光伏发电系统中的蓄能技术

1.光伏发电系统中蓄能技术的作用

光伏发电系统中的蓄能技术是转移高峰电力、开发低谷用电、优化资源配置、保护生态环境的一项重要技术措施。在我国，蓄能技术的推广应用刚刚起步，虽然推广应用的面很小，但效益明显，潜力很大。蓄能技术特别适用于可再生能源的光伏发电系统，由于可再生能源的不稳定性，导致其不能连续运行，因此，蓄能技术在光伏发电系统中有着非常重要的作用。在光伏发电系统中蓄能技术的作用如下：

1）负荷调节作用。能量存储装置可在电力系统的负荷低谷期充电，负荷高峰期放电。

2）负荷跟踪。超导蓄能系统、蓄电池蓄能系统和飞轮蓄能系统等通过电力电子接口，能够快速跟踪负荷的变化，从而减轻了大型发电机跟踪负荷的需要。

3）系统稳定。蓄能装置输出的有功功率和无功功率的迅速变化，可有效地对系统中的功率和频率振荡起到阻尼作用。

4）自动发电控制。具有AGC的蓄能装置可有效地减小区域控制误差。

5）旋转动能存储。具有电力电子接口的蓄能装置可迅速地增加其电能输出，可作为电力系统中的旋转动能，减少常规电力系统对旋转动能的需要。

6）VAR控制和功率因素校正。具有电力电子接口的蓄能装置，在快速提供有功功率的同时还可以提供迅速变化的无功功率。

7）黑启动能力。蓄能装置可以为孤岛运行的光伏发电设备提供启动时需要的电能。

8）增加发电设备的效率以减少其维护。蓄能装置跟踪负荷的能力可使光伏发电系统运行于恒定输出功率状态，使其发电设备运行于高效率的运行点，从而提高了总的发电效率、发电设备的维护间隔和使用寿命。

9）延缓了系统对新增输电容量的需要。在系统中适当的地区配置蓄能装置，在用电低谷期对它们充电，从而减少了输电线路的峰值负荷容量，有效地增加了输电线路的容量

10）延缓了系统对新增发电容量的需求。当蓄能装置削平了负荷峰值后，即减少了系统对调峰机组的容量的需要。

11）提高了发电设备的有效利用率。在用电高峰期，蓄能装置输出的电力可增加系统的总容量。

2.蓄电池蓄能

由于自然资源的特性，可再生能源用于发电时其功率输出具有明显的间歇性和波动性，其变化是随机的，容易对电网产生冲击，严重时会引发电网事故。为充分利用可再生能源并保障其供电可靠性，就要对这种难以准确预测的能量变化进行及时的控制和抑制，蓄能装置就是用来解决这一问题。蓄电池蓄能系统由蓄电池、逆变器、控制装置、辅助设备（安全、环境保护设备）等部分组成。

蓄电池组是离网太阳能光伏发电系统中的贮能装置，由它将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能贮存起来，以供负载应用。由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池才能使负载正常工作。太阳能电池产生的电能以化学能的形式储存蓄电池中，在负载需要供电时，蓄电池将化学能转换为电能供应给负载。

蓄电池的特性直接影响太阳能光伏发电系统的工作效率、可靠性和价格。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足负载用电的前提下，把白天太阳能电池组件产生的电能尽量存储下来，同时还要能够存储预定的连续阴雨天时用电负载需要的电能。蓄电池容量受到末端负载需用电量，日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的负载需用电量和连续无日照时间决定，因此蓄电池的性能直接影响着太阳能光伏发电系统的工作特性。

综合分析各种蓄电池的特性，由于铅酸蓄电池具有良好的性价比，而且能量密度也能达到系统设计的要求，因此在这些蓄电池之中，性价比很高的铅酸蓄电池最适合应用于光伏发电系统，铅酸蓄电池历史最悠久，应用依然十分广泛，铅酸蓄电池于1859年由普兰特（Plante）发明，至今已有150多年历史。一百多年来，铅酸蓄电池的工艺、结构、生产、性能和应用都在不断发展，科学技术的发展给古老的铅酸蓄电池带来蓬勃的生机。

铅酸蓄电池在近代有了重大改革，性能有了极大飞跃。主要标志是20世纪70年代研发的阀控密封式铅酸（Valve-Regulated Lead Acid Battery VRLA）蓄电池。美国Gates Energy Products Inc首创超细玻璃纤维吸液式全密封技术，从而发展了铅酸蓄电池。近十来年中，又进一步提高双极性VRLA蓄电池和水平式电极VRLA蓄电池性能。在双极性VRLA蓄电池中引入强力薄板两侧为正负活性物质的双极性电极，使内阻大大降低，从而大大提高比能量和充电速度，这种VRLA蓄电池能量高、成本低、寿命长（十年）、容量大（是普通铅酸蓄电池的二倍）、不漏液、安全、不污染、可回收、免维护、使用方便。对于新发展的双极性和水平式VRLA蓄电池，C/3放电比能量≥50Wh/kg，显示了优良的性能。

3.胶体铅酸蓄电池

胶体铅酸蓄电池简单的说就是使用胶体电解液的蓄电池。胶体铅酸蓄电池属于铅酸蓄电池的一种，其最简单的做法是在硫酸中添加胶凝剂，使硫酸电解液变为胶态。胶体铅酸蓄电池与普通铅酸蓄电池的区别不仅在于电液改为胶凝状，进一步发展至电解质基础结构的电化学特性研究，以及在板栅和活性物质中的应用推广。例如采用非凝固态的水性胶体铅酸蓄电池，从电化学分类和特性看同属胶体铅酸蓄电池。又如在板栅中使用高分子材料，俗称陶瓷板栅，是胶体铅酸蓄电池的特点。近期已有实验室在极板配方中添加一种靶向偶联剂，大大提高了极板活性物质的反应利用率。

胶体铅酸蓄电池为密封结构、电解液凝胶、无渗漏、充放电无酸雾、无污染，是国家大力推广应用的环保产品。胶体铅酸蓄电池最重要的特点为：放电曲线平直，拐点高，比能量特别是比功率要比普通铅酸蓄电池大20%以上，寿命一般也比普通铅酸蓄电池长一倍左右，充电接收能力强；自放电小，耐存放；过放电恢复性能好，大电流放电容量比普通铅酸蓄电池增加30%以上；低温性能好，高温特性稳定，满足65℃甚至更高温环境使用要求；循环使用寿命长，可达到800～1500充放电次，单位容量工业成本低于普通铅酸蓄电池，经济效益高。

胶体的质量和灌装工艺对胶体铅酸蓄电池的质量有重要的影响，而胶体铅酸蓄电池的设计、制造工艺和应用条件（尤其是充放电工艺）都制约着胶体铅酸蓄电池的性能。胶体的特性必须和蓄电池的结构及使用条件相互适用。密封蓄电池的结构和使用条件有利于胶体的稳定，胶体的特性使密封蓄电池的性能更加完美。现代优良的胶体铅酸蓄电池都是阀控式密封铅酸蓄电池（Valve-Regulated Lead Acid Battery，VRLA），而用普通铅酸蓄电池半成品不经改动制成的胶体铅酸蓄电池也是颇有争议的问题。

胶体灌装、凝胶稳定性和确保蓄电池容量是胶体铅酸蓄电池的三项关键技术。德国阳光公司生产的胶体铅酸蓄电池的胶体粘度很低，用常压自然法灌装胶体铅酸蓄电池。即使大型胶体铅酸蓄电池也像灌注稀硫酸一样灌满胶体铅酸蓄电池。胶体在蓄电池中充分凝胶，在极群内外上下都呈均匀的糊状凝胶，在胶体铅酸蓄电池整个寿命期间，完全没有液化现象，这是我国生产的胶体铅酸蓄电池很难做到的。阳光公司的技术是世界最先进的，其Dryfit系列胶体铅酸蓄电池安全可靠，寿命长，是世界上最优良的胶体铅酸蓄电池。但是，阳光公司生产的胶体铅酸蓄电池的比能量和大电流放电不及AGM-VRLA蓄电池（即采用超细玻璃纤维隔膜的阀控式密封铅酸蓄电池）。另外，阳光公司的极板化成工艺复杂，生产周期长，有的品种胶体铅酸蓄电池需经10次充放电循环才出厂，降低了生产效率，增大了产品成本，不利于大规模的产品开发和市场竞争。

阀控式密封铅酸蓄电池通过两种方式来固定电解液，一种为通过AGM来固定电解液。另外一种为胶体结构，即通过胶体来固定电解液。但是美国的C&D技术公司将两种方式结合起来固定电解液，称为复合技术。在胶体铅酸蓄电池的定义中，只提到电解液为凝胶状(比较直观的认识为果冻状)，没有对隔板的使用做出规定，所以只要使用凝胶来固定电解液的蓄电池就可称为胶体铅酸蓄电池。

不管使用液态二氧化硅和气相二氧化硅，其成胶的原理是相同的，它们之间存在粒径和纯度的差异，所以加入蓄电池后，对蓄电池的性能有比较大的影响。凝胶的强度与二氧化硅的含量和酸的含量成正比，强度越大，其水化和破裂的可能性越小。

蓄电池的内阻与胶体中的二氧化硅的含量成正比，所以胶体铅酸蓄电池的高倍率性能(3C以上)比相同的结构的AGM-VRLA蓄电池差，但额定容量比相同结构的AGM-VRLA蓄电池大5～10%。使用PVC-SiO2或者酚醛树酯等专用隔板的胶体铅酸蓄电池，由于二氧化硅的含量的关系，使其额定容量比AGM-VRLA蓄电池小一些。如使用PVC或PE做隔板，二氧化硅的含量要相当高才能形成稳定的胶体。用复合技术生产的胶体铅酸蓄电池，其浮充寿命为相同结构的AGM-VRLA蓄电池的1.5～2倍，循环能力可以提高20%。

国际上的生产铅酸蓄电池的大公司几乎都生产胶体铅酸蓄电池，如：德国的阳光、哈根，美国的DEKA，Trojan，Exide，SEC等，但日本的YUASA不生产胶体铅酸蓄电池，但其UXL系列蓄电池中有胶体成分，其主要作用是为了减轻电解液的分层现象。在应用方面主要在太阳能、动力蓄电池等方面，其市场比较大，价格比AGM-VRLA蓄电池高20%左右。