怎樣判斷蓄電池容量配置的是否合理？蓄電池容量該怎么計(jì)算？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-03 20:00
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蓄電池容量配置的是否合理，直接影響風(fēng)力發(fā)電的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。容量選的小了，多風(fēng)時(shí)發(fā)出的富余電量得不到充分儲(chǔ)存。容量選的太大，一則增加投資;二則蓄電池可能會(huì)長(zhǎng)期處于充電不滿狀態(tài)，將會(huì)影響蓄電池的效率和使用壽命。表一為蓄電池在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中所占投資情況。
一般常規(guī)充電是“兩階段恒電流充電”，此法既不浪費(fèi)電力，充電時(shí)間短，對(duì)延長(zhǎng)蓄電池使用壽命有利，同時(shí)計(jì)算蓄電池容量也容易得多。風(fēng)力發(fā)電的情況，則不同于常規(guī)充電。
由于風(fēng)速經(jīng)常變化，電機(jī)輸出的電流時(shí)大時(shí)小，時(shí)有時(shí)無(wú)，這樣蓄電池充電電流和所需充電時(shí)間就很難確定。針對(duì)這種實(shí)際情況，我們采用如下兩種計(jì)算方法來(lái)確定配置蓄電池容量。
1.電量平衡計(jì)算法。
計(jì)算步驟如下：
a.根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)提供的風(fēng)速資料，以十天為一時(shí)度，逐旬分別統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)起始工作風(fēng)速至停機(jī)風(fēng)由范圍內(nèi)的不同風(fēng)速發(fā)生小時(shí)數(shù)。
b.根據(jù)選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的P=f(V)特性曲線和風(fēng)速資料，計(jì)算—臺(tái)機(jī)逐旬所能發(fā)出的電量，并繪出其全年發(fā)電量過(guò)程曲線。圖—是根據(jù)內(nèi)蒙察右后旗的風(fēng)速資料計(jì)算繪制的商都牧機(jī)廠ED1.5～100型風(fēng)機(jī)的年發(fā)電量過(guò)程線。計(jì)算得出該機(jī)在當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況下，年發(fā)電量為276度。從過(guò)程線看出各旬的發(fā)電量變化很大，最多的四月下旬為19度，最少的二月下旬僅0.95度、相差近20倍，說(shuō)明配置蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能調(diào)節(jié)是必要的。
C根據(jù)用電信況，計(jì)算出逐旬的用電量，并給出全年用電量過(guò)程線。附圖中虛線所示。
d.比較發(fā)電量和用電量過(guò)程線，以發(fā)電少于用電差值最大的時(shí)段(圖中斜線部分)的電量來(lái)確定所需蓄電池容量。圖中差值最大的電量為2。3度。需配置2300伏安時(shí)電池，實(shí)際選用12伏48安時(shí)蓄電池4塊。總?cè)萘?304伏安時(shí)。
2.經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法
根據(jù)我們?cè)圏c(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)，在察右后旗、商都地區(qū)的風(fēng)況下，也可采用以下公式簡(jiǎn)便估算所需電池容量。即 請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息
式中：Q——所需配置蓄電池容量(安時(shí));
p——負(fù)載功率(瓦);
t——日用電小時(shí)數(shù);
U——標(biāo)準(zhǔn)蓄電池電壓(一般為12伏);
n——電池儲(chǔ)備周期系數(shù); (根據(jù)風(fēng)況而確定，一般取3～8天)
K——放電控制系數(shù)、(取0.75～ 0.8)
上式考慮了：①用電設(shè)備的額定功率，②當(dāng)?shù)貧庀笄闆r，即無(wú)風(fēng)期平均時(shí)間，⑧為了防止蓄電池過(guò)放電，放電應(yīng)控制在一定程度。
仍以察右后旗為例，安裝一臺(tái)100瓦機(jī)，供3戶用電，每戶裝設(shè)12伏15瓦的燈泡2只平均每天照明5小時(shí)，計(jì)算所需配置的蓄電池容量。 (儲(chǔ)備系數(shù)取6，放電控制系數(shù)取0.8) 代入公式得：
選用6塊l 2伏48安時(shí)蓄電池，總?cè)萘?88安時(shí)。
確定標(biāo)準(zhǔn)電池時(shí)，必須注意：蓄電油組的容量應(yīng)能安全接受風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的最大電流強(qiáng)度Imax。
1、使用安全型鋰離子電池電解質(zhì)
目前鋰離子電池電解液使用碳酸酯作為溶劑，其中線型碳酸酯能夠提高電池的充放電容量和循環(huán)壽命，但是它們的閃點(diǎn)較低，在較低的溫度下即會(huì)閃燃，而氟代溶劑通常具有較高的閃點(diǎn)甚至無(wú)閃點(diǎn)，因此使用氟代溶劑有利于抑制電解液的燃燒。目前研究的氟代溶劑包括氟代酯和氟代醚。
阻燃電解液是一種功能電解液，這類電解液的阻燃功能通常是通過(guò)在常規(guī)電解液中加入阻燃添加劑獲得的。阻燃電解液是目前解決鋰離子電池安全性最經(jīng)濟(jì)有效的措施，所以尤其受到產(chǎn)業(yè)界的重視。
使用固體電解質(zhì)，代替有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，能夠有效提高鋰離子電池的安全性。固體電解質(zhì)包括聚合物固體電解質(zhì)和無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)。聚合物電解質(zhì)，尤其是凝膠型聚合物電解質(zhì)的研究取得很大的進(jìn)展，目前已經(jīng)成功用于商品化鋰離子電池中，但是凝膠型聚合物電解質(zhì)其實(shí)是干態(tài)聚合物電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)妥協(xié)的結(jié)果，它對(duì)電池安全性的改善非常有限。干態(tài)聚合物電解質(zhì)由于不像凝膠型聚合物電解質(zhì)那樣包含液態(tài)易燃的有機(jī)增塑劑，所以它在漏液、蒸氣壓和燃燒等方面具有更好的安全性。目前的干態(tài)聚合物電解質(zhì)尚不能滿足聚合物鋰離子電池的應(yīng)用要求，仍需要進(jìn)一步的研究才有望在聚合物鋰離子電池上得到廣泛應(yīng)用。相對(duì)于聚合物電解質(zhì)，無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)具有更好的安全性，不揮發(fā)，不燃燒，更加不會(huì)存在漏液?jiǎn)栴}。此外，無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱溫度明顯高于液體電解質(zhì)和有機(jī)聚合物，使電池的工作溫度范圍擴(kuò)大;將無(wú)機(jī)材料制成薄膜，更易于實(shí)現(xiàn)鋰離子電池小型化，并且這類電池具有超長(zhǎng)的儲(chǔ)存壽命，能大大拓寬現(xiàn)有鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域。
常規(guī)的含阻燃添加劑的電解液具有阻燃效果，但是其溶劑仍是易揮發(fā)成分，依然存在較高的蒸氣壓，對(duì)于密封的電池體系來(lái)說(shuō)，仍有一定的安全隱患。而以完全不揮發(fā)、不燃燒的室溫離子液體為溶劑，將有希望得到理想的高安全性電解液。離子液體是在室溫及相鄰溫度下完全由離子組成的有機(jī)液體物質(zhì)，具有電導(dǎo)率高、液態(tài)范圍寬、不揮發(fā)和不燃等特點(diǎn)，將離子液體用于鋰離子電池電解液中有望解決鋰離子電池的安全問(wèn)題。
2、提高電極材料熱穩(wěn)定性
鋰離子電池的安全問(wèn)題是不安全電解質(zhì)直接導(dǎo)致的，但從根源上來(lái)說(shuō)，是因?yàn)殡姵乇旧淼姆€(wěn)定性不高，熱失控的出現(xiàn)導(dǎo)致的。而熱失控的發(fā)生除了電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性原因，電極材料的熱穩(wěn)定性也是最重要的原因之一，所以提高電極材料的熱穩(wěn)定性也是提高電池安全性的重要環(huán)節(jié)，但是這里所說(shuō)的電極材料熱穩(wěn)定性不但包括其自身的熱穩(wěn)定性，也要包括其與電解質(zhì)材料相互作用的熱穩(wěn)定性。
通常負(fù)極材料熱穩(wěn)定性是有其材料結(jié)構(gòu)和充電負(fù)極的活性決定的。對(duì)于碳材料，球形碳材料，如中間相碳微球(MCMB)相對(duì)于鱗片狀石墨，具有較低的比表面積，較高的充放電平臺(tái)，所以其充電態(tài)活性較小，熱穩(wěn)定性相對(duì)較好，安全性高。而尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12,相對(duì)于層狀石墨的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，其充放電平臺(tái)也高得多，因此熱穩(wěn)定性更好，安全性更高。因此，目前對(duì)安全性要求更高的動(dòng)力電池中通常使用MCMB或Li4Ti5O12代替普通石墨作為負(fù)極。通常負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性除了材料本身之外，對(duì)于同種材料，特別是石墨來(lái)說(shuō)，負(fù)極與電解液界面的固體電解質(zhì)界面膜(SEI)的熱穩(wěn)定性更受關(guān)注，而這也通常被認(rèn)為是熱失控發(fā)生的第一步。提高SEI膜的熱穩(wěn)定性途徑主要有兩種：一是負(fù)極材料的表面包覆，如在石墨表面包覆無(wú)定形炭或金屬層;另一種是在電解液中添加成膜添加劑，在電池活化過(guò)程中，它們?cè)陔姌O材料表面形成穩(wěn)定性較高的SEI膜，有利于獲得更好的熱穩(wěn)定性。
正極材料和電解液的熱反應(yīng)被認(rèn)為是熱失控發(fā)生的主要原因，提高正極材料的熱穩(wěn)定性尤為重要，在產(chǎn)業(yè)界正極材料的開(kāi)發(fā)也更受關(guān)注，除了有其價(jià)格較高、利潤(rùn)較大的原因外，它在電池安全性中的重要地位也是其備受關(guān)注的一個(gè)重要原因。與負(fù)極材料一樣，正極材料的本質(zhì)特征決定了其安全特征。LiFePO4由于具有聚陰離子結(jié)構(gòu)，其中的氧原子非常穩(wěn)定，受熱不易釋放，因此不會(huì)引起電解液的劇烈反應(yīng)或燃燒;而其他過(guò)渡金屬氧化物正極材料，受熱或過(guò)充時(shí)容易釋放出氧氣，安全性差。而在過(guò)渡金屬氧化物當(dāng)中，LiMn2O4在充電態(tài)下以λ-MnO2形式存在，由于它的熱穩(wěn)定性較好，所以這種正極材料也相對(duì)安全性較好。此外，也可以通過(guò)體相摻雜、表面處理等手段提高正極材料的熱穩(wěn)定性。
一般常規(guī)充電是“兩階段恒電流充電”，此法既不浪費(fèi)電力，充電時(shí)間短，對(duì)延長(zhǎng)蓄電池使用壽命有利，同時(shí)計(jì)算蓄電池容量也容易得多。風(fēng)力發(fā)電的情況，則不同于常規(guī)充電。
由于風(fēng)速經(jīng)常變化，電機(jī)輸出的電流時(shí)大時(shí)小，時(shí)有時(shí)無(wú)，這樣蓄電池充電電流和所需充電時(shí)間就很難確定。針對(duì)這種實(shí)際情況，我們采用如下兩種計(jì)算方法來(lái)確定配置蓄電池容量。
1.電量平衡計(jì)算法。
計(jì)算步驟如下：
a.根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)提供的風(fēng)速資料，以十天為一時(shí)度，逐旬分別統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)起始工作風(fēng)速至停機(jī)風(fēng)由范圍內(nèi)的不同風(fēng)速發(fā)生小時(shí)數(shù)。
b.根據(jù)選用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的P=f(V)特性曲線和風(fēng)速資料，計(jì)算—臺(tái)機(jī)逐旬所能發(fā)出的電量，并繪出其全年發(fā)電量過(guò)程曲線。圖—是根據(jù)內(nèi)蒙察右后旗的風(fēng)速資料計(jì)算繪制的商都牧機(jī)廠ED1.5～100型風(fēng)機(jī)的年發(fā)電量過(guò)程線。計(jì)算得出該機(jī)在當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況下，年發(fā)電量為276度。從過(guò)程線看出各旬的發(fā)電量變化很大，最多的四月下旬為19度，最少的二月下旬僅0.95度、相差近20倍，說(shuō)明配置蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能調(diào)節(jié)是必要的。
C根據(jù)用電信況，計(jì)算出逐旬的用電量，并給出全年用電量過(guò)程線。附圖中虛線所示。
d.比較發(fā)電量和用電量過(guò)程線，以發(fā)電少于用電差值最大的時(shí)段(圖中斜線部分)的電量來(lái)確定所需蓄電池容量。圖中差值最大的電量為2。3度。需配置2300伏安時(shí)電池，實(shí)際選用12伏48安時(shí)蓄電池4塊。總?cè)萘?304伏安時(shí)。
2.經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法
根據(jù)我們?cè)圏c(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)，在察右后旗、商都地區(qū)的風(fēng)況下，也可采用以下公式簡(jiǎn)便估算所需電池容量。即 請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息
式中：Q——所需配置蓄電池容量(安時(shí));
p——負(fù)載功率(瓦);
t——日用電小時(shí)數(shù);
U——標(biāo)準(zhǔn)蓄電池電壓(一般為12伏);
n——電池儲(chǔ)備周期系數(shù); (根據(jù)風(fēng)況而確定，一般取3～8天)
K——放電控制系數(shù)、(取0.75～ 0.8)
上式考慮了：①用電設(shè)備的額定功率，②當(dāng)?shù)貧庀笄闆r，即無(wú)風(fēng)期平均時(shí)間，⑧為了防止蓄電池過(guò)放電，放電應(yīng)控制在一定程度。
仍以察右后旗為例，安裝一臺(tái)100瓦機(jī)，供3戶用電，每戶裝設(shè)12伏15瓦的燈泡2只平均每天照明5小時(shí)，計(jì)算所需配置的蓄電池容量。 (儲(chǔ)備系數(shù)取6，放電控制系數(shù)取0.8) 代入公式得：
選用6塊l 2伏48安時(shí)蓄電池，總?cè)萘?88安時(shí)。
確定標(biāo)準(zhǔn)電池時(shí)，必須注意：蓄電油組的容量應(yīng)能安全接受風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的最大電流強(qiáng)度Imax。
1、使用安全型鋰離子電池電解質(zhì)
目前鋰離子電池電解液使用碳酸酯作為溶劑，其中線型碳酸酯能夠提高電池的充放電容量和循環(huán)壽命，但是它們的閃點(diǎn)較低，在較低的溫度下即會(huì)閃燃，而氟代溶劑通常具有較高的閃點(diǎn)甚至無(wú)閃點(diǎn)，因此使用氟代溶劑有利于抑制電解液的燃燒。目前研究的氟代溶劑包括氟代酯和氟代醚。
阻燃電解液是一種功能電解液，這類電解液的阻燃功能通常是通過(guò)在常規(guī)電解液中加入阻燃添加劑獲得的。阻燃電解液是目前解決鋰離子電池安全性最經(jīng)濟(jì)有效的措施，所以尤其受到產(chǎn)業(yè)界的重視。
使用固體電解質(zhì)，代替有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，能夠有效提高鋰離子電池的安全性。固體電解質(zhì)包括聚合物固體電解質(zhì)和無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)。聚合物電解質(zhì)，尤其是凝膠型聚合物電解質(zhì)的研究取得很大的進(jìn)展，目前已經(jīng)成功用于商品化鋰離子電池中，但是凝膠型聚合物電解質(zhì)其實(shí)是干態(tài)聚合物電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)妥協(xié)的結(jié)果，它對(duì)電池安全性的改善非常有限。干態(tài)聚合物電解質(zhì)由于不像凝膠型聚合物電解質(zhì)那樣包含液態(tài)易燃的有機(jī)增塑劑，所以它在漏液、蒸氣壓和燃燒等方面具有更好的安全性。目前的干態(tài)聚合物電解質(zhì)尚不能滿足聚合物鋰離子電池的應(yīng)用要求，仍需要進(jìn)一步的研究才有望在聚合物鋰離子電池上得到廣泛應(yīng)用。相對(duì)于聚合物電解質(zhì)，無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)具有更好的安全性，不揮發(fā)，不燃燒，更加不會(huì)存在漏液?jiǎn)栴}。此外，無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱溫度明顯高于液體電解質(zhì)和有機(jī)聚合物，使電池的工作溫度范圍擴(kuò)大;將無(wú)機(jī)材料制成薄膜，更易于實(shí)現(xiàn)鋰離子電池小型化，并且這類電池具有超長(zhǎng)的儲(chǔ)存壽命，能大大拓寬現(xiàn)有鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域。
常規(guī)的含阻燃添加劑的電解液具有阻燃效果，但是其溶劑仍是易揮發(fā)成分，依然存在較高的蒸氣壓，對(duì)于密封的電池體系來(lái)說(shuō)，仍有一定的安全隱患。而以完全不揮發(fā)、不燃燒的室溫離子液體為溶劑，將有希望得到理想的高安全性電解液。離子液體是在室溫及相鄰溫度下完全由離子組成的有機(jī)液體物質(zhì)，具有電導(dǎo)率高、液態(tài)范圍寬、不揮發(fā)和不燃等特點(diǎn)，將離子液體用于鋰離子電池電解液中有望解決鋰離子電池的安全問(wèn)題。
2、提高電極材料熱穩(wěn)定性
鋰離子電池的安全問(wèn)題是不安全電解質(zhì)直接導(dǎo)致的，但從根源上來(lái)說(shuō)，是因?yàn)殡姵乇旧淼姆€(wěn)定性不高，熱失控的出現(xiàn)導(dǎo)致的。而熱失控的發(fā)生除了電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性原因，電極材料的熱穩(wěn)定性也是最重要的原因之一，所以提高電極材料的熱穩(wěn)定性也是提高電池安全性的重要環(huán)節(jié)，但是這里所說(shuō)的電極材料熱穩(wěn)定性不但包括其自身的熱穩(wěn)定性，也要包括其與電解質(zhì)材料相互作用的熱穩(wěn)定性。
通常負(fù)極材料熱穩(wěn)定性是有其材料結(jié)構(gòu)和充電負(fù)極的活性決定的。對(duì)于碳材料，球形碳材料，如中間相碳微球(MCMB)相對(duì)于鱗片狀石墨，具有較低的比表面積，較高的充放電平臺(tái)，所以其充電態(tài)活性較小，熱穩(wěn)定性相對(duì)較好，安全性高。而尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12,相對(duì)于層狀石墨的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，其充放電平臺(tái)也高得多，因此熱穩(wěn)定性更好，安全性更高。因此，目前對(duì)安全性要求更高的動(dòng)力電池中通常使用MCMB或Li4Ti5O12代替普通石墨作為負(fù)極。通常負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性除了材料本身之外，對(duì)于同種材料，特別是石墨來(lái)說(shuō)，負(fù)極與電解液界面的固體電解質(zhì)界面膜(SEI)的熱穩(wěn)定性更受關(guān)注，而這也通常被認(rèn)為是熱失控發(fā)生的第一步。提高SEI膜的熱穩(wěn)定性途徑主要有兩種：一是負(fù)極材料的表面包覆，如在石墨表面包覆無(wú)定形炭或金屬層;另一種是在電解液中添加成膜添加劑，在電池活化過(guò)程中，它們?cè)陔姌O材料表面形成穩(wěn)定性較高的SEI膜，有利于獲得更好的熱穩(wěn)定性。
正極材料和電解液的熱反應(yīng)被認(rèn)為是熱失控發(fā)生的主要原因，提高正極材料的熱穩(wěn)定性尤為重要，在產(chǎn)業(yè)界正極材料的開(kāi)發(fā)也更受關(guān)注，除了有其價(jià)格較高、利潤(rùn)較大的原因外，它在電池安全性中的重要地位也是其備受關(guān)注的一個(gè)重要原因。與負(fù)極材料一樣，正極材料的本質(zhì)特征決定了其安全特征。LiFePO4由于具有聚陰離子結(jié)構(gòu)，其中的氧原子非常穩(wěn)定，受熱不易釋放，因此不會(huì)引起電解液的劇烈反應(yīng)或燃燒;而其他過(guò)渡金屬氧化物正極材料，受熱或過(guò)充時(shí)容易釋放出氧氣，安全性差。而在過(guò)渡金屬氧化物當(dāng)中，LiMn2O4在充電態(tài)下以λ-MnO2形式存在，由于它的熱穩(wěn)定性較好，所以這種正極材料也相對(duì)安全性較好。此外，也可以通過(guò)體相摻雜、表面處理等手段提高正極材料的熱穩(wěn)定性。
