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影响光伏发电系统用储能蓄电池寿命的因素

2018-03-23   |  来源:www.yzc366.com
光伏储能蓄电池,由于长期使用,正极板栅会在电解液的作用下逐步腐蚀并长大,板栅的长大使活物质和板栅的结合性降低,从而导致电池容量逐渐丧失。这种正极板栅的腐蚀和长大主要受板栅的合金组成、电解液密度以及板栅筋条形状等因素的影响。

 

(1)正极活性物质软化脱落
  
  VRLA蓄电池在循环使用条件下,电池的失效主要是由正极活性物质(PAM)的软化、脱落所致。
  
  铅酸电池循环过程中,正、负极活性物质经历了可逆的溶解再沉积过程,改变了多孔二氧化铅电极的结构。尤其对二氧化铅电极,可能会引起表观体积的增加,改变颗粒和孔尺寸的分布,多孔二氧化铅结构中颗粒之间的机械结合性能和导电性能降低,随着循环的继续,这种情况还会进一步的恶化,结果使得该区域的活性物质软化和脱落。
  
  (2)放电电流对蓄电池寿命影响
  
  在光伏系统中,蓄电池的放电电流非常小。在小电流条件下形成的PbSO4比大电流条件下形成的PbSO4转化困难得多。这是因为在小电流条件下形成的PbSO4结晶颗粒要比大电流条件下形成的PbSO4结晶颗粒粗大,粗大的PbSO4结晶颗粒减少了PbSO4的有效面积,这样在再充时加速了极板极化,导致PbSO4转化困难,随着循环的继续,这种情况还会更加加剧,结果使得极板充不进电,导致蓄电池寿命终止。
  
  (3)深度放电后蓄电池容量恢复
  
  在光伏系统中,蓄电池的放电率要比蓄电池应用在其它场合低,通常介于C20~C240,甚至更低。小电流下深度放电意味着极板上的活性物质将得到更充分的利用。在许多光伏系统中,通常不会发生深度放电,除非充电系统出现故障或者持续长时间的坏天气。在这种情况下,如果蓄电池得不到及时的再充电,硫化问题将更加严重,进一步导致容量损失。
  
  (4)酸分层对蓄电池寿命影响
  
  电解液分层现象是由于重力的作用在电池的充放电过程中产生的,即充电时正负极板表面都产生H2SO4,它的密度大,因重力的作用而下沉。在放电时,正负极板表面均消耗H2SO4,故表面液层密度小,低密度的电解液顺着极板间上升,而极群上部高密度的电解液则从极群侧面向下,电解液流动的结果造成了上部密度低、下部密度高。分层现象的产生对蓄电池的使用寿命和容量均产生不利影响,加速了板栅的腐蚀和正极活物质的脱落,导致负极板硫酸盐化。
  
  (5)电液密度对铅蓄电池寿命的影响
  
  电解液的浓度不仅与蓄电池的容量有关,而且与正极板栅的腐蚀和负极活性物质硫酸盐化有关。过高的硫酸浓度加速了正极板栅的腐蚀和负极活性物质硫酸盐化,并导致失水加剧。
  
  (6)板栅合金的影响
  
  VRLA蓄电池,由于长期使用,正极板栅会在电解液的作用下逐步腐蚀并长大,板栅的长大使活物质和板栅的结合性降低,从而导致电池容量逐渐丧失。这种正极板栅的腐蚀和长大主要受板栅的合金组成、电解液密度以及板栅筋条形状等因素的影响。
  
  在蓄电池充电过程中,板栅和活性物质的接口上形成非导电层,这些非导电层或低导电性层在板栅和PAM界面引起了高的阻抗,导致充放电时发热和板栅附近PAM膨胀,从而限制了电池的容量(即所谓的PCL效应)。
  
  (7)极板的厚度的影响
  
  极板的厚度应属于电池设计方面的问题,一般来说,较厚极板的循环寿命要长于较薄极板,而活性物质利用率相比之下要差一些。但有利于循环循环寿命的延长。
  
  (8)装配压力的影
  
  装配压力对VRLA电池寿命有很大影响,AGM隔板弹性差,组装时,极群不加压或压力过小,隔板和极板之间不能保持良好的接触,电池容量大大下降。
  
  在循环过程中,活性物质的膨胀、疏松、脱落是电池寿命提前终结的原因之一,而采用较高的装配压力可以防止活性物质在深循环过程中的膨胀。若装配压力太低,还会导致隔板过早地与极板分离,引起电液传输困难,电池内阻迅速增大,容易导致蓄电池寿命终止。因此,采用较高的装配压力是电池具有长循环寿命的保证。
  
  (9)温度的影响
  
  高温对蓄电池失水干涸、热失控、正极板栅腐蚀和变形等都起到加速作用,低温会引起负极失效,温度波动会加速枝晶短路等等,这些都将影响电池寿命。在一定环境温度范围放电时,使用容量随温度升高而增加,随温度降低而减小。在环境温度10~45℃范围内,铅蓄电池容量随温度升高而增加,如阀控密封铅蓄电池在40℃下放电电量,比在25℃下放电的电量大10%左右,但是,超过一定温度范围,则相反,如在环境温度45~50℃条件下放电,则电池容量明显减小。低温(<5℃)时,电池容量随温度降低而减小,电解液温度降低时,其粘度增大,离子运动受到较大阻力,扩散能力降低;在低温下电解液的电阻也增大,电化学的反应阻力增加,结果导致蓄电池容量下降。其次低温还会导致负极活性物质利用率下降,影响蓄电池容量,如电池在-10℃环境温度环境温度下放电时,负极板容量仅达35%额定容量。
  
  通常情况下,若在25℃条件下使用时,蓄电池的寿命为3年,那么30℃条件下使用时,就下降至2.5年;40℃时就下降至1.5年。即以25℃为基准,每升高10℃,其使用寿命缩短一半
  
  四.光伏系统用储能VRLA蓄电池的设计实践
  
  根据光伏系统用蓄电池的工作条件以及对光伏系统用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的研究和技术改进,设计开发了光伏系统专用VRLA蓄电池。具体改进措施包含以下几方面:
  
  (1)板栅合金:采用了适合与循环使用铅锑或者铅镉板栅合金,既能防止极板在使用过程中腐蚀增长,又可***板栅和活性物质的界面上的阻挡层,杜绝了早期容量衰减。其充电效率和深放电后的恢复性能都很理想。由于镉为有毒元素,现在限制使用。但由于铅锑合金电池,失水严重,现在一般做成开口式蓄电池需要定期补水,需要人员定期维护。
  
  (2)板栅结构:采用了特殊的板栅结构,可防止因板栅增长而导致蓄电池损坏,并增加了板栅的厚度,以延长蓄电池的使用寿命。现在常用管式正极板栅设计,有限解决了因活性与板栅之间接触不好的问题。
  
  (3)铅膏:在正、负铅膏中,添加能增加导电性的添加剂,如石墨、乙炔黑等,并改进和膏工艺和固化工艺,提高了蓄电池的充电接受能力、过放电后容量恢复能力和深循环寿命。
  
  (4)装配压力:提高了电池的装配压力,以提高蓄电池的循环使用寿命。采用了高强度紧装配技术,确保蓄电池紧装配压力得以实现。
  
  (5)电解液:降低了硫酸电解液的比重,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。
  
  (6)杂质的控制:对各种材料的杂质(如Sb、Fe、Ni等)进行严格的控制,特别是合金中杂质的控制,降低了电池的自放电,杜绝了负极总线腐蚀现象的发生。
  
  (7)正负活性物质的配比:针对光伏系统用储能VRLA蓄电池的充放电特点,调整了正负活性物质的配比,提高蓄电池的循环寿命。
  
  (8)安全阀:对安全阀还考虑了海拔2500m以上的高原气候的影响,特别调整了开闭阀压力,采用专用安全阀。
  
  (9)电池结构:降低了电池总高度。采用用矮型结构生产,可以大大降低由于电液分层现象导致蓄电池的使用寿命和容量受到不利影响。但由于胶体电池不易出现电解液分层现场,无此限制。
  
  (10)蓄电池各单体电池的一致性:这里提到的一致性不仅是指电池的开路电压,初期容量,还包括电池的内阻,自放电,以及充电效率等,这就要求足够的制造精度,即从铅粉、铸片、和膏、涂片、固化、化成、干燥装配、加酸、充电到最后的四项功能检测都必须控制在较小的公差范围内,所以采用机铸、机涂、组立机装配以及精确注酸是确保电池一致性的可靠保证,尽量减少人为因子。
  
  总结
  
  由于光伏发电系统用转化效率低,成本高,以及没有相应配套的鼓励发展的法律法规,使得光伏系统发展较慢。但发展新型能源是大势所趋,必将高速发展。而储能蓄电池目前主要包括镉镍蓄电池和铅酸蓄电池,其中镉镍电池正逐步被淘汰。铅酸蓄电池包括富液式和贫液式,必将在近几年在光伏发电系统都得到的应用。

注:文章来自ups应用网

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