光伏儲能系統之鉛酸蓄電池:原理和種類

2021-01-18 OFweek維科網

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一、工作原理及基本結構

鉛酸電池是用鉛和二氧化鉛作為電池負極和正極活性物質,以稀硫酸為電解質的化學儲能裝置,具有電能轉換效率高、循環壽命長、端電壓高、安全性強、性價比高、安裝維護簡單等特點,目前是各類儲能、應急供電、啟動裝置中首選的化學電源。鉛酸電池的主要構成包括:

1.極板:正負極板均是以特殊的合金板柵塗敷上活性物質所得,極板在充放電時存儲和釋放能量,確保電池的容量和性能可靠。

2.隔板:是置放於電池正負極中間的一個隔離介質,防止電池正負極直接接觸而短路的裝置,不同類型的鉛酸電池隔板材質不同,閥控類電池主要以AGM、PE、PVC 為主。

3.電解液:鉛酸電池的電解液是用蒸餾水配製的稀硫酸,電解液在充放電時起到在正負極間傳輸離子的作用,因而電解液必須要沒有雜質。

4.容器(電池殼蓋):電池包覆的容器,電解液和極板均在容器內,主要起支撐作用,同時防止內部物質外溢,外部物質進入內部結構汙染電池。

二、種類及優勢

鉛酸電池的工作原理就是通過電化學反應,電能和化學能之間相互轉化,電極主要由鉛及其氧化物製成,電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。 英語:Lead-acid battery 。

放電狀態下,正極主要成分為二氧化鉛,負極主要成分為鉛。

充電狀態下,正負極的主要成分均為硫酸鉛。

鉛酸蓄電池種類較多,應用在光伏儲能系統中,比較多的有三種,富液型鉛酸蓄電池、閥控式密封鉛酸蓄電池、鉛碳蓄電池等等。

2.1 富液型鉛酸蓄電池

鉛酸電池的電解液中的硫酸直接參與電池充放電反應過程,傳統鉛酸電池中,電池槽內除去極板、隔板及其他固體組裝部件的剩餘空間完全充滿硫酸電解液,電解液處於富餘過量狀態,故被稱為「富液式」電池,電池極板完全浸泡在硫酸電解液中。富液式蓄電池頂部有一個能夠通氣而又能夠阻擋液體濺出的蓋子,在使用過程中由於水分的蒸發和分解損失,需要定期將蓋子打開補加蒸餾水及調整電解液密度,所以習慣上被稱為「開口式」蓄電池。

富液型鉛酸蓄電池特點是價格便宜,壽命長,缺點是需要經常維護。

2.2 閥控式密封鉛酸蓄電池

閥控式密封鉛酸蓄電池,又稱免維護電池,分為AGM密封鉛蓄電池和GEL膠體密封鉛蓄電池兩種。

AGM型電池使用純的硫酸水溶液作電解液,大部分存在於玻璃纖維膜之中,同時極板內部吸有一部分電解液外。AGM式密封鉛蓄電池電解液量少,極板的厚度較厚,活性物質利用率低於開口式電池,因而電池的放電容量比開口式電池要低10%左右。

AGM密封鉛蓄電池與當今的膠體密封電池相比,其放電容量要小一些。與富液型相同規格蓄電池相比,價格較高,具有以下優點:

(1)循環充電能力比鉛鈣蓄電池高3倍,具有更長的使用壽命。

(2)在整個使用壽命周期內具有更高的電容量穩定性。

(3)低溫性能更可靠。

(4)降低事故風險,減少環境汙染風險(由於酸液100%密封裝)。

(5)維護很簡單,減少深度放電。

膠體密封鉛蓄電池(即GEL型電池),膠體鉛酸蓄電池是對液態電解質的普通鉛酸蓄電池的改進,用膠體電解液代換了硫酸電解液,在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通電池有所改善。其電解液是由矽溶膠和硫酸配成的,硫酸溶液的濃度比AGM式電池要低,電解液的量比AGM式電池要多,跟富液式電池相當。這種電解質以膠體狀態存在,充滿在隔膜中及正負極之間,硫酸電解液由凝膠包圍著,不會流出電池。

膠體密封鉛蓄電池其優點如下:

(1)漏酸機率小。GEL型膠體電池是電解質凝膠後沒有游離電液,因而漏酸的機率比AGM型電池小得多。

(2)失水少。因其灌注量比稀硫酸多,失水少,所以膠體電池不會因失水造成失效。

(3)有效延長電池壽命。膠體的灌入增加了隔板的強度,保護了極板,彌補了隔板遇酸收縮的缺陷,使裝配壓力不明顯降低是其具有延長電池壽命的原因之一。

(4)膠體鉛酸蓄電池抗過充能力強。

(5)嚴重放電情況下的恢復能力強。膠體填充了隔板與極板之間的空隙,降低了電池的內阻,充電接受能力可因此而改善。

所以膠體電池的過放電,恢復能力和低溫充放性能都比AGM型電池優越。

(6)體鉛酸蓄電池的自放電性能好,在同樣的硫酸純度和水質情況下,蓄電池的存放時間可以延長2倍以上。

(7)膠體鉛酸蓄電池在嚴重缺電的情況下,抗硫化性能很明顯。

(8)膠體鉛酸蓄電池後期放電性能好。

2.3 鉛碳電池

鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池,是從傳統的鉛酸電池演進出來的技術,它是在鉛酸電池的負極中加入了活性炭,能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。

鉛碳電池是一種新型的超級電池,並結合了鉛酸電池和超級電容器兩者的優勢:

(1)既發揮了超級電容瞬間大容量充電的優點,也發揮了鉛酸電池的比能量優勢,且擁有非常好的充放電性能。

(2)電池壽命延長。由於加了碳(石墨烯),阻止了負極硫酸鹽化現象,改善了過去電池失效的一個因素,延長了電池壽命。

(3)度電成本下降。鉛炭電池的度電成本可低至0.5元/kWh,在規模化生產的基礎上,鉛炭電池甚至有望將度電成本降至0.4元以下。

鉛炭電池是鉛酸蓄電池領域最先進的技術,也是國際新能源儲能行業的發展重點,具有非常廣闊的應用前景。廣泛應用於光伏電站儲能、風電儲能和電網調峰等儲能領域。

經過多年的精耕細作,古瑞瓦特公司儲能產品線多樣化,包含了SPF系列家用離網控制逆變一體機,SP系列戶用併網儲能控制器,HPS系列商用光伏離併網儲能機,PCS系列雙向儲能變流器。古瑞瓦特公司的儲能產品涵蓋了家用,商用,微網等多種應用。這些產品兼容各種鉛酸蓄電池和鋰電池,併集成鉛酸蓄電池充放電管理和保護功能。

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