光伏儲能系統(tǒng)之鉛酸蓄電池原理和種類

儲能電池及器件是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不可缺少的存儲能電能的部件，其主要功能是存儲光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能，并在日照量不足，夜間以及應(yīng)急狀態(tài)下為負載供電。常用的儲能電池有鉛酸蓄電池、堿性蓄電池、鋰電池、超級電容，它們分別應(yīng)用于不同場合或者產(chǎn)品中。目前應(yīng)用是鉛酸蓄電池，從19世紀50年代開發(fā)出來至今，已經(jīng)有160余年的歷史，目前衍生出很多種類，如富液鉛酸電池、閥控密封鉛酸電池、膠體電池，鉛碳電池等.

一、工作原理及基本結(jié)構(gòu)

鉛酸電池是用鉛和二氧化鉛作為電池負極和正極活性物質(zhì)，以稀硫酸為電解質(zhì)的化學儲能裝置，具有電能轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長、端電壓高、安全性強、性價比高、安裝維護簡單等特點，目前是各類儲能、應(yīng)急供電、啟動裝置中的化學電源。鉛酸電池的主要構(gòu)成包括：

1.極板：正負極板均是以特殊的合金板柵涂敷上活性物質(zhì)所得，極板在充放電時存儲和釋放能量，確保電池的容量和性能可靠。

2.隔板：是置放于電池正負極中間的一個隔離介質(zhì)，防止電池正負極直接接觸而短路的裝置，不同類型的鉛酸電池隔板材質(zhì)不同，閥控類電池主要以AGM、PE、PVC為主。

3.電解液：鉛酸電池的電解液是用蒸餾水配制的稀硫酸，電解液在充放電時起到在正負極間傳輸離子的作用，因而電解液必須要沒有雜質(zhì)。

4.容器（電池殼蓋）：電池包覆的容器，電解液和極板均在容器內(nèi)，主要起支撐作用，同時防止內(nèi)部物質(zhì)外溢，外部物質(zhì)進入內(nèi)部結(jié)構(gòu)污染電池。

二、種類及優(yōu)勢

鉛酸電池的工作原理就是通過電化學反應(yīng)，電能和化學能之間相互轉(zhuǎn)化，電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。英語：Lead-acidbattery。

放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛。

充電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。

鉛酸蓄電池種類較多，應(yīng)用在光伏儲能系統(tǒng)中，比較多的有三種，富液型鉛酸蓄電池、閥控式密封鉛酸蓄電池、鉛碳蓄電池等等。

2.1 富液型鉛酸蓄電池

鉛酸電池的電解液中的硫酸直接參與電池充放電反應(yīng)過程，傳統(tǒng)鉛酸電池中，電池槽內(nèi)除去極板、隔板及其他固體組裝部件的剩余空間完全充滿硫酸電解液，電解液處于富余過量狀態(tài)，故被稱為“富液式”電池，電池極板完全浸泡在硫酸電解液中。富液式蓄電池頂部有一個能夠通氣而又能夠阻擋液體濺出的蓋子，在使用過程中由于水分的蒸發(fā)和分解損失，需要定期將蓋子打開補加蒸餾水及調(diào)整電解液密度，所以習慣上被稱為“開口式”蓄電池。

富液型鉛酸蓄電池特點是價格便宜，壽命長，缺點是需要經(jīng)常維護。

2.2 閥控式密封鉛酸蓄電池

閥控式密封鉛酸蓄電池，又稱免維護電池，分為AGM密封鉛蓄電池和GEL膠體密封鉛蓄電池兩種。

AGM型電池使用純的硫酸水溶液作電解液，大部分存在于玻璃纖維膜之中，同時極板內(nèi)部吸有一部分電解液外。AGM式密封鉛蓄電池電解液量少，極板的厚度較厚，活性物質(zhì)利用率低于開口式電池，因而電池的放電容量比開口式電池要低10%左右。

AGM密封鉛蓄電池與當今的膠體密封電池相比，其放電容量要小一些。與富液型相同規(guī)格蓄電池相比，價格較高，具有以下優(yōu)點：

（1）循環(huán)充電能力比鉛鈣蓄電池高3倍，具有更長的使用壽命。

（2）在整個使用壽命周期內(nèi)具有更高的電容量穩(wěn)定性。

（3）低溫性能更可靠。

（4）降低事故風險，減少環(huán)境污染風險（由于酸液100%密封裝）。

（5）維護很簡單，減少深度放電。

膠體密封鉛蓄電池（即GEL型電池），膠體鉛酸蓄電池是對液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池的改進，用膠體電解液代換了硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通電池有所改善。其電解液是由硅溶膠和硫酸配成的，硫酸溶液的濃度比AGM式電池要低，電解液的量比AGM式電池要多，跟富液式電池相當。這種電解質(zhì)以膠體狀態(tài)存在，充滿在隔膜中及正負極之間，硫酸電解液由凝膠包圍著，不會流出電池。

膠體密封鉛蓄電池其優(yōu)點如下：

（1）漏酸機率小。GEL型膠體電池是電解質(zhì)凝膠后沒有游離電液，因而漏酸的機率比AGM型電池小得多。

（2）失水少。因其灌注量比稀硫酸多，失水少，所以膠體電池不會因失水造成失效。

（3）有效延長電池壽命。膠體的灌入增加了隔板的強度，保護了極板，彌補了隔板遇酸收縮的缺陷，使裝配壓力不明顯降低是其具有延長電池壽命的原因之一。

（4）膠體鉛酸蓄電池抗過充能力強。

（5）嚴重放電情況下的恢復能力強。膠體填充了隔板與極板之間的空隙，降低了電池的內(nèi)所以膠體電池的過放電，恢復能力和低溫充放性能都比AGM型電池優(yōu)越。 

（6）體鉛酸蓄電池的自放電性能好，在同樣的硫酸純度和水質(zhì)情況下，蓄電池的存放時間可以延長2倍以上。

（7）膠體鉛酸蓄電池在嚴重缺電的情況下，抗硫化性能很明顯。

（8）膠體鉛酸蓄電池后期放電性能好。

2.3 鉛碳電池

鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進出來的技術(shù)，它是在鉛酸電池的負極中加入了活性炭，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。

鉛碳電池是一種新型的超級電池，并結(jié)合了鉛酸電池和超級電容器兩者的優(yōu)勢:

（1）既發(fā)揮了超級電容瞬間大容量充電的優(yōu)點，也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量優(yōu)勢，且擁有非常好的充放電性能。

（2）電池壽命延長。由于加了碳(石墨烯)，阻止了負極硫酸鹽化現(xiàn)象，改善了過去電池失效的一個因素，延長了電池壽命。

（3）度電成本下降。鉛炭電池的度電成本可低至0.5元/kWh，在規(guī)?；a(chǎn)的基礎(chǔ)上，鉛炭電池甚至有望將度電成本降至0.4元以下。

鉛炭電池是鉛酸蓄電池領(lǐng)域的技術(shù)，也是國際新能源儲能行業(yè)的發(fā)展重點，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。廣泛應(yīng)用于光伏電站儲能、風電儲能和電網(wǎng)調(diào)峰等儲能領(lǐng)域。