CN103414232B - 一种低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统 - Google Patents
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Abstract
一种低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统，该蓄电系统内部设置若干缓冲蓄电区以及初始主蓄电区，这些缓冲蓄电区采用阶梯式激活方式逐个激活，即当激活的缓冲蓄电区循环寿命终止或故障不能正常工作时，则激活下一片缓冲蓄电区，如此不断激活，直至所有的缓冲蓄电区被激活投入应用；激活的缓冲蓄电区用于高频次的充放电，未激活的缓冲蓄电区以及初始主蓄电区构成主蓄电区，激活的缓冲蓄电区和主蓄电区的输入端并接于一次能源发电系统，且激活的缓冲蓄电区的输出端连接负载，该主蓄电区的输出端选择性连接负载和激活的缓冲蓄电区的输入端。本发明将大幅提高蓄电系统使用寿命，与同类蓄电池构成的蓄电系统相比，提高寿命2-4倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种低成本、超长寿命蓄电系统，特别是以太阳能、风力发电等作为一次能源输入，需要解决高频次充放电、价格低、寿命长等需求的蓄电系统。
背景技术
各类蓄电池构成的蓄电系统应用范围非常广泛，越来越多的场合需要蓄电系统的存在，如太阳能光伏应用领域、风力发电领域、各类交通工具领域、航空航天领域等等。
不同的应用领域对蓄电系统的性能要求不同，比如人造卫星，要求能量密度高、寿命长；太阳能灯具领域，则要求解决高频次充放电、寿命长、成本低；风力发电领域，要求解决高频次充电、寿命长、成本低；交通工具，如电动车系列，要求快速充电、寿命长、成本低。
毋庸置疑，寿命长与成本低几乎是所有蓄电系统应用领域的共性要求。目前由各类蓄电池（锂电池、铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池）构成的蓄电系统，均是由蓄电池单体（或称之为电芯）经过串、并联组合构成。蓄电系统的寿命与成本几乎全部取决于蓄电池单体的寿命与成本。各类蓄电池单体循环寿命、成本均不同。如铅酸循环次数最低，其次镍镉，再次镍氢，最后锂电池；价格则逐渐升高。因此既有的提高蓄电系统寿命与降低成本的方法，集中于单体蓄电池寿命的提高与成本的降低。
总而言之，目前的蓄电系统设计方法致使蓄电系统的循环寿命直接取决于蓄电池单体寿命不能突破这个限制，尤其是面临高频次充放电需求时，寿命非常短。
因此本发明将突破传统蓄电系统设计理念，采用全新的设计方法与技术，实现低成本、超长寿命蓄电系统设计，而且实现简单、应用领域更为宽广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有各类蓄电系统设计普遍面临，而尚无有效解决办法的短寿命问题，本发明提供了一种低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统，其实现了低成本前提下，大幅提高蓄电系统的使用寿命，与传统蓄电设计方法比较，蓄电系统寿命提高2-4倍。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统，该蓄电系统内部设置若干缓冲蓄电区以及初始主蓄电区，这些缓冲蓄电区采用阶梯式激活方式逐个激活，即当激活的缓冲蓄电区循环寿命终止或故障不能正常工作时，则激活下一片缓冲蓄电区，如此不断激活，直至所有的缓冲蓄电区被激活投入应用；激活的缓冲蓄电区用于高频次的充放电，未激活的缓冲蓄电区以及初始主蓄电区构成主蓄电区，激活的缓冲蓄电区和主蓄电区的输入端并接于一次能源发电系统，且激活的缓冲蓄电区的输出端连接负载，该主蓄电区的输出端选择性连接负载和激活的缓冲蓄电区的输入端。
该低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统由多个均一种类的单体蓄电池（锂蓄电池、铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池等）构成。
上述阶梯式逐渐激活的缓冲蓄电区，解决高频次充放电需求。主蓄电区用来存储一次能源发电系统生产的部分电能，用于满足特殊条件下较长周期间隔内充放电需求。如太阳能路灯蓄电系统，每天一个循环的充放电均由激活的缓冲蓄电区完成，这样就大幅提高了主蓄电区的充放电时间间隔，降低了主蓄电区充放电的频率，提高了整体蓄电系统的使用寿命。
一旦一次能源发电系统遇到特殊情况，如以太阳能、风能为一次能源输入的遇到较长阴雨天或者静风天，缓冲蓄电区电力枯竭（能量低于10%-20%），则按照两种模式保障用能系统正常工作。模式一：该主蓄电区的输出端连接激活的缓冲蓄电区，由主蓄电区向激活的缓冲蓄电区充电，激活的缓冲蓄电区再供电给负载。模式二：该主蓄电区的输出端连接负载，由主蓄电区直接供电给负载，激活的缓冲蓄电区等待一次能源发电系统充电。
该蓄电系统总设计容量的计算根据蓄电系统用途不同而不同，但共性计算核心是一致的。即根据发电装置最长怠工期内（即可能的最不利状况，如以太阳能为一次能源输入，连续阴雨无太阳辐照时的时间），用电设备耗能总量*安全系数（1.2-1.5）=蓄电系统总设计容量。安全系数的取值，如果最不利情况出现概率大于或等于40%，则系数选择越大（选择1.4-1.5），如果最不利情况出现概率低于40%，则系数选择越小（选择1.2-1.4）。
该缓冲蓄电区设计容量的计算，同样也跟蓄电系统的用途不同而不同，但共性计算核心是一致的。即根据发电装置通常怠工（如以太阳能为一次能源输入，无太阳辐照时的时间）与工作（如以太阳能为一次能源输入，有太阳辐照时的时间）期内，用电设备的耗能总量*2.5=缓冲蓄电区设计容量。
该缓冲蓄电区数量设置的上限值=蓄电系统总设计容量与缓冲蓄电区设计容量的比值-1。该缓冲蓄电区的设置数量推荐为1-5个，即使有条件设置更多，但亦不要超过5。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统，通过阶梯式设置多个缓冲蓄电区（推荐值为1-5个）的方式，大大降低主蓄电区的充放电频率，拉长了主蓄电区充放电周期间隔，从而提高了整体蓄电系统的使用寿命，提高寿命2-4倍。而且该蓄电系统设计方法适用于很多蓄电系统，如锂蓄电池、铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池等多种存在一定循环寿命的蓄电池构成的蓄电系统。
2、本发明提供的低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统，缓冲蓄电区分割数量灵活设置，但推荐极限值（上限），不超过蓄电系统总设计容量与缓冲蓄电区设计容量的比值-1，可以依据蓄电系统应用场合的不同要求，使之寿命与要求相符或相近。
3、本发明提供的低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统，思路清晰、控制电路不复杂，实现简单，而且无较多增量成本，具有非常好的经济性。
4、本发明提供的低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统，给出缓冲蓄电区与整体蓄电系统容量计算方法以及推荐值，不需要再进行繁琐的容量计算。适应多种高频次充放电领域，尤其是以太阳能、风能为一次能源的蓄电系统应用领域。
附图说明
图1低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统设计基本原理总图；
图2太阳能草坪灯样机基本架构图；
图3低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统有太阳辐照时工作原理图；
图4低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统晚间工作原理图；
图5低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统缓冲蓄电区1电量枯竭工作原理图(模式一)；
图6低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统缓冲蓄电区1电量枯竭工作原理图(模式二)；
图7低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统缓冲蓄电区1寿命终止或故障工作原理图。
具体实施方式
下面将以某种型号太阳能草坪灯样机（CPD-NO.01）蓄电系统设计为例，详细说明该低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统应用与实施。
如图1所示，为该低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统设计方法基本原理总图。由图中可知，本发明由多个均一种类的单体蓄电池（锂蓄电池、铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池等）构成，这些单体蓄电池被分成若干缓冲蓄电区和初始主蓄电区，这些缓冲蓄电区采用阶梯式激活方式逐个激活，即当激活的缓冲蓄电区循环寿命终止或故障不能正常工作时，则激活下一片缓冲蓄电区，如此不断激活，直至所有的缓冲蓄电区被激活投入应用；激活的缓冲蓄电区用于高频次的充放电，未激活的缓冲蓄电区以及初始主蓄电区构成主蓄电区，激活的缓冲蓄电区和主蓄电区的输入端并接于一次能源发电系统（太阳能光伏板/风力发电等周期性或高频次发电系统），且激活的缓冲蓄电区的输出端连接负载，该主蓄电区的输出端选择性连接负载和激活的缓冲蓄电区的输入端。
如图2所示，太阳能草坪灯样机包含四个部分：太阳能光伏板（采用多晶硅）、蓄电系统（采用铅酸蓄电池组构成）、照明灯具（LED单灯功率3W、工作电压12V）、控制系统（图中略）。
选择使用地区为长沙市，为太阳能资源四、五类地区。每日照明时常为4小时，则每晚需电量1Ah。最长连续阴雨天数假定为7天，出现概率低于40%，则安全系数选择1.2，则蓄电系统总容量为8.4Ah（1Ah*7*1.2）。缓冲蓄电区设计容量为2.5Ah(1Ah*2.5)。该蓄电系统中缓冲蓄电区阶梯设置数量为2（上限不超过8.4Ah/2.5Ah-1=2.36）。与之匹配的太阳能光伏板发电量设计为5W,每日光电转换时间为6小时。
如图3所示，白天有太阳能辐照时（且太阳能辐照强度能够产生光电效应），太阳能光伏板（PV板）发电对激活的缓冲蓄电区1进行充电，同时对主蓄电区（未激活的缓冲蓄电区以及初始主蓄电区统称为主蓄电区）也进行充电。
如图4所示，晚上需要对照明灯具提供电力时，则由激活的缓冲蓄电区1进行放电。
如图5所示，一旦遇到连续阴雨天数（超过2.5天），即激活的缓冲蓄电区1电量耗尽（电量低于10%）。为保证用能设备正常工作，则按照模式一，主蓄电区迅速向激活的缓冲蓄电区1充电，直至充满，仍然由激活的缓冲蓄电区1向负载供电。此设计机型，可以在最极端的恶劣条件下（全部为阴雨天），可以满足7天正常照明。
如图6所示，一旦遇到连续阴雨天数（超过2.5天），即激活的缓冲蓄电区1电量耗尽（电量低于10%）。为保证用能设备正常工作，也可以按照模式二，主蓄电区提供负载用能。而激活的缓冲蓄电区1则等待天气好转由太阳能光伏板进行充电。
如图7所示，一旦激活的缓冲蓄电区1循环寿命终止或因故不能工作，则依据主蓄电系统的阶梯缓冲渐变式设计方法，激活缓冲蓄电区2，重复上述工作流程。
此种机型的蓄电系统仅设计了2个缓冲区，整体计算下来，该机型可以提高同参数蓄电系统使用寿命约2.2倍。全生命周期分析，该机型蓄电系统成本是同等机型蓄电系统成本的45%。
Claims (3)
1.一种低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统，其特征在于，该蓄电系统内部设置若干缓冲蓄电区以及初始主蓄电区，这些缓冲蓄电区采用阶梯式激活方式逐个激活，即当激活的缓冲蓄电区循环寿命终止或故障不能正常工作时，则激活下一片缓冲蓄电区，如此不断激活，直至所有的缓冲蓄电区被激活投入应用；激活的缓冲蓄电区用于高频次的充放电，未激活的缓冲蓄电区以及初始主蓄电区构成主蓄电区，激活的缓冲蓄电区和主蓄电区的输入端并接于一次能源发电系统，且激活的缓冲蓄电区的输出端连接负载，该主蓄电区的输出端选择性连接负载和激活的缓冲蓄电区的输入端：当激活的缓冲蓄电区能量低于10%-20%时，该主蓄电区的输出端连接激活的缓冲蓄电区，由主蓄电区向激活的缓冲蓄电区充电，激活的缓冲蓄电区满足负载耗能；或者，当激活的缓冲蓄电区能量低于10%-20%时，该主蓄电区的输出端连接负载，由主蓄电区直接满足负载耗能，激活的缓冲蓄电区等待一次能源发电系统充电；该蓄电系统总设计容量为一次能源发电系统最长怠工期内用电设备耗能总量*（1.2-1.5），该缓冲蓄电区设计容量为一次能源发电系统正常怠工以及工作一个循环周期内用电设备耗能总量*2.5；如果最长怠工期出现概率大于等于40%，则该蓄电系统总设计容量为一次能源发电系统最长怠工期内用电设备耗能总量*（1.4-1.5），如果最长怠工期出现的概率低于40%，则该蓄电系统总设计容量为一次能源发电系统最长怠工期内用电设备耗能总量*（1.2-1.4）。
2.如权利要求1所述的低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统，其特征在于，缓冲蓄电区数量设置的上限值=蓄电系统总设计容量与缓冲蓄电区设计容量的比值-1。
3.根据权利要求2所述的低成本、超长寿命阶梯缓冲渐变式蓄电系统，其特征在于，该缓冲蓄电区的设置数量为1-5个。
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