VRLA蓄电池在光伏发电系统中的研究与应用

　　在早期光伏发电系统中，一般使用开口式铅酸蓄电池作为储能装置，但开口式铅酸蓄电池有需要加酸加水维护，酸液易污染环境等缺点，不利于无人值守使用及环保。近些年来，阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）由于密封不漏酸、不腐蚀设备污染环境，备受欢迎，在我国电信、电力、铁路等行业得到广泛使用。现在的光伏系统用蓄电池，几乎全部为VRLA蓄电池。VRLA蓄电池的主要作用有两点：（1）在晚上或多云及光伏阵列产能和负载用电不一致等情况下，蓄电池能够存储多余能量或给负载提供能量；（2）由于太阳能电池组件的工作特性受太阳辐照度、温度等影响很大，负载常常不能处在最理想工作点附近。蓄电池对太阳能电池的工作电压具有钳位作用，能够保证负载处在最理想工作点附近。

　　光伏发电系统的组成

　　光伏发电系统是利用光电效应原理将太阳能转换为电能的发电系统，通常由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成，如图1所示。

图1 光伏发电系统组成框图

　　太阳能电池组件的作用是将太阳能转化为电能，供给负载工作或给蓄电池组充电；控制器的作用是对蓄电池组的充放电进行保护；蓄电池组用于存储电能；逆变器的作用是将直流电变换为交流电。在夜晚或阴雨天，太阳电池组件无法工作时，由蓄电池组供电给负载工作。可见，蓄电池组在光伏发电系统中起着相当重要的作用。

　　光伏发电系统用VRLA蓄电池特点

　　1 光伏发电系统用蓄电池的工作方式

　　蓄电池的工作方式可分为循环使用和浮充使用两种。经常处于频繁的充放电工作状态，即循环使用；经常处于充电状态则为浮充使用，能弥补蓄电池因自放电而造成的容量损失。光伏发电系统用VRLA蓄电池属于循环使用方式。

　　2 光伏系统用蓄电池充放电特性

　　光伏发电系统用蓄电池充放电特性一般有4点：（1）白天充电，晚上以及阴、雨天放电；（2）充电倍率低，平均充电电流一般为0.01～0.02C，很少达到0.1～0.2C；（3）放电电流小，放电倍率通常为0.004～0.05C；（4）一次充电时间较短，即使长的时候仅为约10 h。光伏系统很少能完全、快速地给蓄电池充满电，蓄电池往往会处于欠充电状态。

　　3 光伏发电系统用VRLA蓄电池性能要求

　　光伏发电系统多建立在边远偏僻的山区、高原、戈壁，自然环境十分恶劣，工作环境温度变化范围很大。因此，对光伏发电系统中的蓄电池有如下要求：（1）具有深循环放电性能，充放电循环寿命长；（2）耐过充电能力强；（3）过放电后容量恢复能力强；（4）良好的充电接受能力；（5）电池在静态环境中使用时，电解液不易分层；（6）具有免维护或少维护的性能；（7）应具备良好的高、低温充放电特性；（8）能适应高海拔地区的使用环境；（9）蓄电池组中各蓄电池一致性良好。
 
 

　　在早期光伏发电系统中，一般使用开口式铅酸蓄电池作为储能装置，但开口式铅酸蓄电池有需要加酸加水维护，酸液易污染环境等缺点，不利于无人值守使用及环保。近些年来，阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）由于密封不漏酸、不腐蚀设备污染环境，备受欢迎，在我国电信、电力、铁路等行业得到广泛使用。现在的光伏系统用蓄电池，几乎全部为VRLA蓄电池。VRLA蓄电池的主要作用有两点：（1）在晚上或多云及光伏阵列产能和负载用电不一致等情况下，蓄电池能够存储多余能量或给负载提供能量；（2）由于太阳能电池组件的工作特性受太阳辐照度、温度等影响很大，负载常常不能处在最理想工作点附近。蓄电池对太阳能电池的工作电压具有钳位作用，能够保证负载处在最理想工作点附近。

　　光伏发电系统的组成

　　光伏发电系统是利用光电效应原理将太阳能转换为电能的发电系统，通常由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成，如图1所示。

图1 光伏发电系统组成框图

　　太阳能电池组件的作用是将太阳能转化为电能，供给负载工作或给蓄电池组充电；控制器的作用是对蓄电池组的充放电进行保护；蓄电池组用于存储电能；逆变器的作用是将直流电变换为交流电。在夜晚或阴雨天，太阳电池组件无法工作时，由蓄电池组供电给负载工作。可见，蓄电池组在光伏发电系统中起着相当重要的作用。

　　光伏发电系统用VRLA蓄电池特点

　　1 光伏发电系统用蓄电池的工作方式

　　蓄电池的工作方式可分为循环使用和浮充使用两种。经常处于频繁的充放电工作状态，即循环使用；经常处于充电状态则为浮充使用，能弥补蓄电池因自放电而造成的容量损失。光伏发电系统用VRLA蓄电池属于循环使用方式。

　　2 光伏系统用蓄电池充放电特性

　　光伏发电系统用蓄电池充放电特性一般有4点：（1）白天充电，晚上以及阴、雨天放电；（2）充电倍率低，平均充电电流一般为0.01～0.02C，很少达到0.1～0.2C；（3）放电电流小，放电倍率通常为0.004～0.05C；（4）一次充电时间较短，即使长的时候仅为约10 h。光伏系统很少能完全、快速地给蓄电池充满电，蓄电池往往会处于欠充电状态。

　　3 光伏发电系统用VRLA蓄电池性能要求

　　光伏发电系统多建立在边远偏僻的山区、高原、戈壁，自然环境十分恶劣，工作环境温度变化范围很大。因此，对光伏发电系统中的蓄电池有如下要求：（1）具有深循环放电性能，充放电循环寿命长；（2）耐过充电能力强；（3）过放电后容量恢复能力强；（4）良好的充电接受能力；（5）电池在静态环境中使用时，电解液不易分层；（6）具有免维护或少维护的性能；（7）应具备良好的高、低温充放电特性；（8）能适应高海拔地区的使用环境；（9）蓄电池组中各蓄电池一致性良好。
 
 

　　光伏发电系统用铅酸蓄电池容量的设计方法

　　确定蓄电池容量，首先要测定接入系统的负载每天需要多少电量；其次根据气候条件蓄电池需要存储多少天的电量。在确定蓄电池容量时，并不是容量愈大愈好，过大的电池容量规模也会产生问题。这是因为在日照不足时，蓄电池组可能维持在部分充电状态，这种欠充电状态将导致电池硫酸化增加、容量降低、寿命缩短。蓄电池容量的一般计算公式为
 
　　C=E·t/(D·η0·η1) (1)

　　式中，C为蓄电池的容量；E为负载日平均功耗；t为最长无日照用电时数；D为VRLA蓄电池允许放电深度；η0为VRLA蓄电池充放电效率；η1为逆变器转换效率。

　　光伏发电系统用VRLA蓄电池性能改进

　　蓄电池的失效和寿命短是阻碍光伏发电系统推广的原因之一。VRLA蓄电池用于光伏系统后寿命会逐渐缩短，影响其寿命的因素主要有：充电时间受限，长期欠充电；小电流放电；过充电；温度等。根据光伏发电系统光伏系统对蓄电池性能的特殊要求，结合上述影响蓄电池寿命的因素，在原VRLA蓄电池的基础上进行了一系列性能改进。具体改进措施包含以下几方面：
　
　　（1）提高循环使用寿命。为延长VRLA电池的循环使用寿命，板栅合金在板栅与活性物质界面形成的腐蚀层导电性应良好，板栅应具有抗蠕变性能。电池设计采用紧装配，并适当提高装配压力。

　　（2）提高电池充电接受能力。对VRLA电池来说，充电不足对电池的危害比过充电更严重，所以提高VRLA电池的充电接受能力尤其重要。在负极铅膏配方中加入高稳定性的膨胀剂和导电性添加剂，提高了充电接受能力。

　　（3）提高过放电性能。降低硫酸电解液的比重，并添加了特殊的电液添加剂，可以降低对极板的腐蚀，减少电液分层的产生，提高了电池的充电接受能力和过放电性能。

　　（4）采用专用安全阀。对于高原地区，由于大气压较低，特别调整了安全阀压力值。