淺談光伏系統用儲能鉛酸蓄電池

江蘇華富儲能新技術股份有限公司 ■ 王興鋒 黃毅 戴厚愛 李一平 朱明海 周壽斌

0 引言

太陽能是純凈、可再生的能源，是傳統化石能源最為重要的替代能源之一，光電新能源發展的大趨勢仍在繼續，且勢頭越來越強勁，在不久的將來，光電新能源將會成為世界新能源的主流。光電新能源主要利用太陽能，光伏系統中的太陽電池受光照時間、光照強度等自然條件的影響，其所發電不能平穩地供給電器直接使用，通常用電池進行能量儲存及調節，所以光伏系統離不開儲能蓄電池的搭配使用。 基于自然條件的變化，例如陰天、雨雪天、晚上光照強度的變化等，光伏系統用儲能鉛酸蓄電池的工作狀態及使用與其他用途的蓄電池有很大區別。

1 光伏系統的組成

太陽能光伏發電系統是以光生伏特效應原理制成的，其將太陽能直接轉化成電能，也稱為太陽電池發電系統。它是由太陽電池方陣、控制器、蓄電池組、DC-AC逆變器等部分組成，如圖1所示。

圖1 光伏發電系統典型結構框架圖

2 光伏系統用儲能鉛酸蓄電池的作用[1]

2.1 儲存電能

太陽光因自然條件的變化，在大多數的離網光伏系統中，太陽能光板接收太陽能所產生的電壓、電流不可能和負載完全一致，給負載正常使用帶來困難，需要一個儲能裝置進行能量調節轉換，以便能平穩地為負載提供所需電能。因此，用儲能鉛酸蓄電池給光伏系統儲存電能是非常必要的。

2.2 平穩供電

太陽電池的工作特性受太陽光照強度、光照時間等因素的影響，因此太陽電池組件直接向負載供電不穩定，不能保證負載正常運行。光伏系統用儲能鉛酸蓄電池起到橋梁的作用，接受太陽電池對其充電，依據鉛酸蓄電池本身特性可以很平穩地輸出能量供負載使用，使負載在最佳狀態下工作。

2.3 瞬間大電流放電

負載剛啟動時的電流往往比額定工作電流大，太陽電池組件局限于自身最大短路電流及光照強度的影響，帶動負載啟動非常困難，甚至難以實現。而鉛酸蓄電池可在瞬間提供大電流給負載啟動，解決了光伏電池很難應對負載啟動電流的問題。

2.4 負載供電方便

無論陰天、雨雪天還是晚上，在蓄電池容量足夠的前提下，鉛酸蓄電池都可隨時為負載供電，因此在一些無電區得到了廣泛應用。

3 光伏系統用儲能鉛酸蓄電池壽命的主要影響因素

3.1 放電深度

在電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比稱為放電深度(depth of discharge，DOD)。一般來說，鉛酸蓄電池循環使用時，其壽命取決于放電深度和充放電次數。鉛酸蓄電池長期進行頻繁深放電，其壽命就會很短。因為鉛酸蓄電池內部的正極活性物質PbO2放電時生成PbSO4，充電又恢復成PbO2，而PbSO4的摩爾體積是PbO2的1.94倍，放電時活性物質會膨脹；在充放電的過程中，正極的活性物質反復收縮與膨脹，PbO2粒子之間結合變差，易于從板柵上脫落。放電深度越深，PbO2粒子之間結合的破壞程度就越大，鉛酸蓄電池的循環壽命就越短。根據國內光伏系統設計人員的行業習慣和許多電池生產廠家的認同，蓄電池放電深度在10%～20%為淺循環放電；放電深度在30%～50%為中等循環放電；放電深度在60%～80%為深循環放電。根據測算和實際運行經驗，較為適中的放電深度是50%。

3.2 放電倍率

在光伏系統中，鉛酸蓄電池一般放電電流很小，1/20～1/240 C10A，但是放電時間較長，放電頻率較高。鉛酸蓄電池經常處于放電狀態，有時甚至是深放電。對于鉛酸蓄電池而言，放電電流太大或太小都是不利的。放電電流越大，在電極上的電流分布就越不均勻，能使電極表面的活性物質與電解液迅速反應生成細小的PbSO4晶體，堵塞多孔電極表面的孔口，而電解液就很難進入到電極內部與活性物質繼續反應，導致極板的活性物質不能充分利用，發揮不了鉛酸蓄電池應有的容量；放電電流越小，電池雖然放出的容量大，但是很容易造成電池的深放電，小電流放電時會產生很粗很稀的PbSO4，充電很難恢復，易造成鉛酸蓄電池的不可逆硫酸鹽化，影響電池壽命。

3.3 充電倍率

由于光伏系統受自然條件的限制，光伏電池對儲能鉛酸蓄電池充電的電流通常很小，一般在1/50～1/100 C10A，很少達到1/5 C10或1/10 C10A的充電水平，這樣使光伏系統用儲能鉛酸蓄電池不能得到均勻飽滿的完全充電，致使鉛酸蓄電池長期處于充電不足狀態，嚴重影響鉛酸蓄電池壽命。鉛酸蓄電池充電不足會造成電解液分層、不可逆硫酸鹽化等現象，電解液分層會引起板柵的腐蝕與活性物質的膨脹或軟化；不可逆硫酸鹽化會產生粗大的PbSO4，不能轉化成活性物質，使電池容量降低，充放電時電壓會出現驟升和陡降的現象，嚴重時，無法充入電，直接導致鉛酸蓄電池失效。

3.4 使用環境

在國內的光伏系統中，除了一些大型光伏電站有專門蓄電池室，維護條件較好外，其他一些小型的離網太陽能裝置(如路燈、草坪燈、家庭戶用照明等)中，儲能鉛酸蓄電池的工作環境都比較惡劣(夏天高溫，冬天低溫)。鉛酸蓄電池受溫度影響較大，溫度高時會引起電池失水，電解液干涸，甚至熱失控等；溫度低時電池容量也相應降低，活性物質利用率下降；而且溫度波動會引起鉛枝晶的加速增長，造成電池內部枝晶短路。光伏系統在使用過程中必然遇到低溫和高溫環境，而儲能鉛酸蓄電池的使用溫度應控制在20～30 ℃范圍內，所以鉛酸蓄電池在使用前應考慮如何處理好使用環境，使鉛酸蓄電池使用時能達到最佳狀態。

4 光伏系統用儲能鉛酸蓄電池的設計

針對光伏系統使用的現狀，如何改善儲能鉛酸蓄電池的性能以滿足光伏系統的使用，是促進光伏產業發展的一個重要環節。光伏系統用儲能鉛酸蓄電池應具有深放電特性好、充電接受能力良好、循環使用壽命長及耐高低溫性能好等特點。要適應光伏系統的要求，鉛酸蓄電池就必須采用合適的工藝和設計。

4.1 板柵合金

板柵是個載體，起支撐活性物質及導流的作用，所以其合金的選擇尤為重要。板柵合金關系到電池的壽命與工作性能[2]。目前在儲能鉛酸蓄電池行業被廣泛應用的板柵合金大致可分為Pb-Sb(低)和Pb-Ca兩大類。

Pb-Sb(低)合金伸縮變形小，增強板柵與活性物質之間的粘附力，使活性物質不易脫落，有利于蓄電池的深充深放能力及循環使用壽命；在循環充放電時，板柵也不易變形；另外此合金的板柵還具有耐腐蝕、蠕變小、抗拉、延展性好等特點。但由于Sb的存在，降低了氫的析出電位，加速了電解液中水的分解損失。

Pb-Ca合金的析氫過電位比Pb-Sb合金約提高0.2 V，接近于純鉛，從而可有效抑制蓄電池自放電和充電時負極的析氫量，降低了電解液中水的分解損失；但是活性物質與Pb-Ca合金板柵表面易產生CaSO4，成為PbSO4新的結晶中心，形成高阻界面，增大內阻，同時也使電池充放電能力降低，循環性能很差。

鑒于以上兩種合金的特性，在光伏系統用鉛酸蓄電池設計時，可采用正極Pb-Sb(低)合金，負極Pb-Ca合金，在某些特性上可起互補作用。

4.2 鉛膏添加4BS

在鉛膏中選擇加入四堿式硫酸鉛(4BS)配方料，可有效避免活性物質失效引起的蓄電池早期容量損失(PCL)，顯著延長蓄電池的循環壽命[3]，對光伏系統用鉛酸蓄電池的使用很有益。4BS可通過水熱法、熱分解法及機械研磨法等方法制備，但這些方法對原材料的純度要求較高，造成4BS產品生產成本較高。國內有提出用鉛酸蓄電池極板生產過程中的廢料制備四堿式硫酸鉛的方法[4]，實現了含鉛廢料的回收利用，變廢為寶。

4.3 膠體電解液

當前國內外興起太陽能儲能專用膠體鉛酸蓄電池，對電池內部的隔板及電解液做出了改進。隔板采用PVC材料，電解液采用膠體材料(硅溶膠或納米二氧化硅)與硫酸溶液進行配制。使用膠體電池技術可大幅降低電解液的層化現象，極群周圍及與槽體之間充滿凝膠電解質，有較大的熱容量和散熱性，不會產生熱量積累，避免了電池熱失控，而且膠體電池對溫度的敏感性很小，適合太陽能光伏系統使用。

5 結束語

太陽能光伏產業的發展前景是光明的，利用可再生資源來推動全球的持續性發展，是未來支撐建設綠色經濟的重要支柱。太陽電池發電成本較高，所以，蓄電池的充放電效率是太陽能光伏發電儲能鉛酸蓄電池最重要、最基本的指標，直接影響整個光伏系統的效率。

[1] 陳紅雨, 熊正林, 李中奇.先進鉛酸蓄電池制造工藝[M].北京: 化學工業出版社, 2010.

[2] 伊曉波.鉛酸蓄電池制造與過程控制[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006.

[3] Shin J, Lim Y, Kim K, et al. Effects of synthesized 4PbO·PbSO4on the initial capacity and cycle performance of lead dioxide electrode prepared by cementation lead oxide[J]. Metals and Materials International, 2001, 7(5): 485－492.

[4] 吳戰宇, 顧立貞, 張琳, 等. 用鉛酸蓄電池極板生產過程中的廢料制備四堿式硫酸鉛[J].蓄電池, 2011, (2): 74－76.