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1 光伏系统用铅酸电池综述Different Types of Lead Acid Batterie Used in Photovoltaic Systems 2008.12 摘要简单介绍了近年来国内外太阳能光伏（ PV）市场的发展情况，以及用于太阳能系统的铅酸电池的情况。Abstract This paper introduces the development of the pv applications in recent years in the world and the lead acid batteries used in the pv sytems. 关键词太阳能；系统；储能用铅酸电池；比较Keywords Solar energy; PV system; Lead acid battery; Gel battery 前言新能源是 21 世纪世界经济发展中具有决定力的五大技术领域之一。太阳能光伏（ PV）发电技术尤其受到重视， 90 年代以来，以年均 16％的速度递增， 1997 年增幅达 40％，近几年以30％左右的速度增长，太阳能已成为全球发展速度最快的的可再生能源 [1]。太阳能是一种清洁、易用和永不枯竭的新能源，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。与常规能源相比，太阳能具有资源丰富、安全环保、长远利用经济。据估计，在过去漫长的 11 亿年中，太阳消耗了它本身能量的 2 。NDRC国家发改委预测，从 2030 年起，石油、天然气和煤等常规能源将逐渐退出主导地位，而替代者首当其冲是太阳能。近 20 年来太阳能产业的蓬勃发展带动了储能用电池产业的发展，给蓄电池产业带来的新的商机，太阳能用电池（主要是铅酸电池）也发展迅速。电池的典型使用方式是太阳能光伏发电系统由一块或多块太阳能电池组件组成光伏方阵，白天对蓄电池组充电，晚上蓄电池组对用户或负载进行供电，而达到利用清洁能源的目的。一、国内外太阳能的发展概况1、国外发展情况目前世界上增长最快的太阳能光伏电池， 2000-2004 期间年增长率为 60％。主要是日本（ 20 万），德国（ 15 万）和美国（ 2 万）。目前太阳能技术最先进国家主要是德国、美国和日本，太阳能系统配套用铅酸电池技术更是如此。太阳能产品产值最高的是日本，在太阳能板（ solar cell ）一项上我国的无锡尚德排在第 5位 [14] [16] 。图 1 是 IEA INTERNATIONAL ENERGY AGENCY 对 2000到 2005发达国家增长情况图 2是 IEA INTERNATIONAL ENERGY AGENCY 对近期市场增长情况的预测2 德国的光伏产业在市场开发与技术水平上均处于世界前列。 2005 年 , 德国光伏产业新增安装容量 600MW,总安装容量 1508MW,已安装光伏系统 20 万个 . 销售额达到 30 亿欧元 , 现有 3000多家光伏安装工程公司和 50 家光伏制造商。日本通商产业省工业技术院于 1974 年提出的以新的清洁能源即太阳能、地热能、氢能等实用化，以取代石油的综合研究开发计划（阳光计划） [5] 。目前太阳能产业已经成为增长速度最快的可再生能源。如果太阳能系统中有 5～ 10％的系统安装有电池，而电池的成本约占整个系统 20～ 25％。2、国内发展情况我国太阳能十分丰富， 2/3 的地区年日照大于 2000h，具有利用太阳能的良好条件 [1] 。而我国大多数无电人口恰好主要分布在这些地区，电网难以覆盖。城镇、村落及散居牧户地处边远，用电负荷小而且分散，近 20年之内不可能通过延伸电网实现供电。许多特殊领域，如微波中继站光伏电源、光缆中继站光伏电源、铁路和公路信号电源、气象台站电源、边防哨所电源、以及石油管道阴极保护电源等都需要光伏发电，因此光伏发电有巨大的潜在市场 [1][12]. 。许多外国公司都看好中国市场并在中国市场取得了成功。比如德国 SMA 公司就在中国完成很多大型 PV系统的总体规划和建设，如深圳 1MWp光伏并网项目，北京大兴 50kWp并网示范项目，华能南澳 30kWp光伏与风电场并网项目，北京中关村软件园 54kWp光伏并网项目，香港 Castle Peak Hospital34kWp 光伏并网项目，山东皇明 20kWp光伏并网发电项目等。相比之下，国内则相对缺乏系统集成的厂家，多数只生产单一部件，缺乏系统整和能力，尤其是大型系统 [13] 。从世界范围看，中国的太阳能资源和美国类似，比日本优越得多，特别是青藏高原中南部的太阳能资源尤为丰富，接近世界最著名的撒哈拉沙漠，中国具有得天独厚的开发利用太阳能的优越条件。在世界太阳能市场的拉动下 , 我国光伏产业近年来发展迅速。太阳电池 / 组件年产量 2002年以前约占世界份额的约 1﹪左右 , 近年来快速发展 ,2005 年达到了 8,仅次于日本、欧洲 , 已成为世界光伏产业发展最快的国家之一 [3] 。近两年国家花巨资解决西部贫困区域的用电问题，国家在这方面的工程项目有中国光明工程、无电乡通电工程、全球环境基金 GEF/ 世界银行促进项目和国外合作项目，太阳能光伏系统以极快速度增长。估计近几年太阳能光伏系统对 VRLA电池的需求量将达 5 亿元 / 年，而且将以 30％以上的速度增长。 NDRC将目标调整为 2020 年可再生清洁能源（太阳能、风能等）要占到能源总量 15～16％ [15] 。3、各国政府政策措施3 目前世界各国已提出的或正在实施的新能源与可再生能源政策和措施，大力推进可再生清洁能源的发展，大体上可划分为以下４类１）强制性或指令性政策。这类政策主要指由政府制定的有关法律、法规和条例，政府批准的技术政策、法规、条例和其他一些具有指令性的规定。如美国能源政策法，我国相应的有国家电力法等。 2006 年 1 月国家实施中华人民共和国可再生能源法出台加速了太阳能产业的发展，我国太阳能电池装机容量的年增长率有望超过 40 。到 2020 年，系统年产值将接近 3000 亿元。 2006 年，我国已经基本完成了制定与 PV 相关的国家标准，新标准与国际完全接轨。这将为太阳能产业的提供有力保障和促进，保证太阳能产业的健康、快速的发展。２）经济激励政策。包括由政府制定或批准执行的各类经济刺激措施。如各种形式的补贴、价格优惠、税收减免、贴息或低息贷款等。中国可再生能源发展项目办公室目前对 1KW 以上容量的光伏系统制动了相应的政府补贴标准，鼓励使用太阳能。３）研究开发政策。指新能源与可再生能源技术在研究开发和试点示范活动中，政府所采取的行动。我国 “ 九五 ” 到 “ 十一五 ” 国家科技重点攻关项目计划和美国 100 万个太阳能屋顶计划中，两国政府都采取了此类政策。４）市场开拓策略。在项目实施过程中，采用某些有利于新能源与可再生能源技术进步的新的运行机制和方法。如公开招标、公平竞争、联合开发方式等。二、 PV 混合储能系统系统的组成和要求1、组成下图就是一个典型的混合 pv 储能示意图组成为太阳能板（ Solar Panel ）、逆变器（ Inverter ）、电池组（ Battery ）和负载（ Consumer ）组成；混合系统还包括风力机（ Wind Turbine ）、柴油发电机（ Diesel Generator ）以及与电网的连接件等组成。通常根据系统是否与市电网连接将 PV 系统分为并网系统（ grid － connected system ）和离网系统（或叫独立系统即 off-grid system ）。2、 PV 系统用铅酸电池的使用特点和要求2.1 蓄电池使用特点电池在太阳能光伏发电系统中蓄电池是其中重要的组成部分，约占系统价值的 20％－30％。太阳能贮能系统使用情况与通常 VRLA使用条件差别较大，它放电电流较小，每日放电深度较小。根据系统设计富裕量不同，一般以 24-240 小时率放电，累计放电深度为 20％－ 75％。4 多数电池与 PV系统被安装于室外偏远地方，所以系统（包括电池）通常工作的工作环境较为恶劣。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。太阳能光伏系统中，蓄电池充电由太阳能电池（ solar cell ）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。其工作方式属于典型的 PSOC下工作， PSOC下工作的时间较多，对电池寿命是个极大考验。而且目前适用较多的西部地区，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。2.2 对蓄电池的几点要求根据太阳能光伏发电系统的使用特点，电池应满足以下技术性能要求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、逆变器寿命达到 10a 以上 ;要求蓄电池组寿命达到 5 年以上。所以贮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 l000次以上，国外的专用产品可达 2500～ 3500 [1] ，而目前最常用的 AGM类型电池难以达到要求。太阳能光伏发电系统大都在野外偏远地方使用，蓄电池必须具有广泛的温度适应性。比如国外就有澳大利亚和美国西部的热带地区，我国的西部地区环境条件恶劣，室外气温的变化范围为摄氏－ 35～ 50℃，蓄电池的工作环境温度为摄氏－ 20～ 40℃，湿度 90％。最高海拔高度为 4500m，要特别注意蓄电池的气阀压力范围和高低温放电性能和高低温下对蓄电池槽盖密封性和极柱密封性可靠性的影响。另外，还必须考虑到高温下，板栅生长变形对电池性能、寿命以及密封可靠性的影响 [1] [2] 。系统中蓄电池放电深度不稳定，系统处于 PSOC状态工作，当连续阴天时，容易造成电池过放电，如果过放电后容量得不到恢复，将影响到系统使用的可靠性。所以电池应具有过放电后的极佳的恢复性能，蓄电池 100％放电后，开路搁置 120h 后，充电可恢复到实际容量的 95％以上，而普通 AGM实际只有 75～ 85％ [1] 。蓄电池的工作电流较小，多数按 C100 或 C240 进行计算，工作电流很小 0.004 ～ 0.01 C20A。是典型的小电流，长时间放电，电池负极很容易硫酸盐化，产生较大极板变形等。蓄电池是循环使用，系统中蓄电池数量较多，因此对整组电池容量的均一性要求较高。系统如有落后电池，它在放电时可能会处于过放，而在充电时又充电不足，如此反复，落后电池将提前失效，从而影响整组电池的安全性和寿命。参照相关标准对配组的贮能电池容量偏差要求小于 5％，以提高整组电池的循环寿命 [1] 。蓄电池还应该达到防爆阻燃，抗震的安全性要求，另外自放电小于，搁置寿命要长 ; 恒流过充寿命符合信息产业标准的要求和最新的标准 IEC61427。三、国外领先 PV 系统用产品情况简介3.1 国外产品简介目前能够用于太阳能系统的电池主要还是铅酸电池，其中主要包括两个类型的铅酸电池太阳能储能用的铅酸蓄电池不同于普通电池，其要求极高，国外的几大厂商都开发了专用的系列电池产品。目前以 EXIDE 下的德国阳光（ Sonnenschein）的产品最具代表性 ,也最先进。众所周知，胶体电池技术最早是由德国阳光（哈根）于 60 年代开发成功的电池技术，目前世界上各厂家的胶体技术基本上来源于德国阳光的 dryfit 胶体技术。该技术时至今日依然独步天下，一直是业界无可争议的领先者。5 另外一个就是以日本 GS， YUASA 为代表的 AGM 技术的改进产品。其利用材料技术和结构改进等不断改进现有的 AGM 技术使之具有适合太阳能应用的特性，也取得了极大的成功。传统的富液式低维护铅酸电池在欧美一直有应用，不过今年来有不断下降的趋势，主要是其需要专业的维护，较为麻烦。以 EXIIDE 产品简单说明目前领先水平的产品性能。目前 EXIDE 共有三个类型的共 10 个系列产品专门用于 PV 系统，他们是GNB 的 Relay Gel 系列GEL-VRLA Sonnenschenin 的 Solar 胶体阳光 Sonnenschenin 的 Solar Block Sonnenschenin 的 Solar A600 Absolyte Ⅱ P AGM-VRLA Absolyte XL AGM 密封式 Sunlyte Classic OPzS Solar FLOODED Classic EnerSol 富液低维护 Classic EnerSol T series 针对不同应用，开发专业的系列，足以体现出其严谨的作风和专业的水准。日本由于对太阳能技术起步早，于 80 年代中期开发了适合于 PV 用途的专用铅酸电池，其技术主要是在原来的传统阀控式铅酸电池进行不断的改进，因此与欧洲胶体技术相比自成一派。比如其 1989 年 SRE100-12 系列采用管式极板以及粒状二氧化硅和活性物添加石墨的技术（ GS专利）使得其 40％ D.O.D 放电循环寿命高达 6000 次，与胶体电池的最为接近。目前日本国内已经在隧道照明系统、风力混合式系统、海洋上应用系统、孤岛用系统、海水淡化系统以及防灾系统等大量使用其产品，并且取得了不错的效果 [5] [6] 。3.2 AGM 电池的用于 PV 系统的局限性为了降低成本，起初人们有使用了普通的 AGM 电池，但是最终证明效果不好，寿命不长。这是因为 AGM 电池由于对电池的使用环境（主要是温度）和充放电制度限制严格，循环寿命低，并不适合于恶劣的太阳能系统使用，国外实际案例也证明 AGM 类型电池用于该环境其寿命很短。改进的 AGM 电池在很多性能上取得了几大的突破，同时具备了较高的能量密度。目前该技术日本是一枝独秀，其产品与国内的太阳能系统配套应用较多，但在其它地区并不多。3.3 富液式电池用于 PV 系统的局限性相对于目前发展迅速的 GEL 电池技术， Flooded 类型电池由于存在以下固有的缺点。● 其使用场合相对受到影响，电池不适合在低温下使用，一般推荐最低温度为 10℃以上，这大大限制了其使用范围和场合。● 电池需要维护，实践表明该类型电池如何维和得当，其寿命确可以长达 10 年以上，但是如果缺乏专业的维护，其寿命将大大缩减。维护也增加了电池的使用成本。● 电池使用时析出酸雾和有害气体较多，需要建立专门的隔离电池室，安装维护繁琐。● 在 RAPS（ Remote Area Power Supply ）状态下使用，电池会经常处于欠充电、过充电以及过放电等状态，这将大大加剧电解液的分层现象、活性物脱落、极板盐化和板栅腐蚀速率加快，使得电池的性能和寿命提前终止。 CSIRO 曾用了数年的时间对富液式和 GEL 电池用于 PV 系统进行了各种对比，发现在 POSC 下工作的富液电池的寿命大大降低，其实际寿命只有 GEL的 1/3 左右，主要失效原因是电解液分层导致长期容量衰减严重 [7][8] 。6 3.4 胶体用的优点经过时间的验证，胶体类型电池被证明是最合适的 PV 系统用电池。和 Flooded 类型电池相比，胶体电池具有无可比拟的优势，是太阳能系统最佳的选择● 具有和 Flooded 类型接近的深循环循环性能和使用寿命。 80％ D.O.D 达 1200～ 1600 次。● 免维护设计，不需要单独安装室。全密封设计，具有与 AGM 密封电池同样的氧复合原理。 ‘ 准富液’的胶体电解液设计，保证了长寿命和免维护。● 适用温度范围广， -20℃～ 45℃范围内都能正常使用；胶体电解液大大增强了电池耐高低温的性能，真正适合 PAPS 的恶劣的工作环境 [10] 。● 真正的长寿命设计，设计寿命≥ 20 年，实际寿命可达 10 年以上。● 对 PSOC 状态使用具有最佳的适应能力，循环过程中容量衰减小，电液分层小；国外案例表明，长期于 40％～ 70％ PSOC 下的电池， 6000 循环（约 30％ D.O.D ）后，容量仍有 94％ [9]。● 充电接受能力极佳；在所有类型电池中，胶体电池具有最佳的充电接受能力，在 PSOC下其充电效率可达 99.5％，只需最小的过充电量就能保证充足电；深放电后的容量恢复能力最好，过充被限制小于 5％，这样改善了循环效率，同时减少了格栅的腐蚀和内部发热 [7] 。● “固态”胶体电液，不流动，整体全密封设计，运输、使用和安装更加安全、方便，可以作为非危险品进行运输。● 自放电最小，搁置寿命长达 2 年以上。适用于特殊场合和要求（比如军用）。3.4 几种典型电池的主要特性比较比较项目胶体电池 AGM 密封电池富液电池电池结构电解液载体胶体电解液，电解液固定于胶体结构中，呈不流动态电解液被吸附在多孔的AGM 隔板内电解液富液式设计，呈流动态，完全覆盖了极板电解液量 “准富液” 态，与 AGM-VRLA相比，电液多 10％～ 20％贫液设计，电液量最少，为了保证容量，电液密度较高三种类型里面电液最多正极板结构单体为管式；组合体为膏涂式只能是膏涂式单体为管式；组合体为膏涂式极柱密封方式专利的密封方式以保证使用寿命后期极群的生长空间树脂密封＋机械密封；极板生长易导致电池提前失效专利的密封方式以保证使用寿命后期极群的生长空间板栅合金Pb-Ca-Sn 无锑多元合金，管式正极板栅多采用高压压铸生产，耐腐蚀性能优异Pb-Ca-Sn 无锑多元合 Pb-Sb 合金，用于 PV 系统的降低了 Sb 的含量以降低失水安全阀伞式低压灵敏阀或小型帽式阀帽式高压阀无，有迷宫式注液栓性能比较浮充性能浮充电压相对较低，胶体电液的热容高，不易发生 “热失控”浮充电压高，浮充电流大，氧复合产生大量的热， AGM散热差，易发生“热失控”电液比重低，浮充电压低，富液设计电液的热容高，散热好，不发生“热失控”循环性能好，最高可达 1200 ～160080％ D.O.D 差， 200～ 300100％ D.O.D 极佳，最高可达 1500～2000100％ D.O.D 自放电自放电率 0.05～ 0.06％ /天，电池常温搁置 2 年无须充电自放电率 3～ 5％ /月，电池常温搁置 6 月以上须充电最大氧复合效率初期较低，运行数月后可达 95以上高达 99％以上无电液分层无分层现象，电池壳可正立或侧放使用AGM 无法完全克服电液层化问题，电池通常设计低矮以降低层化影响由于电液是流动的，层化现象最为严重，必须定期进行“搅拌”来消除分层7 生产难易最难，工艺较为繁琐较难易安全性高最高，可作为非危险品运输低，属危险品比能量较低高较低四、国内胶体电池（ GEL ）的现状目前中国还没有成熟的太阳能光伏系统专用贮能电池，国内也缺乏能进行整套系统供应的厂家。国内很多系统都是国外公司包办，而所用的配套电池都是国外的知名品牌。国内厂家宣称的所谓胶体电池基本上属于“假胶体”或者是“半胶” ，即 AGMGEL 。几乎一夜之间，国内的厂家都宣称能够生产胶体电池，采用各种土办法制造的胶体电池也很快投放市场。还有部分厂家的真胶体电池也只是外观相似而已，普遍采用简陋的工艺，也缺乏相应实验和检测手段和方法。因此多存在诸多问题，比如一致性差，寿命短，实际使用效果往往比普通的 AGM 类型电池还要差。真正能够生产胶体电池厂家很少，而且都是引起国外技术和设备。部分系统厂家从成本考虑以及缺乏对蓄电池的了解，甚至选用普通的铅酸蓄电池，比如汽车电池、阀控电池等。使用中存在诸多的问题，比如，寿命短（一般 1～ 2 年），早期容量衰减严重（主要是极板盐化）、易发生“热失控” 、高温下密封胶失效等。也有的厂家改进原有的 AGM 电池，简单的采取了 AGM 电池灌注胶体电解液的方法，我厂也有生产过。经过实验测试和实际投入使用后，发现其效果并不好，反而显现出电池一致性比 AGM 还要差。另外就是提高电池的设计容量，通过改进极板配方改善电池的充电接受能力和耐过充和过放电的能力。国内某著名厂家就是采取该方式对原有的 GFM 系列电池进行改进的，改进后的电池被用于西部 “光明工程” 的部分配套系统中，据说其效果不错，但是其 GFMU 系列 2V500Ah初期容量高达 650Ah [11]。前面提到，国内目前只有两三家公司开发了专门的胶体电池（已生产多年），他们是双登、光宇等，其余的公司基本上是处于仿制和试验阶段。但是其产品水平和质量与国外的差距还是相当明显的，特别是某些关键指标，我测试过国内某知名厂家的产品的循环寿命，只能达到其宣称的 1/3 左右。五、 PV 用铅酸电池发展前景预测PV 系统用胶体电池前景广阔，市场需求量极大，必将成为今后铅酸电池发展的一个方向。国内厂家应该奋起直追，通过加强基础研究、并能通过技术引进、设备等快速缩短与世界先进水平的差距，以中国产品的价格优势，必将开辟出一片广阔的天地。PV 用电池要求极高，目前国内与国外先进水平还存在很大的差距。国内厂家能够在技术上取得进步，其产品定能打破高端市场国外“一统天下”的局面。2006 年 9 月我国取消了铅酸蓄电池出口退税政策，铅酸蓄电池出口量下跌。数据显示， 2007年 1-4 月我国铅酸蓄电池出口 0.5 亿个，下降 12.2，价值 3.7 亿美元。 2006 年，美国铅酸电池的产量只有我国的 1/3 ，其产值确实我国的 4.5 倍左右；而我国产量约占世界的 1/3 ，产值却小很多，利润就更不用说了。国内厂家要想提高利润，保持一定的国际竞争力，开发和生产高品质的产品尤为迫切。太阳能快速发展带来了新的机遇。政府对其的重视程度日益提高，国内基本上还处于“群雄混战”状态，谁能够占得先机意义重大。当然，前提是，能够拿得出好的产品，能够接近国外水平，最差也要做到国内领先。 NDRC （国家发改委）预计到 2020 年太阳能的需求将达1800MW ，太阳能产业将达到 3000 亿元的规模，比 2005 年增加 25 倍。保守估计，按太阳混合系统占总的 5％，储能电池占系统 25％计算，则储能电池将达到约 37.5 亿元的需求。此外，今后通信市场将需求越来越多的胶体电池。胶体电池用于通讯系统必将具有极大的优势，特别是中高端市场，这将是个极大的市场。8 参考文献 1. 毛贤仙，项文敏，唐征 · 太阳能光伏系统用 VRLA 电池技术性能探讨，蓄电池 2003 年第40 卷第 01 期 .2. 孔小波，孟繁友，掌书云 · 光伏发电系统储能专用铅酸蓄电池耐候性分析与研究 .3. 赵玉文，吴达成，励旭东，宋爽 . 我国光伏产业和市场的发展概况 .太阳能 2007 年第03 期4. 朱纪凌，安新强 . 阀控式密封铅酸蓄电池的板栅设计 .电信工程技术与标准化 2003 年第06 期 .5. 刘树民，宏伟译 . 太阳能光伏发电系统的设计与施工 . 日＜太阳光发电协会＞编， 2004 年第2 版 .62-64.6. 足立昌司等，太阳能发电系统用阀控铅酸蓄电池“ GRE100-12”寿命性能评价 . 阀控铅酸蓄电池译文集 2000 年版 .81 － 897. 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