光伏系统用铅酸蓄电池循环特性的研究78891.docx

1、光伏系统用铅酸蓄电池循环特性的研究78891 本文由braveheart1h贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 天津大学 硕士学位论文 光伏系统用铅酸蓄电池循环特性的研究 姓名：马洪斌 申请学位级别：硕士 专业：化学工程 指导教师：唐致远 中文摘要 世界能源的短缺与环境污染问题的日益突出使得充分开发和利用太阳能成 为世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。光伏发电系统 中作为储能部件的蓄电池是保证整个光伏系统全天候正常运转的关键部件之一。 用于光伏系统的蓄电池的寿命是光伏发电独立系统扩大应用的瓶颈。因此，分析 光伏蓄电池的

2、工作特性，特别是循环特性，寻求符合实际使用条件的光伏蓄电池 已经成为光伏系统研究的重要方向之一。For personal use only in study and research; not for commercial use 本论文对光伏系统用也式铅酸蓄电池（和）的循环 寿命评估进行了研究，对比了不同使用条件和循环制度下铅酸蓄电池的循环特 性。通过以上研究，得出如下几点结论： 也铅酸蓄电池的基本电性能均能满足光伏系统用蓄电池的要求，电池 的均一性、充电效率和荷电保持能力较好。 分别采用 For personal use only in study and research; not fo

3、r commercial use 教授提出的模拟电池实际使用状态的大循环方 法和 中也式铅酸蓄电池加速寿命测试方法对电池的循环特性进行研 究。研究表明两种方法都存在缺陷，并提出一种改进方法。通过对比不同型号电 池的寿命试验，可以看出影响光伏系统用铅酸蓄电池的循环特性的因素很多，包 括电池活性物质组成等内在因素，也包括电池的放电深度、过充电量等外在因素。 关键词：For personal use only in study and research; not for commercial use 铅酸蓄电池光伏系统阀控式循环特性 For personal use only in study an

4、d research; not for commercial use 伍 锷For personal use only in study and research; not for commercial use 廿 【 岫 也 ？ 曲 曲舳 也 协 甜 ， 小，巧 印 巧 “， 协 ， 矗 锄 铆 ， 五吣 弱： 巧 咖 匆 彻， 伍 曲 。俩 觚 撇 巧 也 犯 妇 牡巧， 也主硒 。 幽画 印 （） 印饥 ： 甜 ， 撕。珥 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成

5、果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多跃斌签字日期：埘年月访日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 多珑斌 导师签名： 签字日期：一扩年月冶日 签字日期：加年月计日 天

6、津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 引言 近年来，随着世界能源的短缺与环境污染问题的日益突出，许多国家和地区 都采取了相关措施来提高能源利用率、改善能源结构、探索新能源和可再生能源， 咀达到可持续发展和减少矿物燃料消耗的目的。充分开发利用太阳能是世界各国 可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。近几年启动的“全球环境 基金膛界银行可再生能源发展项目”计划年中推广约万套光伏户用电源系 统和约光伏发电】。光伏发电系统以输出电能作为最终表现形式，具有配 置灵活、传输方便、无污染、使用维护简单、安全可靠、可存储等优点。在能源、 环境和人类社会未来发展中占据重要地位。 太阳能光伏发电系统

7、是利用光电效应原理将太阳能转换为电能的发电系统。 通常由太阳电池组件、控制器、蓄电池组、直流，交流逆变器等组成。光伏发电 系统将由太阳能电池阵列产生的电能加以应用，有直流应用和交流应用两种方式 （如图所示）。 国 神 裂 。器 豢器豳 “弹 图太阳能发电及应用系统 从图可以看出，光伏电池必须在有光照条件下才能工作，独立的光伏发 电系统中必须有作为储能部件的蓄电池存在，才能保证整个光伏系统全天候正常 无津大学硕士学位论文 第一章绪论 运转。用于光伏系统的蓄电池的寿命是光伏发电独立系统扩大应用的瓶颈。因此， 分析光伏蓄电池的工作特性，特别是循环特性，以便寻求符合实际使用条件的光 恢蓄电池已经成为光

8、伏发电系统研究的重要方向之一。 目前国内外在光伏系统中使用的蓄电池主要有以下三大类口】：开口铅酸蓄 姗，）：镍钙、镍氢、镍镉电池（记毗哪 电池（ 甜日），阀控式密封铅酸蓄电池（由 ），删。 在这三大类电池中，开口铅酸蓄电池在其使用过程中存在水易挥发、易泄漏、 比容量低等缺点，且在使用过程中伴随有酸雾产生，污染环境；而镍钙、镍氢电 池虽然容量较大，但价格昂贵；镍镉电池具有。记忆效应” 阀 控式密封铅酸免维护蓄电池（也）是最近十几年才在我国发展起来的贫液式 铅酸蓄电池，由于它具有不需补加酸水、无酸雾析出、容量大、价格低、自放电 率低、结构紧凑、寿命长、无“记忆效应”、可任意放置使用、搬运方便、使用

9、 清洁等优点，近年来在光伏发电系统中得到广泛的应用“。 铅酸蓄电池的结构和工作原理 铅酸蓄电池的结构 单体铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、硫酸、隔板、槽体和盖组成。正负 极分别焊成极群，如图所示。 照。 图铅酸电池结构示意图 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 极板极板是铅酸蓄电池储存电能的主要部件，它一般被制成栅架形式，上 面附满活性物质。极板分正极板和负极板两种：正极板上活性物质为棕红色的二 氧化铅（）；负极板活性物质为海绵状深灰色的铅（）。正负极板都浸在 一定浓度的硫酸溶液中。为了增加电池容量，可以把几块不同极性的极板用金属 条连接在一起并称之为“极板组”或“极板群”。由于正极上活性物质比

10、较疏松， 机械强度低，如果极板的两面放电不均，就会形成正极板拱曲而使其上的活性物 质脱落。所以，在每一单格中负极板要比正极板多一片，这样，就可以保证组装 后，每片正极板都处于两片负极板之间，使两侧放电均匀以减少正极板的拱曲和 活性物质的脱落【。 隔板在各种类型的铅酸蓄电池中，除少数特殊组合的极板间留有宽大的空 隙外，在两极板间均需插入隔板，以防止正负极板相互接触而发生短路。要求隔 板为电绝缘体（如木质、橡胶、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃纤维棉等），耐氧化， 耐硫酸腐蚀，还要有足够的孔率（）和孔径。 、 槽体槽体是用来盛装电解液和支撑极板的，也为电绝缘体，机械强度高， 耐酸，耐温，通常有玻璃槽、衬铅

11、木质槽、硬橡胶槽和塑料槽四种。 电解液铅酸蓄电池的电解液是用蒸馏水稀释高纯度浓硫酸而成。它的比重 高低视铅酸蓄电池类型和所用极板而定，一般在时为之间。蓄 电池用的电解液（稀硫酸）必须保持纯净，不能含有害于铅蓄电池的任何杂质。 铅酸蓄电池的发展历史 铅酸蓄电池是年由普兰特（）发明的二次电池。他采用两块铅板 作为电极，置于的硫酸溶液中进行电解，使电解的电流方向不断变化，结果 使得铅酸的蓄电容量逐渐增加。但是这种式极板化成需要很长时间。 年 在铅片上涂覆铅膏，该铅膏由，和和制而成，从而缩 短了化成的时间。年锄用铅板栅代替铅片；同年发明了板 栅合金，从而改善了板栅的机械强度。 年和曲在铅酸电池的 两极

12、均发现了这种化合物，创立了“双极硫酸盐”理论。 现代铅酸理论研究开始于年，首次运用射线衍射法（） 研究了电极上形成的腐蚀产物。此后人们逐渐引入新的测试方法和测试手段 来研究铅酸蓄电池，如扫描电镜（）、透射电镜（）、热重分析（） 等。年西德公司首次将凝胶电解质技术应用于铅酸蓄电池， 制成接触性变性凝胶工业电池并投入市场。同年英国公司发明了 “”再化合免维护汽车电池，标志着实用密封铅酸蓄电池的诞生。 年美国公司首次将超细玻璃纤维用于密封铅酸电池中，生产出吸液式 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 卷绕极板圆筒形电池，获得专利并批量成产，第一次把氧气复合原理在商品电池 中实施，实现了铅酸蓄电池技术上的

13、重大突破。年，诞生了第一个商业化 的阀控密封铅酸蓄电池（）【。 根据放电时间的长短，目前铅酸蓄电池的用途可表示如图所示【】。 。 要 冷 一 骨 墓 ； 薯魏 室 警魏 萎 鬟是 薹 凿薯稀 苫 誓魏 百 图铅酸蓄电池分类图（按放电时间的长短） 铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池的电化学表达式如下【 （一）月： （） 蓄电池的充电和放电靠正负极板上活性物质与硫酸的化学反应来实现。铅蓄 电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复杂，目前公认的是哥来德斯东和 特利浦两人提出的“双硫酸化理论”。该理论的含义为铅蓄电池在放电后，两电 极的有效物质和硫酸发生作用，均转变为硫酸化合物硫酸铅；当充电时， 又恢

14、复为原来的铅和二氧化铅。按照这个理论，铅酸蓄电池在其正、负极板上分 别进行着如下的化学反应过程： 正极板：嘲一翁 负极板：尸册听翁日一 总的反应方程式： （正极） 方程式（） 方程式（） （电解液） 。 （负极）放电（正极） （电解液） （负极） 肋日。孓易象 京南 方程式（） 反应方程式从左向右表示放电过程，而从右向左表示充电过程。放电过程和 充电过程互为可逆反应。整个充放电过程可表示如图（，）所示口，。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 暂锯 始鬟 也过 毒穗 毫彤撼 麓戚器 艘生瓤电成鹰 （）放电过程 懿麓我 敌电 髦魔 物质 电嵩 ：奄蛘誓 ：蓬摄越 哪 畸 ；霄 ； ： 撼 嗽藏 彩

15、成 建麓 韧嫩 锄爱 ， ；砖。矧，峨 （）充电过程 图一铅酸电池充放电过程示意图 从反应方程式（）、（）和（）可以看出，在放电期间，铅酸蓄电池正极 的活性物质二氧化铅（）和负极的活性物质海绵状铅（）与电解液硫酸（） 进行化学反应生成硫酸铅（），引起的减少，而且在正极板上不断生 成水（），从而引起电解液的比重降低。在充电期间，正极板上的硫酸铅氧化 生成了二氧化铅，而此时负极板上的硫酸铅还原成铅（海绵状），同时生成硫酸， 并消耗水，这样电池中的电解液比重就增加。值得注意的是，铅酸蓄电池在充 放电过程中，硫酸起传导电流的作用，并参与电池反应，但参加反应的是嘲， 不是谚一，因为的二级离解常数相差很大

16、。 咒 ：、 、 嘲占日删一鼯 方程式（） 方程式（） 应该指出，反应方程式（）、（）和（）所述充电过程是人们所期望的主 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 反应。在传统的非理想的充电方式下，往往伴随着一个很难避免的副反应，即水 的电解。在传统充电方式的后期，由于正、负极板上的硫酸铅己大部分转变成二 氧化铅和海绵状铅，充电电流如果超过剩余活性物质的需求则充入的电能将主要 消耗于水的电解。结果在电池的负极会有氢气（）析出，在正极则会有氧气（） 析出，造成十分强烈的冒泡现象。其中电解水的反应是： 负极：日一一个 方程式（） 方程式（） 方程式（） 正极：胃一一胃个 总的反应式为：日一日个个 所以在充

17、电末期必须注意充电电流的大小，否则会导致产生气泡过于剧烈， 冲刷极板，容易使极板上的活性物质脱落损坏，降低电池的容量和寿命，同时还 会导致水的消耗大为增加，浪费电力和蒸馏水，也增加了管理和维护的麻烦。 也蓄电池同传统的防酸隔爆式的固定型铅酸电池相比进行了一下改进： （）采用高纯度卜板栅合金代替心合金，因为合 金比合金有更高的析氢过电位，从而能够降低析出氢气的析出自 放电小 （） 在使用全过程中，不需要添加水和调整酸的比例。 （）不漏液，无酸雾，无环境污染 （）结构紧凑，密封良好，抗震，比能量高。 （）不存在记忆效应。 （） 使用范围广。 图 电池与电池（左）的比较 虬电池的工作原理： 天津大学

18、硕士学位论文 第一章绪论 电池的充放原理 正极板：鼢劈呶一篇 放电 负极板：肋冠日一 总的反应方程式： （电解液） （正极） （负极）放电（正极） （电解液） （负极） 日龛 甩电池的密封原理： 电池在充电过程中，正极除了有。转变为。以外，还有氧析出反应，特 别是电池的充电后期，当电池容量达到时，氧的析出反应更为剧烈，两极的 气体析出反应如下： （）盯 （）盯， 对于浮充使用的电池，即使是浮充电流很小，但在长期浮充状态下，除浮充 电流一部分用于电池自放电生成的。转为正负极活性物资以外，不避免的， 浮充电流另一部分则用于水的电解，氧和氢气的产生使电池内部失水，电解液密 度发生变化，也使电池难以实

19、现密封。铅酸蓄电池自诞生以来，人们都一直在寻 求实现电池的密封，以此减少对电池的维护。电池的出现，实现了电池的 密封，图卜、图卜揭示了电池密封的原理。 从图中看出，电池密封的关键技术是采用负极过量设计，电池在过充或长期 浮充时，只在正极电解水析出氧气，通过隔板的孔隙，迅速扩散到负极，与 负极活性物质海绵状铅发生反应生成氧化铅（），负极表面的遇到电解 液。发生化学反应生成和，其中。再充电而转变为海绵状， 生成的又回到电解液，避免了水的损失。因氧气的再复合，从而实现了电池 的密封。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图密封原理示意图 过笼 ：括 髓谴 托椰邵昧删嘲 ，： 图氧循环原理图 光伏铅酸电

20、池的特点和发展趋势 光伏系统用铅酸蓄电池特点 在光伏电站使用环境中，白天，太阳能电池组件接收太阳光，输出电能 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 部分供给直流或交流负载工作，另一部分供给蓄电池组充电；夜晚或阴雨天，太 阳能电池组件无法工作，蓄电池组为直流或交流负载供电，所以蓄电池一直处于 循环状态，蓄电池的寿命也称为循环寿命【】。 应用于光伏系统中的铅酸蓄电池的工作条件和应用在其他场合下铅酸蓄电 池的工作条件不同，其主要区别可以概括为（抛】： （）充电率非常小，平均充电电流一般为旷，很少达到； （）放电率非常小，通常为肚，或者更小； （）由于受到自然资源的限制，蓄电池只有在有日照时才能充电，即充

21、电 时间受到限制； （）不能按给定的充电规律对蓄电池进行充电。 国家标准厂家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法 对太阳能光伏电源系统用铅酸蓄电池提出如下要求： （）深循环型铅酸蓄电池是应用于家用太阳能光伏电源系统的首选产品。 （）根据当地连续阴雨天情况设计蓄电池的最小容量。深循环铅酸蓄电池 的设计放电深度（）为，浅循环铅酸蓄电池的设计放电深度（） 为。 （）当密封铅酸蓄电池在海拔以上条件下使用时，必须得到蓄电池 生产厂商确认。 目前光伏发电系统中，铅酸蓄电池频繁处于充电放电的反复循环中，由于 日照的不稳定性，过充电和深放电的不利情况时有发生。加之光伏发电系统大部 分在西部地区使用， 蓄电池

22、有如下要求【】： ?具有深循环放电性能，充放电循环寿命长； 对过充电、过放电耐受能力强； ? 海拔都在以上， 因此，对光伏发电系统中的铅酸 当电池不能及时补充充电时，能有效抑制小颗粒硫酸铅的生长。 良好的充电接受能力； 富液式电池在静态环境中使用时，电解液要不易分层； ?具有免维护或少维护的性能； ?应具备良好的高、低温充放电特性； 能适应高海拔（以上）地区的使用环境； ?蓄电池组中各蓄电池一致性良好，无需均衡充电： 具有较高的能量效率； ?具有较高的性价比。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 光伏系统用铅酸蓄电池容量特性 如果将光伏电站用蓄电池工作特性曲线的充电部分放大，会发现并不是单纯 的

23、充电曲线，而是包含有放电、充电的复杂曲线。这是因为，太阳能电池板接受 的太阳光能并不是每时每刻保持恒定，在某一瞬间，如果一片云遮挡了太阳光， 那么太阳能电池板接受的光能减弱，产生的电流减小而无法满足设备工作的正常 需要值，于是蓄电池进行放电来补充设备需要。 下丫、一 矿从 白 蠢 簋 白 纛 敦 蠢 羌 ？ 图光伏系统用铅酸蓄电池工作曲线（上）及工作曲线部分放大图（下）【】 在光伏系统设计蓄电池容量时，已知的是某一个电站的功率数，因此蓄电池 容量的计算是以恒功率放电数据为准，其容量计算公式如下式所示口】： 坌兰！兰墨 式中为蓄电池容量（）；为最长无日照期间用电时数（）；为蓄电 池放电效率的修正系数（通常取）；为平均负荷容量（螂叻；为蓄电池的维 修保养率（通常取）；为蓄电池的放电深度（通常取）；口为包