第三章 储 能(铅酸蓄电池).doc

第3章储能电力比其他类型的动力更为通用,因为它是一种非常规则的能量,能够高效地转换为其他形式。例如,它能够以近100%的效率转换为机械能或者以100%的效率转换为热。然而,热能却不能以如此高的效率转换为电能,因为它在原子意义上不是一种规则的能量。因此,对于一个典型的化石燃料热电厂,其热力到电力的总体转换效率不到50%。电力的缺点是不易于大规模存储。对于几乎所有目前使用的电能,其消耗量就是发电量。这使得传统电厂没有什么困难,其燃料消耗量随着负荷需求连续变化。风力和光伏(PV)都是间歇的电源,不能全时满足负荷需求,每天24小时,一年365天。因此,储能成为一个必备的特征以配合这种电力系统,孤立电厂尤为如此。它能够显著改善负荷可用性,这对任何电力系统来说都是一个关键要求。目前和将来的一些储能技术,可以考虑将之用于孤立的风电或光伏电力系统,归为以下几大类:电化学电池、飞轮、压缩空气和超导线圈。3-1蓄电池蓄电池以电化学形式存储能量,是各种储能应用技术中使用最为泛的元件。电化学能是一种半规则形态,介于电形态和热形态之间。它具有85%~90%的单向转换效率。电化学蓄电池有两种基本类型:一次蓄电池,将化学能转换为电能。一次蓄电池中的电化反应是不可逆的,当完全放电后,蓄电池即被废弃。因此,它用于高能量密度且一次性使用的场合。次级蓄电池,也被称作可充电蓄电池。次级蓄电池中的电化反应是可逆的,放电后,可通过外部电源注入直流电流,实现再充电。在放电模式时,这种蓄电池将化学能转换为电能;充电模式时,将电能转化为化学能。两种模式下,一小部分能量转化为热,耗散到周围媒介中。双程转换效率介于70%~80%之间。典型的电化学电池单元有正、负电极板,二者之间是绝缘隔板和化学电解液。两组电极板连接到安装在壳体上的外部端子。电池单元存储电化学能的电势较低,通常是几伏。蓄电池是通过许多电化学电池单元串并联形成的,从而获得所需的蓄电池电压和电流。蓄电池电压越高,串联的单元就越多。蓄电池的额定值用放电过程中的平均电压和在电压降低到给定限值之前能送出的安时容量来表达。电压和安时的乘积得到瓦时(wh)额定值,即蓄电池能够从满充电后能够释放给负荷的功率。蓄电池充放电的额定值用容量的单位Ah来表述。例如,以c/10的速率为一个100Ah的蓄电池充电,意味着以100/10=10A充电。以C/2的速率放电意味着抽取100/2:50A的电流,蓄电池将在2h完全放电。蓄电池在任一时刻的充电状态(SOC)定义为3-2蓄电池的种类现在,至少有如下6种主要的可充电的电化介质:铅一酸(Pb-acid)、镍一镉(Nicd)、镍一金属氢化物(NiMH)、锂一离子(Li—ion)、锂一聚合物(Li-poly)和锌一空气。美国高级蓄电池联盟正在为多种应用场合研发新的电化学介质,比如电动汽车、航天器以及公共负荷水平测量,当然,也包括可再生电力系统。放电过程中的平均电压依赖于电化学介质。各种蓄电池的能量密度,以单位质量和单位体积的wh容量来衡量。对于给定的应用场合,电化学介质的选择就是优化性价比。这些电化学介质的一些构造和运行特点,在接下来的几个小节中介绍。3-2-1铅酸蓄电池虽然相同重量和体积时,铅酸蓄电池的能量密度是最低的,但因其成熟度和高性价比,所以它是当前可充电蓄电池中应用最为广泛的类型。铅酸蓄电池放电时生成水和硫酸铅,水会稀释硫酸电解液,电解液的特征重量随着soc的减少而减少。充电会逆转这种反应,在正负极板上分别形成铅和二氧化铅,蓄电池恢复到原初的已充电状态。铅酸蓄电池有多种形式。浅循环的形式用于汽车,发动引擎时会从蓄电池中抽取短促的能量脉冲;另外一种,深循环的形式则适用于反复全充放电的场合,大多数储能应用的场合需要深循环蓄电池。铅酸蓄电池也可以借助添加剂制成密封的“凝胶单元”的形式,添加剂会将电解液变成不会溢出的凝胶。因此,凝胶单元蓄电池能够侧面安装或者上下颠倒安装。然而,高成本将其应用限制在军事航空电子领域。3-2-2镍-镉蓄电池NiCd是成熟的电化学介质,其正极由镉制成,负极由氢氧化镍制成。两个电极被尼龙隔板隔开,置于氢氧化钾电解质中,外面是不锈钢壳体。NiCd蓄电池具有密封的电池单元,重量仅有传统铅酸电池的一半,所以大多数可充电用户的场合都采用这种电池。与铅酸电池相比,它具有更长的深循环寿命,对温度忍耐力更强。然而,这种电化学介质存在记忆效应(稍后阐述),电池在长时问不用的时候容量会有所降低。此外,最近镉已经属于环境管理条例的审查之列。由于以上原因,在笔记本电脑和其他类似的高端消费电子产中,NiCd正在被NiMH和Li-ion(锂离子)蓄电池所取代。3-2-3镍-金属氢化物蓄电池NiMH是NiCd技术的延伸,它在能量密度方面比Nicd有所提高,构造上主要的区别在于阳极是由金属氢化物制成的