在光伏储能系统中,蓄电池的作用是把电能储存起来,由于单个电池容量有限,通常系统把多个蓄电池通过串并的方式组合起来,以便达到设计的电压等级和容量要求,所以又称蓄电池组。在光伏储能系统中,蓄电池组和光伏组件的初始成本相当,但蓄电组的寿命更低,蓄电池的技术参数对系统设计非常重要,选型设计时要注意蓄电池的关键参数,如电池容量、额定电压、充放电电流、放电深度,循环次数等等。
电池容量
电池的容量由电池内活性物质的数量决定,通常用安时Ah或者毫安时mAh来表示。例如标称容量250Ah(10hr,1.80V/单体,25℃),指在25℃时,10小时以25A的电流放电,使单个电池电压降到1.80V所放出容量。
电池的能量是指在一定放电制度下,蓄电池所能给出的电能,通常用瓦时(Wh)表示。电池的能量分为理论能量和实际能量:如一个12V250Ah的蓄电池,理论能量就是12*250=3000Wh,也就是3度电,表示蓄电池可以保存的电量,如果放电深度是70%,实际能量就是3000*70%=2100 Wh,也就是2.1度电,这是可以利用的电量。
额定电压
电池正负极之间的电势差称为电池的额定电压。常见的铅酸蓄电池额定电压是2V、6V、12V三种,单体的铅酸蓄电池是2V,12V的蓄电池是由6个单体的电池串联而成的。
蓄电池的实际电压并不是一个恒定的值,空载时电压高,有负载时电压会降低,当突然有大电流放电时,电压也会突然下降,蓄电池电压和剩余电量之间存在近似线性关系,只有在空载的情况下,才存在这种简单关联。当施加负载时,电池电压就会因为电池内部阻抗所引起的压降而产生失真。
大充放电电流
蓄电池是双向的,有两个状态,充电和放电,这个电流都是有限制的,不同的蓄电池,大充放电电流不一样,电池充电电流一般以电池容量C的倍数来表示,举例来讲,如果电池容量C=100Ah,充电电流为0.15C则为0.15×100=15A。
放电深度与循环寿命
在电池使用过程中,电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度。放电深度的高低电池寿命有很深的关系,放电深度越深,其充电寿命就越短。
蓄电池经历一次充电和放电,称为一次循环(一个周期)。在一定放电条件下,电池工作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。
蓄电池放电深度在10%~30%上下为浅循环放电;放电深度在40%~70%上下为中等循环放电;放电深度在80%~90%上下的为深循环放电。蓄电池长期运行的每日放电深度越深,蓄电池寿命越短,放电深度越浅,蓄电池寿命越长。
目前光伏储能系统通常的蓄电池都是电化学储能,它是利用化学元素做储能介质,充放电过程伴随储能介质的化学反应或者变化。主要包括铅酸电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池等,目前应用以锂电池和铅蓄电池为主。
1.铅酸电池
铅酸电池(VRLA),是一种电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;充电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。应用在光伏储能系统中,比较多的有三种,富液型铅酸蓄电池(FLA,flooded lead-acid),阀控式密封铅酸蓄电池VRLA(Valve-Regulated Lead Acid Battery),包括AGM密封铅蓄电池和GEL胶体密封铅蓄电池两种,铅炭电池,是一种电容型铅酸电池,是从传统的铅酸电池演进出来的技术,它是在铅酸电池的负极中加入了活性碳,成本提高不多,但能够显著提高铅酸电池的充放电电流和循环寿命。具有功率密度较大,循环寿命长和价格较低等特点。
2.锂离子电池
锂离子电池由正极材料、负极材料、隔膜和电解液四个部分组成,根据使用材料不同分为钛酸锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂等五种,磷酸铁锂电池和三元锂电池跻身主流市场。
三元锂和磷酸铁锂两种电池并没有好坏,而是各有千秋,其中三元锂电池优势在于储能密度和抗低温两个方面,比较适合做动力电池;磷酸铁锂三个方面的优势,其一是安全性高,其二是循环寿命更长,其三则是制造成本更低,因为磷酸铁锂电池没有贵重金属,因而生产成本较低,比较适合做储能电池。
3.钠硫电池
钠硫电池是由熔融电极和固体电解质组成,负极的活性物质为熔融金属钠,正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐。具有体积小、容量大、寿命长、效率高等优点。在电力储能中广泛应用于削峰填谷、应急电源、风力发电等储能方面。
钠硫电池能量密度高达760Wh/kg左右,转换效率接近100%,电池循环次数高达2500次以上。然而不足是成本高昂,达2000美元/kWh左右;对工作环境要求苛刻,300℃方能启动,如果发生短路故障,温度会高达2000℃左右,因此对技术有着极高的要求,钠硫储能电池国外应用较多,国内未能大规模推广。
4.液流电池
液流电池一般称为氧化还原液流电池,是一种新型的大型电化学储能装置,正负极全使用钒盐溶液的称为全钒液流电池,简称钒电池。全钒液流电池是一种新型蓄电储能设备,不仅可以用作太阳能、风能发电过程配套的储能装置,还可以用于电网调峰,提高电网稳定性,保障电网安全。
与其他储能电池相比,液流电池具有设计灵活、充放电应答速度快,性能好、电池使用寿命长,电解质溶液容易再生循环使用、选址自由度大、安全性高、对环境友好、能量效率高、启动速度快等优点。
储能蓄电池技术路线众多,产品性能、寿命、价格也大不相同,产品没有好坏之分,在设计电站时,要根据投资者的要求去选型。小型光伏离网电站,投资有限,可以考虑选用铅酸胶体蓄电池;中小型光伏离网电站,投资有限,但又希望寿命长,可以考虑选用铅炭蓄电池;中大型光伏储能电站,有足够的预算,对投资回报要求高,可以考虑选用磷酸铁锂、钠硫电池、液流电池等。