浅谈光伏系统用储能铅酸蓄电池

江苏华富储能新技术股份有限公司 ■ 王兴锋 黄毅 戴厚爱 李一平 朱明海 周寿斌

0 引言

太阳能是纯净、可再生的能源，是传统化石能源最为重要的替代能源之一，光电新能源发展的大趋势仍在继续，且势头越来越强劲，在不久的将来，光电新能源将会成为世界新能源的主流。光电新能源主要利用太阳能，光伏系统中的太阳电池受光照时间、光照强度等自然条件的影响，其所发电不能平稳地供给电器直接使用，通常用电池进行能量储存及调节，所以光伏系统离不开储能蓄电池的搭配使用。 基于自然条件的变化，例如阴天、雨雪天、晚上光照强度的变化等，光伏系统用储能铅酸蓄电池的工作状态及使用与其他用途的蓄电池有很大区别。

1 光伏系统的组成

太阳能光伏发电系统是以光生伏特效应原理制成的，其将太阳能直接转化成电能，也称为太阳电池发电系统。它是由太阳电池方阵、控制器、蓄电池组、DC-AC逆变器等部分组成，如图1所示。

图1 光伏发电系统典型结构框架图

2 光伏系统用储能铅酸蓄电池的作用[1]

2.1 储存电能

太阳光因自然条件的变化，在大多数的离网光伏系统中，太阳能光板接收太阳能所产生的电压、电流不可能和负载完全一致，给负载正常使用带来困难，需要一个储能装置进行能量调节转换，以便能平稳地为负载提供所需电能。因此，用储能铅酸蓄电池给光伏系统储存电能是非常必要的。

2.2 平稳供电

太阳电池的工作特性受太阳光照强度、光照时间等因素的影响，因此太阳电池组件直接向负载供电不稳定，不能保证负载正常运行。光伏系统用储能铅酸蓄电池起到桥梁的作用，接受太阳电池对其充电，依据铅酸蓄电池本身特性可以很平稳地输出能量供负载使用，使负载在最佳状态下工作。

2.3 瞬间大电流放电

负载刚启动时的电流往往比额定工作电流大，太阳电池组件局限于自身最大短路电流及光照强度的影响，带动负载启动非常困难，甚至难以实现。而铅酸蓄电池可在瞬间提供大电流给负载启动，解决了光伏电池很难应对负载启动电流的问题。

2.4 负载供电方便

无论阴天、雨雪天还是晚上，在蓄电池容量足够的前提下，铅酸蓄电池都可随时为负载供电，因此在一些无电区得到了广泛应用。

3 光伏系统用储能铅酸蓄电池寿命的主要影响因素

3.1 放电深度

在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度(depth of discharge，DOD)。一般来说，铅酸蓄电池循环使用时，其寿命取决于放电深度和充放电次数。铅酸蓄电池长期进行频繁深放电，其寿命就会很短。因为铅酸蓄电池内部的正极活性物质PbO2放电时生成PbSO4，充电又恢复成PbO2，而PbSO4的摩尔体积是PbO2的1.94倍，放电时活性物质会膨胀；在充放电的过程中，正极的活性物质反复收缩与膨胀，PbO2粒子之间结合变差，易于从板栅上脱落。放电深度越深，PbO2粒子之间结合的破坏程度就越大，铅酸蓄电池的循环寿命就越短。根据国内光伏系统设计人员的行业习惯和许多电池生产厂家的认同，蓄电池放电深度在10%～20%为浅循环放电；放电深度在30%～50%为中等循环放电；放电深度在60%～80%为深循环放电。根据测算和实际运行经验，较为适中的放电深度是50%。

3.2 放电倍率

在光伏系统中，铅酸蓄电池一般放电电流很小，1/20～1/240 C10A，但是放电时间较长，放电频率较高。铅酸蓄电池经常处于放电状态，有时甚至是深放电。对于铅酸蓄电池而言，放电电流太大或太小都是不利的。放电电流越大，在电极上的电流分布就越不均匀，能使电极表面的活性物质与电解液迅速反应生成细小的PbSO4晶体，堵塞多孔电极表面的孔口，而电解液就很难进入到电极内部与活性物质继续反应，导致极板的活性物质不能充分利用，发挥不了铅酸蓄电池应有的容量；放电电流越小，电池虽然放出的容量大，但是很容易造成电池的深放电，小电流放电时会产生很粗很稀的PbSO4，充电很难恢复，易造成铅酸蓄电池的不可逆硫酸盐化，影响电池寿命。

3.3 充电倍率

由于光伏系统受自然条件的限制，光伏电池对储能铅酸蓄电池充电的电流通常很小，一般在1/50～1/100 C10A，很少达到1/5 C10或1/10 C10A的充电水平，这样使光伏系统用储能铅酸蓄电池不能得到均匀饱满的完全充电，致使铅酸蓄电池长期处于充电不足状态，严重影响铅酸蓄电池寿命。铅酸蓄电池充电不足会造成电解液分层、不可逆硫酸盐化等现象，电解液分层会引起板栅的腐蚀与活性物质的膨胀或软化；不可逆硫酸盐化会产生粗大的PbSO4，不能转化成活性物质，使电池容量降低，充放电时电压会出现骤升和陡降的现象，严重时，无法充入电，直接导致铅酸蓄电池失效。

3.4 使用环境

在国内的光伏系统中，除了一些大型光伏电站有专门蓄电池室，维护条件较好外，其他一些小型的离网太阳能装置(如路灯、草坪灯、家庭户用照明等)中，储能铅酸蓄电池的工作环境都比较恶劣(夏天高温，冬天低温)。铅酸蓄电池受温度影响较大，温度高时会引起电池失水，电解液干涸，甚至热失控等；温度低时电池容量也相应降低，活性物质利用率下降；而且温度波动会引起铅枝晶的加速增长，造成电池内部枝晶短路。光伏系统在使用过程中必然遇到低温和高温环境，而储能铅酸蓄电池的使用温度应控制在20～30 ℃范围内，所以铅酸蓄电池在使用前应考虑如何处理好使用环境，使铅酸蓄电池使用时能达到最佳状态。

4 光伏系统用储能铅酸蓄电池的设计

针对光伏系统使用的现状，如何改善储能铅酸蓄电池的性能以满足光伏系统的使用，是促进光伏产业发展的一个重要环节。光伏系统用储能铅酸蓄电池应具有深放电特性好、充电接受能力良好、循环使用寿命长及耐高低温性能好等特点。要适应光伏系统的要求，铅酸蓄电池就必须采用合适的工艺和设计。

4.1 板栅合金

板栅是个载体，起支撑活性物质及导流的作用，所以其合金的选择尤为重要。板栅合金关系到电池的寿命与工作性能[2]。目前在储能铅酸蓄电池行业被广泛应用的板栅合金大致可分为Pb-Sb(低)和Pb-Ca两大类。

Pb-Sb(低)合金伸缩变形小，增强板栅与活性物质之间的粘附力，使活性物质不易脱落，有利于蓄电池的深充深放能力及循环使用寿命；在循环充放电时，板栅也不易变形；另外此合金的板栅还具有耐腐蚀、蠕变小、抗拉、延展性好等特点。但由于Sb的存在，降低了氢的析出电位，加速了电解液中水的分解损失。

Pb-Ca合金的析氢过电位比Pb-Sb合金约提高0.2 V，接近于纯铅，从而可有效抑制蓄电池自放电和充电时负极的析氢量，降低了电解液中水的分解损失；但是活性物质与Pb-Ca合金板栅表面易产生CaSO4，成为PbSO4新的结晶中心，形成高阻界面，增大内阻，同时也使电池充放电能力降低，循环性能很差。

鉴于以上两种合金的特性，在光伏系统用铅酸蓄电池设计时，可采用正极Pb-Sb(低)合金，负极Pb-Ca合金，在某些特性上可起互补作用。

4.2 铅膏添加4BS

在铅膏中选择加入四碱式硫酸铅(4BS)配方料，可有效避免活性物质失效引起的蓄电池早期容量损失(PCL)，显著延长蓄电池的循环寿命[3]，对光伏系统用铅酸蓄电池的使用很有益。4BS可通过水热法、热分解法及机械研磨法等方法制备，但这些方法对原材料的纯度要求较高，造成4BS产品生产成本较高。国内有提出用铅酸蓄电池极板生产过程中的废料制备四碱式硫酸铅的方法[4]，实现了含铅废料的回收利用，变废为宝。

4.3 胶体电解液

当前国内外兴起太阳能储能专用胶体铅酸蓄电池，对电池内部的隔板及电解液做出了改进。隔板采用PVC材料，电解液采用胶体材料(硅溶胶或纳米二氧化硅)与硫酸溶液进行配制。使用胶体电池技术可大幅降低电解液的层化现象，极群周围及与槽体之间充满凝胶电解质，有较大的热容量和散热性，不会产生热量积累，避免了电池热失控，而且胶体电池对温度的敏感性很小，适合太阳能光伏系统使用。

5 结束语

太阳能光伏产业的发展前景是光明的，利用可再生资源来推动全球的持续性发展，是未来支撑建设绿色经济的重要支柱。太阳电池发电成本较高，所以，蓄电池的充放电效率是太阳能光伏发电储能铅酸蓄电池最重要、最基本的指标，直接影响整个光伏系统的效率。

[1] 陈红雨, 熊正林, 李中奇.先进铅酸蓄电池制造工艺[M].北京: 化学工业出版社, 2010.

[2] 伊晓波.铅酸蓄电池制造与过程控制[M]. 北京: 机械工业出版社, 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] 吴战宇, 顾立贞, 张琳, 等. 用铅酸蓄电池极板生产过程中的废料制备四碱式硫酸铅[J].蓄电池, 2011, (2): 74－76.