江蘇華富儲能新技術(shù)股份有限公司 ■ 朱明海 吳戰(zhàn)宇 周壽斌 汪的華 魏迪

0 引言

我國經(jīng)濟發(fā)展進入“新常態(tài)”，實現(xiàn)了從增長速度向發(fā)展質(zhì)量的轉(zhuǎn)型，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進節(jié)能減排將是我國未來經(jīng)濟發(fā)展的一大亮點。太陽能路燈作為新能源開發(fā)的一種典型應(yīng)用，以低壓直流供電，采用太陽能作為電能供給，具有節(jié)能、環(huán)保、安全等優(yōu)點。

然而，作為太陽能路燈系統(tǒng)儲能部件的鉛酸蓄電池，盡管設(shè)計壽命為10～12年，但實際使用壽命多則3～4年，少則1～2年。筆者幾年來一直從事太陽能路燈系統(tǒng)動態(tài)跟蹤和走訪調(diào)研，為弄清儲能用鉛酸蓄電池失效模式，對市場退回的鉛酸蓄電池隨機抽取樣本后進行試驗分析，以找到鉛蓄電池容量衰減的根本原因，并對鉛酸蓄電池失效的市場因素及改進對策進行分析。

1 實驗方法

1.1 失效極性確定

1) 隨機抽取市場退回、外觀正常的失效電池。

2) 在不破壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別在電池各個單體的連接處打眼，露出觸點。

3)用放電儀進行10 hr放電，以Cd電極作為參比電極，用萬用表對電池單體正負極板電位進行測量，并且測定單體兩端的電勢，放電終止電壓為10.8 V。

4) 統(tǒng)計、分析數(shù)據(jù)，定性失效極性。

1.2 失效電極物理分析

1)在不破壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，解剖電池。

2)拔出極群，目測觀察失效極性極板表面結(jié)構(gòu)。

3)用銳器輕劃極板表面活性物質(zhì)，目測觀察硬化情況。

1.3 失效電極化學分析

失效極板活性物質(zhì)成分分析，參照GB/T 23636-2009《鉛酸蓄電池用極板》的試驗條件和試驗方法。

2 結(jié)果討論

以Cd作參比電極，對多組退貨電池放電過程正負極板的電極電位進行測量，結(jié)果如圖1所示，負極板電極電位最先出現(xiàn)突變，而正極電位保持穩(wěn)定。這說明太陽能路燈儲能用鉛酸蓄電池負極失效是造成壽命終止的根本原因。

圖1 退貨電池單體10 放電曲線

解剖蓄電池后發(fā)現(xiàn)負極板為灰白色(正常為灰色)，用手指觸摸極板表面時感覺到有砂粒狀顆粒，并且極板表面發(fā)硬，基本認為是硫酸鹽化特征。對充電態(tài)庫存電池和市場退回電池負極板分別進行PbSO4成分分析，結(jié)果見表1。

表1 庫存電池和退回電池PbSO4成分分析對比表

儲能蓄電池放電容量低于額定容量的70%認為壽命終止；根據(jù)資料可知，負極鉛膏利用率可達60%，也就是負極不可逆硫酸鉛理論含量大于18%時，表明蓄電池負極板壽命終止。表1數(shù)據(jù)進一步驗證了太陽能路燈系統(tǒng)儲能用鉛酸蓄電池失效的主要模式是負極硫酸鹽化[1]。

3 原因分析

鉛酸蓄電池產(chǎn)生硫酸鹽化是由于長期充電不足、經(jīng)常性深放電引起的。太陽能路燈系統(tǒng)中的蓄電池有其特殊應(yīng)用條件：室外使用、小電流充放、充電量受光照條件、環(huán)境溫度影響等，蓄電池通常處于部分荷電狀態(tài)(PSOC)下運行，在日照較少的雨季和冬季，蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)會減少到約20%，經(jīng)常處于放電保護的邊緣，處于充電不足狀態(tài)。

3.1 系統(tǒng)配置

由于市場競爭激烈，甚至要求最低價中標，一些集成商極力壓縮系統(tǒng)材料成本，虛標組件功率，造成發(fā)電量不足，蓄電池始終處于“吃不飽”狀態(tài)，就像俗語所說的“不讓馬兒吃草，卻讓馬兒快跑”，最后導致系統(tǒng)無法正常工作。還有人為減小蓄電池容量，導致系統(tǒng)達不到設(shè)計要求的連續(xù)工作天數(shù)，造成蓄電池日放電深度增加，臨近放電保護的頻率增加[2]。

3.2 充電模式

循環(huán)型使用的鉛酸蓄電池，正常充電按照恒流限壓模式，如圖2中A階段為全充電過程。太陽能路燈系統(tǒng)按照低倍率充放電使用工況設(shè)計，控制器的充電參數(shù)設(shè)定按照恒流模式。充電過程中，12 V系統(tǒng)蓄電池的充電電壓升高到設(shè)定保護值(正常14.4 V)充電停止，如圖2所示B階段，缺少C階段限壓過程，鉛酸蓄電池的實際充電量只有全充電過程的約85%，即在全生命周期內(nèi)，太陽能路燈系統(tǒng)用鉛酸蓄電池始終處于85%荷電態(tài)以下充放電循環(huán)使用。

圖2 蓄電池充電特性曲線

3.3 環(huán)境溫度

鉛酸蓄電池產(chǎn)生硫酸鹽化主要發(fā)生在冬季，光照強度低日照時間短，光板組件日發(fā)電量不足；同時鉛酸蓄電池在低溫環(huán)境下，活性物質(zhì)的活性降低，其電極板上硫酸鉛的溶解變得困難，致使消耗的鉛充電時很難得到恢復(fù)，特別是負極板充電受膨脹劑的影響產(chǎn)生鈍化，低溫充電接受能力更低，如圖3所示，-20 ℃時的充電接受電流僅為常溫下的63%。

圖3 負極充電接受能力與環(huán)境溫度關(guān)系

3.4 放電保護

光伏路燈系統(tǒng)一般按3～5天連續(xù)陰雨天設(shè)計，對鉛酸蓄電池而言，相當于累計放電時間40～60 h(按每天放電10 h計)，再考慮1.5倍的設(shè)計安全系數(shù)，實際持續(xù)放電時間達60～90 h，GB/T 22473-2008《儲能用鉛酸蓄電池》規(guī)定了120 hr額定容量的技術(shù)要求和試驗方法，放電截止電壓設(shè)定11.10 V。目前，市場上銷售的太陽能路燈控制器，多數(shù)以10.80 V設(shè)定放電截止電壓，如按120 hr放電電流，實際放電容量是10 hr放電容量的1.2倍以上，蓄電池已嚴重虧電[3]。此時，電解液已接近水的冰點0 ℃，這種溫度在我國南方和北方的冬季很常見，鉛酸蓄電池全部放電后電解液會結(jié)冰，H+失去活性，電子不能在正、負電極之間自由活動，鉛酸蓄電池將立即失效，整個光伏系統(tǒng)可能面臨癱瘓隱患[4]。

3.5 專用電池

市場普遍認為光伏系統(tǒng)用鉛酸蓄電池使用要求不高，從事動力型電池、浮充型電池生產(chǎn)的企業(yè)，簡單地在普通鉛酸蓄電池外殼上刷上“太陽能專用電池”，涉足儲能型電池市場，魚目混珠。動力型鉛酸蓄電池因電解液密度偏高，充電限壓和路燈控制器不匹配；浮充型鉛酸蓄電池按照室溫環(huán)境設(shè)計，不適合低溫環(huán)境使用，都會造成鉛酸蓄電池充電不足，加速硫酸鹽化。

4 改進對策

4.1 系統(tǒng)配置

太陽能路燈系統(tǒng)用電池組件功率、蓄電池容量最小應(yīng)滿足式(1)、式(2)要求。

其次，午夜過后，路上行人稀少，路燈亮度半功率設(shè)計，從系統(tǒng)配置上科學合理地降低系統(tǒng)成本。

4.2 充電模式

太陽能路燈系統(tǒng)用控制器按照以下3種充電模式設(shè)定：1)恒流限壓模式，截止電流按10～20 mA/Ah；2)恒流充電，至電壓升高到充電保護值再恒壓續(xù)充2～3 h；3)恒流充電，至電壓升高到充電保護值停止，待電池電壓降低到設(shè)定的過充恢復(fù)值13.7 V再續(xù)充，如此反復(fù)，類似于間歇脈沖。

合適的充電模式，最大化的利用光伏組件日發(fā)電量，保證鉛酸蓄電池不欠充，延緩硫酸鹽化。

4.3 環(huán)境溫度

太陽能路燈系統(tǒng)用控制器充電模式增加溫度補償功能，當環(huán)境溫度低于25 ℃時，充電電壓按照-(3～5) mV/℃進行負補償，對充電電壓進行修正，如圖4所示，增加活性物質(zhì)和電解液的反應(yīng)效率。

圖4 蓄電池充電限壓與溫度補償關(guān)系曲線

低溫環(huán)境使用時，對蓄電池采取保溫防凍措施，最實用的方法是將蓄電池埋在土壤凍土層以下，利用溫度變化滯后的特性，使蓄電池處在一個相對變化較小的環(huán)境溫度下工作，特別是充電時有利于保證充足電，提高放電效率，防止不可逆硫酸鹽的產(chǎn)生，延長蓄電池的使用壽命。

4.4 放電保護

合理的放電保護是為了使蓄電池的放電深度不至于過大，如果放電深度過大，將增加電池組中不同電池之間、同一電池的不同單格之間的不一致性，多次深放電將加快鉛酸蓄電池硫酸鹽化[5]。根據(jù)多次試驗數(shù)據(jù)，筆者建議以11.4 V和12.4 V分別作為放電保護電壓和過放恢復(fù)電壓，這樣可以延緩鉛酸蓄電池的硫酸鹽化，降低放電后的電解液冰點，對鉛酸蓄電池的保護作用將大幅提高。

4.5 專用電池

太陽能路燈系統(tǒng)配套的鉛酸蓄電池有其特殊應(yīng)用條件，需重新設(shè)計技術(shù)配方和工藝路線，研發(fā)太陽能光伏系統(tǒng)儲能專用型鉛酸蓄電池，如儲能用膠體蓄電池、儲能用鉛碳蓄電池等[6]。GB/T 22473-2008《儲能用鉛酸蓄電池》也對低溫充電接受能力和淺充淺放循環(huán)耐久性提出了專門技術(shù)條件，力求從設(shè)計上來克服太陽能光伏系統(tǒng)儲能用鉛酸蓄電池的硫酸鹽化。

5 結(jié)論

太陽能路燈系統(tǒng)儲能用鉛酸蓄電池主要失效模式是負極硫酸鹽化。在整個光伏系統(tǒng)25年質(zhì)保期內(nèi)，配套儲能專用型鉛酸蓄電池，通過合理的系統(tǒng)配置、充放電控制和保護措施，可有效延長其使用壽命，減少更換次數(shù)，降低度電成本；提升鉛蓄電池對低碳經(jīng)濟的貢獻率，節(jié)約資源，保護環(huán)境。

[1]賀濤， 郭永榔.閥控式鉛酸蓄電池負極板的損壞機理[J]電源技術(shù) ， 2002， (9)： 214 － 217.

[2]錢志剛， 郭麗.鉛酸電池的硫酸鹽化[J].船電技術(shù)， 2005， (5)：42－45.

[3]吳昊， 李銳華.一種智能型太陽能路燈控制器的設(shè)計與實現(xiàn) [J].機電一體化 ， 2012， (3)： 61 － 64.

[4]劉海強， 張艷.太陽能路燈在某住宅小區(qū)應(yīng)用評價[J].中國水運， 2012， (11)： 271 － 272.

[5]傅創(chuàng)業(yè)， 楊志偉.太陽能照明一體化路燈設(shè)計與應(yīng)用[J]. 照明工程學報 ， 2013， 24(1)： 116 － 119.

[6]苗洪利， 李國強，孫海港.太陽能路燈的優(yōu)化設(shè)計及實例分析 [J].激光與光電子學進展 ， 2014， 51(7)： 071602.