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        西藏光伏鉛酸電池修復(fù)

        2019-02-20 05:25:20胡貴軍措加旺姆晉亞銘拉瓜登頓
        中國資源綜合利用 2019年1期
        關(guān)鍵詞:酸蓄電池端電壓靜置

        胡貴軍,諾 桑,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,拉薩 850000)

        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。西藏是全國太陽能資源最豐富的地區(qū),在西藏太陽能光伏系統(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%。目前,全區(qū)戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的鉛酸蓄電池已超過50 萬只。然而,使用最廣泛的12 V/150 Ah型閥控密封式鉛酸蓄電池,由于高寒、使用不當(dāng)?shù)纫蛩?,容易硫化[1]。大量廢舊或老化的鉛酸電池對(duì)西藏自然環(huán)境形成潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)[2]。

        鉛酸電池修復(fù)技術(shù)不僅能夠適當(dāng)延長(zhǎng)電池的使用壽命,也能夠消除部分污染風(fēng)險(xiǎn)。目前,鉛酸電池的修復(fù)研究仍處于探索階段。傳統(tǒng)使用化學(xué)藥劑法修復(fù)開口式鉛酸電池,主要是增加液體,使蒸發(fā)的液體得到補(bǔ)充,達(dá)到修復(fù)目的。但是,對(duì)閥控密封式鉛酸蓄電池一般使用電脈沖修復(fù)技術(shù),使沉積在極板上的硫化物分解活化,重新溶解到電解液,參與化學(xué)反應(yīng),達(dá)到修復(fù)目的[3]。

        目前,對(duì)西藏高寒高海拔地區(qū)光伏系統(tǒng)使用的蓄電池進(jìn)行修復(fù)再利用的研究基本處于空白。本文采用低頻正負(fù)脈沖法對(duì)西藏光伏系統(tǒng)鉛酸電池進(jìn)行了修復(fù)研究,這種方式無需拆開電池,也不需要補(bǔ)加電解液,操作簡(jiǎn)單,更重要的是可以防止修復(fù)過程中電池升溫爆裂[4]。本研究為西藏高寒高海拔地區(qū)鉛酸蓄電池的修復(fù)研究奠定一定基礎(chǔ),延長(zhǎng)了蓄電池的壽命,提高資源利用率。

        1 光伏蓄電池修復(fù)方法

        1.1 修復(fù)儀器

        本試驗(yàn)研究主要利用CD-4 系列智能鉛酸電池檢測(cè)與修復(fù)儀,屬于佛山市藍(lán)光科技有限公司產(chǎn)品,是一款多功能蓄電池檢測(cè)與修復(fù)設(shè)備,具有四路獨(dú)立高精度電子負(fù)載恒流放電單元,四路獨(dú)立正負(fù)脈沖充電電源,能高效執(zhí)行蓄電池修復(fù)和除硫化工作,如圖1所示。

        試驗(yàn)輔助儀器是“全保護(hù)智能蓄電池檢測(cè)儀”,屬于深圳市驛生勝利科技有限公司產(chǎn)品,可實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的容量和內(nèi)阻。其他設(shè)備分別是溫度計(jì)、萬用表。

        圖1 CD-4 系列智能鉛酸電池檢測(cè)與修復(fù)儀

        1.2 被修復(fù)電池

        試驗(yàn)蓄電池取自拉薩尼木縣續(xù)邁鄉(xiāng)霍德村,為已運(yùn)行6年的12 V/150 Ah、20HR 型號(hào)閥控密封式鉛酸蓄電池(2012年1月生產(chǎn),作為試驗(yàn)組),經(jīng)過實(shí)地調(diào)研,筆們了解到,試驗(yàn)電池常年使用,用于照明和電視機(jī)等小功率家電,屬于小電流放電。選用與修復(fù)電池同廠家同規(guī)格同型號(hào)的新電池作為對(duì)比組(2018年5月生產(chǎn)),如圖2、圖3所示。

        圖2 舊鉛酸蓄電池(實(shí)驗(yàn)組)

        圖3 新鉛酸蓄電池(對(duì)比組)

        2 修復(fù)結(jié)果

        試驗(yàn)采用正負(fù)3.5 V 低頻脈沖電流在同一只鉛酸蓄電池上以進(jìn)行3 次除硫活化修復(fù),對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表分析。

        試驗(yàn)開始前,測(cè)定試驗(yàn)電池端電壓12.795 V,放電至10.5 V 時(shí)輸出容量90.66 Ah,實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度18~20℃,海拔3 650 m。

        2.1 第1 輪活化修復(fù)

        第1 輪活化試驗(yàn)采用“修復(fù)充電-修復(fù)放電”模式,每10 min 記錄一次參數(shù)。

        圖4 第1 輪活化試驗(yàn)之修復(fù)充電

        在第1 輪修復(fù)充電中,10 min 實(shí)時(shí)記錄一次電池端電壓(V),如圖4所示,可以看出,修復(fù)充電至1 230 min,電壓為13.492 V 時(shí),電池端電壓開始快速升高,經(jīng)過1 380 min 的修復(fù)充電,電池實(shí)時(shí)端電壓達(dá)到16.512 V,總耗時(shí)2 610 min。圖4中第1 490 min、第1 750 min、第2 210 min 開始的電壓快速上升源自系統(tǒng)斷電重啟后,儀器電壓對(duì)蓄電池的擾動(dòng)。

        圖5 第1 輪活化試驗(yàn)之修復(fù)放電

        在第1 輪修復(fù)充電后,蓄電池靜置24 h,進(jìn)行第1 輪的修復(fù)放電。10 min 實(shí)時(shí)記錄一次電池端電壓(V)和輸出容量(Ah),如圖5所示??梢钥闯觯?jīng)過24 h 的靜置,蓄電池端電壓自然回落至13.169 V,以10 A 的恒定電流進(jìn)行修復(fù)放電,從圖中可以看出,經(jīng)過600 min 的放電,共輸出容量100.4 Ah;電池端電壓經(jīng)歷短暫的10 min 后降至12.5 V,之后經(jīng)歷590 min 將至11 V,隨后驟降至10.5 V,修復(fù)放電結(jié)束[5]。本圖中第400 min、第510 min 的電壓突起源自系統(tǒng)斷電重啟后,儀器電壓對(duì)蓄電池的擾動(dòng)。

        2.2 第2 輪活化修復(fù)

        第2 輪活化試驗(yàn)同樣采用“修復(fù)充電-修復(fù)放電”模式,每10 min 記錄一次參數(shù)。

        圖6 第2 輪活化試驗(yàn)之修復(fù)充電

        在第2 輪修復(fù)充電中,10 min 實(shí)時(shí)記錄一次電池端電壓(V),如圖6所示,可以看出,修復(fù)充電至1 970 min,電壓為14.67 V 時(shí),電池端電壓快速升高,經(jīng)過340 min 的修復(fù)充電,電池實(shí)時(shí)端電壓達(dá)到16.54 V,總耗時(shí)2 310 min。圖6中第380 min、第560 min、第1 050 min、第1 710 min、第2 270 min 的電壓下陷源自系統(tǒng)斷電后鉛酸蓄電池電壓自然衰減,靜置24 h 重啟,儀器電壓對(duì)蓄電池的擾動(dòng),使電壓快速回升至下降前水平。

        圖7 第2 輪活化試驗(yàn)之修復(fù)放電

        在第2 輪修復(fù)充電后,蓄電池靜置24 h,進(jìn)行第2 輪的修復(fù)放電。間隔10 min 實(shí)時(shí)記錄一次電池端電壓(V)和輸出容量(Ah),如圖7所示。可以看出,蓄電池靜置24 h 后,端電壓自然回落至12.92 V,以10 A 的恒定電流進(jìn)行修復(fù)放電,電池端電壓經(jīng)歷短暫的10 min 后降至12.49 V,之后經(jīng)歷590 min 將至11 V,隨后驟降至10.5 V,經(jīng)過600 min 的放電,共輸出容量100.4 Ah。本圖中第430 min、第580 min 的電壓突起源自系統(tǒng)斷電重啟后,儀器電壓對(duì)蓄電池的擾動(dòng)。

        2.3 第3 輪活化修復(fù)

        第3 輪活化試驗(yàn)采用“修復(fù)充電-放電”模式,每10 min 記錄一次參數(shù)。

        圖8 第3 輪活化試驗(yàn)之修復(fù)充電

        在第3 輪修復(fù)充電中,10 min 實(shí)時(shí)記錄一次電池端電壓(V),如圖8所示,可以看出,修復(fù)充電至1 850 min,電壓為14.49 V 時(shí),電池端電壓快速升高,經(jīng)過360 min 的修復(fù)充電,電池實(shí)時(shí)端電壓達(dá)到16.293 V,總耗時(shí)2 210 min。

        圖8中,第120 min、第1 320 min 的電壓下降后快速上升形成的凹陷源自系統(tǒng)斷電重啟后,儀器電壓對(duì)蓄電池的擾動(dòng)。

        圖9 第3 輪放電中電池端電壓的衰落情況

        在第3 輪修復(fù)充電后,蓄電池靜置120 h 進(jìn)行放電試驗(yàn)。1 小時(shí)實(shí)時(shí)記錄一次電池端電壓(V)和輸出容量(Ah)和內(nèi)阻(mΩ)。由圖9可以看出,經(jīng)過120 h 的靜置,蓄電池端電壓自然回落至13.09 V,已經(jīng)接近新電池的端電壓。以10 A 的恒定電流進(jìn)行放電,電池端電壓1 h 后降至12.4 V,之后經(jīng)歷8 h降至11.56 V,隨后在第10.6 h 快速降至10.5 V,放電結(jié)束。

        圖10 第3 輪活化試驗(yàn)中放電時(shí)電池內(nèi)阻變化

        在第3 輪修復(fù)充電后,蓄電池靜置120 h 進(jìn)行放電試驗(yàn)。1 h 實(shí)時(shí)記錄一次電池端電壓(V)、輸出容量(Ah)和內(nèi)阻(mΩ)。以10 A 的恒定電流進(jìn)行放電,電池內(nèi)阻由初始的3.53 mΩ 上升至7.14 mΩ,如圖10所示。

        圖11 第3 輪放電時(shí)的輸出容量

        在第3 輪修復(fù)充電后,蓄電池靜置120 h 進(jìn)行放電試驗(yàn)。1 h 實(shí)時(shí)記錄一次電池端電壓(V)、輸出容量(Ah)和內(nèi)阻(mΩ)。以10 A 的恒定電流進(jìn)行放電,共放電10 h 39 min,輸出容量108.15 Ah。

        2.4 對(duì)比分析

        本次試驗(yàn)通過將新舊蓄電池在相同條件下進(jìn)行放電,比較輸出容量、內(nèi)阻變化曲線和電壓變化曲線等性態(tài),對(duì)比分析修復(fù)后蓄電池的狀態(tài),綜合得出舊蓄電池的修復(fù)效果。

        2.4.1 修復(fù)前后對(duì)比

        從3 輪修復(fù)充電圖可以直觀看出,隨著修復(fù)充電次數(shù)的增加,電池端電壓的變化越來越連續(xù)和平滑。

        從表1可以看出,隨著修復(fù)次數(shù)的增加,初始時(shí)刻電壓有所提高,修復(fù)至結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間逐漸縮短;修復(fù)充電圖中,電壓快速上升時(shí)刻和電壓比較接近。

        表1 修復(fù)充電中轉(zhuǎn)折時(shí)刻電壓值

        表2 每輪修復(fù)的效果

        從表2可以看出,第1 輪和第2 輪修復(fù)放電所用時(shí)間基本相同,輸出容量基本相同;第2 次修復(fù)充電后未進(jìn)行修復(fù)放電,而是進(jìn)行放電,以進(jìn)行修復(fù)效果檢驗(yàn)。試驗(yàn)表明,經(jīng)過3 輪的修復(fù),使12 V/150 Ah閥控密封式鉛酸蓄電池輸出容量增加19.29%。

        2.4.2 新舊蓄電池對(duì)比

        通過新電池與修復(fù)后舊蓄電池的橫向?qū)Ρ?,人們可以?jiǎn)便地判斷修復(fù)后舊蓄電池的性態(tài)和壽命[6]。

        圖12 新電池放電時(shí)電池端電壓衰落(對(duì)比組)

        圖9與圖12比較可知,放電期間,修復(fù)電池電壓平穩(wěn)下降區(qū)間為11.56~12.40 V;新電池電壓平穩(wěn)下降區(qū)間為11.24~12.56 V;修復(fù)電池和新電池電壓均在平穩(wěn)期后快速下降到10.50 V。

        圖13 新電池放電時(shí)電池內(nèi)阻變化(對(duì)比組)

        圖10與圖13比較,放電期間,修復(fù)后電池內(nèi)阻基本穩(wěn)定在4.1 mΩ 上下,穩(wěn)定時(shí)間4 h;新電池內(nèi)阻基本穩(wěn)定在3.1 mΩ上下,穩(wěn)定時(shí)間14 h。可以看出,新電池內(nèi)阻更加穩(wěn)定。

        圖14 新電池輸出容量(對(duì)比組)

        圖11與圖14比較,修復(fù)后電池輸出容量108.15 Ah,同等放電條件下,新電池輸出容量146.66 Ah。

        3 結(jié)論

        綜合比較,在西藏高寒高海拔地區(qū)的使用超過6年的12 V/150 Ah 閥控密封式鉛酸蓄電池經(jīng)過3 輪活化修復(fù),其輸出容量恢復(fù)至新電池的73.7%,在同等使用條件下可再使用2~3年。

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