1 引 言
由于传统能源的枯竭，各国对环境保护的日益重视以及现有电力系统的种种弊端，采用各种新能源的分布式发电系统日益得到人们的重视。在分布式发电系统中，风力发电[1]和太阳能光伏发电[2]技术由于对环境几乎不造成污染而更加受到人们的青睐。由于光照条件和风力大小的不断变化，为了满足用户对电力稳定性的要求，离网式分布式发电系统中通常需要具备储能单元[3]。目前可用于分布式发电系统中的储能方式主要有蓄电池储能、飞轮储能[4] [5]、超导储能、超级电容储能等[6]。
目前国内外对飞轮储能技术的研究非常积极。但到目前为止，飞轮储能技术只是小功率范围内进行了试验性应用研究，距离大规模实用化还有一段距离。超导储能技术由于其需要复杂的制冷设备和昂贵的高温超导材料而造成了很高的成本；超级电容储能技术由于其储存容量较小，目前仍在试验阶段。
用于储能系统蓄电池目前已有多种，包括铅酸蓄电池，镍镉(Ni-Cd)电池，镍氢(Ni-Mh)电池[7]，钠硫(Na-S)电池，钒电池(VRB)等。这些电池中有些已在储能系统中开始试验性使用，但同样由于成本和技术等问题使它们的实用化进展缓慢。
虽然铅酸蓄电池的主要原料1#电铅价格自2003年下半年以来不断猛涨，从2003年7月的4700元/吨上涨到目前(2007年5月)的16000元/吨，对应的铅酸蓄电池价格也已上涨到0.75元/Wh。但与其他储能技术相比，铅酸蓄电池仍然是唯一一种成本可以为用户所接受的大容量储能方式。
目前世界各地已经建立了许多基于铅酸蓄电池的储能系统。1988年，美国在加利福利亚洲建立了10MW/40MWh铅酸蓄电池储能系统，用于电力调峰和电能质量控制[3]。1981年，德国建成了一台基于VRLA的17MW蓄电池储能系统并于1987年投入商业运营。1996年，美国在阿拉斯加的Metlakatla岛上建立了另外一套基于VRLA的1.4MWh蓄电池储能系统，该系统作为离网式水力发电系统的后备电源，能够以800KVA的功率提供90分钟的应急电能[8]。
2 铅酸蓄电池简介
2.1 铅酸蓄电池基本原理
铅酸蓄电池由G. Plant于1859年发明。1882年，J. H. Glastone和A. Tribe提出了著名的“双硫酸盐化理论”，根据这一理论，铅酸蓄电池的正负极在放电时都转化为硫酸铅，在充电时又会还原为初始状态[9]。单格铅酸蓄电池的额定电压为2V，针对其应用范围不同，其容量从数Ah到上万Ah不等。目前已知的最大容量的单格铅酸蓄电池为美国“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇所使用的PDX-57型电池，单格容量为10,000Ah，体积为58×51×117cm，重量为953Kg。该艇采用128个单格电池串联构成额定电压256V的储能系统，额定容量为2.6MWh[10]。
2.2 VRLA所采用的技术
普通铅酸蓄电池需要定期管理的原因在于充电时水的损失以及开口状态下硫酸的挥发。针对这个问题，人们研制了新型阀控铅酸蓄电池(简称VRLA)。它的主要技术是使正极板在充电时析出的氧气扩散到负极板后会与负极板上的铅反应生成一氧化铅，氧化铅再与稀硫酸反应生成硫酸铅和水[11]。这一措施解决了因为氧气析出造成的失水问题。同时VRLA在负极板采用铅钙合金等新型板栅材料，可将析氢电压提高200~300mV。因此只要充电电压设定合理，在充电过程中就不会有大量氢气析出。同时，大部分蓄电池生产厂家生产的VRLA一般将负极板进行过量设计，这样负极板的充电容量总是达不到90%。这也是避免析氢的一个重要措施[12] [13]。
此外，为了避免在充电电压过高或其他特殊情况造成的少量气体(主要是氢气)在电池内部累积，VRLA一般都设置有安全阀。安全阀可在内部压力超过一定值时开启，将内部气体排出以避免造成事故。
2.3 国内铅酸蓄电池生产企业
中国加入WTO后，由于看好中国蓄电池市场的巨大潜力以及发达国家对铅酸蓄电池行业的限制政策，越来越多的国外大型电池厂商选择在中国建厂或合资生产制造。目前中国铅酸电池产量超过世界电池产量的1/3，成为世界电池的主要生产地，生产研发技术与国际先进水平差距已不明显[14]。其中规模较大，现代化生产水平较高的企业主要有保定风帆，哈尔滨光宇，浙江南都，江苏双登，湖北骆驼等。
目前我国铅酸蓄电池消费主要集中在汽车和摩托车市场，主要用于汽车和摩托车的起动。按照2005年的数据，这两者占据了蓄电池市场的74%。近年来随着电动自行车的迅猛发展，动力型铅酸蓄电池的份额也在迅速增加。
3 分布式发电系统对于蓄电池的要求
铅酸蓄电池按其工作方式的不同主要可分为两大类：一类用于汽车起动或UPS等设备中，主要起备用电源的作用，称之为后备型蓄电池；另一类用于的储能单元中，主要起能量储存的作用，称之为动力型蓄电池。动力型蓄电池结构与后备型蓄电池在结构上存在很大区别，不能混用，尤其不能将备用型蓄电池做动力型蓄电池使用[15]。
用于起动或UPS等设备中的蓄电池在寿命期的绝大部分时间是处于浮充状态。只是当车辆需要起动或市电掉电时蓄电池才会发挥作用，且放电容量一般不大。用于此类用途的蓄电池一般只要求上千次甚至数百次的充放电循环寿命。这种情况下，蓄电池的寿命是可以预测的，因为导致其失效的主要原因是板栅金属材料的腐蚀。为了保证较长的使用寿命，此类蓄电池中所使用的硫酸电解液浓度一般较低，这对延缓板栅金属材料的腐蚀有积极作用。目前，后备式蓄电池已全面采用VRLA。
用于电动车以及离网型分布式发电系统动力型铅蓄电池则经常处于深充放电循环中，此类蓄电池失效的主要原因是正极板活性物质的软化和脱落。同时，为了保证蓄电池有足够的能量密度，往往采用浓度较高的硫酸电解液。正极板的活性物质状态随着蓄电池充放电循环的不断进行会不断变化，最终会软化或者脱落，导致蓄电池失效。为了防止正极活性物质的过早损失，用于深循环应用的蓄电池一般采用较厚的极板。如果将后备电源使用的铅酸蓄电池用于深放电循环的分布式发电系统中，会导致早期容量损失和蓄电池过早失效。
放电深度对蓄电池放电寿命有重要影响。美国Trojan电池公司目前在深循环铅酸蓄电池的设计和生产中处于领先地位。图1是Trojan电池公司的T105型蓄电池在不同放电深度时循环寿命的曲线图。在放电深度为20%时，其循环寿命为3000次；而放电深度为40%时，其循环寿命仅为1500次。
VRLA在储能系统中的应用研究也在进行中。早期的VRLA极板一般采用铅钙合金，这样的电池在深放电循环时很容易产生早期容量损失，蓄电池使用寿命较短。一个数据表明，国产矿灯用的铅酸蓄电池当使用普通开口防酸式蓄电池时，其循环寿命可达1500次，而采用VRLA以后，寿命不足500次。虽然如此显著差距有可能是由于充电措施不当产生，但VRLA的深循环寿命不如普通开口式蓄电池却是不争的事实。如果定期的检查和加水维护工作可以为用户所接受，目前开口式铅酸蓄电池系统一般会比VRLA系统具有更长的使用寿命。
图1 T105型蓄电池放电深度与循环寿命关系
近年来世界各大公司已研制出各种改进的板栅材料，克服了早期容量损失的问题，同时其使用寿命也在不断提升。美国逐渐将其应用深循环工作条件中，如Metlakatla岛的储能电站[5]以及新型的Kokanee和Cutthroat无人驾驶潜艇[6]等。
国内对于动力型深循环VRLA的研制也在积极进行中。金风帆有限公司采用富液式少维护涂膏式极板研制的电动车用12V-150Ah蓄电池，在放电深度为75%时寿命可达410次。目前尚未达到国家科委要求的放电深度75%，循环寿命750次要求。
4 分布式发电系统中铅酸蓄电池的使用与维护
4.1 充电
铅酸蓄电池充电过程一般分为如图2所示的4种充电模式
a)恒流充电；充电器采用相对恒定的电流对蓄电池进行充电。在充电过程中由于电池容量的上升，端电压不断提高，当提高蓄电池生产厂商推荐的最高充电电压时，转为下一充电模式，此时蓄电池容量接近其额定容量的90%。
b)恒压限流充电；在这种充电模式中，蓄电池电压恒定在最高充电电压，由于已蓄电池已接近其额定容量，蓄电池充电电流不断下降。
图2 铅酸蓄电池的一般充电过程
c)浮充电；当恒压限流模式下，充电电流下降到电池生产厂商推荐的最小电流时，降低其充电电压，此时蓄电池进入浮充电状态，此时充电电流更小。
d)均衡充电；当作为后备电源使用的铅酸蓄电池经过放电后，一般应对其进行一次均衡充电，以消除由放电造成的影响。
在离网式分布式发电系统中所采用的铅酸蓄电池系统一般充电时间有限，充电功率有限，充电模式一般只限于恒流充电阶段。如果蓄电池系统长期充电不足，会导致负极板硫化，容量下降，电池过早失效。
近年来国内外各公司研发出一种设备可以修复或缓解铅酸蓄电池的硫化。根据其工作方式的不同，有的被称为蓄电池活化仪，以美国PulseTech公司为代表；有的称为脉冲修复仪，以国内深圳维迪澳公司为代表。其基本手段是不采用稳恒的直流，而是采用一种脉冲的电流或电压对蓄电池进行充电。实践证明这种充电方式对消除铅酸蓄电池的硫化有显著效果。
此外，人们还发展出一种快速充电技术。它以马斯三定律为理论基础，主要技术是在大电流充电的间隙对蓄电池进行短暂放电。目前一般采用1~2C的电流对电池进行短时间脉冲充电(一般为数毫秒)，在大电流充电的间隙对蓄电池进行短暂放电。这样做有三个好处：一是消除极化，提高极板的接受能力；第二是降低温升，蓄电池内部的化学反应为吸热反应；第三是减少析气，降低加水维护的工作量。国内部分单位已将其应用到产品中。由于它采用的也是一种脉冲充电技术，因此对去除负极板硫化具有显著效果，这一点也得到了实验的证实[16]。
尽管目前在许多场合已经开始使用各种脉冲充电技术，但几乎所有蓄电池生产厂家都推荐在充电时采用相对恒定的电压和电流。一般认为脉冲充电对蓄电池寿命存在一定影响，但目前对于这方面的研究尚未见正式报道。
4.2 放电
如前所述，对于经常工作在充放电循环状态的电池，其电池失效的主要原因是正极板活性物质的软化和脱落，放电深度对蓄电池的使用寿命有重要影响。如图1所示，如果希望得到3000次的循环寿命，T105型蓄电池的放电深度应限制在20%[18]。
此外，蓄电池的放电电流对蓄电池也有重要影响，如蓄电池进行大电流电放电，不仅其可用容量会大大缩小，蓄电池的使用寿命也会大大缩短。因此，蓄电池监测与保护装置应当具有大电流放电保护功能。
4.3 监测与维护
用于分布式发电系统中的蓄电池储能系统必须具有专门的监测装置以方便地监测每个单格蓄电池的电压及其温度。发现容量落后较多或发生故障的电池时应及时更换，以免故障进一步扩大。储能系统采用开口式电池时，还必须定期检查电解液液面，发现失水时应及时补充。监测工作可由计算机系统来完成。
蓄电池的容量监测非常重要，早期的一般通过蓄电池的端电压来估算蓄电池的剩余电量，这种方法在实际应用中经常会出现较大误差。目前一般通过检测蓄电池系统的放电电流及其放电时间来计算蓄电池的剩余电量。这种技术已在小功率的锂离子控制器上得到应用，目前已有专门的芯片如BQ2060等专门用于电池电量监测。
大型的蓄电池储能系统一般采用较大型的单体蓄电池，此类电池一般较高。如果放电电流较大且充电不及时，电解液会出现分层的现象，即电池上部分反应较充分，电解液浓度较低；电池下部分反应基本不参与反应，电解液深度较高。分层现象也会导致蓄电池过早损坏失效。为了避免电解液分层，蓄电池系统应定期进行均衡充电，保证各个深度的电解液浓度一致。在分布式发电系统中，如果定期均充条件得不到满足，应考虑采用附加的搅拌装置使电解液浓度均匀。搅拌可采用压缩空气进行。
在环境温度过高或者过低时，铅酸蓄电池的性能会发生较大变化。铅酸蓄电池的最佳工作温度为25℃，在此基础上温度每升高10℃，蓄电池寿命就下降50%。, 如果环境温度过低，蓄电池的活性会大大降低，实际容量会远小于额定容量。因此，在寒冷或炎热地区使用的蓄电池储能装置应具有相应的温度补偿装置。
5 总结
本文介绍了离网式分布式发电系统中的储能系统对铅酸蓄电池结构的要求，对构建大容量铅酸蓄电池储能系统时所需注意的问题进行了较为详细的分析和探讨。合理地使用和管理铅酸蓄电池系统不仅关系到蓄电池的使用寿命，而且关系到分布式发电系统的整体成本和经济效益，在整个分布式发电系统的设计中必须引起高度重视。
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