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西甲押注网站第4章太阳能储能电池及器件

作者: admin 来源: 未知 发布时间:2020-10-06 21:26

  第4章太阳能储能电池及器件_工学_高等教育_教育专区。第4章太阳能光伏发电储能电 池及器件 储能电池及器件是太阳能光伏发电系统不 可缺少的存储电能的部件。 ? 其主要功能是存储光伏发电系统的电能, 并在日照量不足、夜间以及应急状态时为 负载供电。 ?

  第4章太阳能光伏发电储能电 池及器件 储能电池及器件是太阳能光伏发电系统不 可缺少的存储电能的部件。 ? 其主要功能是存储光伏发电系统的电能, 并在日照量不足、夜间以及应急状态时为 负载供电。 ? 本章主要介绍太阳能光伏发电系统中常用 的几种储能电池及器件,重点介绍在太阳 能光伏发电系统中大量使用的阀控型免维 护铅酸蓄电池 ? 在太阳能光伏发电系统中,常用的储能电池及 器件有铅酸蓄电池、碱性蓄电池、锂离子蓄电 池、镍氢蓄电池及超级电容器等,它们分别应 用于太阳能光伏发电的不同场合或产品中。西甲投注官网 ? 由于性能及成本的原因,目前应用最多、使用 最广泛的还是铅酸蓄电池。 ? 太阳能光伏发电系统对储能蓄电部件的基本要 求是:①自放电率低;②使用寿命长;③深放 电能力强;④充电效率高;⑤少维护或免维护; ⑥工作温度范围宽;⑦价格低廉。 ? 4.1 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池的储能方式是将电能转换为化 学能,需要时再将化学能转换为电能。 ? 由于组成蓄电池正极的材料是氧化铅,负 极是铅,而电解液主要是稀硫酸,所以被 称为铅酸蓄电池。 ? 4.1.1 铅酸蓄电池的分类、结构与原理 1.铅酸蓄电池的分类 ? 铅酸蓄电池按产品的结构形式,可分为 开口式、阀控密封免维护式和阀控密封胶 体式等几种; ? 按使用坏境及场合可分为移动式和固定式。 在太阳能光伏发电系统中应用最多的是固 定式阀控密封免维护铅酸蓄电池。 ? 表4-1光伏发电系统常用铅酸蓄电池技术 特性 2.铅酸蓄电池的基本结构 ? 铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、电解质、隔板、电 池槽、电池盖、跨桥、安全阀、接线端子等组成。 ? 电池可组装成2V、6V、12V等形式,电池每2V为一个 单位。 (1)正极板。正极板是指铅酸蓄电池的阳极板,是 发生氧化反应的电极。它是以结晶紧密、疏松 多孔的二氧化铅作为存储电能的活性物质,正 常颜色为红褐色。铅酸蓄电池的每个单元也分 为正极和负极,阳极是放电时的负极,充电时 的正极。 (2)负极板。负极板是铅酸蓄电池的阴极,是发生 还原反应的电极。它是以海绵状的金属铅作为 存储电能的物质,正常颜色为深灰色。负极板 是放电时的正极,充电时的负极。 (3)电解质。铅酸蓄电池的电解液是稀硫酸溶液;胶体蓄电 池的电解质是一定浓度的硫酸和硅凝胶的胶体电解质。 电解质在铅酸蓄电池中的作用是:参加电化学反应, 传导溶液的正负离子,扩散极板在反应时产生的温度。 电解质是影响电池容量和使用寿命的主要因素。 (4)隔板。隔板分为玻璃纤维隔板、微孔橡胶隔板、塑料隔 板等。隔板的作用是吸收电解液,并将正负极板隔开而 互不短路。隔板可以防止极板的弯曲和变形,防止活性 物质的脱落,降低电池的内阻。 因此隔板材料要有足够的机械强度和多孔性;还要 有良好的绝缘性能和耐酸性、亲水性。 (5)电池槽、盖。电池槽、盖就是蓄电泡的外壳。 它为整体结构,壳内由隔壁分成3个或6个互不 相通的单格,格子底部有突起的筋条,用来搁 置极板组。筋条间的空隙用来堆放从极板上脱 落下来的活性物质,以防止极板短路。外壳材 料要保证电池密封,有优良的耐腐蚀、耐热和 耐机械力性能。一般选用硬橡胶或ABS工程塑 料。 (6)跨桥。跨桥的作用是并联电池单体的所有正负 极板,以确保电池的容量并传导电流。跨桥的 材料是耐腐蚀铅合金。 (7)安全阀。安全阀的作用是维持电池正常 的内部压力,防止外界空气和杂质的进入。 安全阀一般用三元乙丙橡胶制作。 (8)接线端子。接线端子的作用是实现电池 与外界的连接,传导电流。接线端子的材 质一般是铜材镀银。 3.铅酸蓄电池的工作原理 ? 铅酸蓄电池的工作过程就是通过电化学反应将电能转化 为化学能,再将化学能转化为电能的过程,其电化学反 应过程如下: ? 铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复 杂,目前公认的是“双硫酸化理论”。该理论的含义为 铅酸电池在放电后,两电极的活性物质和硫酸发生作用, 均转变为硫酸化合物——硫酸铅:充电时又恢复为原来 的铅和二氧化铅。 4.1.2铅酸蓄电池的基本概念与技术术语 1.铅酸蓄电池的基本概念 (1)蓄电池充电。蓄电池充电是指通过外电路给蓄 电池供电,使电池内发生化学反应,从而把电 能转化成化学能而存储起来的操作过程。 (2)过充电。过充电的意思是指对已经充满电的蓄 电池或蓄电池组继续充电。 (3)放电。放电是指在规定的条件下,蓄电池向外 电路输出电能的过程。 (4)自放电。蓄电池的能量未通过外电路放电而自 行减少,这种能量损失的现象叫自放电。 (5)活性物质。在蓄电池放电时发生化学反应从而 产生电能的物质,或者说是正极和负极存储电 能的物质统称为活性物质。 (6)放电深度。 ? 放电深度是指蓄电池在某一放电速率下,电池 放电到终止电压时实际放出的有效容量与电池 在该放电速率的额定容量的百分比。 ? 放电深度和电池循环使用次数关系很大,放电 深度越大,循环使用次数越少;放电深度越小, 循环使用次数越多。 ? 经常使电池深度放电,会缩短电池的使用寿命。 (7)极板硫化。在使用铅酸蓄电池时要特别注意的是:电池 放电后要及时充电,如果蓄电池长时期处于亏电状态, 极板就会形成PbS04晶体,这种大块晶体很难溶解,无 法恢复原来的状态,将会导致极板硫化无法充电。 (8)相对密度。 ? 相对密度是指电解液与水的密度的比值。 ? 相对密度与温度变化有关,25℃时,充满电的电池电解 液相对密度值为1.265 g/cm3,完全放电后降至 1.120g/cm3。 ? 每个电池的电解液密度都不相同,同一个电池在不同的 季节,电解液密度也不一样。 ? 大部分铅酸蓄电池的密度在1.1~1.3 g/cm3范围内,充 满电之后一般为1.23~l.3g/cm3。 2.铅酸蓄电池常用技术术语 (1)蓄电池的容量。处于完全充电状态下的铅酸蓄电池在一 定的放电条件下,放电到规定的终止电压时所能给出的 电量称为电池容量,以符号C表示。常用单位是安时 (Ah)。 ? 通常在C的下角处标明放电时率,如Cl0表明是10小时率 的放电容量,C60表明是60小时率的放电容量。 ? 电池容量分为实际容量和额定容量。实际容量是指电池 在一定放电条件下所能输出的电量。额定容量(标称容 量)是按照国家或有关部门颁布的标准,在电池设计时 要求电池在一定的放电条件下(如在25℃环境下以10 小时率电流放电到终止电压),应该放出的最低限度的 电量值。 (2)放电率。根据蓄电池放电电流的大小,放电率 分为时间率和电流率。(每小时放电电量?) ? 时间率是指在一定放电条件下,蓄电池放电到 终了电压时的时间长短。常用时率和倍率表示。 根据IEC标准,放电的时间率有20小时率,10 小时率,5小时率,3小时率,1小时率,0.5小 时率,分别标示为20h、10h、5h、3h、1h、 0.5h等。 ? 电池的放电倍率越高,放电电流越大,放电时 间就越短,放出的相应容量越少。 (3)终止电压。 ? 终止电压是指在蓄电池放电过程中,电压下降到不宜再放电时 (非损伤放电)的最低工作电压。 ? 为了防止电池不被过放电而损害极板,在各种标准中都规定了在 不同放电倍率和温度下放电时电池的终止电压。一般10小时率和3 小时率放电的终止电压为每单体1.8V,1小时率的终止电压为每单 体1.75V。 ? 由于铅酸蓄电池本身的特性,即使放电的终止电压继续降低,电 池也不会放出太多的容量,但终止电压过低对电池的损伤极大, 尤其当放电达到0V而又不能及时充电时将大大缩短蓄电池的寿命。 ? 对于太阳能光伏发电系统用的蓄电池,针对不同型号和用途,放 电终止电压设计也不一样。 ? 终止电压视放电速率和需要而规定。通常,小于10h的小电流放电, 终止电压取值稍高一些;大于10h的大电流放电,终止电压取值稍 低一些。 (4)电池电动势。 ? 蓄电池的电动势在数值上等于蓄电池达到稳定 时的开路电压。 ? 电池的开路电压是无电流状态时的电池电压。 ? 当有电流通过电池时所测量的电池端电压的大 小将是变化的,其电压值既与电池的电流有关, 又与电池的内阻有关。 (5)浮充寿命。蓄电池的浮充寿命是指蓄电池在规 定的浮充电压和环境温度下,蓄电池寿命终止 时浮充运行的总时间。 (6)循环寿命。蓄电池经历一次充电和放电,称为一个循环 (一个周期)。 ? 在一定的放电条件下,电池使用至某一容量规定值之前, 电池所能承受的循环次数,称为循环寿命。 ? 影响蓄电池循环寿命的因素是综合因素,不仅与产品的 性能和质量有关,而且还与放电倍率和深度、使用环境 和温度及使用维护状况等外在因素有关。 (7)过充电寿命。过充电寿命是指采用一定的充电电流对蓄 电池进行连续过充电,一直到蓄电池寿命终止时所能承 受的过充电时间。 ? 其寿命终止条件一般设定在容量低于10小时率额定容量 的80%。 (8)自放电率。蓄电池在开路状态下的储存 期内,由于自放电而引起活性物质损耗, 每天或每月容量降低的百分数称为自放电 率。自放电率指标可衡量蓄电池的储存性 能。 (9)电池内阻。 ? 电池的内阻不是常数,而是一个变化的量,它 在充放电的过程中随着时间不断的变化,这是 因为活性物质的组成、电解液的浓度和温度都 在不断变化。 ? 铅酸蓄电池的内阻很小,在小电流放电时可以 忽略,但在大电流放电时,将会有数百毫伏的 电压降损失,必须引起重视。 ? 电池内阻严重影响电池工作电压、工作电流和 输出能量,因而内阻越小的电池性能越好。 (10)比能量。比能量是指电池单位质量或单位体 积所能输出的电能,单位分别是Wh/kg或Wh/L。 ? 比能量有理论比能量和实际比能量之分,前者 指1kg电池反应物质完全放电时理论上所能输 出的能量,实际比能量为1kg电池反应物质所 能输出的实际能量,由于各种因素的影响,电 池的实际比能量远小于理论比能量。 ? 比能量是综合性指标.它反映了蓄电池的质量 水平,也表明生产厂家的技术和管理水平,常 用比能量来比较不同厂家生产的蓄电池,该参 数对于太阳能光伏发电系统的设计非常重要。 4.1.3铅酸蓄电池的型号识别 ? 根据JB2599-85部颁标准的有关规定,铅酸蓄电池的名 称由单体蓄电池的格数、型号、额定容量、电池功能和 形状等组成。通常分为三段表示 ? ? 第一段为数字,表示单体电池的串联数。每一个单体蓄 电池的标称电压为2V,当单体蓄电池串联数(格数) 为1时,第一段可省略,6V、12V蓄电池分别用3和6表 示。第二段为2~4个汉语拼音字母,表示蓄电池的类型、 功能和用途等。第三段表示电池的额定容量。 蓄电池常用汉语拼音字母的含义如表4-1所示。 GFM-800表示为1个单体电池,标称电压 为2V,固定式阀控密封型蓄电池,20小 时率额定容量为800Ah。 ? 6-GFMJ-120表示有6个单体电池串联, 标称电压为12V,固定式阀控密封型胶体 蓄电池,20小时率额定容量为120Ah。 ? 虽然各蓄电池生产厂家的产品型号有不同 的解释,但产品型号中的基本含义不会改 变,通常都是用上述方法表示。 ? 4.1.4胶体型铅酸蓄电池 1.胶体型铅酸蓄电池工作原理 ? 胶体型铅酸蓄电池是对液体电解质铅酸蓄电池的改进, 实际上是将铅酸蓄电池中的硫酸电解液换成胶体电解液, 其工作原理仍与铅酸蓄电池相似。 ? 胶体电解液是用Si02凝胶和一定浓度的硫酸,按照适当 的比例混合在一起,形成一个多孔、多通道的高分子聚 合物。 ? 胶体电解液进入蓄电池内部或充电若干小时后,会逐渐 发生胶凝,使液态电解质转变为胶状物,胶体中添加有 多种表面活性剂,有助于灌装蓄电池前抗胶凝,而且还 有助于防止极板硫酸盐化,减小对隔板的腐蚀,提高极 板活性物质的反应利用率。 ? 通常胶体铅酸蓄电池采用富液设计,比普通铅酸蓄电池 多加了20%的酸液。 2.胶体型铅酸蓄电池的特点 (1)结构密封,电解液凝胶,无渗漏;充放电无酸雾、无污 染,安全、对环境友好。 (2)自放电极小,平均自放电在25℃的条件下,每三个月 不高于1.3%。出厂充足电的蓄电池,在正常温度下, 连续存放12个月不需充电可投入使用。 (3)使用寿命长。由于凝胶电解液有效地防止了电解液的分 层,使极板活化反应均匀,延长了极板的活化反应循环 次数,提高了电池的使用寿命,其正常使用寿命可达 10~15年。 (4)深度放电循环性能优良,放电至0V能正常恢复。 (5)优良的抗高低温性能,适用环境范围广,可在-45~ 70℃的高低温环境下使用。 (6)容量高,充电接受能力强;浮充电流小,电池发热量少; 可在任意位置放置。 3.胶体蓄电池与铅酸蓄电池性能比较 4.1.5铅酸蓄电池的使用要点 1.蓄电池的储运 (1)蓄电池应储存在低温、干燥、通风、清洁的环境中,存 储温度20℃±5℃,要避免热源、火源、阳光直射和雨 淋。 (2)蓄电池需充足电存放,并且在常温下每3~6个月进行 一次补充电。 (3)蓄电池放电后应立即充电,不可将放电后的蓄电池长期 搁置。长期不用的蓄电池搁置一段时间后要进行补充充 电,直至容量恢复到存储前的水平。补充充电间隔为3 个月,最多6个月。 (4)当容量仅为或低于额定容量的40%时(在25℃时开路 电压低于6.3V或12.63V),应用均衡充电以使容量恢 复。 (5)蓄电池运输和搬运时,要小心轻放,避免电池破损。搬 运时不得触动端子极柱和排气阀,严禁投掷和翻滚,避 免机械冲击和重压。 2.蓄电池的安装使用 (1)蓄电池在安装前应检查外观有无破裂、漏酸。 检查接线端子极柱是否有弯曲和损坏,弯曲和 损坏的端子极柱会造成安装困难或无法安装, 并有可能使端子密封失效,产生爬酸、渗酸现 象,严重时还会产生高的接触电阻,甚至有熔 断的危险。 (2)用铜刷轻轻处理电池端子,使端子的接线部位 露出金属光泽,并用软布擦拭电池表面的铅屑 和灰尘 (3)在电池连接过程中,请戴好防护手套,使用扳 手等金属工具时,请将金属工具进行绝缘包装, 以防触电;绝对避免将金属工具同时接触到电 池的正、负极端子,造成电池短路。 (4)蓄电池在多只并联使用时,按电池标识正、负 极性依次排列,且连接点要拧紧,以防产生火 花和接触不良。 (5)电池柜或架要放在预先确定的位置,注意保持 电池柜与电池柜、墙壁及其他设备之间,要留 有50~70cm的维修距离,并注意地板的承重能 力是否能满足要求。 (6)电池间的安装距离通常为10~15mm,以便对 流冷却。 (7)蓄电池应远离热源和容易产生火花的地方(如 变压器、电源开关或保险丝等),安全距离在 0.5m以上,不能在电池系统附近吸烟或使用明 火。 (8)将蓄电池(组)和外部设备连接之前,要使设 备处于关断状态,并再次检查蓄电池的连接极 性是否正确,然后再将蓄电池(组)的正极连 接设备的正极端,蓄电池(组)的负极连接设 备的负极端,并紧固好连接线)蓄电池或电池组若需要并联使用,一般不能超 过4只(组)并联 (10)不要单独增加电池组中某几个单体电池的负 荷,这将造成单体电池间容量的不平衡。 (11)蓄电池间连接电缆应尽可能短,不能仅考虑 容量输出来选择电缆的大小规格,电缆的选择 还应考虑不能产生过大的电压降。 (12)特别提示:不同容量、不同厂家或不同新旧 程度的蓄电池严禁连接在一起使用。 (13)不准拆开或重新装配蓄电池,也不能拆卸电 池排气阀或向电池中加入任何物质。 (14)如遇火灾不能用二氧化碳灭火器,可用干粉 灭火器和1211灭火器。 3.蓄电池的检查及维护 蓄电池的维护工作必不可少,无论是人工 操作维护,还是自动监控管理,都是为了 及时检测出个别电池的异常故障或影响电 池充放电性能的设备系统故障,积极采取 纠正措施,确保电源系统稳定可靠地运行。 ? 蓄电池的检查维护分为日常维护、季度维 护和年度维护。 ? (1)日常维护: ①保证电池表面清洁干燥: ②经常注意电池系统的环境温度及电池 外观的变化; ③经常检查蓄电池在线浮充电压和电池 组浮充总电压(终端总电压),并与面板 显示对照,必要时加以校正; ④保证电池柜或电池室的清洁,通风和 照明良好。 (2)季度维护: ①目测检查电池外表面的清洁度,外壳 和盖的完好情况,电池外观有无鼓包变形 等变化,电池有无过热痕迹: ②每季度在电池系统的同一检测点,检 测并记录蓄电池系统的环境温度和可代表 系统的平均温度,当温度低于15℃或高于 25℃时,应调节温度控制系统,如没有安 装温控系统,应对浮充电压进行调整; ⑧在电池端测量并记录浮充总电压,与面板电表 显示值对照,如有差异及时查找原因加以纠正 ④测量并记录系统中每只电池的浮充电压,正常 情况下应该在一定范围内波动,如发现异常, 找出原因加以纠正 ⑤做“恢复性”放电试验,用假负载或实际负载 放电,即切断供电电源,用蓄电池供电。发现 个别电池容量偏低后,将电池均衡充电,经均 衡充电后仍不能恢复容量的,要将容量过低的 电池换掉。 (3)年度维护: ①重复季度所有维护内容; ②检查所有电池间的连接点并确保连接 紧固可靠; ⑧随意抽取几只电池进行内阻测试,由 于电池的内阻与其容量无线性关系,因此 电池的内阻不能用来直接表示电池的准确 容量,但电池内阻可作为电池“健康”状 态好坏的指示信号。 4.影响蓄电池寿命的几个因素 (1)深度放电 放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大,蓄 电池如果经常深度放电,循环寿命将缩短。 ? 因为同一额定容量的蓄电池深度放电就意味着 经常采用大电流充电和放电,在大电流放电时 或经常处于欠充状态又不能及时进行再充电, 产生的硫酸盐颗粒大,极板活性物质不能被充 分利用,长此下去蓄电池的实际容量将逐渐减 小,影响蓄电池的正常工作; ? 由于太阳能光伏发电系统一般不太容易产生过 充电的情况,所以,长期处于亏电状态是太阳 能光伏系统中蓄电池失效和寿命缩短的主要原 因。 (2)放电速率 ? ? ? 一般规定20小时放电率的容量为蓄电池的额定容量。若 使用低于规定小时的放电率,则可得到高于额定值的电 池容量:若使用高于规定小时的放电率,所放出的容量 要比蓄电池的额定容量小,同时放电速率也影响蓄电池 的端电压值。 蓄电池在放电时,电化学反应电流优先分布在离主体溶 液最近的表面上,导致在电极表面形成硫酸铅而堵住多 孔电极内部。在大电流放电时,上述问题更加突出,所 以放电电流变大,蓄电池给出的容量也就越小,端电压 值下降速度加快,即放电终了电压值随着放电电流的增 大而降低。 但另一方面,也并非放电速率越低越好,有研究表明, 长期太小的放电速率会因硫酸铅分子生成量显著地增加, 产生应力造成极板弯曲和活性物质脱落,也会降低蓄电 池的使用寿命。 (3)外界温度过高 ? ? ? ? 蓄电池的额定容量是指蓄电池在25℃时的数值,一般认 为阀控密封式铅酸蓄电池的工作温度在20~30℃范围内 工作较为理想。 当电池温度过低时,表现为蓄电池的容量减小,因为在 低温条件下电解液不能很好地与极板的活性物质充分反 应。容量减少将不能够满足预期的后备使用时间和保持 在规定的放电深度内,很容易造成蓄电池的过放电。 从蓄电池的外部参数来看,电压与温度有很大关系,温 度每升高1℃,单格电池的电压将下降3mV。也就是说, 铅酸蓄电池的电压具有负温度系数,其值-3mV/℃。 由此可知,在环境温度为25℃时,一只工作理想的充电 控制器可以使蓄电池充足电,但当环境温度降到0℃时, 使用同一个控制器给蓄电池充电,结果蓄电池就不能充 足电。 ? ? ? 同样的道理,当环境温度升高时,将容易造成蓄电池过 充电,电解液升温,会加快正极板的腐蚀速度,蓄电池 的工作温度升高严重时,会产生沸腾,上下翻滚的电解 液冲刷着极板,使其铅粉脱落,时间久了,脱落的铅粉 越积越高,等高到碰铅板时,可产生极板短路,从而使 蓄电池报废。 高温还会带来蓄电池失水、热失控现象。 所以,温度是影响蓄电池正常工作的一个主要因素。在 太阳能光伏系统中,要求控制器具有相应的温度自动补 偿功能。在使用时,也应尽可能保持放置蓄电池组的场 所环境温度不要过高和过低。 (4)局部放电 铅酸蓄电池无论在放电时还是在静止状态下, 其内部都有自放电现象,称为局部放电。 ? 产生局部放电的原因主要是由于电池内部有杂 质存在。尽管电解液是由纯净浓硫酸和纯水配 制而成,但还是含有少量的杂质,而且随着蓄 电池使用时间的增长,电解液中的杂质缓慢增 加。这些杂质在极板上构成无数微形电池产生 局部放电,因此无谓地消耗着蓄电池的电能。 ? 局部放电还与蓄电池的使用温度有关,温度越 高,局部放电越严重,从这个意义上来讲,也 要尽量避免蓄电池在过高温度下运行。 ? (5)高温储存 ? 充好电的电池在高温环境下长期搁置也是 影响蓄电池寿命的重要因素。 综上所述,蓄电池在光伏发电系统中起着非常 重要的作用。但是目前无论是从理论上还是在 实际使用中,蓄电池寿命短的问题都是光伏发 电系统中的薄弱环节, ? 由于光伏发电系统的特殊性,作为储能单元的 蓄电池必须具有良好的循环放电和深度放电性 能。 ? 在系统配置对蓄电池容量的设计上,要有重点 地综合考虑使用地辐射条件、适合的备用时间、 选用蓄电池的允许放电深度、充放电效率、温 度补偿系数等多种因素。 ? 4.1.6 铅酸蓄电池的外观及质量检验 4.2 其他储能电池及器件 在太阳能光伏发电系统中,常用的储 能电池及器件除了铅酸蓄电池以外,还有 碱性蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池 及超级电容器等 4.2.1 碱性蓄电池 常见的碱性蓄电池有铁镍、镉镍、氢镍、 氢化物镍和锌银电池等, ? 结构与铅酸蓄电池相同,有极板、隔离物、 容器和电解液、 ? 例如镉镍碱性蓄电池:正极板为氢氧化镍, 负极板为镉,电解液为氢氧化钾水溶液加 适量的氢氧化锂,同时具有隔膜。 ? 其工作原理与铅酸蓄电池的工作原理相同, 只是其电解液和化学反应不同。 ? 碱性蓄电池优缺点 碱性蓄电池(指镉镍蓄电池)与铅酸蓄电池相 比,主要优点是对过充电和过放电的耐受能力 强,反复深放电对蓄电池寿命无大的影响,在 高负荷和高温条件下仍具较高的效率,循环寿 命长 ? 但其也有一定的缺点,如内阻大,由于电动势 小,输出电压较低,价格高(约为铅蓄电池的 4~5倍)。 ? 由以上优点可以看出,虽然碱性蓄电池有许多 优点,但从总的性能价格比分析,铅酸蓄电池 在光伏发电系统中仍占有相当的优势。 ? 4.2.2锂离子蓄电池 锂电池分为一次锂电池和二次锂电池。 ? 一次锂电池是以锂金属为阳极,MnO2等 材料为阴极; ? 二次锂电池(又称为锂离子电池)是以锂 离子和炭材料为阳极,MnO2等为阴极. ? 锂离子电池可作为光伏发电系统中的储能 电池。 ? 1.锂离子电池的结构原理 ? ? ? 锂离子电池作为一种化学电源, 正极材料通常由锂的活性化合物 组成,负极则是特殊分子结构的 石墨,常见的正极材料主要成分 为LiCoO2。 充电时,加在电池两极的电势迫 使正极的化合物释放出锂离子, 穿过隔膜进入负极分子排列呈片 层结构的石墨中。 放电时,锂离子则从片层结构的 石墨中脱离出来,穿过隔膜重新 和正极的化合物结合,随着充放 电的进行,锂离子不断地在正极 和负极中分离与结合。锂离子的 移动产生了电流。 锂离子电池的优缺点 优点:锂离子电池具有高容量、质量轻、 无记忆等。 ? 主要缺点是价格昂贵。 ? 2.锂离子电池的性能特点 (1)工作电压高。锂离子电池单体电压高达3.7V, 是镍镉电池、镍氢电池的3倍,铅酸电池的近2 倍,这也是锂电池比能量大的一个原因。 组成相同容量(相同电压)的电池组时,锂 电池使用的串联数目会大大少于铅酸、镍氢电 池,使得电池能侈保持很好的一致性,寿命更 长。 例如36V的锂电池只需要10个电池单体,而 36V的铅酸电池需要18个电池单体,即3个12V 的电池组,每只12V的铅酸电池内由6个2V单格 组成。 锂离子电池的性能特点 (2)比能量大。锂离子电池的比能量为190Wh/kg,是镍氢 电池的2倍,铅酸蓄电池的4倍,因此重量是相同能量的 铅酸蓄电池的四分之一。 (3)体积小。锂离子电池的体积比高达500Wh/L,体积是 铅酸蓄电池的三分之一。 (4)锂离子电池的循环寿命长,循环次数可达2000次。 (5)自放电率低,每月小于8%。 (6)工作温度范围宽。锂离子电池可在-20~60℃之间工作, 尤其适合低温使用。 (7)无记忆效应。锂离子电池因为没有记忆效应,所以不用 像镍镉电池一样需要在充电前放电,它可以随时随地地 进行充电。 (8)保护功能完善。锂离子电池组的保护电路能够对单体电 池进行高精度的监测,低功耗智能管理,具有完善的过 充电、过放电、温度、过流、短路保护以及可靠的均衡 充电功能。 4.2.3镍氢电池 镍氢电池主要由氢氧化镍正极、储氢合金负极、 隔膜纸、电解液、钢壳、顶盖、密封圈等组成。 ? 在圆柱形电池中,正、负极由隔膜纸分开后卷 绕在一起,然后密封在钢壳中。 ? 在方形电池中,正、负极由隔膜纸分开后叠成 层状密封在钢壳中。 ? 镍氢电池的优缺点 镍氢电池具有功率大、重量轻、寿命长等优点, 其能量密度比镍镉电池大两倍,工作电压与镍 镉电池相同。镍氢电池具有良好的过充电和过 放电性能,且基本消除了“记忆效应”。 ? 镍氢电池的缺点是随着容量的增加,自放电效 应也在不断加剧。在放置两个月后许多镍氢电 池的电量和减少到原有容量的50%以下。 ? 过高的环境温度也会加速它的自放电。 镍氢蓄电池一般在小型光伏发电系统或产品 中使用。 ? 镍氢电池的使用与保养 4.2.4超级电容器 1.超级电容器简介 超级电容器又叫双电层电容 器、电化学电容器、黄金电 容器、法拉电容器等 ? 它的性能介于普通电容器和 蓄电池之间,通过极化电解 质来储能。 ? 它是一种电化学元件,但在 其储能的过程并不发生化学 反应,这种储能过程是可逆 的,也正因为此超级电容器 可以反复充放电数十万次。 ? 超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个 无反应活性的多孔电极板,在极板上加电,正 极板吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离 子,实际上形成两个容性存储层,被分离开的 正离子在负极板附近,负离子在正极板附近 ? 超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的 一种新型储能装置,它具有功率密度大、容量 大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点。 ? 2.超级电容器的工作原理 超级电容器所用电极材料包括活性碳、金属氧化 物、导电高分子等,电解质分为水溶性和非水溶 性两类,前者导电性能好,后者可利用电压范围 大。 ? 当外加电压加到超级电容器的两个极板上时,与 普通电容器一样,极板的正电极存储正电荷,负 极板存储负电荷,在超级电容器的两极板上电荷 产生的电场作用下,在电解液与电极间的界面上 形成相反的电荷,以平衡电解液的内电场,这种 正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上, 以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上, 这个电荷分布层叫做双电层,因此电容量非常大。 ? ? 标准电容的结构是在两个 附属于金属板上的电极之 间夹一层电介质层(图1)。 根据电容类型不同,电介 质可以是氧化铝、四氧化 钽、氧化钛钡或聚丙烯聚 酯,不同的材料决定了不 同的容量和电压特性(图2)。 电介质的多少和极板间的 距离也会影响电容量。然 而,极板间最大允许距离 限制了电介质的数量。 ? 双电层电容器(EDLC)正如它 的字面意义那样可以解决上述 问题,它在相同的封装内增加 了第二个电介层,这个电介层 与第一层在中间隔离物的两边 并行工作(图3)。EDLC也采用 无孔电介质,如活性碳、碳纳 米管、炭黑凝胶,并选用导电 聚合物,其存储容量要比标准 的电解材料高出许多。额外层 和更高效电介材料的这种组合 能使电容容量提高近4个数量 级。 3.超级电容器的应用领域 (1)税控机、税控加油机、真空开关、智能表、远程抄表系 统、仪器仪表、数码相机、掌上电脑、电子门锁、程控 交换机、无绳电话等的时钟芯片、静态随机存储器、数 据传输系统等微小电流供电的后备电源。 (2)智能表(智能电表、智能水表、智能煤气表、智能热量 表)作电磁阀的启动电源。 (3)太阳能警示灯,航标灯、草坪灯等太阳能光伏产品中代 替充电电池。 (4)手摇发电手电筒等小型充电产品中代替充电电池。 (5)电动玩具电动机、语音IC、LED发光器等小功率屯器的 驱动电源。 4.超级电容器与传统电容器的不同 超级电容器在分离出的电荷中存储能量,用于 存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集, 其电容量越大。 ? 传统电容器的面积是导体的平板面积,为了获 得较大的容量,导体材料卷制得很长,有时用 特殊的组织结构来增加它的表面积。 ? 传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板,一 般为塑料薄膜、纸等,这些材料通常要求尽可 能的薄。 ? 超级电容器的面积是基于多孔炭材料,该材料 的多孔结构允许其面积达到2000m2/g.通过一 些措施可实现更大的表面积。 ? 超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引 到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该 距离比传统电容器薄膜材料所能实现的距 离更小。 ? 这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分 离距离使得超级电容器较传统电容器而言 有大得惊人的静电容量,这也是其所谓 “超级”的原因。 ? 5.超级电容器充放电时间 ? ? ? ? 超级电容器可以快速充放电,峰值电流仅受其内阻限制, 甚至短路也不是致命的。由电容器单体大小决定,对于 匹配负载,小单体可放10A,大单体可放1000A。 另一放电率的限制条件是热,反复地以剧烈的速率放电 将使电容器温度升高,最终导致断路。 超级电容器的电阻阻碍其快速放电,超级电容器的时 间常数为1~2s,完全给阻-容式电路放电大约需要5?也 就是说如果短路放电大约需要5~10s。 由于电极的特殊结构它们实际上得花上数个小时才能将 残留的电荷完全放掉。 6.超级电容器的优缺点 (1)免维护。由于超级电容器对使用条件没有严格的限制和 要求,因此采用超级电容器的太阳能光伏发电系统在寿 命期内,不需要对储能系统进行维护。 (2)使用寿命长。由于超级电容器的循环寿命可以达到10万 次以上,因此采用超级电容器作为太阳毹光伏发电系统 的储能装置具有20年以上的超长使用寿命。 (3)超宽的工作温度。超级电容器的使用温度区间远宽于现 有的各类蓄电池,可以在-40℃~70℃的范围内正常工 作。 (4)应用范围广。可广泛应用于太阳能航标灯、路灯、草 坪灯、围墙灯、交通信号灯、道钉灯、建筑物亮化工程、 户外广告灯箱等。 (5)无污染。制造超级电容器所使用的材料无重金属和有毒 有害物质,在使用过程中和使用后都不会对环境造成污 染。 (6)使用简单。超级电容器在很小的体积下达到法拉级的电 容量,无须特别的充电电路和控制放电电路,和电池相 比过充、过放都不对其寿命构成负面影响。 (7)绿色环保。从环保的角度考虑,超级电容器是一种绿色 能源。 缺点。如果使用不当会造成电解质泄漏等现象;和铝电解 电容器相比,它内阻较大,因而不可以用于交流电路。 7.超级电容器与电池的比较 超级电容器不同于电池,在某些应用领域, 它可能优于电池。有时将两者结合起来,将电 容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来, 不失为一种更好的途径。 1. 超级电容器在其额定电压范围内可以被充电 至任意电位,且可以完全放出。而电池则受自 身化学反应限制工作在较窄的电压范围,如果 过放可能造成永久性破坏。 2. 超级电容器的荷电状态( SOC)与电压构成简 单的函数,而电池的荷电状态则包括多样复杂 的换算。 3. 4. 5. 6. 超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储 更多的能量,电池与其体积相当的超级电容器相比可 以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺 寸的应用中,超级电容器是一种更好的途径。 超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影 响,相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折 扣。 超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到 损害。 超级电容器可以反复循环数十万次,而电池寿命仅 几百个循环。 8.超级电容器使用注意事项 (1)超级电容器具有固定的极性。在使用前,应确认极 性。 (2)超级电容器应在标称电压下使用。当电容器电压超 过标称电压时,将会导致电解液分解,同时电容器 会发热,容量下降,而且内阻增加,寿命缩短,在 某些情况下,可导致电容器损坏。 (3)超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中,西甲押注网站高 频率的快速充放电会导致电容器内部发热,容量衰 减,内阻增加,在某些情况下会导致电容器损坏。 (4)超级电容器的寿命。外界环境温度对于超级电容器 的寿命有着重要的影响。电容器应尽量远离热源。 (5)当超级电容器被用做后备电源时的电压降。由 于超级电容器具有内阻较大的特点,在放电的 瞬间存在电压降,△V=/-R。 (6)使用中环境气体。超级电容器不可处于相对湿 度大于85%或含有有毒气体的场所,这些环境 下会导致引线及电容器壳体腐蚀,导致断路。 (7)超级电容器的存放。超级电容器不能置于高温、 高湿的环境中,应在温度-30~+50℃、相对湿 度小于60%的环境下储存,避免温度骤升骤降, 因为这样会导致产品损坏。 (8)超级电容器在双面线路板上的使用。当超级电 容器用于双面电路板上,需要注意连接处不可 经过电容器可触及的地方,由于超级电容器的 安装方式,会导致短路现象。 (9)当把电容器焊接在线路板上时,不可将电容器 壳体接触到线路板上,不然焊接物会渗入电容 器穿线孔内,对电容器性能产生影响。 (10)安装超级电容器后,不可强行倾斜或扭动电 容器,这样会导致电容器引线松动,导致性能 劣化。 (11)在焊接过程中避免使电容器过热:若在焊接 中使电容器出现过热现象,会降低电容器的使 用寿命。 (12)焊接后的清洗。在电容器经过焊接后,线路 板及电容器需要经过清洗,因为某些杂质可能 会导致电容器短路。 (13)将电容器串联使用时。当超级电容器进行串 联使用时,存在单体间的电压均衡问题,单纯 的串联会导致某个或几个单体电容器过压,从 而损坏这些电容器,整体性能受到影响,故在 电容器进行串联使用时,需并联高阻值的电阻 器平衡电压。 9.超级电容器的容量和放电时间的 计算 在超级电容的应用中,怎样计算一定容 量的超级电容在以一定电流放电时的放电 时间,或者根据放电电流及放电时间,怎 么选择超级电容的容量,可根据下面给出 的简单计算公式计算。 ? 根据这个公式,可以简单地进行电容容量、 放电电流、放电时间的推算,十分方便。 (1)各计算单位及含义。 ? ? ? ? ? C(F):超级电容的标称容量。 U1(V):超级电容正常工作电压。 U0(V):超级电容截止工作电压。 t(s):在电路中的持续工作时间。 I(A):负载电流 (2)超级电容容量的近似计算公式 保持所需能量=超级电容减少的能量。 ? 保持期间所需能量=0.5I(U1+U0)T; ? 超级电容减小能量= 0.5C (U12-U02)。 ? 因而,可得其容量(忽略由内阻引起的 压降)为 C=(U1+U0)I ×T/ (U12-U02) ? 计算举例 一只太阳能草坪灯电路,应用超级电容 作为储能蓄电元件,草坪灯工作电流为 15mA,工作时间为每天3小时,草坪灯正 常工作电压为1.7V,截止工作电压为0.8V, 求需要多大容量的超级电容能够保证草坪 灯正常工作? 正常工作电压U1=1.7V 截止工作电压U0=0.8V 工作时间T=10800s 工作电流I=0.015A 那么所需的电容容量为: C=(U1+U0)I ×T/ (U12-U02) =(1.7+0.8)×0.015×10800/ (1.72-0.82) =180F ? 根据计算结果,选择耐压2.5V、180~200F超 级电容就可以满足工作需要了。 作业 ? 学会计算超级电容的容量