CSB铅酸电池基础

本文研究了铅酸电池的基本原理,包括等效电路、存储容量和效率以及系统尺寸。

利用风能和太阳能等间歇性资源的独立系统需要一种方式来储存所产生的能源,以便在需要时能够提供所储存的能源,而且资源也不可用。

 

使用图像 土坯股票

 

先进的储存技术 和 智能电网 仍然是研究领域。对于大多数小型独立系统来说,电池仍然是最经济合理的能源储存方法。

理想的电池(无内阻)是指电压与电流无关的恒定的电池。真正的电池有一些内阻.实际电池的等效电路模型是具有内阻的理想串联电池。

 

Figure 1. 相当于电池的电路。使用的图像由艾哈迈德谢赫提供

 

开路电压V _s 取决于充电状态和电池温度。一个典型的12V电池V _s 当电池几乎完全放电时,12.7V的电压从完全充电到11.7V。内阻R _S 也是电荷状态和温度的函数.当电池提供电流时,在R上有一个电压降 _S, 和终端电压V&t;V _s .给电池充电,电压V&T;V _s. 必须用在电池端子上。

 

例1 

一个真正的电池由一个具有电压V的恒压源组成 _s =12.7V和内阻R _s =0.1。当连接到外部负载时,电流为1.0A.

内部电阻的电压下降

\[\Delta v=IR_{s}=(1.0A)\times(0.1\Omega)=0.1V\]

因此,终端电压

\[v=v_{s}-\Delta v=12.7V-0.1V=12.6V\]

 

铅酸电池和放电

铅酸电池由由二氧化铅制成的正电极组成。 ₂ )和由多孔金属铅(铅)制成的负电极,两者都浸入硫酸中(H ₂ 所以 ₄ )水溶液。这个溶液形成一个自由离子(H+和SO42-)电解质。化学反应发生在电极上:

\[+:PbO_{2}+4H^{+}+SO^{2-}_{4}+2e^{-}\rightarrow pbSO_{4}+2H_{2}O\]

\[-:Pb+SO^{2-}_{4}\rightarrow pbSO_{4}+e^{-}\]

 

Figure 2. 铅酸电池图。使用的图像由 剑桥大学

 

当 电池放电 ,在负电极流动时释放的电子通过外部负载进入正电极(回顾传统的电流在相反的电子流动方向)。典型的单一铅酸电池的电压为腔2V。当电池放电时,硫酸铅 ₄ 在每个电极上沉积,减少反应的可用面积。接近完全放电状态时(见图3),电池电压下降,内阻增加。在…期间 充电的 ,所施加的电压将反应推向相反的方向。电池电压增加,内电阻下降,硫酸盐从电极中去除。

 

Figure 3. 铅酸电池充电状态与充电状态的比较。电压(V)。使用图像的原因是 维基媒体

 

对于每一个放电/充电周期,电极上都会残留一些硫酸盐。这是限制电池寿命的主要因素。适合能源储存用途的深循环铅酸电池设计能经受20%的反复排放,周期寿命为2000年,相当于5年左右。

 

储存能力

电池容量按给定的放电率以每小时(AH)报告。例如,一个100阿哈,20小时的电池可以在20小时内提供5a电池,此时电池将完全放电。所报告的空气流通能力取决于排放率。据说,一个100阿赫电池的5a是以C/20的速率放电,其中C是阿赫的容量,20是小时内的耗损时间。然而,同一电池可能无法在C/5(20A5,5小时)提供100AH。事实上,快速放电导致的是较低的呼吸道容量.深循环电池通常以C/20和C/100的放电率规定。

 

电池效率

当电压为V时电池所提供的能量 _s ,现时一 _C ,以及时间 _集成电路 是

\[E_{C}=v_{C}I_{C}\Delta t_{C}\]

如果该电池是在电压V和电流I时释放的,所提供的能量是

\[E=v I\Delta t\]

能源效率是指所提供的充电能量与所提供的能量的比率.

\[\varepsilon=\frac{E}{E_{C}}= \Bigg(\frac{v}{v_{C}}\Bigg)\Bigg(\frac{I\Delta t}{I_{C}\Delta_{C}t_{C}}\Bigg)\]

右边的第二个术语是电池对充电时电池所起作用的比例。这个比率是库仑效率。

\[\varepsilon_{C}=\frac{I\Delta t}{I_{C}\Delta_{C}t_{C}})\]

电压效率是

\[\varepsilon_{v}=\frac{v}{v_{C}}\]

因此,能源效率是

\[\varepsilon=\varepsilon_{v}\times \varepsilon_{C}\]

一个典型的12V电池可以在14V电压下充电,在这种情况下 _五 刚过的0.8。随着电荷状态接近100%,水电解和氢、氧气体(气体)的释放限制了库仑效率。超过充电/放电周期,a _{计算机技术} 第9.9节。对于这些值,能量效率是0.77.关于实际电池的等效电路模型,这种能量损失可以用I来理解。 ² 内部电阻的R损失。更快的充电或排放速率(较大的I)会导致更高的能量损失。

 

电池储存系统尺寸

多数的 电池储能系统 包括一个系列的平行组合电池提供所需的电压和A容量。串联电池的电压增加了,但电流(从而也就是阿容量)与单一电池相同。对于平行的电池,每个电池的电压是相同的,并增加电流(因而也就是阿赫容量)。在设计电池存储系统时,另一个考虑因素是电线尺寸.对于同样数量的能量,串联电池提供的电源比平行电池电压更高,电流更低。这意味着电线尺寸可以小一些。

 

例2

系统大小调整。每天10千瓦小时的交流负荷需要一个存储系统。系统电压为24V,总逆变器效率为80%.存储系统将使用特洛伊T-1456V电池组,该电池组按C/20放电率提供260阿哈,按C/100放电率提供287阿赫。该系统的设计应提供5天的能量储存.

由于直流逆变造成的损失,直流载荷是

\[\frac{10kWh}{0.80}=12.5kWh\]

在24伏的系统电压下,所需的日容量是

\[\frac{12.5kWh}{24V}=520\frac{Ah}{day}\]

五天,总容量为

\[520\frac{Ah}{day}\times5days=2600Ah\]

每个电池6V,一个4电池系列系列将提供所需的24V系统电压。然而,每个字符串只能提供所需总容量的一小部分。如果每个电池串的充电量达到20%,那么每个电池串的容量是电池总容量的80%。使用C/100费率能力

\[287Ah\times0.80=230Ah\]

要提供充分的容量,需要并行连接一些字符串。平行字符串的数量将是

\[\#=\frac{2600\,Ah}{230\frac{Ah}{string}}=11.3\]

如果一个稍小的系统是足够的,它将需要总共44个电池,11个串的4个电池系列。