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光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄能技術(shù)

   2016-06-13 世紀(jì)新能源網(wǎng)周志敏51510
核心提示:本文簡介了光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄能技術(shù)的作用,系統(tǒng)的闡述了蓄電池蓄能技術(shù)及膠體鉛酸蓄電池技術(shù)特性及技術(shù)動態(tài)。
1.光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄能技術(shù)的作用

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄能技術(shù)是轉(zhuǎn)移高峰電力、開發(fā)低谷用電、優(yōu)化資源配置、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的一項重要技術(shù)措施。在我國,蓄能技術(shù)的推廣應(yīng)用剛剛起步,雖然推廣應(yīng)用的面很小,但效益明顯,潛力很大。蓄能技術(shù)特別適用于可再生能源的光伏發(fā)電系統(tǒng),由于可再生能源的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致其不能連續(xù)運(yùn)行,因此,蓄能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中有著非常重要的作用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄能技術(shù)的作用如下:

1)負(fù)荷調(diào)節(jié)作用。能量存儲裝置可在電力系統(tǒng)的負(fù)荷低谷期充電,負(fù)荷高峰期放電。

2)負(fù)荷跟蹤。超導(dǎo)蓄能系統(tǒng)、蓄電池蓄能系統(tǒng)和飛輪蓄能系統(tǒng)等通過電力電子接口,能夠快速跟蹤負(fù)荷的變化,從而減輕了大型發(fā)電機(jī)跟蹤負(fù)荷的需要。

3)系統(tǒng)穩(wěn)定。蓄能裝置輸出的有功功率和無功功率的迅速變化,可有效地對系統(tǒng)中的功率和頻率振蕩起到阻尼作用。

4)自動發(fā)電控制。具有AGC的蓄能裝置可有效地減小區(qū)域控制誤差。

5)旋轉(zhuǎn)動能存儲。具有電力電子接口的蓄能裝置可迅速地增加其電能輸出,可作為電力系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)動能,減少常規(guī)電力系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)動能的需要。

6)VAR控制和功率因素校正。具有電力電子接口的蓄能裝置,在快速提供有功功率的同時還可以提供迅速變化的無功功率。

7)黑啟動能力。蓄能裝置可以為孤島運(yùn)行的光伏發(fā)電設(shè)備提供啟動時需要的電能。

8)增加發(fā)電設(shè)備的效率以減少其維護(hù)。蓄能裝置跟蹤負(fù)荷的能力可使光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于恒定輸出功率狀態(tài),使其發(fā)電設(shè)備運(yùn)行于高效率的運(yùn)行點(diǎn),從而提高了總的發(fā)電效率、發(fā)電設(shè)備的維護(hù)間隔和使用壽命。

9)延緩了系統(tǒng)對新增輸電容量的需要。在系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)牡貐^(qū)配置蓄能裝置,在用電低谷期對它們充電,從而減少了輸電線路的峰值負(fù)荷容量,有效地增加了輸電線路的容量

10)延緩了系統(tǒng)對新增發(fā)電容量的需求。當(dāng)蓄能裝置削平了負(fù)荷峰值后,即減少了系統(tǒng)對調(diào)峰機(jī)組的容量的需要。

11)提高了發(fā)電設(shè)備的有效利用率。在用電高峰期,蓄能裝置輸出的電力可增加系統(tǒng)的總?cè)萘俊?br />
2.蓄電池蓄能

由于自然資源的特性,可再生能源用于發(fā)電時其功率輸出具有明顯的間歇性和波動性,其變化是隨機(jī)的,容易對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊,嚴(yán)重時會引發(fā)電網(wǎng)事故。為充分利用可再生能源并保障其供電可靠性,就要對這種難以準(zhǔn)確預(yù)測的能量變化進(jìn)行及時的控制和抑制,蓄能裝置就是用來解決這一問題。蓄電池蓄能系統(tǒng)由蓄電池、逆變器、控制裝置、輔助設(shè)備(安全、環(huán)境保護(hù)設(shè)備)等部分組成。

蓄電池組是離網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的貯能裝置,由它將太陽能電池方陣從太陽輻射能轉(zhuǎn)換來的直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存起來,以供負(fù)載應(yīng)用。由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定,所以一般需要配置蓄電池才能使負(fù)載正常工作。太陽能電池產(chǎn)生的電能以化學(xué)能的形式儲存蓄電池中,在負(fù)載需要供電時,蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能供應(yīng)給負(fù)載。

蓄電池的特性直接影響太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率、可靠性和價格。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則:首先在能夠滿足負(fù)載用電的前提下,把白天太陽能電池組件產(chǎn)生的電能盡量存儲下來,同時還要能夠存儲預(yù)定的連續(xù)陰雨天時用電負(fù)載需要的電能。蓄電池容量受到末端負(fù)載需用電量,日照時間(發(fā)電時間)的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預(yù)定的負(fù)載需用電量和連續(xù)無日照時間決定,因此蓄電池的性能直接影響著太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作特性。

綜合分析各種蓄電池的特性,由于鉛酸蓄電池具有良好的性價比,而且能量密度也能達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的要求,因此在這些蓄電池之中,性價比很高的鉛酸蓄電池最適合應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng),鉛酸蓄電池歷史最悠久,應(yīng)用依然十分廣泛,鉛酸蓄電池于1859年由普蘭特(Plante)發(fā)明,至今已有150多年歷史。一百多年來,鉛酸蓄電池的工藝、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)、性能和應(yīng)用都在不斷發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給古老的鉛酸蓄電池帶來蓬勃的生機(jī)。

鉛酸蓄電池在近代有了重大改革,性能有了極大飛躍。主要標(biāo)志是20世紀(jì)70年代研發(fā)的閥控密封式鉛酸(Valve-Regulated Lead Acid Battery VRLA)蓄電池。美國Gates Energy Products Inc首創(chuàng)超細(xì)玻璃纖維吸液式全密封技術(shù),從而發(fā)展了鉛酸蓄電池。近十來年中,又進(jìn)一步提高雙極性VRLA蓄電池和水平式電極VRLA蓄電池性能。在雙極性VRLA蓄電池中引入強(qiáng)力薄板兩側(cè)為正負(fù)活性物質(zhì)的雙極性電極,使內(nèi)阻大大降低,從而大大提高比能量和充電速度,這種VRLA蓄電池能量高、成本低、壽命長(十年)、容量大(是普通鉛酸蓄電池的二倍)、不漏液、安全、不污染、可回收、免維護(hù)、使用方便。對于新發(fā)展的雙極性和水平式VRLA蓄電池,C/3放電比能量≥50Wh/kg,顯示了優(yōu)良的性能。

3.膠體鉛酸蓄電池

膠體鉛酸蓄電池簡單的說就是使用膠體電解液的蓄電池。膠體鉛酸蓄電池屬于鉛酸蓄電池的一種,其最簡單的做法是在硫酸中添加膠凝劑,使硫酸電解液變?yōu)槟z態(tài)。膠體鉛酸蓄電池與普通鉛酸蓄電池的區(qū)別不僅在于電液改為膠凝狀,進(jìn)一步發(fā)展至電解質(zhì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的電化學(xué)特性研究,以及在板柵和活性物質(zhì)中的應(yīng)用推廣。例如采用非凝固態(tài)的水性膠體鉛酸蓄電池,從電化學(xué)分類和特性看同屬膠體鉛酸蓄電池。又如在板柵中使用高分子材料,俗稱陶瓷板柵,是膠體鉛酸蓄電池的特點(diǎn)。近期已有實驗室在極板配方中添加一種靶向偶聯(lián)劑,大大提高了極板活性物質(zhì)的反應(yīng)利用率。

膠體鉛酸蓄電池為密封結(jié)構(gòu)、電解液凝膠、無滲漏、充放電無酸霧、無污染,是國家大力推廣應(yīng)用的環(huán)保產(chǎn)品。膠體鉛酸蓄電池最重要的特點(diǎn)為:放電曲線平直,拐點(diǎn)高,比能量特別是比功率要比普通鉛酸蓄電池大20%以上,壽命一般也比普通鉛酸蓄電池長一倍左右,充電接收能力強(qiáng);自放電小,耐存放;過放電恢復(fù)性能好,大電流放電容量比普通鉛酸蓄電池增加30%以上;低溫性能好,高溫特性穩(wěn)定,滿足65℃甚至更高溫環(huán)境使用要求;循環(huán)使用壽命長,可達(dá)到800~1500充放電次,單位容量工業(yè)成本低于普通鉛酸蓄電池,經(jīng)濟(jì)效益高。

膠體的質(zhì)量和灌裝工藝對膠體鉛酸蓄電池的質(zhì)量有重要的影響,而膠體鉛酸蓄電池的設(shè)計、制造工藝和應(yīng)用條件(尤其是充放電工藝)都制約著膠體鉛酸蓄電池的性能。膠體的特性必須和蓄電池的結(jié)構(gòu)及使用條件相互適用。密封蓄電池的結(jié)構(gòu)和使用條件有利于膠體的穩(wěn)定,膠體的特性使密封蓄電池的性能更加完美。現(xiàn)代優(yōu)良的膠體鉛酸蓄電池都是閥控式密封鉛酸蓄電池(Valve-Regulated Lead Acid Battery,VRLA),而用普通鉛酸蓄電池半成品不經(jīng)改動制成的膠體鉛酸蓄電池也是頗有爭議的問題。

膠體灌裝、凝膠穩(wěn)定性和確保蓄電池容量是膠體鉛酸蓄電池的三項關(guān)鍵技術(shù)。德國陽光公司生產(chǎn)的膠體鉛酸蓄電池的膠體粘度很低,用常壓自然法灌裝膠體鉛酸蓄電池。即使大型膠體鉛酸蓄電池也像灌注稀硫酸一樣灌滿膠體鉛酸蓄電池。膠體在蓄電池中充分凝膠,在極群內(nèi)外上下都呈均勻的糊狀凝膠,在膠體鉛酸蓄電池整個壽命期間,完全沒有液化現(xiàn)象,這是我國生產(chǎn)的膠體鉛酸蓄電池很難做到的。陽光公司的技術(shù)是世界最先進(jìn)的,其Dryfit系列膠體鉛酸蓄電池安全可靠,壽命長,是世界上最優(yōu)良的膠體鉛酸蓄電池。但是,陽光公司生產(chǎn)的膠體鉛酸蓄電池的比能量和大電流放電不及AGM-VRLA蓄電池(即采用超細(xì)玻璃纖維隔膜的閥控式密封鉛酸蓄電池)。另外,陽光公司的極板化成工藝復(fù)雜,生產(chǎn)周期長,有的品種膠體鉛酸蓄電池需經(jīng)10次充放電循環(huán)才出廠,降低了生產(chǎn)效率,增大了產(chǎn)品成本,不利于大規(guī)模的產(chǎn)品開發(fā)和市場競爭。

閥控式密封鉛酸蓄電池通過兩種方式來固定電解液,一種為通過AGM來固定電解液。另外一種為膠體結(jié)構(gòu),即通過膠體來固定電解液。但是美國的C&D技術(shù)公司將兩種方式結(jié)合起來固定電解液,稱為復(fù)合技術(shù)。在膠體鉛酸蓄電池的定義中,只提到電解液為凝膠狀(比較直觀的認(rèn)識為果凍狀),沒有對隔板的使用做出規(guī)定,所以只要使用凝膠來固定電解液的蓄電池就可稱為膠體鉛酸蓄電池。

不管使用液態(tài)二氧化硅和氣相二氧化硅,其成膠的原理是相同的,它們之間存在粒徑和純度的差異,所以加入蓄電池后,對蓄電池的性能有比較大的影響。凝膠的強(qiáng)度與二氧化硅的含量和酸的含量成正比,強(qiáng)度越大,其水化和破裂的可能性越小。

蓄電池的內(nèi)阻與膠體中的二氧化硅的含量成正比,所以膠體鉛酸蓄電池的高倍率性能(3C以上)比相同的結(jié)構(gòu)的AGM-VRLA蓄電池差,但額定容量比相同結(jié)構(gòu)的AGM-VRLA蓄電池大5~10%。使用PVC-SiO2或者酚醛樹酯等專用隔板的膠體鉛酸蓄電池,由于二氧化硅的含量的關(guān)系,使其額定容量比AGM-VRLA蓄電池小一些。如使用PVC或PE做隔板,二氧化硅的含量要相當(dāng)高才能形成穩(wěn)定的膠體。用復(fù)合技術(shù)生產(chǎn)的膠體鉛酸蓄電池,其浮充壽命為相同結(jié)構(gòu)的AGM-VRLA蓄電池的1.5~2倍,循環(huán)能力可以提高20%。

國際上的生產(chǎn)鉛酸蓄電池的大公司幾乎都生產(chǎn)膠體鉛酸蓄電池,如:德國的陽光、哈根,美國的DEKA,Trojan,Exide,SEC等,但日本的YUASA不生產(chǎn)膠體鉛酸蓄電池,但其UXL系列蓄電池中有膠體成分,其主要作用是為了減輕電解液的分層現(xiàn)象。在應(yīng)用方面主要在太陽能、動力蓄電池等方面,其市場比較大,價格比AGM-VRLA蓄電池高20%左右。

 
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