光伏发电技术7.2蓄电池

1、光伏系统是将太阳电池在光照时发出的电能，供给负载使用。需要多种部件协调配合才能组成完整的光伏系统，太阳电池方阵是最主要的部件，此外，还需要一系列配套部件才能正常工作，主要包括：储能设备；防反充及旁路二极管；交、直流断路器，变压器及保护开关；计量仪表及记录显示设备；连接电缆、套管及汇流箱；框架、支持结构及紧固件；接地及防雷装置。7.1 太阳电池方阵一般情况下，单独一块太阳电池组件，无法满足负载电压或功率的要求，需要将若干太阳电池组件通过串、并联组成太阳电池方阵，才能正常工作。（1）太阳电池方阵：由若干个太阳电池组件，在机械和电气上按一定方式组装在一起，并且有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。（

2、2）太阳电池组件的连接 要根据系统电压及电流的要求来决定串并联的方式。应将最佳工作电流相近的组件串联在一起。若组成方阵的所有电池组件性能参数差别较大，会造成各串联电池组件的工作电流受限于其中电流最小的组件，各并联电池组件的工作电压也会被其中电压最低的电池组件限制，因此方阵的总效率就会低于所有单个组件的效率之和。在串并联数目较多时，最好采用混合式连接法。（3）热斑效应当树叶、鸟粪等杂物落在太阳电池上时，单独被遮挡的太阳电池不但不能发电，而且电阻会明显增加，并且串联连接回路的全部电压都加在这个电池单元上，电流流过高电阻的单元就会使其发热，特别是在强烈日光下，温度会急剧升高，于是该单元电池甚至整个太

3、阳能电池组件都被损坏（出现烧坏的暗斑），这就是所谓的热斑效应（又称为热岛效应）。7.2 二极管在太阳电池方阵中，二极管是很重要的元器件，常用的二极管有以下两类。1.防反充（阻塞）二极管在储能蓄电池或逆变器与太阳电池方阵之间，要串联一个阻塞二极管，使太阳电池相当于一个具有p-n结的二极管，以防止夜间或阴雨天太阳电池方阵工作电压低于其供电的直流母线电压时，蓄电池反过来向太阳电池方阵倒送电，因而消耗能量和导致方阵发热。它串联在太阳电池方阵的电路中，起单向导通的作用。阻塞二极管存在导通管压降，串联在电路中运行时要消耗一定的功率。硅整流二极管管压降为0.6-0.8V，大容量的可达1-2V，肖特基二极管0

4、.2-0.3V2.旁路二极管在有较多太阳电池组件串联成太阳电池方阵时，需要在 每个太阳电池组件两端并联一个二极管。当其中某个组件被阴影遮挡或出现故障而停止发电时，在二极管两端可以形成正向偏压，实现电流的旁路，不至于影响其他正常组件的发电，同时也保护太阳电池组件避免受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏。这类并联在组件两端的二极管称为旁路二极管。光伏方阵中常用的是硅整流二极管，为了防止旁路二极管被击穿损坏，在选用型号时应注意其容量，通常其耐压容量应能达到最大反向工作电压的两倍，电流容量也要达到预期最大运行电流的两倍。7.3 储能装置由于太阳能发电要受到气候条件的影响，发电量与负载用电规律

5、不符合，需要配备储能装置。太阳能和风能都属于间隙性能源，要成为全球的主要能源，必须解决电网能量的储存问题。7.3.1 主要储能技术1.机械储能机械储能是将电能转换为机械能，需要时再将机械能转换成电能。目前实际应用的有以下几种：（1）抽水储能（2) 飞轮储能（1）抽水储能需要配备上下游两个水库。在电网负荷低谷时段，抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库，将电能转换成重力势能存储起来；电网负荷高峰时，工作在发电机状态，释放上游水库中的水来发电。优点：技术成熟可靠，容量可以做得很大，仅受水库库容限制缺点：建造受地理条件限制，需要适合落差的高低水库，往往远离负荷中心，抽水和发电中有相

6、当多的能量损失，实际综合效率为70-75%，储能密度较差，建设周期长，投资大。(2)飞轮储能将能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮中。整个系统由高强度合金和复合材料的转子、高度轴承、双馈电机、电力转换器和真空安全罩组成。原理：电能驱动飞轮高速旋转，电能转变成飞轮动能存储，需要电能时，飞轮减速，电机作为发电机运行，飞轮的加速和减速实现了充电和放电。优点：运行于真空度较高的环境中，没有摩擦损耗、风阻小、寿命长、对环境没有影响，几乎不需要维护，适用于电网调频和电能质量保障。缺点：能量密度低，保证系统安全性方面的费用很高，在小型场合还无法体现其优势，目前主要用于蓄电池系统的补充，超大容量的飞轮储能技术尚

7、不成熟。（3）压缩空气储能20世纪50年代提出的储能方法，系统由两个循环构成：充气压缩循环和排气膨胀循环。压缩时，双馈电机起电动机作用，利用电网负荷低谷时的多余电力驱动压缩机，将高压空气压入地下储气洞；在电网负荷高峰期，双馈电机起发电机作用，储存压缩空气先经过回热器预热，再使用燃料在燃烧室内燃烧，进入膨胀系统做功发电。缺点：受地形制约，对地质结构有特殊要求。2.化学储能化学储能是经过化学反应充电，将电能储存在电池中，需要时再通过化学反应放电，输出电能。(1)蓄电池铅酸蓄电池：最古老最成熟的产品目前，蓄电池储能系统主要用来提高电能质量。（2）钠硫电池钠硫电池是美国福特公司于1967年首先发明的，

8、是一种以金属钠为负极、硫为正极（熔融液态电极）、陶瓷管为电解质（固体）隔膜的二次电池。在一定的工作度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。（3）液流电池目前应用较多的主要是全钒液流储能电池，钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程 使钒电池顺利完成充 电、放电和再充电。（4）钠/氯化镍

9、电池（5）锂离子电池锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。3.电磁储能（1）超导储能（2）超级电容器储能（3）高能电容器储能（1）超导储能超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置，其不仅可以在超导体电

10、感线圈内无损耗地储存电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质。将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感应电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年。显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。超导储能的优点很多，主要是功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快等等，因此应用很广。（2）超级电容器储能超级电容器（SC），又叫双电层电容器、电化学电容器、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发

11、生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。（3）高能电容器储能电容器也是一种储能元件，其存储的电能与自身的电容和端电压的平方成正比。电容储能容易保持，不需要超导体。特点：能够提供瞬间大功率，非

12、常适合于激光器、闪光灯等应用场合。 各种储能技术在其能量密度、功率密度方面均有不同的表现，而同时电力系统也对储能系统不同应用提出了不同的技术要求，很少有一种储能技术可以完全胜任电力系统中的各种应用。因此，必须兼顾双方的需求，选择匹配的储能方式与电力应用。抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源接入等大规模、大容量的应用场合。超导、飞轮及超级电容器储能适合于提供短时较大的脉冲功率场合。钠硫电池可能成为未来电化学储能的一种方式。液流电池有望在未来10-20年内逐步取代铅酸电池。锂离子电池在电动汽车的推动下也有望成为后起之秀。在离网光伏系统中，蓄电池经常处于浮充

13、放电状态。目前常用的蓄电池有铅酸蓄电池和镍镉电池等。在蓄电池系统的选择和设计时，考虑的因素主要包括：电气特性、性能、物理性能、维护需要、安装、安全和辅助系统、成本。化学电池：将化学能转换为电能的装置，分为原电池和蓄电池两大类。原电池的活性物质只能使用一次，放完电后废弃，又称一次电池。蓄电池：放电后可以用与放电电流相反的电流进行充电，重新获得复原而再次使用，又称二次电池。1.铅酸蓄电池1859年由G.Plante发明的，因其价格低廉、原料易得、性能可靠、适用环境温度范围较宽和适于大电流放电等特点，一直是世界上产量最大、使用最多的蓄电池。广泛应用于汽车、电动车、军用、通信、电力、UPS（不间断电源

14、）、铁路等行业，近年来在太阳能发电领域的应用也在不断增加。分类：开口式、富液免维护式、玻璃丝棉隔板吸附式阀控密封型（AGM）、阀控胶体型等几大类产品。国内铅酸蓄电池主要是吸附式和胶体式两类蓄电池产品。（1）基本构造由正、负极板，隔板，壳体，电解质和接线柱头组成。 正极板的活性物质 是 是二氧化铅，负极 班 板的活性物质是灰色 色海绵状铅。a.正极板阳极，发生氧化反应的电极。是以结晶细密、疏松多孔的二氧化铅作为储存电能的活性物质。正常为红褐色。铅酸蓄电池的每个单元也分正极和负极，阳极是放电时的负极，充电时的正极b.负极板阴极，发生还原反应的电极。是以海绵状的金属铅作为储存电能的物质，正常时为灰色

15、。c.隔板有防止离子渗透的材料制成，能防止电池内极性相反的离子之间接触而发生短路和活性物质脱落的组件。蓄电池的正极和负极之间由隔板隔开。d.电池槽硬橡胶和塑料槽。e.电解质含有可移动离子、具有离子导电性的液体或固体物质叫做电解液。作用：参加电化反应；溶液正、负离子的传导体；极板产生温度的热扩散体。(2)基本概念a. 单体蓄电池蓄电池的最小单元（格）b. 蓄电池组由单体蓄电池串联和并联组成，以满足存储大容量电能的需要。作用：存储太阳电池方阵发出的电能并随时向负载供电。c.电池充电 外电路给蓄电池供电，使电池内发生化学反应，从而把电能转化为化学能而储存起来的操作。d.过充电对完全充电的蓄电池或蓄电

16、池组继续充电。e.浮充电蓄电池充满后，改用小电流给电池继续充电，也称为消流充电。f. 热失控蓄电池在恒压充电时充电电流和电池温度发生一种积累性的增强作用并逐步损坏蓄电池现象。g.电池放电在规定条件下，电池向外电路输出电能的过程。h.自放电电池的能量未经过放电就进入外电路，像这种损失能量的现象称为自放电。i.活性物质在电池放电时发生化学反应从而产生电能的物质，或者说是正极和负极储存电能的物质。j.放电深度是指蓄电池使用过程中放电到何种程度开始停止。k.极板硫化使用铅酸蓄电池时要特别注意的是：电池放电后要及时充电，如果长时间处于半放电或充电不足，甚至过充电或者长时间充电和放电都会形成硫酸铅晶体，这

17、种大块晶体很难溶解，无法恢复到原来的状态，导致极板硫化以后充电更加困难。l.容量容量是指在规定的放电条件下蓄电池输出电荷。其单位常用安时（A h）表示。与充电的程度、放电电流大小、放电时间长短、电解液密度、环境温度、蓄电池效率及新旧程度等有关。通常在使用过程中，蓄电池的放电率和电解液温度是影响容量的最主要因素。能量和比能量能量：指在一定放电值下，蓄电池所能给出的能量，单位为W h理论能量=理论容量*电动势实际能量=一定放电条件下的实际容量*平均工作电压比能量单位体积或单位重量（质量）的蓄电池所给出的能量，分别称为体积比能量（ W h /L）和重量比能量（ W h /kg） 。功率和比功率功率蓄

18、电池在一定放电值下，在单位时间内所给出的能量的大小，通常用P表示，单位为瓦（W）。理论功率=一定放电条件下的放电电流*蓄电池的电动势实际功率=一定放电条件下的放电电流*平均工作电压比功率单位体积或单位质量的蓄电池输出功率，分别称为体积比功率（ W /L）和重量比功率（ W /kg） 。比功率是蓄电池的重要的技术性能指标，蓄电池的比功率大，表示它承受大电流放电的能力强。m.相对密度电解液与水的密度的比值，用于检验电解液的强度。相对密度与温度变化有关。25时，满充的电池电解液相对密度值为1.265，密封式电池，相对密度值无法测量。每个电池的电解液密度均不相同，即使同一个电池在不同季节，电解液密度也

19、不相同。大部分铅酸电池的密度在1.1-1.3g/cm3范围内，满充之后一般为1.23-1.3g/cm3 。常用液态密度计来测量电解液的相对密度值。高温或低温时的电池，相对密度也会受到影响。电池效率受放电电流的影响，因此应避免大放电电流输出导致的效率下降。n.运行温度电池运行一段时间，就会感到烫手，由此可知，铅酸蓄电池具有很强的发热性。温度对电池性能影响很大。当运行温度超过25，每升高10，铅酸电池的使用寿命就会减少50%，所以电池的最高运行温度应该比外界低，对于温度变化超过5的情况下最好带温度补偿充电措施，电池温度传感器应安装在阳极上，且与外界隔绝。（3）工作原理a.铅酸蓄电池电动势的产生充电

20、后，正极板的PbO2在硫酸溶液中水分子的作用下,少量与水生成可离解的不稳定物质氢氧化铅Pb(OH)4,氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4+）留在正极板上，因此正极板上缺少电子。同时，负极板的Pb与电解液中的硫酸发生反应，变成铅离子（ Pb2+ ），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。可见，在未接通外电路（开路）时，由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差。铅酸蓄电池单体（格)的电动势为2.0V。b.铅酸蓄电池放电过程的电化学反应铅酸蓄电池接通外电路负载时（放电），在蓄电池的电动势作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流，在极板上

21、生成难溶的PbSO4。正极PbO2+H2SO4=PbSO4+H2O负极 Pb+H2SO4=PbSO4+H2正极板的Pb4+得到来自负极的2e后，变成Pb2+ ，与电解液中SO42-的反应，在正极板上也生成难溶的PbSO4 ，正极板水解出的氧离子与电解液中的氢离子反应，生成稳定物质水。电解液中存在的SO42-和H+在电场的作用下分别移向电池的正、负极，在电池内部产生电流放电电流，形成回路，使蓄电池向外持续放电，放电时，H2SO4浓度不断下降，正负极上的PbSO4增加，电池内阻增大。c.铅酸蓄电池充电过程的电化学反应铅酸蓄电池外接一个直流电源，使正、负极板在放电后生成的PbSO4。恢复成原来的活性

22、物质。正极PbO2+H2SO4=PbSO4+H2O负极 Pb+H2SO4=PbSO4+H2正极板上，在外电源作用下，PbSO4被离解成Pb2+和SO42-，由于外电源不断从正极吸取电子，正极板负极附近游离的Pb2+不断放出2e来补充，变成Pb4+，并与水继续反应，最终在正极板上形成PbO2。负极板上，在外电源作用下 ，PbSO4被离解为Pb2+和SO42-，由于负极不断从外电源获得电子，因此负极板附近游离的Pb2+被中和为Pb，并以绒状铅附着在负极板上。蓄电池充放电总的化学反应过程PbO2+2H2SO4+Pb=PbSO4+2H2O+PbSO4双硫酸盐化反应蓄电池充电时的管理蓄电池温度：充完电后，马上用手触摸蓄电池的外壳就会有发烫的感觉，这说明充电时温度会上升，但是温度升的过快，蓄电池的寿命会明显缩短，这是因为温度升高，阴、阳极板上的活性物质会劣化，阳极格子收到腐蚀，缩短电池寿命。蓄电池的温度不能太低，温度太低，会使容量减少，容易过度放电，使电池寿命缩短，通常电解液的温度应维持在15-55，特殊情况，也