西藏高寒地區離網光伏系統蓄電池壽命研究

文_諾桑 胡貴軍 措加旺姆 晉亞銘 拉瓜登頓 西藏大學太陽紫外線實驗室

1 西藏高寒地區離網光伏系統及其儲能電池的現狀研究

1.1 西藏高寒地區離網光伏系統發展研究

在2013年至2018年，伴隨著光伏發電技術的成熟和西藏優厚的電價補貼和備案制等政策的實施，各大電力企業競相在西藏投資建設并網光伏電站，一時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多應用在民生領域，解決農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，農村電網覆蓋時投資規模大、建設難度大、建設進度慢。

在偏遠的牧區，解決基本用電采用太陽能發電，屬于離網系統。發電模式主要有太陽能戶用光伏發電系統、太陽能光伏電站、太陽能路燈。太陽能戶用光伏發電系統主要供牧民家庭基本用電；太陽能光伏電站主要供人口規模較大的村、鎮使用，滿足政府、醫院、學校和居民的基本用電需求；太陽能路燈主要應用在村落、學校、醫院、政府、社區、市政道路等區域。

儲能系統是太陽能光伏離網系統中的關鍵和短板，直接制約著離網系統的整體壽命。在西藏，蓄電池在太陽能光伏系統應用中，鉛酸蓄電池用量超過90%，鋰離子電池用量不足10%。

政府主導的西藏金太陽工程和無電地區電力建設項目、人居環境改善工程在農牧區相繼建設超過500座光伏電站和22萬套太陽能戶用光伏發電系統以及8萬盞太陽能路燈，其在改善西藏農牧民基本用電方面發揮了巨大的作用，是改善民生的重要方式，實用性很強，深受農牧民的喜愛。

根據多次的調研和實地運維實測，離網太陽能系統中的儲能單元在西藏運行時出現的實際問題，主要是壽命問題和使用效果問題兩個方面。并且不同品牌廠家生產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 西藏戶用光伏系統的使用情況研究

西藏農牧區的戶用系統主要采用12V150Ah的鉛酸蓄電池，雖然笨重，但是其低溫效應優于鋰離子電池，最適合在西藏使用。由于戶用系統在西藏大規模使用，通過調查，我們發現，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，戶用系統超負荷運行的后果是2年之內就會出現蓄電池無法儲電的狀況。對調查進行總體分析，發現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年后戶用系統無法使用。另外，在管理方面，多數農牧民將戶用系統的控制逆變一體機放置在墻角或者窗臺下，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

根據供區內用電量的不同，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能系統。儲能系統單獨置于蓄電池房內，有些蓄電池房采用被動式太陽房結構，目的是冬季寒冷時可以利用陽光提高室內溫度，對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。由于被動式太陽房造價比普通磚混結構房屋高，施工企業為節省成本，后期項目中電站控制室和蓄電池房都使用普通磚混結構，保溫效果較差，對蓄電池充放電不利。

管理方面，由于西藏離網電站管理員管理知識和能力極為有限，私拉亂接，改變供電線路，頻繁開關機或者強制開機是導致電站整體使用壽命大大下降的最主要的人為因素。調查中發現，如果電站建成通過驗收后，各項質量達標，無人管理或少干涉、并按照規程用電的村落電站，電站自主運行4年不會出現任何問題，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，往往電站運行2年后癱瘓。

1.4 影響西藏光伏系統蓄電池壽命因素

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小時率），放電深度淺（30%），蓄電池壽命最長；反之，放電速度快（2小時率），放電深度深（70%），蓄電池壽命最短。影響蓄電池儲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，蓄電池儲電能力和放電能力快速衰減；溫度保持在10～30℃時，蓄電池儲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，最重要的是引導農牧民合理合規使用太陽能發電系統，這是保障太陽能發電系統長期穩定使用的關鍵所在。通過各地區比較，阿里地區的太陽能電站和戶用系統運行總體上好于那曲地區。其主要原因是溫度，阿里氣溫總體比那曲高，這有利于儲能系統的充放電的進行；相反，那曲地區常年低溫、大風，在離網系統運行環境很惡劣。因此，分析環境對離網光伏系統（包括儲能電池）的影響顯得非常必要。

2 環境對離網光伏系統（包括儲能電池）的影響

2.1 環境對光伏組件輸出充電特性的影響

光伏系統的發電輸出隨環境變化呈現出隨機波動性，這對光伏發電造成很大影響，因此研究不同的環境下的光伏組件出力特性對于離網光伏系統的發電具有重要意義。光伏組件的輸出主要受到太陽光譜、輻照強度與溫度的影響，特別是受到太陽光輻照強度的影響最大。光伏系統的發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，而太陽電池的轉換效率又受到環境溫度的影響。通過對標準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。溫度對晶硅太陽電池性能影響較大，當組件溫度升高時，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，每升高1℃，電池片的輸出電壓降低2mV，對于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。總的來說，溫度升高導致光伏組件的功率下降，典型光伏電池的溫度系數為-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，當輻照強度在150～1000W/cm2范圍內變化時，光伏組件的輸出與太陽光輻照為線性關系。太陽輻照度對光生電壓的影響很小。當太陽輻照度在400～1000W/cm2范圍內變化時，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。

結合高寒高海拔地區的溫度計太陽光輻照特性，光伏組件的輸出將會一直在高功率狀態下輸出，因此在離網光伏發電系統中，如果系統設計合理，光伏充電電流相對較大。

2.2 離網光伏發電系統充放電控制策略

離網光伏發電系統的核心部件是太陽能電池板。它將太陽能轉化為電能，并通過控制器把產生的電能存儲于蓄電池中。當負載用電時，蓄電池中的電能通過控制器合理的分配到各個負載上。太陽能電池所產生的電流為直流電，可以直接以直流電的形式應用，也可以用交流逆變器將電能轉換為交流電，供交流負載使用。太陽能發電的電能能即發即用，也可以用蓄電池等儲能裝置儲存起來，在需要時使用。

在離網光伏發電系統中，光伏控制器是光伏系統的重要能量轉換單元，因此控制器的轉換效率對于光伏系統充電過程發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跟蹤功能的快充、比例積分PI調節的恒壓過充和恒壓浮充及溫度補償等功能保證光伏組件輸出的電能進入到蓄電池中。

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行。在快充階段，蓄電池的受電能力較強，可用較大的充電電流進行充電，因此光伏控制器采用最大功率點跟蹤策略，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，否則會導致蓄電池的溫度過高和活性物質脫落，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，當充電電流減小到浮充轉換限制時，過充截止，此時可認為蓄電池已充滿，進入浮充階段。浮充的目的為了給蓄電池一個很小的電流，補充蓄電池自放電的損失。

現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。現有離網光伏發電系統多數采用容量配合設計的方式進行綜合配置，以5kW離網光伏發電系統為例，儲能多數采用8塊12V100AH或12V150AH鉛酸蓄電池，蓄電池儲能直流側電壓為48V。在高寒高海拔地區，低溫和高輻照非常有利于光伏組件的輸出，在峰值狀態下5kW光伏組件的輸出功率可以達到5kW。光伏控制器保障光伏系統的最大功率輸出，因此蓄電池的充電電流最大可達到104A。對于100AH蓄電池或150AH蓄電池，104A充電電流屬于大電流充電狀態，因此論述大電流充電對于蓄電池的壽命的影響具有重要意義。

2.3 大電流對蓄電池充放電的影響

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

在相同時間內，大電流充電比小電流充電損傷更大。大電流充電時，在蓄電池內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容易脫落，對電池會造成傷害。由于隔板堵塞，硫酸的擴散速度降低，只能達到淺層，促使更多的β-PbO2放電轉化，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，控制器會過早關斷，此時蓄電池處于未充滿狀態，長期會影響蓄電池的使用容量。蓄電池的浮充電流對溫度非常敏感，溫度每變化10℃，電流會成倍變化。長時間大電流充電式，溫度升高會影響浮充狀態，在一定程度上會造成蓄電池過充狀態，大大降低了蓄電池的壽命。

3 結論

通過對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，高寒高海拔地區的低溫高輻照環境非常有利于光伏組件的輸出。目前標準離網光伏發電系統主要為保證系統處于最大功率輸出狀態，因此光伏充電電流一直處于大電流狀態。低溫環境會影響蓄電池的儲能容量，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入過充狀態。綜上所述，高寒高海拔地區的光伏用蓄電池壽命較短，除了受到環境因素影響之外，光伏組件的大電流充電對蓄電池的壽命也造成了巨大影響。鉛酸蓄電池在西藏牧區的大量使用，必然會帶來處置不妥當造成的草場污染的嚴重問題，對老舊電池進行修復十分必要。