第4章蓄电池及其充放电模式..docVIP

第4章 蓄电池及其充放电模式 蓄电池是太阳能光伏发电系统主要储能设备。本章主要介绍蓄电池的基本概念、运行模式、工作原理和充放电控制。 4.1 蓄电池的基本概念与特性 蓄电池的功能是储存太阳能电池方阵受光照时发出电能并可随之向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求：①自放电率低；②使用寿命长；③深放电能力强；④充电效率髙；⑤少维护或免维护；⑥工作温度范围宽；⑦价格低廉。目前我国与光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池，特别是阀控式密封铅酸蓄电池，因此，本章主要以铅酸蓄电池为研究对象。 4.1.1蓄电池的基本概念 蓄电池的主要功能是当日照量减少或者夜间不发电时补充负荷要求的功率。一般系统当太阳能发电功率急剧下降时，蓄电池起缓冲作用，保证电压的稳定。蓄电池于电化学电池，它把化学中的氧化还原所释放出来的能量直接转变为直流电能，因此，它是一种储藏电能的装置。蓄电池的结构图如图4.1所示；图4.2为蓄电池内部结构组成图。 下面对蓄电池内部的结构做一个详细的说明： 正极活性物质：蓄电池正极中的填充物质，蓄电池放电时得到电子，发生还原反应。 负极活性物质：蓄电池负极中的填充物质，蓄电池放电时放出电子，发生氧化反应。 电解质：为蓄电池内部离子提供导电的一种介质。 隔膜：一般为绝缘性比较好的材料，为了防止正负极活性物质直接接触导致短路而增加的隔片。 外壳：为蓄电池的容器，能耐电解液的腐蚀，耐髙温，能抗一定的机械强度。 放电：蓄电池内部发生自发反应，向外部用电设备输送电流的过程。 充电：外部向蓄电池内输入电能，形成与放电电流方向相反的电流，使蓄电池内部发生与放电反应相反的反应，此过程称为充电。充电后，两个电极分别有平衡电势为和φ+和φ-。 4.1.2 蓄电池的主要参数 了解蓄电池主要参数的物理意义是光伏发电系统中有效使用蓄电池的前提之一。蓄电池的主要参数归纳如下： 1. 蓄电池的电动势 电动势体现了电源把其他形式的能量转换成电能的本领，电动势使电源两端产生电压。电动势为蓄电池在理论上输出能量多少的一个标度，一般来说，电动势越高，输出的能量则越高容量越高），使用价值愈高。理论上，蓄电池的电动势等于蓄电池正负极平衡电势之差，开路时用电压表直接测量电源两端的电压即为蓄电池的电动势。 2. 蓄电池工作电压、开路电压和终止电压 工作电压——蓄电池接通负荷后在放电过程中显示出来的电压，亦称放电电压。在蓄电池最初始放电时的工作电压称为初始工作电压，工作电压在整个放电过程中会不断的降低。 开路电压——蓄电池在开路状态下的端电压称为开路电压。蓄电池的开路电压等于正极电势和负极电势之差，数值上就等于蓄电池的电动势。蓄电池的开路电压是保持不变的，而端电压则会随着充电放电过程而不断地变化，其变化曲线如图4.3和图4.4所示。 终止电压——蓄电池放电时电压下降到不宜再放电时（至少能再反复充电使用）的最低工作电压，为了防止电池不至于过于放电而损耗极板，各种标准的蓄电池在不同放电倍率和温度下放电时，都规定了电池的终止电压。 3. 蓄电池内阻 蓄电池在工作时，电流通过蓄电池内部时受到各种阻力，使得蓄电池的电压降低，该阻力总和称为蓄电池的内阻。蓄电池内阻受各种因素的影响，包括活性物质的重量、电解液的浓度和温度等等。在放电过程中，内阻是随着放电过程不断地变化。 蓄电池的内阻在不同规格和型号的蓄电池均不相同，不同的放电模式也会影响内阻的大小。一般来说，蓄电池容量大则内阻小，低倍率放电时蓄电池内阻小；但是在高倍率放电时，蓄电池的内阻明显增大。（倍率：放电电流数值与电池额定容量之比蓄电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，两者之和即为蓄电池的总内阻。欧姆内阻遵守欧姆定律呈线性关系；而极化内阻不遵守欧姆定律，随电流密度增大而增大，随温度增大而增大，呈非线性关系。 4. 蓄电池的能量 蓄电池的能量是指在一定的放电条件下，蓄电池所能放出的电能，通常用瓦时W.h）表示，它表征蓄电池放电能力的大小。能量等于蓄电池容量与电动势的乘积，即W = CV，通常蓄电池的能量分为理论能量和实际能量。 实际上，为了准确地比较不同类型电池能量的大小，常用比能量来比较不同的蓄电池系列。比能量是蓄电池单位质量或单位体积所能输出的能量，单位分别为W.h/kg或者W.h/L。比能量同样也分为理论比能量和实际比能量。 5. 蓄电池的容量 蓄电池的容量就是蓄电池的蓄电能力，通常以充足电后的蓄电池放电（端电压截止到终止电压时所能放出的总电量来表示，标志符号为C。容量常用的单位为安培小时, 简称安时A.h）。通常在C的下角处标明放电时率，如C10表示10小时率的放电容量，C120表示120小时率的放电容量。根据计量条件的不同，电池的容量包括理论容量、实际容量和额定容量。 理论容量是蓄电池中活性物质的质量按法拉第