伏系统用铅酸蓄电池循环特性的研究

本文由丁曌王丽丽贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。天津大学硕士学位论文光伏系统用铅酸蓄电池循环特性的研究姓名：马洪斌申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：唐致远20071201中文摘要世界能源的短缺与环境污染问题的日益突出使得充分开发和利用太阳能成为世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。光伏发电系统中作为储能部件的蓄电池是保证整个光伏系统全天候正常运转的关键部件之一。用于光伏系统的蓄电池的寿命是光伏发电独立系统扩大应用的瓶颈。因此，分析光伏蓄电池的工作特性，特别是循环特性，寻求符合实际使用条件的光伏蓄电池已经成为光伏系统研究的重要方向之一。本论文对光伏系统用Ⅵ也Ａ式铅酸蓄电池（１２Ｖ３５Ａｈ和１２Ｖ．４５Ａｈ）的循环寿命评估进行了研究，对比了不同使用条件和循环制度下铅酸蓄电池的循环特性。通过以上研究，得出如下几点结论：１．Ⅵ也Ａ铅酸蓄电池的基本电性能均能满足光伏系统用蓄电池的要求，电池的均一性、充电效率和荷电保持能力较好。２．分别采用ＤｉｒｋＵｗｅＳａｕｅｒ教授提出的模拟电池实际使用状态的大循环方法和ＰＶＧａｐ中Ⅵ也Ａ式铅酸蓄电池加速寿命测试方法对电池的循环特性进行研究。研究表明两种方法都存在缺陷，并提出一种改进方法。通过对比不同型号电池的寿命试验，可以看出影响光伏系统用铅酸蓄电池的循环特性的因素很多，包括电池活性物质组成等内在因素，也包括电池的放电深度、过充电量等外在因素。关键词：铅酸蓄电池光伏系统阀控式循环特性ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅｓｕ伍ｃｉｅＩｌｔｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎｏｆ８０ｌａｒｅｎｅｒｇｙｈａＳｂｅｅｎｔｕｍｅｄｉｎｔｏｎｌｅｗｏｄｄｅｎ锷ｙｓ廿ａｔｅｇｉｃｄｅｃｉｓｉｏｎ—ｍａｌ【ｉｎｇｏｆｃｏｎｔｉｎⅨｌｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｂｅｃａ岫ｅｏｆ也ｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆ％ｅＩ？ｇｙｓｏｕｒｃｅｓ曲ｓｉｓｓｙｓｔｅｍｉｓｆｏｃｕｓｅｄａｎｄｅｎｖ曲舳ｅｎｔａｌｅｎｓｕｒｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｎｏｗ也ｅｒｅｓｅａｒｃｈ０ｎｐｈｏｔｏｖｏｌ协ｉｃｍｅ甜ｅｎｔｉｏｎ．ＡｍｏｎｇｔｈｅｐｈｏｔｏＶｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ，ａｓｍｅｉｓｔｈｅｋｅｙｔ０ｔ１１ｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｐ小ｓ，ｂａｔｔｅ巧ｐａｃｋｎｉｇｈｔ．ｋｅ印ｗｏｒｋｔｌｌｅｗｈｏＩｅｄａｙａｎｄＮｏｗｍｅｌｉｆｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂａｔｔｅ巧ｐａｃｋｉｓｔｈｅ“ｂｏｔｔｌｅ．ｎｅｃｋ，’ｔｅｃｈｎｉｃａｍｏｎｇｍｅｅＸｔｅｎｄｉｌｌｇｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｈｏｔｏｖｏｌ协ｉｃｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇｏｎｅｏｆｗｏｒｋｐｅｒｆ．ｏｎｌｌａＩｌｃｅ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｃｙｃｌｅｌｉｆｅｃ｝ｌａｒａｃｔｅ矗ｓｔｉｃｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｏｆｍｅｍｏｓｔｔａｓｋｓ锄ｏｎｇｔ１１ｅｐａｐ％ｔ１１ｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃｓｙｓｔｅｍ．ＩｌｌｔｈｉｓｃｙｃｌｅｌｉＶｅｓｏｆｍｅ铆ｏｔｙｐｅｓｏｆＶＲＩ，Ａｂａｎｅｒｉｅｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｂｔａｉｎｅｄ五吣ｍｍｅｓｍｄｙａｒ｛ｅ弱ｆｏｌＩｏｗｓ：１．ＶＲＬＡｂａｎｅ巧ｈａ８ｇｏｏｄｅｌｅｃｔｒｉｃｐｅｒｆｏ咖ａｎｃｅｔｈａｔｃａＩｌｓａｔｉｓ匆ｍｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆｕｌｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｔｌｌｅｓｔｏｒａｇｅｐｅｍ㈣ｅｓｙｓｔｅｍ．ｎｅｃｏＩｌｓｉｓｔｅｎｃｙｏｆｍｅａｌｌｗｅｌｌｐｅｒｆ．ｏ彻ａｎｃｅｓ，ｎｌｅｃｈａｒｇｅｅ伍ｃｉ∞ｃｙ’ａ１１ｄｔｅｓｔｗｅｒｅｂｏｍｕｓｅｄｔ０ａｒｅｅｎｏｕ曲．２。Ｔｈｅ俩ｏｍｅｔｈｏｄｓｏｆｍｉｃｒ０－ｃｙｃｌｅｔｅｓｔ觚ｄｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｓｔｕｄｙｔ１１ｅｃｙｃｌｅａｒｅｃｈ撇ｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃａｎｏｆｌｅａｄ—ａｃｉｄｂａｔｔｅ巧ｐａｃｋ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔ８ｓｈｏｗ也ａｔｍｅｒｅｍａＩｌｙｆ犯ｔｏｒｓｗｈｉｃｈａ妇‰ｔｔｈｅｃｙｃｌｅｌｉｆｅｏｆ１ｅａｄ—ａｃｉｄｂａ牡ｅ巧ｐａｃｋ，ｓｕｃｈａｓ也ｅ主ｎ硒ｈｓｉｃｆａｅｔｏｒｓｌｉｋｅａｃｔｉＶｅｎｌａｔｅｒｉａｌｃｏｍｐｏｎＩ。ｎｔｓａｌｌｄｔｈｅｅｘｔＩｊ．幽画ｃｆａｃｔｏｒｓ１ｉｋ．ｅｍｅｄ印ｔ１１ｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｅ（ＤｏＤ）ａｎｄｏＶｅｒｃｈａｒｇｅｃ印ａｃｉ饥ａｎｄｓｏｏｎ．ＫＥＹＷｏＲＤＳ：ｌｅａｄ—ａｃｉｄｂ甜ｅⅨｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｖａｌｖｅｒｅｇｕｌ撕。珥ｃｙｃｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｌｉｆｅ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：多跃斌签字日期：埘年ｙ月访日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权盘盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：多珑斌１１导师签名：签字日期：ｖ一扩年ｙ月冶日签字日期：加８年≯月计日天津大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论１．１引言近年来，随着世界能源的短缺与环境污染问题的日益突出，许多国家和地区都采取了相关措施来提高能源利用率、改善能源结构、探索新能源和可再生能源，咀达到可持续发展和减少矿物燃料消耗的目的。充分开发利用太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策，其中光伏发电最受瞩目。近几年启动的“全球环境基金膛界银行可再生能源发展项目”计划５年中推广约２３万套光伏户用电源系统和约１０Ｍｗ光伏发电¨】。光伏发电系统以输出电能作为最终表现形式，具有配置灵活、传输方便、无污染、使用维护简单、安全可靠、可存储等优点。在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。太阳能光伏发电系统是利用光电效应原理将太阳能转换为电能的发电系统。通常由太阳电池组件、控制器、蓄电池组、直流，交流逆变器等组成。光伏发电系统将由太阳能电池阵列产生的电能加以应用，有直流应用和交流应用两种方式（如图ｌ—ｌ所示）…。｝国ｄｗ■＇Ｉ神▲裂。。器‰豢器豳＾“弹Ｉ■■■●＿图１－ｌ太阳能发电及应用系统从图１．１可以看出，光伏电池必须在有光照条件下才能工作，独立的光伏发电系统中必须有作为储能部件的蓄电池存在，才能保证整个光伏系统全天候正常无津大学硕士学位论文第一章绪论运转。用于光伏系统的蓄电池的寿命是光伏发电独立系统扩大应用的瓶颈。因此，分析光伏蓄电池的工作特性，特别是循环特性，以便寻求符合实际使用条件的光恢蓄电池已经成为光伏发电系统研究的重要方向之一。目前国内外在光伏系统中使用的蓄电池主要有以下三大类口＿４】：开口铅酸蓄Ｂ姗，ＶＲＬＡ）：镍钙、镍氢、镍镉电池（Ｎ记ｋｅＬｃｍｃｉｕｍｂ毗哪Ｎｉｃｌ［ｅｌ—Ｈｙｄｍｇ∞电池（ⅥｍｔＬｃａｄＡｃｍＢ甜日ｙ），阀控式密封铅酸蓄电池（Ｖ由ｖｅＲｅｇＩｌｌｎｉｏｎＬｅａｄＡｃｉｄＢｎｅｒ），，Ｎｉｃｋｄ－ｃａｄｍｉｕｍｂ删。在这三大类电池中，开口铅酸蓄电池在其使用过程中存在水易挥发、易泄漏、比容量低等缺点，且在使用过程中伴随有酸雾产生，污染环境；而镍钙、镍氢电池虽然容量较大，但价格昂贵；镍镉电池具有。记忆效应”………阀控式密封铅酸免维护蓄电池（Ⅵ也Ａ）是最近十几年才在我国发展起来的贫液式铅酸蓄电池，由于它具有不需补加酸水、无酸雾析出、容量大、价格低、自放电率低、结构紧凑、寿命长、无“记忆效应”、可任意放置使用、搬运方便、使用清洁等优点，近年来在光伏发电系统中得到广泛的应用ｐ“ｊ。１．２铅酸蓄电池的结构和工作原理１．２．１铅酸蓄电池的结构单体铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、硫酸、隔板、槽体和盖组成。正负极分别焊成极群，如图１．２所示‘ｍＨｌ。照。●图１．２铅酸电池结构示意图天津大学硕士学位论文第一章绪论极板极板是铅酸蓄电池储存电能的主要部件，它一般被制成栅架形式，上面附满活性物质。极板分正极板和负极板两种：正极板上活性物质为棕红色的二氧化铅（Ｐｂ０２）；负极板活性物质为海绵状深灰色的铅（Ｐｂ）。正负极板都浸在一定浓度的硫酸溶液中。为了增加电池容量，可以把几块不同极性的极板用金属条连接在一起并称之为“极板组”或“极板群”。由于正极上活性物质比较疏松，机械强度低，如果极板的两面放电不均，就会形成正极板拱曲而使其上的活性物质脱落。所以，在每一单格中负极板要比正极板多一片，这样，就可以保证组装后，每片正极板都处于两片负极板之间，使两侧放电均匀以减少正极板的拱曲和活性物质的脱落【１５１。隔板在各种类型的铅酸蓄电池中，除少数特殊组合的极板间留有宽大的空隙外，在两极板间均需插入隔板，以防止正负极板相互接触而发生短路。要求隔板为电绝缘体（如木质、橡胶、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃纤维棉等），耐氧化，耐硫酸腐蚀，还要有足够的孔率（６０％）和孔径。、槽体槽体是用来盛装电解液和支撑极板的，也为电绝缘体，机械强度高，耐酸，耐温，通常有玻璃槽、衬铅木质槽、硬橡胶槽和塑料槽四种。电解液铅酸蓄电池的电解液是用蒸馏水稀释高纯度浓硫酸而成。它的比重高低视铅酸蓄电池类型和所用极板而定，一般在１５℃时为１．２００．１．３００之间。蓄电池用的电解液（稀硫酸）必须保持纯净，不能含有害于铅蓄电池的任何杂质。１．２．２铅酸蓄电池的发展历史铅酸蓄电池是１８５９年由普兰特（ＰｌａＩｌｔｅ）发明的二次电池。他采用两块铅板作为电极，置于１０％的硫酸溶液中进行电解，使电解的电流方向不断变化，结果使得铅酸的蓄电容量逐渐增加。但是这种Ｐｌａｎｔｅ式极板化成需要很长时间。１８８０年Ｆａ＿ｕｒｅ在铅片上涂覆铅膏，该铅膏由Ｐｂ３０４，Ｈ２Ｓ０４和Ｈ２０和制而成，从而缩短了化成的时间。１８８１年Ｓｗ锄用铅板栅代替铅片；同年Ｓｅｌｌｏｎ发明了Ｐｂ．Ｓｂ板栅合金，从而改善了板栅的机械强度。１８８２年Ｇｌａｄｓｔｏｎｅ和Ｔ曲ｅ在铅酸电池的两极均发现了ＰｂＳ０４这种化合物，创立了“双极硫酸盐”理论。现代铅酸理论研究开始于１９４９年，ＬａＩｌｄｅｒ首次运用Ｘ射线衍射法（Ⅺｍ）研究了Ｐｂ电极上形成的腐蚀产物。此后人们逐渐引入新的测试方法和测试手段来研究铅酸蓄电池，如扫描电镜（ＳＥＭ）、透射电镜（ＴＥＭ）、热重分析（ＤＴＡ）等。１９５７年西德ＳｏｎｎｅＩｌｓｃｈｅｉｎ公司首次将凝胶电解质技术应用于铅酸蓄电池，制成接触性变性凝胶工业电池并投入市场。同年英国Ｃ１１ｌｏｒｉｄｅ公司发明了“Ｔｏｖｇｕｅｓｔａｎｅｒ”再化合免维护汽车电池，标志着实用密封铅酸蓄电池的诞生。１９７１年美国Ｇａｔｅｓ公司首次将超细玻璃纤维用于密封铅酸电池中，生产出吸液式天津大学硕士学位论文第一章绪论卷绕极板圆筒形电池，获得专利并批量成产，第一次把氧气复合原理在商品电池中实施，实现了铅酸蓄电池技术上的重大突破。１９７３年，诞生了第一个商业化的阀控密封铅酸蓄电池（ⅥＵＡＢ）【１６＇１７１。根据放电时间的长短，目前铅酸蓄电池的用途可表示如图１．４所示【１８】。＿。要冷■一骨Ｉｆ墓；薯魏室警魏萎鬟是薹凿薯稀苫誓魏百图１．４铅酸蓄电池分类图（按放电时间Ｔ的长短）１．２．３铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池的电化学表达式如下【１２￣１４１（一）Ｐ６１月７：ｓＤ４ｌｍＤｊ（＋）．蓄电池的充电和放电靠正负极板上活性物质与硫酸的化学反应来实现。铅蓄电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复杂，目前公认的是哥来德斯东和特利浦两人提出的“双硫酸化理论”。该理论的含义为铅蓄电池在放电后，两电极的有效物质和硫酸发生作用，均转变为硫酸化合物——硫酸铅；当充电时，又恢复为原来的铅和二氧化铅。按照这个理论，铅酸蓄电池在其正、负极