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影響光伏發(fā)電系統(tǒng)用儲能蓄電池壽命的因素

2018-03-23   |  來源:煒業(yè)通科技
光伏儲能蓄電池,由于長期使用,正極板柵會在電解液的作用下逐步腐蝕并長大,板柵的長大使活物質(zhì)和板柵的結合性降低,從而導致電池容量逐漸喪失。這種正極板柵的腐蝕和長大主要受板柵的合金組成、電解液密度以及板柵筋條形狀等因素的影響。

 

(1)正極活性物質(zhì)軟化脫落
  
  VRLA蓄電池在循環(huán)使用條件下,電池的失效主要是由正極活性物質(zhì)(PAM)的軟化、脫落所致。
  
  鉛酸電池循環(huán)過程中,正、負極活性物質(zhì)經(jīng)歷了可逆的溶解再沉積過程,改變了多孔二氧化鉛電極的結構。尤其對二氧化鉛電極,可能會引起表觀體積的增加,改變顆粒和孔尺寸的分布,多孔二氧化鉛結構中顆粒之間的機械結合性能和導電性能降低,隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會進一步的惡化,結果使得該區(qū)域的活性物質(zhì)軟化和脫落。
  
  (2)放電電流對蓄電池壽命影響
  
  在光伏系統(tǒng)中,蓄電池的放電電流非常小。在小電流條件下形成的PbSO4比大電流條件下形成的PbSO4轉(zhuǎn)化困難得多。這是因為在小電流條件下形成的PbSO4結晶顆粒要比大電流條件下形成的PbSO4結晶顆粒粗大,粗大的PbSO4結晶顆粒減少了PbSO4的有效面積,這樣在再充時加速了極板極化,導致PbSO4轉(zhuǎn)化困難,隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會更加加劇,結果使得極板充不進電,導致蓄電池壽命終止。
  
  (3)深度放電后蓄電池容量恢復
  
  在光伏系統(tǒng)中,蓄電池的放電率要比蓄電池應用在其它場合低,通常介于C20~C240,甚至更低。小電流下深度放電意味著極板上的活性物質(zhì)將得到更充分的利用。在許多光伏系統(tǒng)中,通常不會發(fā)生深度放電,除非充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者持續(xù)長時間的壞天氣。在這種情況下,如果蓄電池得不到及時的再充電,硫化問題將更加嚴重,進一步導致容量損失。
  
  (4)酸分層對蓄電池壽命影響
  
  電解液分層現(xiàn)象是由于重力的作用在電池的充放電過程中產(chǎn)生的,即充電時正負極板表面都產(chǎn)生H2SO4,它的密度大,因重力的作用而下沉。在放電時,正負極板表面均消耗H2SO4,故表面液層密度小,低密度的電解液順著極板間上升,而極群上部高密度的電解液則從極群側面向下,電解液流動的結果造成了上部密度低、下部密度高。分層現(xiàn)象的產(chǎn)生對蓄電池的使用壽命和容量均產(chǎn)生不利影響,加速了板柵的腐蝕和正極活物質(zhì)的脫落,導致負極板硫酸鹽化。
  
  (5)電液密度對鉛蓄電池壽命的影響
  
  電解液的濃度不僅與蓄電池的容量有關,而且與正極板柵的腐蝕和負極活性物質(zhì)硫酸鹽化有關。過高的硫酸濃度加速了正極板柵的腐蝕和負極活性物質(zhì)硫酸鹽化,并導致失水加劇。
  
  (6)板柵合金的影響
  
  VRLA蓄電池,由于長期使用,正極板柵會在電解液的作用下逐步腐蝕并長大,板柵的長大使活物質(zhì)和板柵的結合性降低,從而導致電池容量逐漸喪失。這種正極板柵的腐蝕和長大主要受板柵的合金組成、電解液密度以及板柵筋條形狀等因素的影響。
  
  在蓄電池充電過程中,板柵和活性物質(zhì)的接口上形成非導電層,這些非導電層或低導電性層在板柵和PAM界面引起了高的阻抗,導致充放電時發(fā)熱和板柵附近PAM膨脹,從而限制了電池的容量(即所謂的PCL效應)。
  
  (7)極板的厚度的影響
  
  極板的厚度應屬于電池設計方面的問題,一般來說,較厚極板的循環(huán)壽命要長于較薄極板,而活性物質(zhì)利用率相比之下要差一些。但有利于循環(huán)循環(huán)壽命的延長。
  
  (8)裝配壓力的影
  
  裝配壓力對VRLA電池壽命有很大影響,AGM隔板彈性差,組裝時,極群不加壓或壓力過小,隔板和極板之間不能保持良好的接觸,電池容量大大下降。
  
  在循環(huán)過程中,活性物質(zhì)的膨脹、疏松、脫落是電池壽命提前終結的原因之一,而采用較高的裝配壓力可以防止活性物質(zhì)在深循環(huán)過程中的膨脹。若裝配壓力太低,還會導致隔板過早地與極板分離,引起電液傳輸困難,電池內(nèi)阻迅速增大,容易導致蓄電池壽命終止。因此,采用較高的裝配壓力是電池具有長循環(huán)壽命的保證。
  
  (9)溫度的影響
  
  高溫對蓄電池失水干涸、熱失控、正極板柵腐蝕和變形等都起到加速作用,低溫會引起負極失效,溫度波動會加速枝晶短路等等,這些都將影響電池壽命。在一定環(huán)境溫度范圍放電時,使用容量隨溫度升高而增加,隨溫度降低而減小。在環(huán)境溫度10~45℃范圍內(nèi),鉛蓄電池容量隨溫度升高而增加,如閥控密封鉛蓄電池在40℃下放電電量,比在25℃下放電的電量大10%左右,但是,超過一定溫度范圍,則相反,如在環(huán)境溫度45~50℃條件下放電,則電池容量明顯減小。低溫(<5℃)時,電池容量隨溫度降低而減小,電解液溫度降低時,其粘度增大,離子運動受到較大阻力,擴散能力降低;在低溫下電解液的電阻也增大,電化學的反應阻力增加,結果導致蓄電池容量下降。其次低溫還會導致負極活性物質(zhì)利用率下降,影響蓄電池容量,如電池在-10℃環(huán)境溫度環(huán)境溫度下放電時,負極板容量僅達35%額定容量。
  
  通常情況下,若在25℃條件下使用時,蓄電池的壽命為3年,那么30℃條件下使用時,就下降至2.5年;40℃時就下降至1.5年。即以25℃為基準,每升高10℃,其使用壽命縮短一半
  
  四.光伏系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池的設計實踐
  
  根據(jù)光伏系統(tǒng)用蓄電池的工作條件以及對光伏系統(tǒng)用蓄電池性能的特殊要求,結合上述影響蓄電池壽命的因素,在原VRLA蓄電池的基礎上進行了一系列的研究和技術改進,設計開發(fā)了光伏系統(tǒng)專用VRLA蓄電池。具體改進措施包含以下幾方面:
  
  (1)板柵合金:采用了適合與循環(huán)使用鉛銻或者鉛鎘板柵合金,既能防止極板在使用過程中腐蝕增長,又可***板柵和活性物質(zhì)的界面上的阻擋層,杜絕了早期容量衰減。其充電效率和深放電后的恢復性能都很理想。由于鎘為有毒元素,現(xiàn)在限制使用。但由于鉛銻合金電池,失水嚴重,現(xiàn)在一般做成開口式蓄電池需要定期補水,需要人員定期維護。
  
  (2)板柵結構:采用了特殊的板柵結構,可防止因板柵增長而導致蓄電池損壞,并增加了板柵的厚度,以延長蓄電池的使用壽命?,F(xiàn)在常用管式正極板柵設計,有限解決了因活性與板柵之間接觸不好的問題。
  
  (3)鉛膏:在正、負鉛膏中,添加能增加導電性的添加劑,如石墨、乙炔黑等,并改進和膏工藝和固化工藝,提高了蓄電池的充電接受能力、過放電后容量恢復能力和深循環(huán)壽命。
  
  (4)裝配壓力:提高了電池的裝配壓力,以提高蓄電池的循環(huán)使用壽命。采用了高強度緊裝配技術,確保蓄電池緊裝配壓力得以實現(xiàn)。
  
  (5)電解液:降低了硫酸電解液的比重,并添加了特殊的電液添加劑,可以降低對極板的腐蝕,減少電液分層的產(chǎn)生,提高了電池的充電接受能力,和過放電性能。
  
  (6)雜質(zhì)的控制:對各種材料的雜質(zhì)(如Sb、Fe、Ni等)進行嚴格的控制,特別是合金中雜質(zhì)的控制,降低了電池的自放電,杜絕了負極總線腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
  
  (7)正負活性物質(zhì)的配比:針對光伏系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池的充放電特點,調(diào)整了正負活性物質(zhì)的配比,提高蓄電池的循環(huán)壽命。
  
  (8)安全閥:對安全閥還考慮了海拔2500m以上的高原氣候的影響,特別調(diào)整了開閉閥壓力,采用專用安全閥。
  
  (9)電池結構:降低了電池總高度。采用用矮型結構生產(chǎn),可以大大降低由于電液分層現(xiàn)象導致蓄電池的使用壽命和容量受到不利影響。但由于膠體電池不易出現(xiàn)電解液分層現(xiàn)場,無此限制。
  
  (10)蓄電池各單體電池的一致性:這里提到的一致性不僅是指電池的開路電壓,初期容量,還包括電池的內(nèi)阻,自放電,以及充電效率等,這就要求足夠的制造精度,即從鉛粉、鑄片、和膏、涂片、固化、化成、干燥裝配、加酸、充電到最后的四項功能檢測都必須控制在較小的公差范圍內(nèi),所以采用機鑄、機涂、組立機裝配以及精確注酸是確保電池一致性的可靠保證,盡量減少人為因子。
  
  總結
  
  由于光伏發(fā)電系統(tǒng)用轉(zhuǎn)化效率低,成本高,以及沒有相應配套的鼓勵發(fā)展的法律法規(guī),使得光伏系統(tǒng)發(fā)展較慢。但發(fā)展新型能源是大勢所趨,必將高速發(fā)展。而儲能蓄電池目前主要包括鎘鎳蓄電池和鉛酸蓄電池,其中鎘鎳電池正逐步被淘汰。鉛酸蓄電池包括富液式和貧液式,必將在近幾年在光伏發(fā)電系統(tǒng)都得到的應用。

注:文章來自ups應用網(wǎng)

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