解析光伏系统储能电池的原理及应用领域

储能电池是太阳能光伏发电系统不可缺少存储能电能部件，其重要功能是存储光伏发电系统的电能，并在日照量不足，夜间以及应急状态下为负载供电。常用的储能电池有铅酸蓄电池，碱性蓄电池，锂离子电池，超级电容，它们分别应用于不同场合或者产品中，目前应用最广是铅酸蓄电池，从19世纪50年代)开发出来至今，已经有160余年的历史，目前衍生出来很多种类，如富液铅酸电池、阀控密封铅酸电池、胶体电池，铅碳电池等。发展最快的是锂离子电池，目前重要有磷酸铁锂离子电池和三元锂离子电池(镍钴锰酸锂LiNiCoMn)。

1、铅酸蓄电池工作原理，基本结构

铅酸电池是用铅和二氧化铅作为电池负极和正极活性物质，以稀硫酸为电解质的化学储能装置，具有电能转换效率高、循环寿命长、端电压高、安全性强、性价比高、安装维护简单等特点，目前是各类储能、应急供电、启动装置中首选的化学电源。铅酸电池的重要构成包括：

图1铅酸蓄电池重要部件示意图

1)极板：正负极板均是以特殊的合金板栅涂敷上活性物质所得，极板在充放电时存储和释放能量，确保电池的容量和性能可靠;

2)隔板：是置放于电池正负极中间的一个隔离介质，防止电池正负极直接接触而短路的装置，不同类型的铅酸电池隔板材质不同，阀控类电池重要以AGM、PE、PVC为主;

3)电解液：铅酸电池的电解液是用蒸馏水配制的稀硫酸，电解液在充放电时起到在正负极间传输离子的用途，因而电解液必须要没有杂质;

4)容器(电池壳盖)：电池包覆的容器，电解液和极板均在容器内，重要起支撑用途，同时防止内部物质外溢，外部物质进入内部结构污染电池。

2、铅酸蓄电池的种类

铅酸电池的工作原理就是通过电化学反应，电能和化学能之间相互转化，电极重要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。英语：Lead-acidbattery。放电状态下，正极重要成分为二氧化铅，负极重要成分为铅;充电状态下，正负极的重要成分均为硫酸铅。种类较多，应用在光伏储能系统中，比较多的有三种，富液型铅酸蓄电池(FLA，floodedlead-acid)，阀控式密封铅酸蓄电池VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery)，铅碳蓄电池等等。

2.1、富液型铅酸蓄电池：

铅酸电池的电解液中的硫酸直接参与电池充放电反应过程，传统铅酸电池中，电池槽内除去极板、隔板及其他固体组装部件的剩余空间完全充满硫酸电解

液，电解液处于富余过量状态，故被称为富液式电池，电池极板完全浸泡在硫酸电解液中。富液式蓄电池顶部有一个能够通气而又能够阻挡液体溅出的盖子，在使用过程中由于水分的蒸发和分解损失，要定期将盖子打开补加蒸馏水及调整电解液密度，所以习惯上被称为开口式蓄电池。

富液型铅酸蓄电池特点是价格便宜，寿命长，缺点是要经常维护。

2.2、阀控式密封铅酸蓄电池，又称免维护电池，分为AGM密封蓄电池和GEL胶体密封蓄电池两种。

AGM型电池使用纯的硫酸水溶液作电解液，大部分存在于玻璃纤维膜之中，同时极板内部吸有一部分电解液外。AGM式密封蓄电池电解液量少，极板的厚度较厚，活性物质利用率低于开口式电池，因而电池的放电容量比开口式电池要低10%左右。与当今的胶体密封电池相比，其放电容量要小一些。与富液型相同规格蓄电池相比，价格较高，具有以下优点：1.循环充电能力比铅钙蓄电池高3倍，具有更长的使用寿命。2.在整个使用寿命周期内具有更高的电容量稳定性。3.低温性能更可靠。4.降低事故风险，减少环境污染风险(由于酸液100%密封装)5.维护很简单，减少深度放电。

胶体密封蓄电池(即GEL型电池)，胶体铅酸蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进，用胶体电解液代换了硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通电池有所改善。其电解液是由硅溶胶和硫酸配成的，硫酸溶液的浓度比AGM式电池要低，电解液的量比AGM式电池要多，跟富液式电池相当。这种电解质以胶体状态存在，充满在隔膜中及正负极之间，硫酸电解液由凝胶包围着，不会流出电池。其优点如下：GEL型胶体电池是电解质凝胶后没有游离电液，漏酸的机率比前一种电池小得多;其灌注量比稀硫酸多，失水少，所以胶体电池不会因失水造成失效;胶体的灌入新增了隔板的强度，保护了极板，弥补了隔板遇酸收缩的缺陷，使装配压力不明显降低是其具有延长电池寿命的原因之一;胶体填充了隔板与极板之间的空隙，降低了电池的内阻，充电接受能力可因此而改善。所以胶体电池的过放电，恢复能力和低温充放性能都比AGM型电池优越。

胶体蓄电池优异特性

1、可以明显延长蓄电池的使用寿命。2、体铅酸蓄电池的自放电性能好，在同样的硫酸纯度和水质情况下，蓄电池的存放时间可以延长2倍以上。3、胶体铅酸蓄电池在严重缺电的情况下，抗硫化性能很明显。4、胶体铅酸蓄电池在严重放电情况下的恢复能力强。5、胶体铅酸蓄电池抗过充能力强。6、胶体铅酸蓄电池后期放电性能好。

2.3、铅碳电池

铅炭电池是一种电容型铅酸电池，是从传统的铅酸电池演进出来的技术，它是在铅酸电池的负极中加入了活性炭，能够显著提高铅酸电池的寿命。

铅碳电池是一种新型的超级电池，是将铅酸电池和超级电容器两者合一:既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点，也发挥了铅酸电池的比能量优势，且拥有非常好的充放电性能。而且由于加了碳(石墨烯)，阻止了负极硫酸盐化现象，改善了过去电池失效的一个因素，更延长了电池寿命。铅炭电池的度电成本可低至0.5元/kWh，在规模化生产的基础上，铅炭电池甚至有望将度电成本降至0.4元以下。

铅炭电池是铅酸蓄电池领域最先进的技术，也是国际新能源储能行业的发展重点，具有非常广阔的应用前景。储能电池技术是制约新能源储能产业发展的关键技术之一。光伏电站储能、风电储能和电网调峰等储能领域，要求电池具有功率密度较大，循环寿命长和价格较低等特点。

3、铅酸蓄电池组管理

铅酸蓄电池一般采用三段式充电模式：

第一阶段快充，恒流充电阶段，以充电器最大的输出电流对电池快速充电，充电时间取决于电池容量和开始充电时电池状态。第二阶段均充，恒压充电阶段，充电器充电电压保持恒定，充入电量继续新增，电池电压缓慢上升，充电电流下降;.第三阶段浮充模式，蓄电池基本充满，充电电流下降到低于浮充转换电流，充电电压降低到浮充电压。

●充电电流

电池充电电流一般以电池容量C的倍数来表示，举例来讲，假如电池容量C=100Ah，充电电流为0.1C则为0.1×100=10A。铅酸免维护电池的最佳充电电流为0.1C左右，充电电流不能大于0.3C。充电电流过大或过小都会影响电池的使用寿命.

●充电电压

额定电压为2V的单体电池，一般浮充电压设置为2.2-2.3V。均充电压设置为2.3-2.5V，假如充电电压过高，电池易失水，发热变形，反之会使电池充电不足，充电电压异常，可能由充电器配置错误引起，或因充电器故障造成。

●放电深度DODdepthofdischarge

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(depthofdischarge，DOD)。放电深度的高低电池寿命有很深的关系，放电深度越深，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量防止深度放电。蓄电池放电深度在10%～30%上下为浅循环放电;放电深度在40%～70%上下为中等循环放电;放电深度在80%～90%上下的为深循环放电。

一般来说，蓄电池长期运行的每日放电深度越深，蓄电池寿命越短，放电深度越浅，蓄电池寿命越长。浅循环放电有利于延长蓄电池寿命。蓄电池浅循环运行，有两个明显的优点：第一，蓄电池一般有较长的循环寿命;第二，蓄电池经常保有较多的备用安时容量，使光伏系统的供电保证率更高。根据实际运行相关经验，较为适中的放电深度是60%到70%。

●蓄电池的检查

蓄电池都有自放电现象，假如长期放置不用，会使能量损失掉，因此需定期进行充放电。工程技术人员可以通过测量电池开路电压来判断电池的好坏，以12V电池为例，若开路电压高于12.5V，则表示电池储能还有80%以上，若开路电压低于12V，则表示电池储能不到30%，电池已处于弹尽粮绝的地步。免维护电池由于采用吸收式电解液系统，在正常使用时不会出现任何气体，此时电池内压就会增大，会将电池上方的压力阀顶开，严重的会使电池鼓胀、变形、漏夜甚至破裂，这些现象都可以从外观上判断出来，假如发现上述情况应立即更换电池。

●电池安装

电池应尽可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，并要防止受到阳光、加热器或其他辐射热源的影响。电池应立正放置，不可倾斜角度。每个电池之间端子的连接要牢固。

●环境温度

环境温度对电池的影响较大。环境温度过高，会使电池过充出现气体;环境温度过低，则会使电池充电不足着都会影响电池的使用寿命。因此环境温度在25℃左右最好。

●定期保养

电池在使用一按时间后应进行定期检查，如观察其外观是否异常、测量各电池的电压是否平均等。假如长期不停电，电池会一直处于充电状态，这样会使电池的活性变差，因此即使不停电，也要定期进行放电试验，以便使电池保持活性。放电试验一般可三个月进行一次，做法是逆变器带载，最好在50%以上，放电持续时间视电池容量而定，一般为几分钟至几十分钟。