任務(wù)2.5 蓄電池的種類、主要技術(shù)參數(shù)及工作原理

【任務(wù)目標(biāo)】

（1）了解蓄電池的種類。

（2）了解蓄電池的技術(shù)參數(shù)。

（3）理解蓄電池的選型。

【相關(guān)知識(shí)】

太陽(yáng)輻射存在晝夜、季節(jié)性和天氣變化，因而光伏發(fā)電的輸出功率和能量隨時(shí)都在變動(dòng)，使得用戶無(wú)法獲得連續(xù)而穩(wěn)定的電能供應(yīng)。因此，在未與公共電網(wǎng)連接的光伏系統(tǒng)，即光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，需要依賴儲(chǔ)能裝置對(duì)太陽(yáng)能電池發(fā)出來(lái)的電能進(jìn)行儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)，光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)存裝置如圖2.42所示。

圖2.42 光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)存裝置

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常用的儲(chǔ)能電池及器件有鉛酸蓄電池、堿性蓄電池、鋰離子蓄電池、鎳氫蓄電池及超級(jí)電容器等，它們分別應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的不同場(chǎng)合或產(chǎn)品中。由于性能及成本的原因，目前應(yīng)用最多、使用最廣泛的還是鉛酸蓄電池。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能蓄電部件的基本要求：①自放電率低；②使用壽命長(zhǎng)；③深放電能力強(qiáng)；④充電效率高；⑤少維護(hù)或免維護(hù)；⑥工作溫度范圍寬；⑦具有較高的性能價(jià)格比。

2.5.1 光伏離網(wǎng)系統(tǒng)常用蓄電池的種類

蓄電池的種類很多。蓄電池按照電解液的類型分為兩大類，以酸性水溶液為電解質(zhì)的蓄電池稱為酸性蓄電池，由于酸蓄電池的電極主要是以鉛和鉛的氧化物為材料，故也稱為鉛酸蓄電池。另一類以堿性水溶液為電解質(zhì)的蓄電池稱為堿性蓄電池。

蓄電池按照其用途可分為循環(huán)使用電池和浮充使用電池。循環(huán)使用的電池有鐵路電池、汽車電池、太陽(yáng)能蓄電池、電動(dòng)車電池等類型。浮充使用電池主要是作為后備電源。

按照蓄電池的使用環(huán)境可分為固定型電池和移動(dòng)型電池。固定型電池主要用于后備電源，廣泛用于郵電、電站和醫(yī)院等，因其固定在一個(gè)地方，故重量不是關(guān)鍵問題，最大要求是安全可靠。移動(dòng)型電池主要有內(nèi)燃機(jī)用電池、鐵路客車用電池、摩托車用電池、電動(dòng)汽車用電池等。

考慮到蓄電池的使用條件和價(jià)格，大部分太陽(yáng)能離網(wǎng)光伏系統(tǒng)選擇鉛酸蓄電池，其中閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）、膠體鉛酸蓄電池和免維護(hù)蓄電池被廣泛應(yīng)用。由于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池采用硫酸液為電解質(zhì)，在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中對(duì)自然環(huán)境造成毀壞性的污染，這也是亟待進(jìn)行技術(shù)改造的。

2.5.2 鉛酸蓄電池的型號(hào)識(shí)別

根據(jù)JB 2599-85部頒標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，鉛酸蓄電池的名稱由單體蓄電池的格數(shù)、型號(hào)、額定容量、電池功能和形狀等組成，如圖2.43所示，通常分為三段表示：第一段為數(shù)字，表示單體電池的串聯(lián)數(shù)。每一個(gè)單體蓄電池的標(biāo)稱電壓為2V，當(dāng)單體蓄電池串聯(lián)數(shù)（格數(shù)）為1時(shí)，第一段可省略，6V、12V蓄電池分別用3和6表示。第二段為2～4個(gè)漢語(yǔ)拼音字母，表示蓄電池的類型、功能和用途等。第三段表示電池的額定容量。蓄電池常用漢語(yǔ)拼音字母的含義如表2.3所示。

圖2.43 鉛酸蓄電池的名稱組成

例如：6QA-120表示有6個(gè)單體電池串聯(lián)，標(biāo)稱電壓為12V，啟動(dòng)用蓄電池，裝有干荷電式極板，20小時(shí)率額定容量為120Ah。

GFM-800表示為1個(gè)單體電池，標(biāo)稱電壓為2V，固定式閥控密封型蓄電池，20小時(shí)率額定容量為800Ah。

6-GFMJ-120表示有6個(gè)單體電池串聯(lián)，標(biāo)稱電壓為12V，固定式閥控密封型膠體蓄電池，20小時(shí)率額定容量為120Ah。

雖然各蓄電池生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品型號(hào)有不同的解釋，但產(chǎn)品型號(hào)中的基本含義不會(huì)改變，通常都是用上述方法表示。

2.5.3 蓄電池的主要技術(shù)參數(shù)

（1）蓄電池的容量。處于完全充電狀態(tài)下的鉛酸蓄電池在一定的放電條件下，放電到規(guī)定的終止電壓時(shí)所能給出的電量稱為電池容量，以符號(hào)C表示，常用單位是安時(shí)（Ah）。通常在C的下角處標(biāo)明放電時(shí)率，如C10表明是10小時(shí)率的放電容量，C60表明是60小時(shí)率的放電容量。

電池容量分為實(shí)際容量和額定容量。實(shí)際容量是指電池在一定放電條件下所能輸出的電量。額定容量（標(biāo)稱容量）是按照國(guó)家或有關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，在電池設(shè)計(jì)時(shí)要求電池在一定的放電條件下（如在25℃環(huán)境下，以10小時(shí)率電流放電到終止電壓），應(yīng)該放出的最低限度的電量值。

（2）放電率。根據(jù)蓄電池放電電流的大小，放電率分為時(shí)間率和電流率。時(shí)間率是指在一定放電條件下，蓄電池放電到終了電壓時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)短。常用時(shí)率和倍率表示。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，放電的時(shí)間率有20小時(shí)率、10小時(shí)率、5小時(shí)率、3小時(shí)率、1小時(shí)率、0.5小時(shí)率，分別標(biāo)示為20h、10h、5h、3h、1h、0.5h等。電池的放電倍率越高，放電電流越大，放電時(shí)間就越短，放出的相應(yīng)容量越少。

（3）終止電壓。終止電壓是指在蓄電池放電過程中，電壓下降到不宜再放電時(shí)（非損傷放電）的最低工作電壓。為了防止電池不被過放電而損害極板，在各種標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了在不同放電倍率和溫度下放電時(shí)電池的終止電壓。一般10小時(shí)率和3小時(shí)率放電的終止電壓為每單體1.8V，1小時(shí)率的終止電壓為每單體1.75V。由于鉛酸蓄電池本身的特性，即使放電的終止電壓繼續(xù)降低，電池也不會(huì)放出太多的容量，但終止電壓過低對(duì)電池的損傷極大，尤其當(dāng)放電達(dá)到0V而又不能及時(shí)充電時(shí)將大大縮短蓄電池的壽命。對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)用的蓄電池，針對(duì)不同型號(hào)和用途，放電終止電壓設(shè)計(jì)也不一樣。終止電壓視放電速率和需要而規(guī)定。通常，小于10h的小電流放電，終止電壓取值稍高一些；大于10h的大電流放電，終止電壓取值稍低一些。

（4）電池電動(dòng)勢(shì)。蓄電池的電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于蓄電池達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的開路電壓。電池的開路電壓是無(wú)電流狀態(tài)時(shí)的電池電壓。當(dāng)有電流通過電池時(shí)所測(cè)量的電池端電壓的大小將是變化的，其電壓值既與電池的電流有關(guān)，又與電池的內(nèi)阻有關(guān)。

（5）浮充壽命。蓄電池的浮充壽命是指蓄電池在規(guī)定的浮充電壓和環(huán)境溫度下，蓄電池壽命終止時(shí)浮充運(yùn)行的總時(shí)間。

（6）循環(huán)壽命。蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一個(gè)循環(huán)（一個(gè)周期）。在一定的放電條件下，電池使用至某一容量規(guī)定值之前，電池所能承受的循環(huán)次數(shù)，稱為循環(huán)壽命。影響蓄電池循環(huán)壽命的因素是綜合因素，不僅與產(chǎn)品的性能和質(zhì)量有關(guān)，而且還與放電倍率和深度、使用環(huán)境和溫度及使用維護(hù)狀況等外在因素有關(guān)。

（7）過充電壽命。過充電壽命是指采用一定的充電電流對(duì)蓄電池進(jìn)行連續(xù)過充電，一直到蓄電池壽命終止時(shí)所能承受的過充電時(shí)間。其壽命終止條件一般設(shè)定在容量低于10小時(shí)率額定容量的80%。

（8）自放電率。蓄電池在開路狀態(tài)下的儲(chǔ)存期內(nèi)，由于自放電而引起活性物質(zhì)損耗，每天或每月容量降低的百分?jǐn)?shù)稱為自放電率。自放電率指標(biāo)可衡量蓄電池的儲(chǔ)存性能。

（9）電池內(nèi)阻。電池的內(nèi)阻不是常數(shù)，而是一個(gè)變化的量，它在充放電的過程中隨著時(shí)間不斷的變化，這是因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的組成、電解液的濃度和溫度都在不斷變化。鉛酸蓄電池的內(nèi)阻很小，在小電流放電時(shí)可以忽略，但在大電流放電時(shí)，將會(huì)有數(shù)百毫伏的電壓降損失，必須引起重視。

蓄電池的內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻兩部分。歐姆內(nèi)阻主要由電極材料、隔膜、電解液、接線柱等構(gòu)成，也與電池尺寸、結(jié)構(gòu)及裝配因素有關(guān)。極化內(nèi)阻是由電化學(xué)極化和濃差極化引起的，是電池放電或充電過程中兩電極進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)極化產(chǎn)生的內(nèi)阻。極化電阻除與電池制造工藝、電極結(jié)構(gòu)及活性物質(zhì)的活性有關(guān)外，還與電池工作電流大小和溫度等因素有關(guān)。電池內(nèi)阻嚴(yán)重影響電池工作電壓、工作電流和輸出能量，因而內(nèi)阻越小的電池性能越好。

（10）比能量。比能量是指電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出的電能，單位分別是Wh/kg或Wh/L。比能量有理論比能量和實(shí)際比能量之分，前者指1kg電池反應(yīng)物質(zhì)完全放電時(shí)理論上所能輸出的能量，實(shí)際比能量為1kg電池反應(yīng)物質(zhì)所能輸出的實(shí)際能量，由于各種因素的影響，電池的實(shí)際比能量遠(yuǎn)小于理論比能量。比能量是綜合性指標(biāo)，它反映了蓄電池的質(zhì)量水平，也表明生產(chǎn)廠家的技術(shù)和管理水平，常用比能量來(lái)比較不同廠家生產(chǎn)的蓄電池，該參數(shù)對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。

2.5.4 蓄電池的選型

能夠滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池種類很多，國(guó)內(nèi)目前主要使用的蓄電池為免維護(hù)鉛酸蓄電池，其固有的“免維護(hù)”特性及對(duì)環(huán)境污染較小的特點(diǎn)，很適合于性能可靠的光伏發(fā)電系統(tǒng)，特別是無(wú)人值守的工作站。普通鉛酸蓄電池由于需要較強(qiáng)的維護(hù)能力及對(duì)環(huán)境污染較大，因此主要用于有維護(hù)能力的場(chǎng)合或低檔場(chǎng)合使用。堿性鎳鎘蓄電池雖然有較好的過充、過放電性能，但其價(jià)格較高，僅用于較為特殊的場(chǎng)合。

目前離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)大多采用閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池。

【任務(wù)實(shí)施】

根據(jù)實(shí)驗(yàn)用的蓄電池的型號(hào)，說(shuō)明型號(hào)的意義。