对于大多数可再生能源系统而言,最重要的电池特性是电池寿命、放电深度和电池的维护要求。这组参数及其与充电方式、温度和使用年限的相互关系如下所述。
放电深度和电池容量
放电深度和电池容量是光伏系统电池组设计中的一个基本参数,因为可以从电池中提取的能量是通过将电池容量乘以放电深度得出的。电池分为深循环或浅循环电池。深循环电池的放电深度将大于 50%,并且可能高达 80%。为了达到相同的可用容量,浅循环电池组必须具有比深循环电池组更大的容量。
除了放电深度和电池额定容量外,瞬时或可用电池容量还受电池放电率和电池工作温度的强烈影响。低于约 20°C 时,电池容量每度下降约 1%。然而,高温对于电池来说也不是理想的,因为它们会加速老化、自放电和电解液的使用。下图显示了电池温度和放电率对电池容量的影响。
电池寿命
随着时间的推移,电池容量会因电池硫酸化和活性材料脱落而降低。电池容量的下降很大程度上取决于以下参数之间的相互关系:
- 电池经历的充电/放电状态
- 电池在其生命周期内的 DOD
- 长时间处于低放电状态
- 电池在其生命周期内的平均温度
下图显示了作为浅循环铅酸电池的循环次数和放电深度的电池功能演变。即使在 DOD 超过 50% 的情况下,深循环铅酸电池也应该能够保持超过 1,000 次的循环寿命。
除 DOD 外,充电方式在确定电池寿命方面也起着重要作用。电池过度充电或充电不足会导致活性物质脱落或电池硫酸化,从而大大缩短电池寿命。
对电池充电的最终影响与电池温度有关。虽然铅酸电池的容量在低温运行时会降低,但高温运行会增加电池的老化率。
550 Ah 铅酸电池在不同放电速率下的恒流放电曲线,每个电池的极限电压为 1.85V (Mack, 1979)。更长的放电时间提供更高的电池容量。
维护要求
电池中氢气和氧气的产生和逸出会导致失水,因此必须定期更换铅酸电池中的水。电池系统的其他组件不需要定期维护,因此失水可能是一个严重的问题。如果系统位于偏远地区,则检查失水可能会增加成本。免维护电池通过防止或减少从电池中逸出的气体量来限制定期注意的需要。然而,由于电解液的腐蚀性,所有电池在某种程度上都会在光伏系统中引入额外的维护组件。
电池效率
铅酸电池通常具有 85% 的库仑效率和大约 70% 的能量效率。
铅酸电池配置
根据特定应用最关注上述问题中的哪一个,对基本电池配置进行适当修改可提高电池性能。对于可再生能源应用,上述问题将影响放电深度、电池寿命和维护要求。对电池的更改通常涉及以下三个基本领域之一的修改:
- 电极成分和几何形状的变化
- 电解质溶液的变化
- 修改电池外壳或端子,以防止或减少产生的氢气逸出。