西藏光伏鉛酸電池修復(fù)

胡貴軍，諾 桑，措加旺姆，晉亞銘，拉瓜登頓

（西藏大學(xué)太陽(yáng)紫外線實(shí)驗(yàn)室，拉薩 850000）

儲(chǔ)能系統(tǒng)是太陽(yáng)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(guó)太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)，在西藏太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)應(yīng)用中，鉛酸蓄電池用量超過(guò)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(guò)50 萬(wàn)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(kāi)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(wú)需拆開(kāi)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(guò)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(wàn)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(guò)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(kāi)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(kāi)始快速升高，經(jīng)過(guò)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(kāi)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。可以看出，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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?？梢钥闯觯铍姵仂o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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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?？梢钥闯?，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(guò)6年的12 V/150 Ah 閥控密封式鉛酸蓄電池經(jīng)過(guò)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。