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光伏储能系统之铅酸蓄电池原理和种类

北京义拓联创科技开发有限公司

2019/1/9 12:52:28

储能电池及器件是太阳能光伏发电系统*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-acidbattery。

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*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*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*。 

(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的技术,也是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。

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