西藏高寒地區(qū)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)蓄電池壽命研究

文_諾桑 胡貴軍 措加旺姆 晉亞銘 拉瓜登頓 西藏大學(xué)太陽紫外線實(shí)驗(yàn)室

1 西藏高寒地區(qū)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)及其儲(chǔ)能電池的現(xiàn)狀研究

1.1 西藏高寒地區(qū)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)發(fā)展研究

在2013年至2018年，伴隨著光伏發(fā)電技術(shù)的成熟和西藏優(yōu)厚的電價(jià)補(bǔ)貼和備案制等政策的實(shí)施，各大電力企業(yè)競相在西藏投資建設(shè)并網(wǎng)光伏電站，一時(shí)間大型光伏電站在西藏遍地開花。但在2013年前，太陽能在西藏的開發(fā)多應(yīng)用在民生領(lǐng)域，解決農(nóng)牧民的基本用電問題。由于西藏地廣人稀，村落之間相距太遠(yuǎn)，農(nóng)村電網(wǎng)覆蓋時(shí)投資規(guī)模大、建設(shè)難度大、建設(shè)進(jìn)度慢。

在偏遠(yuǎn)的牧區(qū)，解決基本用電采用太陽能發(fā)電，屬于離網(wǎng)系統(tǒng)。發(fā)電模式主要有太陽能戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽能光伏電站、太陽能路燈。太陽能戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)主要供牧民家庭基本用電；太陽能光伏電站主要供人口規(guī)模較大的村、鎮(zhèn)使用，滿足政府、醫(yī)院、學(xué)校和居民的基本用電需求；太陽能路燈主要應(yīng)用在村落、學(xué)校、醫(yī)院、政府、社區(qū)、市政道路等區(qū)域。

儲(chǔ)能系統(tǒng)是太陽能光伏離網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵和短板，直接制約著離網(wǎng)系統(tǒng)的整體壽命。在西藏，蓄電池在太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用中，鉛酸蓄電池用量超過90%，鋰離子電池用量不足10%。

政府主導(dǎo)的西藏金太陽工程和無電地區(qū)電力建設(shè)項(xiàng)目、人居環(huán)境改善工程在農(nóng)牧區(qū)相繼建設(shè)超過500座光伏電站和22萬套太陽能戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)以及8萬盞太陽能路燈，其在改善西藏農(nóng)牧民基本用電方面發(fā)揮了巨大的作用，是改善民生的重要方式，實(shí)用性很強(qiáng)，深受農(nóng)牧民的喜愛。

根據(jù)多次的調(diào)研和實(shí)地運(yùn)維實(shí)測，離網(wǎng)太陽能系統(tǒng)中的儲(chǔ)能單元在西藏運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的實(shí)際問題，主要是壽命問題和使用效果問題兩個(gè)方面。并且不同品牌廠家生產(chǎn)的鉛酸蓄電池使用效果參差不齊。其中山東圣陽電源股份有限公司使用效果最好，市場份額占比超過50%，其它如江蘇歐力特、華富等品牌占有一定比例。

1.2 西藏戶用光伏系統(tǒng)的使用情況研究

西藏農(nóng)牧區(qū)的戶用系統(tǒng)主要采用12V150Ah的鉛酸蓄電池，雖然笨重，但是其低溫效應(yīng)優(yōu)于鋰離子電池，最適合在西藏使用。由于戶用系統(tǒng)在西藏大規(guī)模使用，通過調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)，小功率慢放電可以延緩蓄電池衰老；例如村里的貧困戶家里人口少，電器少，戶用系統(tǒng)使用7、8年仍然完好如初；村里富裕的家庭，人口多，電器多功率大，戶用系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行的后果是2年之內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)蓄電池?zé)o法儲(chǔ)電的狀況。對(duì)調(diào)查進(jìn)行總體分析，發(fā)現(xiàn)控制大功率用電器的使用，可以延緩蓄電池衰老。例如使用大功率電器的家庭，使得蓄電池長期深度放電，往往2年后戶用系統(tǒng)無法使用。另外，在管理方面，多數(shù)農(nóng)牧民將戶用系統(tǒng)的控制逆變一體機(jī)放置在墻角或者窗臺(tái)下，這些地方溫度最低，不利于蓄電池的充放電，有些牧民將一體機(jī)放置在火爐附近，使用效果和壽命最佳。

1.3 西藏光伏電站中蓄電池的使用與管理情況研究

根據(jù)供區(qū)內(nèi)用電量的不同，西藏光伏電站選擇110只2V600Ah～2V2000Ah鉛酸蓄電池組成1組供電單元，多組供電單元形成電站儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)置于蓄電池房內(nèi)，有些蓄電池房采用被動(dòng)式太陽房結(jié)構(gòu)，目的是冬季寒冷時(shí)可以利用陽光提高室內(nèi)溫度，對(duì)提高蓄電池活性的效果很好，但是夜晚僅僅靠厚厚的墻壁延緩散熱，效果一般。由于被動(dòng)式太陽房造價(jià)比普通磚混結(jié)構(gòu)房屋高，施工企業(yè)為節(jié)省成本，后期項(xiàng)目中電站控制室和蓄電池房都使用普通磚混結(jié)構(gòu)，保溫效果較差，對(duì)蓄電池充放電不利。

管理方面，由于西藏離網(wǎng)電站管理員管理知識(shí)和能力極為有限，私拉亂接，改變供電線路，頻繁開關(guān)機(jī)或者強(qiáng)制開機(jī)是導(dǎo)致電站整體使用壽命大大下降的最主要的人為因素。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，如果電站建成通過驗(yàn)收后，各項(xiàng)質(zhì)量達(dá)標(biāo)，無人管理或少干涉、并按照規(guī)程用電的村落電站，電站自主運(yùn)行4年不會(huì)出現(xiàn)任何問題，甚至7年之后仍可以正常供電。相反，有些電站雖然有管理員，但常常被改造和維修的電站，往往電站運(yùn)行2年后癱瘓。

1.4 影響西藏光伏系統(tǒng)蓄電池壽命因素

影響蓄電池壽命的因素中放電速度最為重要，放電速度慢（10小時(shí)率），放電深度淺（30%），蓄電池壽命最長；反之，放電速度快（2小時(shí)率），放電深度深（70%），蓄電池壽命最短。影響蓄電池儲(chǔ)電量和放電量的因素中溫度最為重要，低溫（低于-10℃）和超低溫，蓄電池儲(chǔ)電能力和放電能力快速衰減；溫度保持在10～30℃時(shí)，蓄電池儲(chǔ)電能力和放電能力最佳；超過30℃蓄電池需要散熱，否則容易引發(fā)安全事故。

在西藏，蓄電池需要考慮保溫而非散熱，最重要的是引導(dǎo)農(nóng)牧民合理合規(guī)使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)，這是保障太陽能發(fā)電系統(tǒng)長期穩(wěn)定使用的關(guān)鍵所在。通過各地區(qū)比較，阿里地區(qū)的太陽能電站和戶用系統(tǒng)運(yùn)行總體上好于那曲地區(qū)。其主要原因是溫度，阿里氣溫總體比那曲高，這有利于儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電的進(jìn)行；相反，那曲地區(qū)常年低溫、大風(fēng)，在離網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境很惡劣。因此，分析環(huán)境對(duì)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)（包括儲(chǔ)能電池）的影響顯得非常必要。

2 環(huán)境對(duì)離網(wǎng)光伏系統(tǒng)（包括儲(chǔ)能電池）的影響

2.1 環(huán)境對(duì)光伏組件輸出充電特性的影響

光伏系統(tǒng)的發(fā)電輸出隨環(huán)境變化呈現(xiàn)出隨機(jī)波動(dòng)性，這對(duì)光伏發(fā)電造成很大影響，因此研究不同的環(huán)境下的光伏組件出力特性對(duì)于離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的發(fā)電具有重要意義。光伏組件的輸出主要受到太陽光譜、輻照強(qiáng)度與溫度的影響，特別是受到太陽光輻照強(qiáng)度的影響最大。光伏系統(tǒng)的發(fā)電與輸出特性主要受到光伏組件表面所接收到的太陽輻射總量來定，而太陽電池的轉(zhuǎn)換效率又受到環(huán)境溫度的影響。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的理想模型的分析，太陽電池接收到的光譜基本不會(huì)有變化，而太陽電池的輸出主要受到太陽輻照度與太陽電池溫度的影響。溫度對(duì)晶硅太陽電池性能影響較大，當(dāng)組件溫度升高時(shí)，組件工作效率下降。光伏組件工作溫度升高，其開路電壓減小。在20～80℃范圍內(nèi)，每升高1℃，電池片的輸出電壓降低2mV，對(duì)于60片電池光伏組件而言，組件輸出電壓下降120mV左右。光生電流隨溫度上升而變大，每升高1℃，電池片的光生電流升高0.03mA/℃.cm2?？偟膩碚f，溫度升高導(dǎo)致光伏組件的功率下降，典型光伏電池的溫度系數(shù)為-0.35%/℃，則太陽電池溫度升高1℃，功率損失0.35%。

太陽光輻照是太陽電池的能量來源，決定這光伏組件的輸出功率的大小。太陽輻照度與光伏組件的電流成正比，當(dāng)輻照強(qiáng)度在150～1000W/cm2范圍內(nèi)變化時(shí)，光伏組件的輸出與太陽光輻照為線性關(guān)系。太陽輻照度對(duì)光生電壓的影響很小。當(dāng)太陽輻照度在400～1000W/cm2范圍內(nèi)變化時(shí)，光伏組件的開路電壓基本不變，因此光伏組件的輸出功率與輻照度基本成正比。

結(jié)合高寒高海拔地區(qū)的溫度計(jì)太陽光輻照特性，光伏組件的輸出將會(huì)一直在高功率狀態(tài)下輸出，因此在離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，光伏充電電流相對(duì)較大。

2.2 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)充放電控制策略

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件是太陽能電池板。它將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并通過控制器把產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)于蓄電池中。當(dāng)負(fù)載用電時(shí)，蓄電池中的電能通過控制器合理的分配到各個(gè)負(fù)載上。太陽能電池所產(chǎn)生的電流為直流電，可以直接以直流電的形式應(yīng)用，也可以用交流逆變器將電能轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負(fù)載使用。太陽能發(fā)電的電能能即發(fā)即用，也可以用蓄電池等儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)使用。

在離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏控制器是光伏系統(tǒng)的重要能量轉(zhuǎn)換單元，因此控制器的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于光伏系統(tǒng)充電過程發(fā)揮著非常重要的作用。目前市面上主流的光伏控制器均具有快速充電控制功能。通過帶有最大功率點(diǎn)跟蹤功能的快充、比例積分PI調(diào)節(jié)的恒壓過充和恒壓浮充及溫度補(bǔ)償?shù)裙δ鼙ＷC光伏組件輸出的電能進(jìn)入到蓄電池中。

光伏控制器通過快充加浮充的充電策略組合，保障蓄電池的充電過程在盡量高的充電效率下執(zhí)行。在快充階段，蓄電池的受電能力較強(qiáng)，可用較大的充電電流進(jìn)行充電，因此光伏控制器采用最大功率點(diǎn)跟蹤策略，最大限度地利用光伏組件的能量。但是充電電流也不宜過大，否則會(huì)導(dǎo)致蓄電池的溫度過高和活性物質(zhì)脫落，影響蓄電池的壽命。快充過程中，蓄電池的充電電流不斷減小，光伏組件的輸出功率也不斷變小。光伏控制器檢測蓄電池的充電電流，當(dāng)充電電流減小到浮充轉(zhuǎn)換限制時(shí)，過充截止，此時(shí)可認(rèn)為蓄電池已充滿，進(jìn)入浮充階段。浮充的目的為了給蓄電池一個(gè)很小的電流，補(bǔ)充蓄電池自放電的損失。

現(xiàn)有光伏控制器通過其充放電控制策略能夠保證蓄電池最大限度地接收光伏組件的輸出電流。現(xiàn)有離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)多數(shù)采用容量配合設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行綜合配置，以5kW離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，儲(chǔ)能多數(shù)采用8塊12V100AH或12V150AH鉛酸蓄電池，蓄電池儲(chǔ)能直流側(cè)電壓為48V。在高寒高海拔地區(qū)，低溫和高輻照非常有利于光伏組件的輸出，在峰值狀態(tài)下5kW光伏組件的輸出功率可以達(dá)到5kW。光伏控制器保障光伏系統(tǒng)的最大功率輸出，因此蓄電池的充電電流最大可達(dá)到104A。對(duì)于100AH蓄電池或150AH蓄電池，104A充電電流屬于大電流充電狀態(tài)，因此論述大電流充電對(duì)于蓄電池的壽命的影響具有重要意義。

2.3 大電流對(duì)蓄電池充放電的影響

蓄電池的壽命會(huì)受到溫度、過充過放、小電流浮充等狀態(tài)的影響較大，大電流的充電過程對(duì)蓄電池的壽命也有較大影響。

在相同時(shí)間內(nèi)，大電流充電比小電流充電損傷更大。大電流充電時(shí)，在蓄電池內(nèi)部固液交界處形成硫酸鉛的過飽和度大，從而形成硫酸鉛晶體成電。這樣不僅容易堵塞極板微孔，又易堵塞隔板微孔，容易生成枝晶。形成的微晶在放電時(shí)容易脫落，對(duì)電池會(huì)造成傷害。由于隔板堵塞，硫酸的擴(kuò)散速度降低，只能達(dá)到淺層，促使更多的β-PbO2放電轉(zhuǎn)化，造成極板軟化。

在大電流充電過程中，蓄電池溫度升高較快。溫度較低時(shí)，控制器會(huì)過早關(guān)斷，此時(shí)蓄電池處于未充滿狀態(tài)，長期會(huì)影響蓄電池的使用容量。蓄電池的浮充電流對(duì)溫度非常敏感，溫度每變化10℃，電流會(huì)成倍變化。長時(shí)間大電流充電式，溫度升高會(huì)影響浮充狀態(tài)，在一定程度上會(huì)造成蓄電池過充狀態(tài)，大大降低了蓄電池的壽命。

3 結(jié)論

通過對(duì)光伏組件的輸出特性、光伏控制器控制策略及蓄電池影響因素的分析，高寒高海拔地區(qū)的低溫高輻照環(huán)境非常有利于光伏組件的輸出。目前標(biāo)準(zhǔn)離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要為保證系統(tǒng)處于最大功率輸出狀態(tài)，因此光伏充電電流一直處于大電流狀態(tài)。低溫環(huán)境會(huì)影響蓄電池的儲(chǔ)能容量，但是大電流充電過程中，蓄電池的溫度升高，這也就極易造成蓄電池進(jìn)入過充狀態(tài)。綜上所述，高寒高海拔地區(qū)的光伏用蓄電池壽命較短，除了受到環(huán)境因素影響之外，光伏組件的大電流充電對(duì)蓄電池的壽命也造成了巨大影響。鉛酸蓄電池在西藏牧區(qū)的大量使用，必然會(huì)帶來處置不妥當(dāng)造成的草場污染的嚴(yán)重問題，對(duì)老舊電池進(jìn)行修復(fù)十分必要。