淺談光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能鉛酸蓄電池

江蘇華富儲(chǔ)能新技術(shù)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(tǒng)化石能源最為重要的替代能源之一，光電新能源發(fā)展的大趨勢(shì)仍在繼續(xù)，且勢(shì)頭越來越強(qiáng)勁，在不久的將來，光電新能源將會(huì)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(tǒng)中的太陽電池受光照時(shí)間、光照強(qiáng)度等自然條件的影響，其所發(fā)電不能平穩(wěn)地供給電器直接使用，通常用電池進(jìn)行能量儲(chǔ)存及調(diào)節(jié)，所以光伏系統(tǒng)離不開儲(chǔ)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(qiáng)度的變化等，光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能鉛酸蓄電池的工作狀態(tài)及使用與其他用途的蓄電池有很大區(qū)別。

1 光伏系統(tǒng)的組成

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是以光生伏特效應(yīng)原理制成的，其將太陽能直接轉(zhuǎn)化成電能，也稱為太陽電池發(fā)電系統(tǒng)。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(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)框架圖

2 光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能鉛酸蓄電池的作用[1]

2.1 儲(chǔ)存電能

太陽光因自然條件的變化，在大多數(shù)的離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，太陽能光板接收太陽能所產(chǎn)生的電壓、電流不可能和負(fù)載完全一致，給負(fù)載正常使用帶來困難，需要一個(gè)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換，以便能平穩(wěn)地為負(fù)載提供所需電能。因此，用儲(chǔ)能鉛酸蓄電池給光伏系統(tǒng)儲(chǔ)存電能是非常必要的。

2.2 平穩(wěn)供電

太陽電池的工作特性受太陽光照強(qiáng)度、光照時(shí)間等因素的影響，因此太陽電池組件直接向負(fù)載供電不穩(wěn)定，不能保證負(fù)載正常運(yùn)行。光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能鉛酸蓄電池起到橋梁的作用，接受太陽電池對(duì)其充電，依據(jù)鉛酸蓄電池本身特性可以很平穩(wěn)地輸出能量供負(fù)載使用，使負(fù)載在最佳狀態(tài)下工作。

2.3 瞬間大電流放電

負(fù)載剛啟動(dòng)時(shí)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(qiáng)度的影響，帶動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)非常困難，甚至難以實(shí)現(xiàn)。而鉛酸蓄電池可在瞬間提供大電流給負(fù)載啟動(dòng)，解決了光伏電池很難應(yīng)對(duì)負(fù)載啟動(dòng)電流的問題。

2.4 負(fù)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(shí)為負(fù)載供電，因此在一些無電區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

3 光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)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(huán)使用時(shí)，其壽命取決于放電深度和充放電次數(shù)。鉛酸蓄電池長期進(jìn)行頻繁深放電，其壽命就會(huì)很短。因?yàn)殂U酸蓄電池內(nèi)部的正極活性物質(zhì)PbO2放電時(shí)生成PbSO4，充電又恢復(fù)成PbO2，而PbSO4的摩爾體積是PbO2的1.94倍，放電時(shí)活性物質(zhì)會(huì)膨脹；在充放電的過程中，正極的活性物質(zhì)反復(fù)收縮與膨脹，PbO2粒子之間結(jié)合變差，易于從板柵上脫落。放電深度越深，PbO2粒子之間結(jié)合的破壞程度就越大，鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命就越短。根據(jù)國內(nèi)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的行業(yè)習(xí)慣和許多電池生產(chǎn)廠家的認(rèn)同，蓄電池放電深度在10%～20%為淺循環(huán)放電；放電深度在30%～50%為中等循環(huán)放電；放電深度在60%～80%為深循環(huán)放電。根據(jù)測(cè)算和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，較為適中的放電深度是50%。

3.2 放電倍率

在光伏系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池一般放電電流很小，1/20～1/240 C10A，但是放電時(shí)間較長，放電頻率較高。鉛酸蓄電池經(jīng)常處于放電狀態(tài)，有時(shí)甚至是深放電。對(duì)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(zhì)與電解液迅速反應(yīng)生成細(xì)小的PbSO4晶體，堵塞多孔電極表面的孔口，而電解液就很難進(jìn)入到電極內(nèi)部與活性物質(zhì)繼續(xù)反應(yīng)，導(dǎo)致極板的活性物質(zhì)不能充分利用，發(fā)揮不了鉛酸蓄電池應(yīng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生很粗很稀的PbSO4，充電很難恢復(fù)，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(tǒng)受自然條件的限制，光伏電池對(duì)儲(chǔ)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(dá)到1/5 C10或1/10 C10A的充電水平，這樣使光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)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(tài)，嚴(yán)重影響鉛酸蓄電池壽命。鉛酸蓄電池充電不足會(huì)造成電解液分層、不可逆硫酸鹽化等現(xiàn)象，電解液分層會(huì)引起板柵的腐蝕與活性物質(zhì)的膨脹或軟化；不可逆硫酸鹽化會(huì)產(chǎn)生粗大的PbSO4，不能轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)，使電池容量降低，充放電時(shí)電壓會(huì)出現(xiàn)驟升和陡降的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)，無法充入電，直接導(dǎo)致鉛酸蓄電池失效。

3.4 使用環(huán)境

在國內(nèi)的光伏系統(tǒng)中，除了一些大型光伏電站有專門蓄電池室，維護(hù)條件較好外，其他一些小型的離網(wǎng)太陽能裝置(如路燈、草坪燈、家庭戶用照明等)中，儲(chǔ)能鉛酸蓄電池的工作環(huán)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(shí)會(huì)引起電池失水，電解液干涸，甚至熱失控等；溫度低時(shí)電池容量也相應(yīng)降低，活性物質(zhì)利用率下降；而且溫度波動(dòng)會(huì)引起鉛枝晶的加速增長，造成電池內(nèi)部枝晶短路。光伏系統(tǒng)在使用過程中必然遇到低溫和高溫環(huán)境，而儲(chǔ)能鉛酸蓄電池的使用溫度應(yīng)控制在20～30 ℃范圍內(nèi)，所以鉛酸蓄電池在使用前應(yīng)考慮如何處理好使用環(huán)境，使鉛酸蓄電池使用時(shí)能達(dá)到最佳狀態(tài)。

4 光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能鉛酸蓄電池的設(shè)計(jì)

針對(duì)光伏系統(tǒng)使用的現(xiàn)狀，如何改善儲(chǔ)能鉛酸蓄電池的性能以滿足光伏系統(tǒng)的使用，是促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能鉛酸蓄電池應(yīng)具有深放電特性好、充電接受能力良好、循環(huán)使用壽命長及耐高低溫性能好等特點(diǎn)。要適應(yīng)光伏系統(tǒng)的要求，鉛酸蓄電池就必須采用合適的工藝和設(shè)計(jì)。

4.1 板柵合金

板柵是個(gè)載體，起支撐活性物質(zhì)及導(dǎo)流的作用，所以其合金的選擇尤為重要。板柵合金關(guān)系到電池的壽命與工作性能[2]。目前在儲(chǔ)能鉛酸蓄電池行業(yè)被廣泛應(yīng)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(qiáng)板柵與活性物質(zhì)之間的粘附力，使活性物質(zhì)不易脫落，有利于蓄電池的深充深放能力及循環(huán)使用壽命；在循環(huán)充放電時(shí)，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(diǎn)。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(shí)負(fù)極的析氫量，降低了電解液中水的分解損失；但是活性物質(zhì)與Pb-Ca合金板柵表面易產(chǎn)生CaSO4，成為PbSO4新的結(jié)晶中心，形成高阻界面，增大內(nèi)阻，同時(shí)也使電池充放電能力降低，循環(huán)性能很差。

鑒于以上兩種合金的特性，在光伏系統(tǒng)用鉛酸蓄電池設(shè)計(jì)時(shí)，可采用正極Pb-Sb(低)合金，負(fù)極Pb-Ca合金，在某些特性上可起互補(bǔ)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(zhì)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(huán)壽命[3]，對(duì)光伏系統(tǒng)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(jī)械研磨法等方法制備，但這些方法對(duì)原材料的純度要求較高，造成4BS產(chǎn)品生產(chǎn)成本較高。國內(nèi)有提出用鉛酸蓄電池極板生產(chǎn)過程中的廢料制備四堿式硫酸鉛的方法[4]，實(shí)現(xiàn)了含鉛廢料的回收利用，變廢為寶。

4.3 膠體電解液

當(dāng)前國內(nèi)外興起太陽能儲(chǔ)能專用膠體鉛酸蓄電池，對(duì)電池內(nèi)部的隔板及電解液做出了改進(jìn)。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(jìn)行配制。使用膠體電池技術(shù)可大幅降低電解液的層化現(xiàn)象，極群周圍及與槽體之間充滿凝膠電解質(zhì)，有較大的熱容量和散熱性，不會(huì)產(chǎn)生熱量積累，避免了電池?zé)崾Э兀夷z體電池對(duì)溫度的敏感性很小，適合太陽能光伏系統(tǒng)使用。

5 結(jié)束語

太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景是光明的，利用可再生資源來推動(dòng)全球的持續(xù)性發(fā)展，是未來支撐建設(shè)綠色經(jīng)濟(jì)的重要支柱。太陽電池發(fā)電成本較高，所以，蓄電池的充放電效率是太陽能光伏發(fā)電儲(chǔ)能鉛酸蓄電池最重要、最基本的指標(biāo)，直接影響整個(gè)光伏系統(tǒng)的效率。

[1] 陳紅雨, 熊正林, 李中奇.先進(jìn)鉛酸蓄電池制造工藝[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

[2] 伊?xí)圆?鉛酸蓄電池制造與過程控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)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(zhàn)宇, 顧立貞, 張琳, 等. 用鉛酸蓄電池極板生產(chǎn)過程中的廢料制備四堿式硫酸鉛[J].蓄電池, 2011, (2): 74－76.