹娍刂破鬏^早期充放電電路而言實(shí)現(xiàn)了防止蓄電池過充和過放,負(fù)載放電自動(dòng)控制和保護(hù)，回路壓降低等要求，性能上有了較大的提高。但是它仍然沒有解決控制蓄電池充電電壓、電流與蓄電池實(shí)時(shí)需求的匹配問題，不能真正有效的保護(hù)蓄電池。為了克服早期充放電電路與基本充放電控制器的缺點(diǎn)，彌補(bǔ)其不足，現(xiàn)在得到普遍認(rèn)可的技術(shù)是借助電力電子器件構(gòu)成的電力變換電路將光伏電池發(fā)出的電能進(jìn)行電力變換，將光伏電池發(fā)出的不穩(wěn)定的電壓，電流轉(zhuǎn)換為適合供蓄電池充電使用需求的電壓，電流。基于DC/DC變換電路的光伏充放電控制器結(jié)構(gòu)如圖所示?；贒C/DC變換電路的光伏充放電控制器的工作過程為:光伏電池輸出的能量送入DC/DC變換電路,電路控制電路根據(jù)對(duì)蓄電池充電的設(shè)計(jì)需求控制DC/DC變換輸出一定的電壓或電流,對(duì)蓄電池充電.以上控制電路的實(shí)現(xiàn)方式可借助單片機(jī)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合內(nèi)部程序的控制算法，通過軟硬件協(xié)作完成，從而保護(hù)了蓄電池，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池電能的優(yōu)化控制輸出。1.7.2光伏充電控制器在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，充電控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速，平穩(wěn)，高效地為蓄電池進(jìn)行充電，同時(shí)保護(hù)蓄電池，避免過充電現(xiàn)象的發(fā)生，并在充電過程中減少損耗，盡量延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。下面介紹幾種常見的充電控制器。1.并聯(lián)型光伏充電器這是目前小型光伏發(fā)電系統(tǒng)中用得最為普遍、也最為經(jīng)濟(jì)的充電器。其原理是檢測(cè)控制電路隨時(shí)對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，一般采用施密特回差電路，當(dāng)電壓高于“充滿切斷電壓”時(shí)，使T1導(dǎo)通，同時(shí)二極管D1截止，則太陽(yáng)電池方陣的輸出電流直接通過T1短路泄放，不再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，從而保證蓄電池不會(huì)出現(xiàn)過充電，起到“過充電保護(hù)”。當(dāng)電壓回落到某一數(shù)值時(shí)，T2斷開，恢復(fù)充電。放電控制和充電控制類似，當(dāng)電壓低于過放電壓時(shí)，T2斷開，切斷負(fù)載，進(jìn)行過放電保護(hù)，而當(dāng)電壓回升到某一數(shù)值時(shí)，T2再次接通，恢復(fù)放電。1.串聯(lián)型光伏充電器此原理是在光伏陣列與蓄電池之間串聯(lián)一個(gè)充電開關(guān)管。串聯(lián)型充放電控制器和并聯(lián)型充放電控制器電路結(jié)構(gòu)相似，唯一區(qū)別在于開關(guān)器件T1的接法不同，并聯(lián)型T1并聯(lián)在太陽(yáng)電池方陣輸出端，而串聯(lián)型T1是串聯(lián)在充電回路中。當(dāng)充電電壓超過蓄電池設(shè)定的充電電壓高限值時(shí)，T1斷開，此時(shí)蓄電池停止充電，起到“過充電保護(hù)作用”，其它元件的作用和串聯(lián)型充放電控制器相同，不再贅述。3.模擬芯片構(gòu)成的充電控制器光伏發(fā)電系統(tǒng)中，除了單片機(jī)和DSP為核心芯片的蓄電池充電控制器以外，還有一些集成電路公司生產(chǎn)的蓄電池充電控制專用芯片業(yè)可用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中鉛酸蓄電池充電的智能控制。4.多路順序充電控制器蓄電池的充電過程實(shí)際上是內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的電解反應(yīng)過程。若一直以大電流充電，當(dāng)電壓達(dá)到給定值后如果立即停止充電，由于電池內(nèi)部電解液擴(kuò)散作用的延時(shí)，電池電壓會(huì)不穩(wěn)定，而使電池電壓有所下降，即電池未充滿。如果繼續(xù)以大電流充電，則會(huì)損傷電池。多路順序充電控制器采用多路光伏陣列充電電路給蓄電池充電。它根據(jù)蓄電池的充電狀態(tài)，實(shí)行分級(jí)電流充電。即在充電初期用較大電流充電，充電到一定時(shí)間后，改用較小電流，至充電后期改用更小電流。在充電初期，全部充電支路開通，此時(shí)以大電流對(duì)蓄電池進(jìn)行快速充電。隨著蓄電池容量的增加，依次關(guān)閉充電支路，以逐漸減小充電電流，當(dāng)關(guān)閉最后一個(gè)充電支路時(shí)，蓄電池就能充滿了。這種充電控制器體積小功能強(qiáng)，運(yùn)行可靠。而且該充電方法效率較高，所需時(shí)間較短，充電效果也較