浅谈太阳能户用光伏系统中储能用铅酸蓄电池的结构.doc

浅谈太阳能户用光伏系统中储能用铅酸蓄电池的结构时间：2010-9-17 来源： 作者：伊晓波 张鸣 张鹏宇 张晋环摘要：如果我们能够正确使用合格的铅酸蓄电池的话，那么，铅酸蓄电池不会对使用环境有任何的污染和破坏。况且，在诸多的储能用的蓄电池中，没有一种蓄电池可以达到铅酸蓄电池的成本指标与可再生及回用指数。目前，国内的铅酸蓄电池，还不能完全达到户用光伏系统储能的更高要求，所以，文章中罗列了铅酸蓄电池所用的不同形式的板栅与极板、隔板组成的极群。通过对比，设想了离散型户用光伏系统中储能用铅酸蓄电池新结构。关键词：储能用蓄电池；污染；铅酸蓄电池；寿命；结构在太阳能户用光伏系统储能组件中，诸多的储能用的蓄电池：镍氢、镍镉、锂离子、全钒液流等等。有人说，铅酸蓄电池是两高一资产品，将逐渐被淘汰。其实，铅酸蓄电池对环境的污染主要来自它的生产制造工艺过程和自身的原材料的生产以及产成品使用报废后的再处理。如果我们能够正确使用合格的铅酸蓄电池的话，那么，我们可以负责地说，铅酸蓄电池不会对使用环境有任何的污染和破坏。况且，在诸多的储能用的蓄电池中，没有一种蓄电池，可以达到铅酸蓄电池的成本指标与可再生及回用指数。所以说，铅酸蓄电池目前的应用范围及地位，是其它蓄电池不可能完全取代的。在户用光伏系统储能组件中，对铅酸蓄电池的选型基本要求：1。 免维护；2。 使用年限3年；事实上，很多的离散型户用光伏系统中的储能用的铅酸蓄电池，2年左右就得更换，根本达不到用户选型的基本要求。有人将阀控、胶体、富液等不同形式的铅酸蓄电池作为户用光伏系统中的储能组件。实验，对比性地应用於不同环境。其结论是：“太阳能发电系统配套用的铅酸蓄电池除了耐高温、低温外，还要适用西部干旱沙漠地区。因此，胶体铅酸蓄电池，富液免维护铅酸蓄电池，是光伏系统组件中储能用蓄电池的最佳选择”。仁者见仁，智者见智。上面的结论，似乎是从铅酸蓄电池的电解液的使用状态不同做出的。下面，我们从铅酸蓄电池的结构方面，谈一些看法，供大家参考。众所周知，在铅酸蓄电池中，板栅是极板的骨骼，而极板和隔板组成的极群，又是电池的心脏，电解液则是电池的血脉。在这中间，每个部件的好坏，都直接影响到电池的自身的性能及其使用寿命。对于不同用途的铅酸蓄电池来讲，其板栅的成型方式与几何形状也有所不同。在通常条件下，板栅的主要的成型方式有：重力浇铸平板式或压弯曲板式以及直径排管式；铅带冲切拉网式；连铸连轧卷绕式；高压压注直径排管式。图1是平面板栅，（不同的几何形状）及其构成的极群。图2是拉网板栅及其构成的极群。图3是直径排管式骨架及其构成的极群。图4是连铸连轧卷绕式板栅及其极构成的极群。图5是铅布板栅及其构成的极群。图6是双极性基板及其极板与成品电池。图7是超级电池的极群示意图。目前，只有图1至图4的板栅形式和极群结构得以广泛应用。而我们现有的户用光伏系统储能组件中的铅酸蓄电池，不论采用怎样不同的电解液：贫液、富液、胶体、颗粒二氧化硅载体。而如何改变隔板的品质：PE、PVC、AGM、玻棉复合以至改变电池的排气方式：滤气栓、迷宫盖、阀控式。其主体结构都没有超出图1至图4所罗列的板栅样式与极群结构。比较上面的电池结构，我们很容易发现其在某些方面存在着不足。1） 不可克服的内应力我们都知道，铅酸蓄电池的放电过程，是Pb和PbO2转化为PbSO4的过程，在这个转化过程中Pb和PbO2的摩尔体积分别膨胀167%和91.6%。在这里膨胀所产生的应力，一部分被活物质间的空隙吸收，一部分作用在电极的板栅上。而板栅尤其是正板栅，在电池充放电循环中，随着电流的聚流及硫酸的腐蚀，其几何尺寸要长大变形。从图1图4所示的电池结构上看，极群的上下两端都要受到力的约束，这样，板栅也要产生内应力，这些内应力，伴随着活物质膨胀与收缩的循环。一方面活物质自身发生疲劳，使其颗粒间由很好的强力结合，变得松散无力，另一方面降低了活物质对板栅的附着。直接影响了蓄电池的容量和使用寿命。对于活物质的软化和脱落，人们先后提出了：- PbO2- PbO2变体模型、凝胶晶体体系模型和珊瑚状结构来解释。但是，从图示的结构看来，板栅及其它所产生的内应力的影响，也是不可忽视的。2） 电解液层化H2SO4是铅酸蓄电池反应的必需物质，对于不同用途的铅酸蓄电池，必需匹配不同密度，不同含量的H2SO4。但是，对同一只蓄电池来讲，其密度应该是均匀地、等量地分布在蓄电池槽体内。现在，市面上流行的密封式铅酸蓄电池，其在充放电时的密封反应是集中在极群的上部，致使极板上部电解液的密度低于下部的电解液的密度，既电解液发生密度差。对于采用富液的铅酸蓄电池，其还要受重力的影响。即：密度大的硫酸根自然向极板下部移落。由于电解液密度的差异，很容易造成电池再充放电循环中，上部分的活物质过充，才能使下部分的活物质得以充分转化。致使活物质劣化。3） 优良欧姆区过小从图1至图4的板栅及极群结构上看，极板上的电流的导出路径是：通过板栅筋条极耳到汇流排到极柱最后通过端子与用电器相连。对于板栅，有人通过计算机程序支持的数学模型，对其进行了定量分析，进而得到一种板栅欧姆电阻标绘图。一般的传统直线型筋条的板栅，其理想的02m电阻区仅占板栅面积的10%。而将极耳移至靠近板栅的中心线，板栅筋条改为放射状，02m电阻区可占板栅面积的34%。板栅上的欧姆电阻对电池的放电，尤其是高倍率放电影响很大。4） 电池局部过热电池在成流反应过程中，要生成较多的热，而极板上电阻极化引起的电压降，也要释放热。在图1 图4所示的结构中，与极耳相连的正极汇流排与负极汇流排，在极群的上部平行、并列。这样就造成了极耳附近电流密度过大，电位梯度高，很容易使电池局部过热。在特定的条件下，当电池散热不良，就会导致热失控。5） 电池极化对现有的铅酸蓄电池，人们把其极化分为：电极极化、浓差极化、欧姆极化和新相极化。对这些相互关联、相互影响的极化，它始于对电池的使用，根于组成电池的材料和结构。面对如此的，存在一定结构缺陷的蓄电池，它怎么能够达到户用光伏系统储能的更高要求呢？首先，我们所能确定的是，上述结构已经适应了大规模的工业化生产，而不能达到户用储能系统对它使用寿命更长的要求。如果，我们把户用光伏系统储能用的铅酸蓄电池的板栅设计成如图8中的样式，即：1 把极耳位置移置板栅的中心，以使极板获得最大面积的优良欧姆区。2 在铅板平面上形成网格，这样可以使网格中的活物质得以宽阔电流通道，极大地提高电池的充放电接受能力与活物质的转化能力。3 由于此种极板组成的极群，不能使正负极的汇流排在同一水平面，这样，就可以有效抑制电解液分层与电池局部过热。减小电池的极化，从而延长电池的使用寿命。从图1至图4不同的极板组成的极群结构上看。每组极群必须具备两个汇流排，一只12V电压的蓄电池。必须要有12个汇流排。我们通过结构的改进，可以使一只12V电压的蓄电池只有两个汇流排，这样即节约了原材料，又提高了电池的性能比。只是这种结构的蓄电池的自放电性能还有待进一步提高。对于现有的极群为卷绕式的铅酸蓄电池，如果对它进一步进行结构改进，它应该是目前最好的户用光伏系统储能用的铅酸蓄电池。一 从产品性能上看：卷绕电池的极板通过卷绕后同隔板一起始终保持在均匀的有压力的紧绕层中，这样可以增加电池的循寿命。二 从工艺过程看：省掉了生产矩形极板结构的铅酸蓄电池的某些工艺过程：如：水洗、再次干燥、分板、配组 等三 从保证产品质量上看：1.因为卷绕蓄电池中的极群，是由正、负两片极板卷绕而成的，它不象平面极板的电池的极群是由多片极板组成，这样，在极板的均匀一致性上，比较容易控制。从而满足电池均匀一致性的要求。2.极群为卷绕结构的铅酸蓄电池，比较平面多片极板极群的矩形结构的铅酸蓄电池,减少了两个界面，相对减少了可能的枝晶生长，造成电池短路的机会。3.板栅设计可以更有利于电流导出，减少极板的内阻，在不是采用切口扩展板栅的前提下，矩形平面板栅的横筋，可作为卷绕板栅的竖筋，这样就大大地增加了电流导出的直通路径。为电池高倍率放电提供了有利条件。而其竖筋，在减小横截面积的条件下，成为卷绕板栅的横筋。主要起支撑活物质的作用，不在承担更多的电流导出。这样，可以减少铅耗量。四 从文明生产上看目前国家正在大力提倡节能、减排，文明生产、环保生产。而极群为卷绕结构的铅酸蓄电池的生产工艺过程中可以省掉一些污染、耗能的工序。这样更有利于我们减少生产成本和文明生产，相信，只要我们大家共同努力工作，做为储能用的铅酸蓄电池，一定会达到户用光伏系统对它的储能的新要求。图1图2图3图4图5图6图7图8