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第六章太阳能光伏发电储能装置光伏发电产生的电能最适合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，铅酸蓄电池就是目前能有效完成这种转换的最好的装置。组成蓄电池的正极是氧化铅，负极是铅，而电解液主要是稀硫酸，所以称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池，因其能长期储存电能、大电流放电、价格低廉、原料易得、性能可靠、容易回收和维护成本低等特点，目前已成为世界上产量最大、用途最广泛的蓄电池品种。铅酸蓄电池现已被广泛应用于太阳能发电系统、电动车、汽车、通信、电力、铁路、等各个领域。为了在安装、使用和维护中更好地发挥光伏发电系统的作用。6.1铅酸蓄电池分类发明铅酸蓄电池，已经历了近150年的发展历程，铅酸蓄电池在理论研究方面，在产品种类及品种、产品电气性能等方面都得到了长足的进步，不论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。(1)根据铅酸蓄电池用途分类启动用铅酸蓄电池、动力用铅酸蓄电池、固定型阀控密封式铅酸蓄电池。(2)按铅酸蓄电池制造方法分类浇铸板栅、拉网板栅、铅布板栅等。(3)按铅酸蓄电池维护方法分类全免维护、少维护、干荷电等。(4)常用的铅酸蓄电池分类①普通蓄电池：普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。它的主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低(即每千克蓄电池存储的电能)、使用寿命短和日常维护频繁。②干荷蓄电池：它的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时只需加入电解液，过20～30min就可使用。③免维护蓄电池：免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种：第一种在购买时一次性加电解液，以后使用中不需要维护(添加补充液)；另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。铅酸蓄电池的分类以产品的结构形式分类，可以分为开口式、富液免维护式、玻璃丝棉隔板吸附式阀控密封型(AGM)、阀控胶体型等几大类产品。国内铅酸蓄电池主要是AGM吸附式和胶体两类阀控密封型蓄电池产品，目前AGM吸附式蓄电池在市场上占主导地位。胶体蓄电池尽管有放电性能好、板极不易弯曲、寿命长等优点，但因生产难度大、技术水平高、国内胶体材料不稳定、生产成本高等原因，国内只有少数几家蓄电池厂在生产，而且用户反映产品质量并没有明显的提高。据国外权威蓄电池研究机构报道，胶体动力型蓄电池综合技术指标和寿命明显优于普通的AGM吸附式蓄电池，胶体蓄电池是动力型铅酸蓄电池的发展方向。6.2铅酸蓄电池的组成铅蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解液组成。(1)正极板：阳极指发生氧化反应的电极。铅酸蓄电池的阳极板就是正极。它是以结晶细密、疏松多孔的二氧化铅作为储存电能的活性物质，正常为红褐色，铅酸蓄电池的每个单元也分正极和负极，阳极是放电时的负极，充电时的正极。(2)负极板(阴极)：负极指发生还原反应的电极。负极板是放电时的正极，充电时的负极。负极(阴极板)是以海绵状的金属铅作为储存电能的物质，正常为灰色。(3)隔板：由防止渗透离子的材料制成，能防止电池内极性相反的离子接触的组件。蓄电池的正极和负极之间由隔板隔开，吸附式密封蓄电池的隔板是由超细玻璃丝棉制作的，这种隔板可以把电解液吸附在隔板内，吸附式密封蓄电池的名称也是由此而来。(4)电池槽：硬橡胶式及塑料槽。(5)电解液：含有可移动离子，具有离子导电性的液体或固体物质叫做电解液。一般为稀硫酸，由一部分做成胶体。其在铅酸蓄电池中的作用是：参加电化反应；溶液正、负离子的传导体；极板产生温度的热扩散体。6.3铅酸蓄电池的基本概念(1)电池充电：电池充电是外电路给蓄电池供电，使电池内发生化学反应，从而把电能转化成化学能而储藏起来的操作。(2)过充电：过充电是对完全充电的蓄电池或蓄电池组继续充电。(3)放电：放电是在规定的条件下，电池向外电路输出电能的过程。(4)自放电：电池的能量未通过放电就进入外电路，像这种损失能量的现象称为自放电。(5)活性物质：在电池放电时发生化学反应从而产生电能的物质，或者说是正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。(6)放电深度：放电深度是指蓄电池使用过程中放电到何程度开始停止。(7)板极硫化：在使用铅酸蓄电池时要特别注意的是：电池放电后要及时充电如果长时期处于半放电或充电不足，甚至过充电情况下或者长时间充电和放电都会形成pbs04晶体。这种大块晶体很难溶解，无法恢复原来的状态，导致板极硫化以后充电就困难了。(8)容量：容量是在规定的放电条件下电池输出的电荷。其单位常用安时(a•h)表示。(9)相对密度：相对密度是指电解液与水的密度的比值，来检验电解液的强度。相对密度与温度变化有关25℃时，满充的电池电解液相对密度值为1.265。密封式电池，相对密度值无法测量。纯酸溶液的密度为1.835g／cm3，完全放电后降至1.120g／cm3。电解液注入水后，只有待水完全融合电解液后才能准确测量密度。融入过程大约需要数小时或者数天，但是可以通过充电来缩短时问。每个电池的电解液密度均不相同，即使同一个电池在不同的季节，电解液密度也不一样。大部分铅酸电池的密度在1.1～1.3g／cm3范围内，满充之后一般为1.23～1.3g／cm3。常用液态密度计来测量电解液的相对密度值。高温或者低温中的电池，相对密度也会受影响。这种情况一般会在电池上标明。电池效率受放电电流的影响，因此应避免大放电电流输出导致的效率下降，以及影响电池的使用寿命。(10)运行温度：电池运行一段时间，就感到烫手，由此可知，铅酸电池具有很强的发热性当运行温度超过25℃，每升高10℃，铅酸电池的使用寿命就减少50%。所以电池的最高运行温度应比外界低，对于温度变化超过±5℃的情况下最好，带温度补偿充电措施；电池温度传感器应安装在阳极上，且与外界绝缘。6.4蓄电池充放电充、放电原理在蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质和电解液同时参加化学反应。铅酸蓄电池充、放电化学反应的方程式如下：正极：PbO2+H2SO4→PbSO4+H2O负极：Pb+H2SO4→PbSO4+H2↑总反应：PbO2+2H2SO4+Pb=2PbSO4+H2O从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的物质，活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新变成二氧化铅和金属铅，蓄电池又处于充足电的状态。由此可以知道以上反应是可逆的。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。人们在日常使用中，通常使用蓄电池的放电功能，把充电作为对蓄电池的维护。铅酸蓄电池在充足电的情况下可以长时间保持电池内化学物质的活性，而在蓄电池放出电以后，如果不及时充足电，电池内的活性物质很快就会失去活性，使蓄电池内部产生不可逆转的化学反应。所以对太阳能蓄电池及其他用途的铅酸蓄电池，应对蓄电池充足电保存，并定期给电池补充电。PbO2+pb+H2SO4==2PbSO4+2H2O在充电时，在电能的作用下，转化为pbO2、铅和硫酸，也就是说充电是由电能转化为化学能的过程。放电时，正极板接受了负极板送来的电子，铅离子由正4价变为正2价，与硫酸根接触生成难溶于水的硫酸铅，负极的铅由于输出2个电子，变成正2价，同样也生成硫酸铅。也就是说放电时，再由贮存的化学能转为电能。1、正极活性物质和功能正极板活性物质的主要成分是二氧化铅，具有较强的氧化性，放电时，与硫酸发生反应生成硫酸铅，并吸收电子。二氧化铅有两种类型晶格，简单地讲就是两种二氧化铅，一种是α—pbO2另一种是β－pbO2。两种二氧化铅的差别很大，它们所起的作用也不相同。β—pbO2给出的容量是α—pbO2的1.5～3倍，而α—pbO2具有较好的机械强度，它的存在，正极板活性物质不宜软化脱落，只有α—pbO2和β—pbO2的比例达到1：1.25时，铅蓄电池才会表现出良好的性能。正极活性物质在放电状态下，与电解质中的硫酸发生反应生成硫酸铅与水，其反应式如下：pbO2+3H++HSO4-+2e==pbSO4+2H2O，充电时，在外线路的作用下转化为pbO2与H2SO4，放电时，二氧化铅的pb4+接受了负极送来的电子形成pb+2与溶液中的硫酸根离子结合生成pbSO4。当硫酸铅达到一定量时，变成沉淀物附着在极板上。充电时硫酸铅中的铅离子的电子被外线路带走转化为二氧化铅。将水中氢离子留在溶液中，氧离子与铅离子结合生成二氧化铅进入晶格，形成正极活性物质.2、负极活性物质和功能在铅酸蓄电池里，为了供负极板活性物质充分与电解液发生反应，故将铅制成多孔海绵状，又称为海绵铅，在放电时，铅给出外线路电子形成pb+2与溶液的硫酸根结合生成硫酸铅，充电时pbSO4首先溶解成pb2+与SO4-2，Pb+2接受电子进行阴极还原生成铅，进入负极活性物质晶格。充电时的管理(1)蓄电池温度充完电后，马上用手摸蓄电池的外壳就有发烫的感觉，这说明充电时温度会上升。但是，温度(电解液温度)升得过高，蓄电池寿命会明显缩短，这是因为蓄电池温度升高，阴阳极板上的活性物质就会劣化，阳极格子受到腐蚀。电池寿命缩短。蓄电池温度也不能太低，温度过低，会使蓄电池容量减少，容易过度放电，电池寿命缩短。通常蓄电池的电解液温度应维持在15～55℃为理想使用状态，特殊情况，也不可超过放电时-15～55℃这个温度范围，充电时0～60℃的范围。放电终了时，电解液温度维持在40℃以下最好。(2)充电量蓄电池的充电量与放电量之比不能过高，若过高易使水分解，气体产生，电解液明显减少，会使充电时温度上升，蓄电池寿命缩短。假设充电量为放电量120%时的电池，使用寿命有4年；当电池的充电量与放电量之比达到150％时，该电池的寿命为4×120／150=3.2(年)此外，充电不足又重复放电使用，则会严重影响电池寿命。(3)气体充电场所必须通风良好，注意远离火源，避免触电。充电中产生的气体是氧气与氢气，氢气具有可燃性和爆炸性，若空气中的氢气达到3.8％以上，又离火源近，就会发生爆炸。放电时的管理放电时电池内部阻抗即随之增强，完全充电时若为1倍，则当完全放电时，即会增强2～3倍。严禁到达额定电压时还继续放电，因为放电愈深，电瓶内温度会升高，则活性物质劣化愈严重，进而缩短蓄电池寿命。因此电池电压若已达到厂家规定的最高电压时，则应停止使用，马上充电。每日反复充放电以供使用时，则电池寿命将会因放电量的深浅，而受到影响。蓄电池的电解液比重几乎与放电量成比例。因此，根据蓄电池完全放电时的比重及10％放电时的比重，即可推算出蓄电池的放电量。测定铅酸蓄电池的电解液比重为得知放电量的最佳方式。因此，定期地测定使用后的比重，以避免过度放电。测比重的同时，也要测电解液的温度，以20℃所换算出的比重为准，切勿使其降到80％放电量的数值以下。(1)放电状态与内部阻抗内部阻抗会因放电量增加而加大，尤其放电终点时，阻抗最大，主要因为放电的进行，使得极板内产生电流的不良导体——硫酸铅及电解液比重的下降，都导致内部阻抗增强，故放电后，务必马上充电，若任其持续放电状态，则硫酸铅形成安定的白色结晶后(即硫化现象)，即使充电，极板的活性物质也无法恢复原状，而将缩短电瓶的使用年限。(2)放电中的温度当电池过度放电，内部阻抗即显著增加，因此蓄电池温度也会上升。放电时的温度高，会提高充电完成时的温度，因此，将放电终了时的温度控制在40℃以下最好。蓄电池自放电6.5蓄电池的深度放电放电深度即使用过程中放电到何程度开始停止。100%深度指放出全部容量。铅酸蓄电池寿命受放电深度影响很大。设计考虑的重点就是深循环使