在中國的北方、西北等地問題尤為突出,，迫切需要有適合當(dāng)?shù)貐^(qū)使用的穩(wěn)定可靠的電力系統(tǒng)?，F(xiàn)在常用的單獨供電系統(tǒng)有發(fā)電機組、太陽能系統(tǒng),、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),、風(fēng)光互補系統(tǒng)。

　　發(fā)電機組,，以一次能源作為動力源推動內(nèi)燃機,，內(nèi)燃機傳動發(fā)電機，發(fā)電機做磁力線切割運動產(chǎn)生電能,。而一次能源資源越來越稀少,，價格越來越高，并且嚴(yán)重影響自然環(huán)境,。

　　太陽能系統(tǒng),、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補系統(tǒng),，以自然界取之不盡用之不完的光能,、風(fēng)能作為能量源，通過一定裝換裝置轉(zhuǎn)化為可以使用的電能,，此能源自然,、環(huán)保，充分體現(xiàn)了節(jié)能,、環(huán)保,、愛地球的理念。而此類電源能夠持續(xù)供電的能力需要儲能設(shè)備提供保障,，目前主要使用的儲能設(shè)備有鎘鎳電池,、VRLA蓄電池,。但由于成本，原材料缺乏等原因,，鎘鎳電池逐步被VRLA蓄電池取代,。下面以光伏系統(tǒng)為例介紹一下VRLA蓄電池在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　光伏系統(tǒng)介紹

　　一． 光伏系統(tǒng)的工作原理

　　在光照條件好的情況下,，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動勢,，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統(tǒng)輸入電壓的要求,。一部分供給電力系統(tǒng)使用,，一部分通過充放電控制器對蓄電池進行充電，將光能轉(zhuǎn)換而來的電能儲存起來,。在光照條件達不到要求時,，蓄電池組再通過逆變器提供電力系統(tǒng)所需的電力。

　　二． 光伏系統(tǒng)的組成

　　光伏系統(tǒng)是由太陽能電池方陣,，蓄電池組,，充放電控制器，逆變器等設(shè)備組成,。其各部分設(shè)備的作用是：

　?。?）太陽能電池方陣：在有光照情況下，電池吸收光能,，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累,，即產(chǎn)生"光生電壓"，這就是"光生伏打效應(yīng)",。在光生伏打效應(yīng)的作用下,，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能,，是能量轉(zhuǎn)換的器件,。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池,，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種,。

　　（2）蓄電池組：其作用是儲存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負(fù)載供電,。

　?。?）控制器：自動控制電力的選擇，在市電,、太陽能電,、蓄電池電之間選擇，對蓄電池充電。

　?。?）逆變器：是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備,。

　　光伏系統(tǒng)對蓄電池性能要求分析

　　一． 光伏發(fā)電系統(tǒng)用蓄電池的工作條件

　　在光伏電站使用環(huán)境中，光照條件好時（白天）,，太陽能電池組件接收太陽光,，輸出電能，一部分直流和交流負(fù)載工作,，另一部分供給蓄電池充電,；光照條件不好時（夜晚或陰雨天），太陽能電池組件無法工作,，蓄電池組供電,，供給直流或交流負(fù)載，蓄電池是處于循環(huán)狀態(tài),，所以,，在這種使用環(huán)境下，蓄電池的壽命為循環(huán)壽命,。

　　應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中的蓄電池的工作條件和蓄電池應(yīng)用在其它場合的工作條件不同,。其主要區(qū)別可以概括為以下幾點:

　　（1）充電率非常小, 由于成本,，位置空間等問題，太陽電池投入數(shù)量會受到很大的限制,，為了保證電力系統(tǒng)的正常使用,，往往提供給蓄電池的充電電力變得十分有限，平均充電電流一般為0.05C10～0.1C10,很少達到0.1C10A,。

　?。?）放電率非常小,太能系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮到最大負(fù)載容量，最長后備時間,，配置的蓄電池容量較大,，而實際使用過程中負(fù)載相對設(shè)計負(fù)載小得多，蓄電池放電率通常為C20～C240,或者更小,。

　?。?）由于受到自然資源的限制,蓄電池有在有日照時才能充電:即充電時間受到限制。

　?。?）不能按給定的充電規(guī)律對蓄電池進行充電,。

　　二． 光伏發(fā)電系統(tǒng)對VRLA蓄電池的性能要求

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池頻繁處于充電—放電的反復(fù)續(xù)循環(huán)中，由于日照的不穩(wěn)定性,，過充電和深放電的不利情況時有發(fā)生,，加之光伏發(fā)電系統(tǒng)大部分在西部地區(qū)使用，海拔都在2500M以上。因此,，對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池有如下要求：

　?。?）具有深循環(huán)放電性能，充放電循環(huán)壽命長,；

　?。?）耐過充電能力強；

　?。?）過放電后容量恢復(fù)能力強,；

　　（4）良好的充電接受能力,；

　?。?）電池在靜態(tài)環(huán)境中使用時，電解液不易分層,；

　?。?）具有免維護或少維護的性能；

　?。?）應(yīng)具備良好的高,、低溫充放電特性；

　?。?）能適應(yīng)高海拔（海拔都在2500M以上）地區(qū)的使用環(huán)境,；

　　（9）蓄電池組中各蓄電池一致性良好,。

　　三．影響光伏發(fā)電系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池壽命的因素

　?。?）正極活性物質(zhì)軟化脫落

　　VRLA蓄電池在循環(huán)使用條件下,電池的失效主要是由正極活性物質(zhì)(PAM)的軟化、脫落所致,。

　　鉛酸電池循環(huán)過程中,正,、負(fù)極活性物質(zhì)經(jīng)歷了可逆的溶解再沉積過程,改變了多孔二氧化鉛電極的結(jié)構(gòu)。尤其對二氧化鉛電極,可能會引起表觀體積的增加,改變顆粒和孔尺寸的分布,，多孔二氧化鉛結(jié)構(gòu)中顆粒之間的機械結(jié)合性能和導(dǎo)電性能降低,，隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會進一步的惡化,結(jié)果使得該區(qū)域的活性物質(zhì)軟化和脫落。

　?。?）放電電流對蓄電池壽命影響

　　在光伏系統(tǒng)中,蓄電池的放電電流非常小,。在小電流條件下形成的PbSO4比大電流條件下形成的PbSO4轉(zhuǎn)化困難得多。這是因為在小電流條件下形成的PbSO4結(jié)晶顆粒要比大電流條件下形成的PbSO4結(jié)晶顆粒粗大,，粗大的PbSO4結(jié)晶顆粒減少了PbSO4的有效面積,這樣在再充時加速了極板極化,導(dǎo)致PbSO4轉(zhuǎn)化困難,，隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會更加加劇,結(jié)果使得極板充不進電，最后導(dǎo)致蓄電池壽命終止,。

　?。?） 深度放電后蓄電池容量恢復(fù)

　　在光伏系統(tǒng)中,蓄電池的放電率要比蓄電池應(yīng)用在其它場合低,通常介于C20～C240,，甚至更低。小電流下深度放電意味著極板上的活性物質(zhì)將得到更充分的利用,。在許多光伏系統(tǒng)中,通常不會發(fā)生深度放電,除非充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者持續(xù)長時間的壞天氣,。在這種情況下,如果蓄電池得不到及時的再充電,硫化問題將更加嚴(yán)重,進一步導(dǎo)致容量損失。

　?。?）酸分層對蓄電池壽命影響

　　電解液分層現(xiàn)象是由于重力的作用在電池的充放電過程中產(chǎn)生的,，即充電時正負(fù)極板表面都產(chǎn)生Ｈ2ＳＯ4,它的密度大,因重力的作用而下沉。在放電時,正負(fù)極板表面均消耗Ｈ2ＳＯ4,故表面液層密度小,低密度的電解液順著極板間上升,而極群上部高密度的電解液則從極群側(cè)面向下流,電解液流動的結(jié)果造成了上部密度低,、下部密度高,。分層現(xiàn)象的產(chǎn)生對蓄電池的使用壽命和容量均產(chǎn)生不利影響，加速了板柵的腐蝕和正極活物質(zhì)的脫落,導(dǎo)致負(fù)極板硫酸鹽化,。

　?。?）電液密度對鉛蓄電池壽命的影響

　　電解液的濃度不僅與蓄電池的容量有關(guān)，而且與正極板柵的腐蝕和負(fù)極活性物質(zhì)硫酸鹽化有關(guān),。過高的硫酸濃度加速了正極板柵的腐蝕和負(fù)極活性物質(zhì)硫酸鹽化,，并導(dǎo)致失水加劇。

　?。?）板柵合金的影響

　　VRLA蓄電池,，由于長期使用,正極板柵會在電解液的作用下逐步腐蝕并長大,板柵的長大使活物質(zhì)和板柵的結(jié)合性降低,從而導(dǎo)致電池容量逐漸喪失。這種正極板柵的腐蝕和長大主要受板柵的合金組成,、電解液密度以及板柵筋條形狀等因素的影響,。

　　在蓄電池充電過程中,板柵和活性物質(zhì)的接口上形成非導(dǎo)電層,這些非導(dǎo)電層或低導(dǎo)電性層在板柵和ＰＡＭ界面引起了高的阻抗,導(dǎo)致充放電時發(fā)熱和板柵附近ＰＡＭ膨脹,從而限制了電池的容量（即所謂的PCL效應(yīng)）。

　?。?）極板的厚度的影響

　　極板的厚度應(yīng)屬于電池設(shè)計方面的問題,，一般來說，較厚極板的循環(huán)壽命要長于較薄極板,，而活性物質(zhì)利用率相比之下要差一些。但有利于循環(huán)循環(huán)壽命的延長,。

　?。?）裝配壓力的影響

　　裝配壓力對ＶＲＬＡ電池壽命有很大影響,ＡＧＭ隔板彈性差,組裝時,極群不加壓或壓力過小,隔板和極板之間不能保持良好的接觸,電池容量大大下降。

　　在循環(huán)過程中,，活性物質(zhì)的膨脹,、疏松、脫落是電池壽命提前終結(jié)的原因之一,，而采用較高的裝配壓力可以防止活性物質(zhì)在深循環(huán)過程中的膨脹,。若裝配壓力太低，還會導(dǎo)致隔板過早地與極板分離,，引起電液傳輸困難,，電池內(nèi)阻迅速增大，容易導(dǎo)致蓄電池壽命終止。因此,，采用較高的裝配壓力是電池具有長循環(huán)壽命的保證,。

　　（9）溫度的影響

　　高溫對蓄電池失水干涸,、熱失控,、正極板柵腐蝕和變形等都起到加速作用，低溫會引起負(fù)極失效,，溫度波動會加速枝晶短等等,，這些都將影響電池壽命。

　　在一定環(huán)境溫度范圍放電時,，使用容量隨溫度升高而增加,，隨溫度降低而減小。在環(huán)境溫度10～45℃范圍內(nèi),，鉛蓄電池容量隨溫度升高而增加,，如閥控密封鉛蓄電池在40℃下放電電量，比在25℃下放電的電量大10%左右,，但是,，超過一定溫度范圍，則相反,，如在環(huán)境溫度45～50℃條件下放電,，則電池容量明顯減小。低溫（<5℃）時,，電池容量隨溫度降低而減小,，電解液溫度降低時，其粘度增大,，離子運動受到較大阻力,，擴散能力降低；在低溫下電解液的電阻也增大,，電化學(xué)的反應(yīng)阻力增加,，結(jié)果導(dǎo)致蓄電池容量下降。其次低溫還會導(dǎo)致負(fù)極活性物質(zhì)利用率下降,，影響蓄電池容量,，如電池在-10℃環(huán)境溫度環(huán)境溫度下放電時，負(fù)極板容量僅達35%額定容量,。

　　通常情況下,，若在25℃條件下使用時，蓄電池的壽命為3年,，那么30℃條件下使用時,，就下降至2.5年,；40℃時就下降至1.5年。即以25℃為基準(zhǔn),，每升高10℃,，其使用壽命縮短一半。

　　四．光伏系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池的設(shè)計實踐

　　根據(jù)光伏系統(tǒng)用蓄電池的工作條件以及對光伏系統(tǒng)用蓄電池性能的特殊要求,，結(jié)合上述影響蓄電池壽命的因素,，在原VRLA蓄電池的基礎(chǔ)上進行了一系列的研究和技術(shù)改進，設(shè)計開發(fā)了光伏系統(tǒng)專用VRLA蓄電池,。具體改進措施包含以下幾方面：

　?。?）板柵合金：采用了適合與循環(huán)使用鉛銻或者鉛鎘板柵合金，既能防止極板在使用過程中腐蝕增長,，又可消除板柵和活性物質(zhì)的界面上的阻擋層,，杜絕了早期容量衰減。其充電效率和深放電后的恢復(fù)性能都很理想,。由于鎘為有毒元素,，現(xiàn)在限制使用。但由于鉛銻合金電池,，失水嚴(yán)重,，現(xiàn)在一般做成開口式蓄電池需要定期補水，需要人員定期維護,。

　?。?）板柵結(jié)構(gòu)：采用了特殊的板柵結(jié)構(gòu)，可防止因板柵增長而導(dǎo)致蓄電池?fù)p壞,，并增加了板柵的厚度,，以延長蓄電池的使用壽命。現(xiàn)在常用管式正極板柵設(shè)計,，有限解決了因活性與板柵之間接觸不好的問題,。

　　（3）鉛膏：在正,、負(fù)鉛膏中,，添加能增加導(dǎo)電性的添加劑，如石墨,、乙炔黑等，并改進和膏工藝和固化工藝,，提高了蓄電池的充電接受能力,、過放電后容量恢復(fù)能力和深循環(huán)壽命。

　?。?）裝配壓力：提高了電池的裝配壓力,，以提高蓄電池的循環(huán)使用壽命,。采用了高強度緊裝配技術(shù)，確保蓄電池緊裝配壓力得以實現(xiàn),。

　?。?）電解液：降低了硫酸電解液的比重，并添加了特殊的電液添加劑,，可以降低對極板的腐蝕,，減少電液分層的產(chǎn)生，提高了電池的充電接受能力,，和過放電性能,。

　　（6）雜質(zhì)的控制：對各種材料的雜質(zhì)（如Sb,、Fe,、Ni等）進行嚴(yán)格的控制，特別是合金中雜質(zhì)的控制,，降低了電池的自放電,，杜絕了負(fù)極總線腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

　?。?）正負(fù)活性物質(zhì)的配比：針對光伏系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池的充放電特點,，調(diào)整了正負(fù)活性物質(zhì)的配比，提高蓄電池的循環(huán)壽命,。

　?。?）安全閥：對安全閥還考慮了海拔2500m以上的高原氣候的影響，特別調(diào)整了開閉閥壓力,，采用專用安全閥,。

　　（9）電池結(jié)構(gòu)：降低了電池總高度,。采用用矮型結(jié)構(gòu)生產(chǎn),，可以大大降低由于電液分層現(xiàn)象導(dǎo)致蓄電池的使用壽命和容量受到不利影響。但由于膠體電池不易出現(xiàn)電解液分層現(xiàn)場,，無此限制,。

　　（10）蓄電池各單體電池的一致性：這里提到的一致性不僅是指電池的開路電壓,，初期容量,，還包括電池的內(nèi)阻，自放電,，以及充電效率等,，這就要求足夠的制造精度，即從鉛粉,、鑄片,、和膏,、涂片、固化,、化成,、干燥裝配、加酸,、充電到最后的四項功能檢測都必須控制在較小的公差范圍內(nèi),，所以采用機鑄、機涂,、組立機裝配以及精確注酸是確保電池一致性的可靠保證,，盡量減少人為因子。

　　總結(jié)

　　由于光伏發(fā)電系統(tǒng)用轉(zhuǎn)化效率低,，成本高,，以及沒有相應(yīng)配套的鼓勵發(fā)展的法律法規(guī)，使得光伏系統(tǒng)發(fā)展較慢,。但發(fā)展新型能源是大勢所趨,，必將高速發(fā)展。而儲能蓄電池目前主要包括鎘鎳蓄電池和鉛酸蓄電池,，其中鎘鎳電池正逐步被淘汰,。鉛酸蓄電池包括富液式和貧液式，必將在近幾年在光伏發(fā)電系統(tǒng)都得到廣泛的應(yīng)用,。