光伏儲能系統之鉛酸蓄電池（上）原理和種類

儲能電池及器件是太陽能光伏發電系統不可缺少的存儲能電能的部件，其主要功能是存儲光伏發電系統的電能，並在日照量不足，夜間以及應急狀態下為負載供電。常用的儲能電池有鉛酸蓄電池、鹼性蓄電池、鋰電池、超級電容，它們分別應用於不同場合或者產品中。目前應用最廣是鉛酸蓄電池，從19世紀50年代開發出來至今，已經有160餘年的歷史，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、 工作原理及基本結構

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，以稀硫酸為電解質的化學儲能裝置，具有電能轉換效率高、循環壽命長、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、應急供電、啟動裝置中首選的化學電源。鉛酸電池的主要構成包括：

1.極板：正負極板均是以特殊的合金板柵塗敷上活性物質所得，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：是置放於電池正負極中間的一個隔離介質，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製的稀硫酸，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。

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，主要起支撐作用，同時防止內部物質外溢，外部物質進入內部結構污染電池。

二、種類及優勢

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

放電狀態下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛。

充電狀態下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。

鉛酸蓄電池種類較多，應用在光伏儲能系統中，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与電池充放電反應過程，傳統鉛酸電池中，電池槽內除去極板、隔板及其他固體組裝部件的剩餘空間完全充滿硫酸電解液，電解液處於富餘過量狀態，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，在使用過程中由於水分的蒸發和分解損失，需要定期將蓋子打開補加蒸餾水及調整電解液密度，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，大部分存在於玻璃纖維膜之中，同時極板內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，活性物質利用率低於開口式電池，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。與富液型相同規格蓄電池相比，價格較高，具有以下優點：

（1）循環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具有更高的電容量穩定性。

（3）低溫性能更可靠。

（4）降低事故風險，減少環境污染風險（由於酸液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電解質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。這種電解質以膠體狀態存在，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點如下：

（1）漏酸機率小。GEL型膠體電池是電解質凝膠后沒有遊離電液，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，降低了電池的內阻，充電接受能力可因此而改善。

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）膠體鉛酸蓄電池後期放電性能好。

2.3 鉛碳電池

鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，是從傳統的鉛酸電池演進出來的技術，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，並結合了鉛酸電池和超級電容器兩者的優勢:

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

（2）電池壽命延長。由於加了碳(石墨烯)，阻止了負極硫酸鹽化現象，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，在規模化生產的基礎上，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域最先進的技術，也是國際新能源儲能行業的發展重點，具有非常廣闊的應用前景。廣泛應用於光伏電站儲能、風電儲能和電網調峰等儲能領域。

經過多年的精耕細作，古瑞瓦特公司儲能產品線多樣化，包含了SPF系列家用離網控制逆變一體機，SP系列戶用併網儲能控制器，HPS系列商用光伏離併網儲能機，PCS系列雙向儲能變流器。古瑞瓦特公司的儲能產品涵蓋了家用，商用，微網等多種應用。這些產品兼容各種鉛酸蓄電池和鋰電池，並集成鉛酸蓄電池充放電管理和保護功能。