蓄电池铅酸电池

铅酸电池是光伏系统中最常用的电池类型。虽然铅酸电池能量密度低，效率适中，维护要求高，但与其他电池类型相比，它们的使用寿命长且成本低。铅酸电池的独特优势之一是它们是大多数可充电电池应用（例如，用于启动汽车发动机）中最常用的电池形式，因此拥有完善的成熟技术基础。

 

 

 

 

5.2 铅酸电池的运行

铅酸电池由海绵状或多孔铅制成的负极组成。铅是多孔的以促进铅的形成和溶解。正极由氧化铅组成。两个电极都浸入硫酸和水的电解溶液中。如果电极通过电池的物理运动或通过电极厚度的变化而相互接触，则电绝缘但化学可渗透的膜将两个电极隔开。该膜还可以防止通过电解质发生电短路。铅酸电池通过如下所示的可逆化学反应储存能量。

整体化学反应为：

 

 

在负极端子的充电和放电反应是：

 

 

 

 

在正极端子的充电和放电反应是：

 

 

如上式所示，电池放电会导致在负极和正极端子处形成硫酸铅晶体，以及由于铅的价电荷变化而释放电子。这种硫酸铅的形成使用了电池周围的硫酸电解液中的硫酸盐。结果，电解质变得不那么集中。完全放电将导致两个电极都被硫酸铅和水覆盖，而不是电极周围的硫酸。在完全放电时，两个电极是相同的材料，两个电极之间没有化学势或电压。然而，在实践中，放电在截止电压处停止，早在这一点之前。因此，电池不应低于此电压放电。

在完全放电和充电状态之间，铅酸电池的电压会逐渐降低。电压电平通常用于指示电池的充电状态。电池对电池充电状态的依赖关系如下图所示。如果电池长时间处于低电量状态，则会生长大的硫酸铅晶体，从而永久降低电池容量。这些较大的晶体不同于铅电极的典型多孔结构，并且难以转化回铅。

5.2.1 铅酸蓄电池充电时的电压。

充电反应将负极处的硫酸铅转化为铅。在正极，反应将铅转化为氧化铅。作为该反应的副产物，放出氢气。在充电周期的第一部分，硫酸铅转化为铅和氧化铅是主要反应。然而，随着充电的进行，大部分硫酸铅转化为铅或二氧化铅，充电电流将电解液中的水电解，同时产生氢气和氧气，这一过程称为电池的“放气”。如果电流提供给电池的速度快于硫酸铅的转化速度，则在所有硫酸铅转化之前，即在电池充满电之前，开始放气。放气给铅酸电池带来了几个问题。由于产生的氢气具有爆炸性，电池放气不仅会引起安全问题，而且放气还会减少电池中的水，必须手动更换，从而将维护组件引入系统。此外，放气可能导致活性材料从电解质中脱落，从而永久降低电池容量。由于这些原因，电池不应定期充电至高于导致放气的电压。放气电压随充电速率而变化。将维护组件引入系统。此外，放气可能导致活性材料从电解质中脱落，从而永久降低电池容量。由于这些原因，电池不应定期充电至高于导致放气的电压。放气电压随充电速率而变化。将维护组件引入系统。此外，放气可能导致活性材料从电解质中脱落，从而永久降低电池容量。由于这些原因，电池不应定期充电至高于导致放气的电压。放气电压随充电速率而变化。

硫酸铅是一种绝缘体，因此硫酸铅在电极上形成的方式决定了电池放电的难易程度。

5.3 铅酸电池的特性

对于大多数可再生能源系统而言，最重要的电池特性是电池寿命、放电深度和电池的维护要求。这组参数及其与充电方式、温度和使用年限的相互关系如下所述。

5.3.1 放电深度和电池容量

放电深度和电池容量是光伏系统电池组设计中的一个基本参数，因为可以从电池中提取的能量是通过将电池容量乘以放电深度得出的。电池分为深循环或浅循环电池。深循环电池的放电深度将大于 50%，并且可能高达 80%。为了达到相同的可用容量，浅循环电池组必须具有比深循环电池组更大的容量。

除了放电深度和电池额定容量外，瞬时或可用电池容量还受电池放电率和电池工作温度的强烈影响。低于约 20°C 时，电池容量每度下降约 1%。然而，高温对于电池来说也不是理想的，因为它们会加速老化、自放电和电解液的使用。下图显示了电池温度和放电率对电池容量的影响。

 

 

 

 

5.3.2 电池寿命

随着时间的推移，电池容量会因电池硫酸化和活性材料脱落而降低。电池容量的下降很大程度上取决于以下参数之间的相互关系：

• 电池经历的充电/放电状态
• 电池在其生命周期内的 DOD
• 长时间处于低放电状态
• 电池在其生命周期内的平均温度

下图显示了浅循环铅酸电池的电池功能随循环次数和放电深度的变化。即使在 DOD 超过 50% 的情况下，深循环铅酸电池也应该能够保持超过 1,000 次的循环寿命。

 

 

 

 

除 DOD 外，充电方式在确定电池寿命方面也起着重要作用。电池过度充电或充电不足会导致活性物质脱落或电池硫酸化，从而大大缩短电池寿命。

 

 

 

 

对电池充电的最终影响与电池温度有关。虽然铅酸电池的容量在低温运行时会降低，但高温运行会增加电池的老化率。

 

 

 

 

550 Ah 铅酸电池在不同放电速率下的恒流放电曲线，每个电池的极限电压为 1.85V (Mack, 1979)。更长的放电时间提供更高的电池容量。

5.3.3 维护要求

电池中氢气和氧气的产生和逸出会导致失水，因此必须定期更换铅酸电池中的水。电池系统的其他组件不需要定期维护，因此失水可能是一个严重的问题。如果系统位于偏远地区，则检查失水可能会增加成本。免维护电池通过防止或减少从电池中逸出的气体量来限制定期注意的需要。然而，由于电解液的腐蚀性，所有电池在某种程度上都会在光伏系统中引入额外的维护组件。

5.3.4 电池效率

铅酸电池通常具有 85% 的库仑效率和大约 70% 的能量效率。

5.4 铅酸电池配置

根据特定应用最关注上述问题中的哪一个，对基本电池配置进行适当修改可提高电池性能。对于可再生能源应用，上述问题将影响放电深度、电池寿命和维护要求。对电池的更改通常涉及以下三个基本领域之一的修改：

• 电极成分和几何形状的变化
• 电解质溶液的变化
• 修改电池外壳或端子，以防止或减少产生的氢气逸出。

5.5 铅酸电池的特殊考虑

富液式铅酸电池的特点是循环深、寿命长。然而，充满电的电池需要定期维护。不仅必须通过测量其比重来定期监测电解液中的水位，而且这些电池还需要“加速充电”。

加速充电

升压或均衡充电涉及短暂的周期性过充电，它会释放气体并混合电解质，从而防止电池中的电解质分层。此外，升压充电还有助于使所有电池保持相同的容量。例如，如果一个电池比其他电池产生更高的内部串联电阻，那么在正常充电状态下，由于串联电阻上的电压降，SR 较低的电池将始终充电不足。但是，如果电池以更高的电压充电，则这会使所有电池都充满电。

比重 (SG)

由于氢气和氧气的释放，充满液的电池会从电解液中流失水分。电解液的比重可以用比重计测量，如果电池充满电，则表明需要向电池中加水。或者，如果已知水位正确，比重计将准确指示电池的 SOC。在快速充电后定期测量 SG，以确保电池的电解液中有足够的水。电池的SG应由制造商提供。

胶体密封铅酸电池的特殊注意事项

凝胶或 AGM 铅酸电池（通常是密封的或阀控的）具有几个潜在的优势：

 

• 它们可以在保持电池寿命的同时进行深度循环
• 他们不需要加速充电
• 他们需要较低的维护。

然而，这些电池通常需要更精确和更低电压的充电方案。较低电压的充电方式是由于使用了铅钙电极来最大限度地减少放气，但需要更精确的充电方式来最大限度地减少电池的放气。此外，这些电池可能对温度变化更敏感，特别是如果充电方案不补偿温度或不是为这些类型的电池设计的。

5.5.1 铅酸电池的失效模式

光伏系统的电池将在特定的 DOD、充电状态和温度下被评定为一定数量的循环。但是，由于各种原因，电池可能会过早失去容量或突然失效。突发故障可能是由于电池内部的电隔板故障导致电池内部短路造成的。电池短路会降低整个电池组的电压和容量，尤其是在电池部分并联的情况下，还会导致其他潜在问题，例如剩余电池的过度充电。电池也可能因开路而失效（即内部串联电阻可能会逐渐增加），与此电池串联的任何电池也会受到影响。

不适当的操作可能会加剧容量的逐渐下降，尤其是降低 DOD。然而，电池组的一部分在与另一部分不同的条件下运行也会导致整体容量的降低和电池故障的可能性增加。由于温度变化或一个电池组中的电池故障导致电池组中的充电和放电不均衡，电池可能会在不同的状态下无意中运行。

安装

电池安装应按照安装所在国家/地区的相关标准进行。目前，电池安装有澳大利亚标准AS3011 & AS2676。还有一个用于 RAPS 应用的电池标准草案，最终将成为澳大利亚标准。

安装电池系统时要考虑的其他因素包括特定类型的电池组所需的通风、电池组放置的接地条件以及为确保可能拥有的人的安全而采取的措施。访问电池组。此外，安装电池组时必须注意确保电池温度在电池允许的工作条件范围内，并且较大电池组中电池的温度处于相同温度。在非常寒冷的条件下，电池在低电量状态下会结冰，因此电池在冬天更有可能处于低电量状态。为了防止这种情况，电池组可能被埋在地下。

5.5.2 安全

电池具有潜在危险，用户应注意三个主要危害： 电解液中的硫酸具有腐蚀性。使用电池时，除了脚部和眼睛保护外，防护服也是必不可少的。

电池具有高电流产生能力。如果一个金属物体意外地跨过电池的端子，大电流会流过这个物体。使用电池时应尽量减少不必要的金属物体（例如珠宝）的存在，并且工具应具有绝缘手柄。

 

因放出氢气和氧气而引起的爆炸危险。在充电过程中，尤其是过度充电，一些电池，包括光伏系统中使用的大多数电池，可能会产生氢气和氧气的潜在爆炸性混合物。为降低爆炸风险，通风系统用于防止这些气体的积聚，并从电池外壳中消除潜在的点火源（即可能产生火花或电弧的电路）。

5.5.3 维护

电池将定期维护组件引入光伏系统。所有电池，包括“免维护”电池都需要维护计划，该计划应确保：

• 电池端子未腐蚀
• 电池连接紧密
• 电池外壳应无裂纹和腐蚀。

富液电池需要额外和更频繁的维护。对于富液电池，需要定期检查每个电池的电解液液位和电解液比重。使用比重计检查电池的比重应在均衡或快速充电后至少 15 分钟进行。只能将蒸馏水添加到电池中。自来水中含有可能损坏电池电极的矿物质。

5.5.4 电池处理和回收

铅酸电池中的铅如果处理不当，会对环境造成危害。铅酸电池应回收利用，以便在不造成环境破坏的情况下回收铅。

5.6 电极材料及配置

 

制造电极的材料对电池化学有重大影响，因此会影响电池电压及其充电和放电特性。电极的几何形状决定了内部串联电阻和充放电速率。