太阳能蓄电池

太阳能蓄电池（Solar energy storage battery）一般是指太阳能发电系统中的蓄电池，其主要负责在太阳能发电的时候把电能储存起来，在不发电的时候使用，或者在太阳能不足时充电使用。太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和碱性蓄电池。^[3][4][1]

储能电池是太阳能光伏发电系统不可缺少的存储电能的部件。其主要功能是存储光伏发电系统的电能，并在日照量不足、夜间以及应急状态时为负载供电。^[1]从2011年到2020年，中国太阳能发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。太阳能直接转化的电能不能一直满足用电负载的需求，需要用储能装置进行能量调节。所以太阳能光伏系统要求性能稳定，价格低廉的蓄电池作为配套设备。^[2]

2023年，中国“新三样”产品出口额突破万亿，同比增长29.9%。绿色低碳产业强劲，成为中国经济增长新亮点。中国绿色产品供给能力提升，多晶硅、硅片、电池、组件产量全球占比超70%，新能源汽车产销量连续8年全球第一。^[5]

太阳能是清洁、高效且永不衰竭的能源，被各国政府视为可持续发展战略的关键。由于资源和环保压力，太阳能将在全球能源结构中占据重要地位，成为理想的替代能源。^[2]

90年代以来，太阳能光伏市场以年均16%的速度递增，近几年以25%～30%的速度增长，太阳能已成为全球发展速度最快的能源。2006年，中国太阳能电池生产能力已超过300MW，而到2010年以前，中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国太阳能发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。太阳能直接转化的电能不能一直满足用电负载的需求，需要用储能装置进行能量调节。所以太阳能光伏系统要求性能稳定，价格低廉的蓄电池作为配套设备。^[2]

2023年，中国电动载人汽车、锂离子蓄电池和太阳能蓄电池“新三样”产品出口首破万亿元大关，同比增长29.9%。以“新三样”为代表的绿色低碳产业发展强劲，成为中国经济增长新亮点。“新三样”的不俗表现显示了中国绿色产品供给能力的提升。通过产业链强链补链和产业基础再造，以及关键技术攻关，中国多晶硅、硅片、电池、组件产量全球占比均超过70%，新能源汽车产销量连续8年居全球第一位。^[5]

铅酸蓄电池的工作过程就是通过电化学反应将电能转化为化学能，再将化学能转化为电能的过程，其电化学反应过程如下：^[1]

放电过程：PbO2（正极）＋2H2SO4（电解液）＋Pb（负极）→PbSO4（正极）＋2H2O（水）＋PbSO4（负极）^[1]

充电过程：PbO2（正极）＋2H2SO4（电解液）＋Pb（负极）←PbSO4（正极）＋2H2O（水）＋PbSO4（负极）^[1]

铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复杂，目前公认的是“双硫酸化理论”。该理论的含义为铅酸蓄电池在放电后，两电极的活性物质和硫酸发生作用，均转变为硫酸化合物——硫酸铅；充电时又恢复为原来的铅和二氧化铅。^[1]

由于铅酸蓄电池技术的发展，后期有了阀控和密封型铅酸蓄电池，其基本原理与上面的化学反应相同。在蓄电池充电后期，在正极板产生氧气，在负极板产生氢气。为了解决充电后期水的电解，阀控蓄电池将原有的栅板进行了改进，采用了铅钙合金栅板，这样提高了释放氢气的电位，抑制了氢气的产生，从而减少了气体释放量，使自放电率降低。同时，利用负极活性物质海绵状铅的特性，与氧气快速反应，使负极吸收氧气，抑制水的减少。在充电最终阶段或在过充电时，充电能量消耗在分解电解液的水上，使正极板产生氧气，此氧气与负极板的海绵状铅以及硫酸起反应，使氧气再化合为水。同时，一部分负极板变成放电状态，因此也抑制了负极板氢气的产生。与氧气反应变成放电状态的负极物质经过充电又恢复到原来的海绵状铅，由此导致电池在浮充过程中产生的气体90%以上被消除，少量气体通过可闭的阀控制排放，这就实现了有条件的密封，即阀控密封蓄电池。^[1]

锂离子电池作为一种化学电源，正极材料通常由锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的石墨，常见的正极材料主要成分为LiCoO2。充电时，加在电池两极的电动势迫使正极的化合物释放出锂离子，穿过隔膜进入负极分子排列呈片层结构的石墨中；放电时，锂离子则从片层结构的石墨中脱离出来，穿过隔膜重新和正极的化合物结合。随着充放电的进行，锂离子不断地在正极和负极中分离与结合。锂离子的移动产生了电流。锂离子电池具有高容量、重量轻、无记忆等优点，其主要缺点是价格昂贵。^[1]

太阳能蓄电池的作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：自放电率低、使用寿命长、深放电能力强、充电效率高、少维护或免维护工作温度范围宽、价格低廉。中国太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和锡镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2VDC；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12VDC。^[4]

在太阳能光伏发电系统中，常用的储能电池有铅酸蓄电池、碱性蓄电池、锂离子蓄电池和磷酸铁锂蓄电池、镍氢蓄电池等，由于性能及成本的原因，应用最多、最广泛的还是铅酸蓄电池。^[1]

铅酸蓄电池的储能方式是将电能转换为化学能，需要时再将化学能转换为电能。由于组成蓄电池正极的材料是氧化铅，负极是铅，而电解液主要是稀硫酸，所以称为铅酸蓄电池。^[1]

铅酸蓄电池按产品的结构形式不同，可分为开口式、阀控密封免维护式和阀控密封胶体式等几种；按使用环境及场合不同，可分为移动式和固定式两种。在太阳能光伏发电系统中应用最多的是固定式阀控密封免维护铅酸蓄电池和阀控密封胶体蓄电池。^[1]

常见的碱性蓄电池有铁镍niè、镉镍、氢镍、氢化物镍和锌银电池等，其结构与铅酸蓄电池相同，有极板、隔离物、容器和电解液。以常用的镉镍碱性蓄电池为例，正极板为氢氧化镍，负极板为镉，电解液为氢氧化钾水溶液加适量的氢氧化锂，同时具有隔膜。其工作原理与铅酸蓄电池的工作原理相同，只是其电解液和化学反应不同。^[1]

碱性蓄电池与铅酸蓄电池相比，主要优点是对过充电和过放电的耐受能力强，反复深放电对蓄电池寿命无大的影响，在高负载和高温条件下仍具有较高的效率，循环寿命长；但其也有一定的缺点，如内阻大，由于电动势小，输出电压较低，价格高（为铅酸蓄电池的4～5 倍）。虽然碱性蓄电池有许多优点，但从总的性能价格比分析，铅酸蓄电池在光伏发电系统中仍占有相当的优势。^[1]

镍氢电池主要由氢氧化镍正极、储氢合金负极、隔膜纸、电解液、钢壳、顶盖、密封圈等组成。在圆柱形电池中，正负极由隔膜纸分开后卷绕在一起，然后密封在钢壳中。在方形电池中，正负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中。镍氢电池具有功率大、重量轻、寿命长等优点，其能量密度比镍镉电池大2倍，工作电压与镍镉电池相同。镍氢电池具有良好的过充电和过放电性能，且基本消除了“记忆效应”。镍氢电池的缺点是随着容量的增加，自放电效应也在不断加剧。在放置两个月后许多镍氢电池的电量减少到原有容量的50%以下。过高的环境温度也会加速它的自放电。^[1]

锂电池分为一次锂电池和二次锂电池。一次锂电池是以锂金属为阳极，MnO2等材料为阴极；二次锂电池（又称为锂离子电池）是以锂离子和炭材料为阳极，MnO2等为阴极，锂离子电池可作为光伏发电系统中的储能电池。^[1]锂离子电池具有高容量、重量轻、无记忆等优点，其主要缺点是价格昂贵。^[1]

磷酸铁锂电池是一种以磷酸铁锂为正极材料的新型锂离子电池。它具有超长寿命、使用安全、耐高温等特点，完全符合现代动力电池和储能电池的发展需要。磷酸铁锂电池主要应用于电动自行车、电动工具、电动汽车、特种车辆、汽车启动电源、UPS、矿灯电源、太阳能储能等领域。磷酸铁锂电池具有良好的电化学性能，充放电性能十分平稳，在充放电过程中电池结构稳定、无毒、无污染、安全性能好，其材料来源广泛。^[1]

磷酸铁锂电池相对于铅酸电池具有比能量高、重量轻、体积小、环保、无污染、免维护、寿命长和100%安全等优点。在80%深度放电条件下，循环寿命大于2000次，无记忆效应；在深度放电状态下，仍能提供高功率输出；可高倍率放电，可接受快充；高低温适应性能好，高温性能优异。^[1]

胶体蓄电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类，最简单的做法，是在硫酸中添加胶凝剂，使硫酸液变为胶态。电液呈胶态的电池通常称为胶体电池。胶体蓄电池与常规铅酸蓄电池的区别不仅仅在于电液改变为胶凝状,它从最初理解的电解质胶凝，进一步发展至电解质基础结构的电化学特性研究，以及在板栅和活性物质中的应用推广。其最重要的特点是，以较小的工业代价，沿已有150多年历史的铅酸蓄电池工业路子制造出更优质的电池。^[6]

胶体蓄电池具有以下一些性能和特点：（1）密封结构，电解凝胶，无渗漏；(2）充放电无酸雾、无污染；（3）容量高，与同级铅酸蓄电池相比增加10%—20%容量；（4）自放电小，耐存放；（5）过放电恢复性能好，大电流放电容量比铅酸蓄电池增加30%以上。（6）低温性能好，满足－30—50℃启动要求；（7）高温特性好且稳定，满足65℃甚至更高温度环境使用要求；（8）循环使用寿命长，可达到800-1500次充放；（9）单位容量工业成本低于铅酸蓄电池，经济效益高。^[6]

在太阳能光伏发电系统中，蓄电池是重要的组成部分，约占系统价值的20%～30%。太阳能贮能系统的使用情况与通常VRLA电池的使用条件差别较大，它放电电流较小，放电深度较小。根据系统设计富裕量不同，一般以24小时率放电，放电深度为20%～70%。^[7]

多数电池与PV系统被安装于偏远地区的室外，所以系统（包括电池）通常工作的环境较为恶劣。比如温度变化大、海拔高、人工监控和维护困难等。这就要求电池必须具有更加可靠的性能、更加宽泛的操作条件，同时还要有合适的寿命。^[7]

太阳能光伏系统中，蓄电池充电由太阳能电池直接提供，其充电电流和充电电压随着太阳辐照强度变化而变化，充电电压不够（欠充电）和充电电压过高（过充电）时常发生。另外系统中充电电压不能根据温度变化自动调节，易造成高温条件下蓄电池过充，而低温情况下蓄电池充电不足，其结果使蓄电池寿命提前终止。^[7]

其工作方式属于典型的PSOC工作，PSOC下工作的时间较多，对电池寿命是个极大考验。而且在目前使用光伏系统较多的西部地区交通极不方便，使用维护人员素质不高，人为影响系统的运行质量。^[7]

太阳能光伏发电系统对储能蓄电部件的基本要求：①自放电率低；②使用寿命长；③深放电能力强；④充电效率高；⑤少维护或免维护；⑥工作温度范围宽；⑦价格低廉。^[1]

太阳能光伏系统中太阳能电池组件寿命达到20年以上，控制器、逆变器的寿命达到10年以上，要求蓄电池组寿命达到5年以上，所以储能用电池应选择循环应用的长寿命电池。一般太阳能光伏系统的设计蓄电池循环深度为20%～50%，在50%D.O.D循环深度下，循环寿命应达到1000次以上，国外的专用产品可达2500～3500次，而最常用的AGM-VRLA电池难以达到此要求。^[7]

储能电池及器件是太阳能光伏发电系统不可缺少的存储电能的部件。其主要功能是存储光伏发电系统的电能，并在日照量不足、夜间以及应急状态时为负载供电。^[1]

在光伏发电系统中应用的蓄电池，其放电率一般都较慢，差不多都在 50 hr 以上，而生产厂家提供的蓄电池标称容量是 10 h 放电率下的容量。因此在设计时要考虑到光伏系统中蓄电池放电率对容量的影响因素，并计算光伏系统的实际平均放电率，根据生产厂家提供的该型号蓄电池在不同放电速率下的容量，就可以对蓄电池的容量进行校对和修正。^[8]

蓄电池的容量会随着蓄电池温度的变化而变化，当蓄电池的温度下降时，蓄电池的容量就会下降，温度低于 0℃ 时，蓄电池的容量会急剧的下降。温度升高时，蓄电池容量略有升高。^[8]

超级电容器（Supercapacitor 或Ultracapacitor）又叫双电层电容器（Electrical Doule-Layer Capacitor）、电化学电容器（Electrochemcial Capacitor，EC）、黄金电容器、法拉电容器等，它的性能介于普通电容器和蓄电池之间，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此，超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。超级电容器是介于传统电容器和蓄电池之间的一种新型储能装置，它具有功率密度大、容量大、使用寿命长、免维护、经济环保等优点。^[1]

磷酸铁锂电池在制作成本上还不能与铅酸蓄电池抗衡，从而也限制了其广泛应用，但从长期使用成本上看，磷酸铁锂电池更划算。磷酸铁锂电池的优势是铅酸蓄电池无法比拟的，其体积为同容量铅酸蓄电池的65%，重量为同容量铅酸蓄电池的1/3 左右，安装方便，施工和维护成本低，使用寿命是铅酸蓄电池的5倍以上。^[1]

蓄电池是太阳能光伏发电系统中的重要部件，蓄电池的使用寿命也是整个系统中最短的，而投资比重在整个系统中不小于25%，且在整个光伏发电系统的运行寿命周期内更换维护的费用也很高。因此合理的设计，正确的使用和维护，可以有效延长蓄电池的使用寿命和更换周期，降低整个光伏发电系统的运行成本。^[1]

蓄电池应贮存在低温、干燥、通风、清洁的环境中，贮存温度为0～35℃，最好在20℃±5℃。蓄电池的自放电率与贮存温度有关，温度低自放电率小，温度高自放电率大。要避免热源、火源、阳光直射和雨淋。^[1]蓄电池需充足电存放，并且在常温下每3～6个月进行一次补充电。^[1]蓄电池放电后应立即充电，不可将放电后的蓄电池长期搁置。长期不用的蓄电池搁置一段时间后要进行补充充电，直至容量恢复到贮存前的水平。补充充电间隔为3个月，最多6个月。^[1]当容量仅为或低于额定容量的40%时（在25℃时蓄电池的开路电压分别低于2.1V、6.3V或12.6V时），应用均衡充电以使容量恢复后继续贮存或投入使用。^[1]蓄电池运输和搬运时，要小心轻放，避免电池破损。搬运时不得触动端子极柱和排气阀，严禁投掷和翻滚，避免机械冲击和重压。^[1]

蓄电池在安装前应检查外观有无破裂、漏酸。检查接线端子极柱是否有弯曲和损坏，弯曲和损坏的端子极柱会造成安装困难或无法安装，并有可能使端子密封失效，产生爬酸、渗酸现象，严重时还会产生高的接触电阻，甚至有熔断的危险。^[1]用铜刷轻轻处理电池端子，使端子的接线部位露出金属光泽，并用软布擦拭电池表面的铅屑和灰尘。^[1]在电池连接过程中，请戴好防护手套。使用扳手等金属工具时，请将金属工具进行绝缘包装，以防触电；绝对避免将金属工具同时接触到电池的正、负极端子，造成电池短路。^[1]蓄电池在多只并联使用时，按电池标识正、负极性依次排列，且连接点要拧紧，以防产生火花和接触不良。^[1]电池柜或架要放在预先确定的位置，注意电池柜与电池柜、墙壁及其他设备之间要留有50～70cm的维修距离，并注意地板的承重能力是否能满足要求。^[1]电池间的安装距离通常为10～15mm，以便对流冷却。^[1]蓄电池应放在远离热源和容易产生火花的地方（如变压器、电源开关或熔丝等），安全距离为0.5m以上，不能在电池系统附近吸烟或使用明火。^[1]将蓄电池（组）和外部设备连接之前，要使设备处于关断状态，并再次检查蓄电池的连接极性是否正确，然后再将蓄电池（组）的正极连接设备的正极端，蓄电池（组）的负极连接设备的负极端，并紧固好连接线。^[1]蓄电池或电池组若需要并联使用，一般不能超过4只（组）并联。^[1]不要单独增加电池组中某几个单体电池的负载，否则将造成单体电池间容量的不平衡。^[1]蓄电池间连接电缆应尽可能短，不能仅考虑容量输出来选择电缆的大小规格，电缆的选择还应考虑不能产生过大的电压降。^[1]特别提示：不同容量、不同厂家或不同新旧程度的蓄电池严禁连接在一起使用。^[1]不准拆开或重新装配蓄电池，也不能拆卸电池排气阀或向电池中加入任何物质。^[1]如遇火灾不能用二氧化碳灭火器，可用干粉灭火器和1211灭火器。^[1]条件许可的较大型光伏发电场（站），蓄电池室最好配备空调和净化通风设备，使环境温度维持在20～25℃。^[1]

在蓄电池的使用管理中，蓄电池的检查维护和测试工作必不可少。无论是人工操作维护，还是自动监控管理，都是为了及时检查和检测出个别电池的异常故障或影响电池充放电性能的设备系统故障，积极采取纠正措施，确保电源系统稳定可靠运行。蓄电池的检查维护分为日常维护、季度维护和年度维护。蓄电池的定期测试分为月度测试、季度测试和年度测试。^[1]

2023年，中国“新三样”产品出口额突破万亿，同比增长29.9%。绿色低碳产业强劲，成为中国经济增长新亮点。中国绿色产品供给能力提升，多晶硅、硅片、电池、组件产量全球占比超70%，新能源汽车产销量连续8年全球第一。^[5]