太阳能供电系统

太阳能供电系统第一节 太阳能简介第二节 太阳能电池第三节 铅酸蓄电池第四节 充电控制器第五节 供电系统的设计计算第六节 供电系统的安装第七节 供电系统的防雷第一节太阳能简介1.0 关于太阳能太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。 地球轨道上的平均太阳辐射强度为 1367kw/m 2。地球赤道的周长为 40000km ，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW 。 在海平面上的标准峰值强度为 1kw/m 2， 地球表面某一点 24h 的年平均辐射强度为 0.20kw/m 2，相当于有 102,000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外）虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。昼夜是由于地球自转而产生的，而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈 23 27′的夹角而产生的。 地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴” 自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，所以地球每小时自转 15。地球除自转外还循偏心率很小的椭圆轨道每年绕太阳运行一周。 地球自转轴与公转轨道面的法线始终成 23． 5。地球公转时自转轴的方向不变，总是指向地球的北极。因此地球处于运行轨道的不同位置时，太阳光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季变化（见下图）。每天中午时分，太阳的高度总是最高。在热带低纬度地区（即在赤道南北纬度 23 27′之间的地区），一年中太阳有两次垂直入射，在较高纬度地区， 太阳总是靠近赤道方向。 在北极和南极地区 （在南北半球大于 90 2327′），冬季太阳低于地平线的时间长，而夏季则高于地平线的时间长。地球绕太阳运行的示意图由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日地间距离太大（平均距离为 1.5 x 10 8km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓 “太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353w ／ m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上 3.4％。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点一是能流密度低；二是其强度受各种因素（季节、地点、气候等）的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。2.0 太 阳 辐 射太阳照射到地平面上的辐射或称 “日射” 由两部分组成直达日射和漫射日射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。直射是指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射； 漫射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射，它由三部分组成太阳周围的散射 （太阳表面周围的天空亮光） ，地平圈散射（地平圈周围的天空亮光 或暗光） ，及其他的天空散射辐射。另外，非水平面也接收来自地面的反射辐射。直达日射、漫射日射和反射日射的总和即为总日射或环球日射。可以依靠透镜或反射器来聚焦直达日射。如果聚光率很高， 就可获得高能量密度，但却损耗了漫射日射。如果聚光率较低，也可以对部分太阳周围的漫射日射进行聚光。 漫射日射的变化范围很大， 当天空晴朗无云时， 漫射日射为总日射的 10％。但当天空 乌云密布见不到太阳时，总日射则等于漫射日射。因此聚式收集 器采集的能量通常要比非聚式收集器采集的能量少得多。反射日射一般都很弱，但当地面有冰雪覆盖时，垂直面上的反射日射可达总日射的 40％。到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。显然太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关。参看下图， A 为地球海平面上的一点，当太阳在天顶位置 S 时，太阳辐射穿过大气层到达 A 点的路径为 OA 。 城阳位于 S 点时， 其穿过大气层到达 A 点的路径则为 0A 。 O， A 与 OA 之比就称之为“大气质量”。它表示太阳辐射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比，通常以符号 m 表示，并设定标准大气压和 O℃时海平面上太阳垂直入射时，大气质量 m＝ 1。从下图可知式中， h 为太阳的高度角。大气质量示意图显然地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。3.0 辐射相关的名词直接辐射 太阳以平行光线的方式直接投射到地面。占辐射量的 60％左右，影响辐射强弱的因素很多，其中最主要的是太阳的高度角，其次是大气的透明度。散射辐射 地面上收到来自天穹 2π 的体角向下的大气等的散射。占辐射量的40％左右，影响散射强弱的因素较多，主要是太阳的高度角，其次是太阳经过大气的路程长。在阴雨天，存在较弱的散射辐射。标准光强 表征光辐射强弱的单位。 1000w/m 2 为 1 标准光强。平均日辐射时数 表征日辐射多少的量。它是平均日辐射量与标准光强之比。作为太阳能光伏系统计算的依据，是下面重点讨论的。日照时数（实照时数） 太阳受云层和天气地物的影响，实际照射地面的时数。可照时数 一天内太阳从东地平线到西地平线所经历的时数。日照百分率 实际时数与可照时数之比。它是衡量一个地区的光照条件。月日照百分率作为供电系统可行性设计的主要参考。4.0 太阳辐射的分布为最大限度地接收到太阳辐射，按当地纬度，太阳能板以一定的倾角安装，相当于增大了太阳的高度角，极大地改善了月辐射量地分布，曲线变得平缓，峰值和谷值偏离平均值。这就是倾斜面上太阳辐射月分布曲线。通过对全国 71 个地区倾斜面上月辐射分布曲线分析，发现曲线一般为三种情况。全年中只有一个高于年平均值的连续区域和一个低于年平均值的连续区域。假设方阵功率是基于年平均值确定的， 则可认为只有一个连续充电区和连续放电区，我们称为各月太阳辐射呈单峰分布。其曲线的均匀性较差，在我国南方大部分地区较为常见。全年中有两个高于年平均值的连续区域和两个低于年平均值的连续区域， 可认为有两个太阳辐射呈双峰分布。 其曲线的均匀性比单峰的好， 在我国华北、西北部分地区和东北较为常见。全年中有多个高于年平均值的连续区域和多个低于年平均值的连续区域， 可认为有过高连续充电区和连续放电区，我们称为各月太阳辐射呈多峰分布。其曲线的均匀性最好，但只见于如西藏昌都等少数地区。第二节 太阳电池1.0 太阳电池的原理一般的太阳电池是以掺杂少量硼原子的 p 型半导体作为基体材料，采用高温热扩散的方法，将浓度高于硼的磷掺入 p 型基体内形成 p-n 结，此结区则是由带正电的受主离子和带负电的施主离子组成，在此正负离子所在区域内，存在着一个内建电场。当太阳光照射到半导体时，光子所提供的能量会在半导体中激发出电子 -空穴对，电子与空穴受到内建电场的影响，空穴沿电场方向移动，电子向相反方向移动，用导线将此太阳电池与负载连接，形成回路，就会有电流流过负载，这就是太阳电池的工作原理。2.0 太阳电池的材料晶体硅太阳电池在光伏行业中占主导地位，市场份额超过 90，而近年来，多晶硅太阳电池分额已远远高于单晶硅的市场分额，由两年前的 50/50 的比例发展到去年的 52/48 ，导致这一发展趋势的原因是多晶硅片的生产能力远远大于单晶硅片的生产能力以及多晶硅太阳电池的转换效率不断提高。 多晶硅太阳电池是以多晶硅为基体材料的太阳电池，它省去了生长单晶硅这一昂贵的工序，所以多晶硅比单晶硅材料便宜得多。多晶硅与单晶硅之间的主要差别在于存在晶粒间界，在晶界处存在位错、杂质等能引入分布在禁带中的深能级的缺陷。一方面作为界面态耗尽晶界附近的载流子，形成具有一定宽度的耗尽层和势垒，增大了串联电阻，对填充因子不利。另一方面作为俘获中心俘获电子和空穴，降低了收集几率，对开路电压和短路电流不利。但随着对多晶硅材料理解的不断加深和太阳电池生产工艺技术不断进步， 目前生产出的多晶硅太阳电池转换效率已接近单晶太阳电池转换效率的技术途径，转换效率可达 14。3.0 太阳电池的特点具有与单晶硅相同甚至更高的转换效率，保证 20 年无衰减。采用氮化硅作减反射膜，增强太阳电池对阳光的吸收率，同时对太阳电池有很好的表面和体内钝化作用，提高了少数载流子的寿命。减反膜的颜色可满足顾客的要求 .适用于不同的场合。采用了体内吸杂技术和背面场技术，提高了电池的转换效率。电池内应力小，易于切割和光焊。安装简便，不需要高度技术和大量工程材料；安装后，不需要日常维护；以太阳光线为能量来源，运行费用为零。4.0 太阳电池的特性1 电池的 I-V （电流 -电压）特性太阳电池的的等效电路如图所示， RL 为外接负载。 RS 为串联电阻，由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅片间的接触电阻所组成。 RSH 为并联电阻（又称旁漏电阻） ，由硅片边缘的漏电阻或体内的缺陷引起。 I D 为通过PN 结的总扩散电流，与 Isc 方向相反，又称为二极管反向电流 或暗电流 。R L当 R L 为 0 时，所测的电流为电池的短路电流 I SC，即太阳电池在标准光强照射下，输出端短路时，流过太阳电池两端的电流。短路电流与太阳电池面积大小有关，面积越大，短路电流越大。一般而言， 1cm 2 太阳电池的 I SC 约为 30mA 左右。同一块太阳电池， I SC 与入射光的辐照度成正比；当环境温度升高时， I SC 略有上升，一般温度每升高 1 度， I SC 约上升 0.4mA/cm 2。理想的太阳电池， RS 很小， R SH 很大。由于 R S 和 R SH 分别为串联和并联在电路中，所以在进行理想电路计算时，可以忽略不计。此时，流过负载的电流为I L I SC -I D 理想的 PN 结特性曲线方程为1ln0IIqAkTV SCOC式中， I 0 为电池在无光照时的饱和暗电流， q 为电子电荷， K 为玻尔兹曼常数， A为二极管的品质因子。当 RL 无穷大时，所测电压为电池的开路电压 V OC ，即太阳电池在标准光强照射下，两端开路时，太阳电池的输出电压。太阳电池的开路电压与光谱辐照度和材料特性有关，与电池面积大小无关。在标准太阳光谱辐照度下，晶体硅太阳电池的开路电压为 540-600mV 。当入射光谱辐照度变化时，太阳电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比；环境温度每上升 1℃， V OC 约下降 2mV 。I I D R SHRs当 RL 从零变到无穷大时， 即可画出图示太阳电池的负载特性曲线。 曲线上的任一点都为工作点，调节负载 R L 到某一值 R m 时，在曲线上得到一点 M ，得到的工作电流和工作电压之积为最大，此时对应的 Pm 为最大输出功率PmI mV mI mp 为最大工作点电流， V mp 为最大工作点电压。最大工作点与原点的连线称为负载线，负载线斜率的倒数即为 RL。评价太阳电池输出特性的另一重要参数是填充因子 FF，定义为最大输出功率与 （ I SC3 V OC）之比FFP m/V OC ISCV mI m/V OC I SC在一定光强下， FF 愈大，曲线愈方，输出功率愈高。 FF 与入射光强、反向饱和暗电流、 A 因子、串联、并联电阻密切相关。（ 2）太阳电池的转换效率太阳电池的转换效率用 η 表示，即太阳电池最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率之比。PinVmIm太阳电池的转换效率与太阳电池的结构、 PN 结特性、材料性质、电池的工作温度和环境变化等因素有关。多晶硅太阳电池在标准测试条件下转换效率已达14 。3 太阳电池的弱光效应地面用太阳电池主要工作在地球表面晴天的太阳辐照度（ 600-1000W/m 2） ，但有的用户比较关心太阳电池的暗特性，即太阳电池的弱光效应。所谓太阳电池的弱光效应即太阳电池在太阳辐照光谱保持 AM1.5 不变的情况下，太阳光强在10W/m 2 以下的情况。在太阳电池内部产生的电能中，有一部分通过电池的漏电流而损失即通过太阳电池边缘和 PN 结沟道连接成的旁路漏电，等效图中用并联电阻表示。标准光强下工作时，由于光生电流很大，并联电阻的影响可忽略不计，开路电压与光强的对数成正比。但在弱光下工作时，产生的光生电流较小，通过并联电阻的电流不可忽略。弱光下的开路电压主要受并联电阻的影响。经模拟计算，当入射光强在 5 W/m 2 以上时，开路电压与入射光强呈正比，入射光强在 2 W/m 2 以下时，并联电阻才会显著影响电池的开路电压。要提高弱光下太阳电池的开路电压，最重要的是提高太阳电池的并联电阻。经过对材料、工艺不断的研究和优化，采用氢钝化的方法降低了晶粒间界复合中心的作用，生产出与单晶硅电池效率相近的多晶硅太阳电池。多晶硅太阳电池封装成的组件按 IEC1215 1993 标准与单晶硅电池组件以相同的条件进行环境试验和电性能衰减考核，实验结果完全复合标准要求。同时对该组件进行室内辐照度下电性能测试，测试结果略高于同功率的夏普单晶组件。因此可以判定，多晶硅太阳电池与单晶硅太阳电池的寿命内在品质是相同的。4 太阳电池的光谱响应太阳光谱中，不同波长的光具有不同的能量，所含光子数目也不同。因此，太阳电池接受光照射时所产生的光生载流子数也不同，因此，太阳电池在入射光中每一种波长的光能作用下所收集到的光电流，与入射到电池表面的该波长的光子数之比，称作太阳电池的光谱响应。太阳电池的光谱响应与太阳电池的结构、材料性能、结深、表面光学特性等因素有关，并且还随环境温度、电池厚度和辐照损伤而变化。5 光强与短路电流的特性曲线510短路电流15202530I入射光强 PmW/cm26 电池板开路电压与光强的特性曲线入射光强 PmW/cm2开路电压7 一般情况下的每日电流变化趋势51015短路电流202530I可照时数下白昼时刻 t5.0 80W 太阳电池板的技术参数STP080-12 太阳能电池板组件由 36 片 1253 125 的多晶硅太阳电池串联组成。阳极氧化铝合金边框构成实用的长方形结构， 允许单个使用或阵列使用。保证 20 年使用寿命。防潮、防尘接线盒，保证接线的安全可靠。银白色铝合金边框，高透光率钢化玻璃、白色泰特拉衬底。典型参数标准测试条件 （ AM1.5 ）辐照度 1000W/m 2，测试温度 25℃组 件 工 作 温 度 范围-40 ℃ 85 ℃ 峰值功率（ Wp ） 80W 短 路 电 流 温 度 系数0.4 mA/ ℃ 开路电压（ Voc） 21.6V 开 路 电 流 温 度 系数-（ 80 10） mV/ ℃ 最 大 功 率 电 压（ Vmp ）17.2V 填充因子 74 短路电流（ Isc ） 5A 边框接地电阻 ≤ 1Ω 最大功率电流 （ Imp ） 4.65A 抗风压强 2400Pa 重量 8Kg 系统最大电压 600V 外型尺寸（ m） 11963 5343 35 安装孔径 83 φ 9 安装孔尺寸（ mm） 1132 3 494/832 3494 外形尺寸及安装视图 6.0 38W 太阳电池技术参数STP038-12 太阳能电池板■ 组件由 36 片 125 3 62.5 的多晶硅太阳电池串联组成。■ 阳极氧化铝合金边框构成实用的长方形结构，允许单个使用或阵列使用。■ 保证 20 年使用寿命。■ 防潮、防尘接线盒，保证接线的安全可靠。■ 银白色铝合金边框、高透光率钢化玻璃、白色泰特拉衬底。■ 典型参数标准测试条件 （ AM1.5 ）辐照度 1000W/m 2 ，测试温度 25 ℃组 件 工 作 温 度 范围 － 40℃～＋ 85℃ 峰值功率（ Wp ） 38W 短 路 电 流 温 度 系数 ＋ 0.4mA/ ℃ 开路电压 Voc 21.5V 开 路 电 压 温 度 系数 －（ 80 10） mV/ ℃最 大 功 率 电 压Vmp 17.2V 填充因子 70％ 短路电流 Isc 2.5A 边框接地电阻 ≤ 1Ω 最大功率电流 Imp 2.2A 抗风压强 2400Pa 重量 5.7Kg 系统最大电压 600V 外型尺寸 cm 634 3 534 3 35 安装孔径 83 φ 9 安装孔尺寸 mm 4943 270/494 3 570 结构图示A B 第三节 铅酸蓄电池1.0 蓄电池的工作原理在化学电源的装置中， 可以实现氧化还原反应中还原剂失去电子的氧化过程和氧化剂得到电子的还原过程， 而且， 氧化反应和还原反应是在不同的电极上分别进行的，由此便产生了电流。为了区别于化学反应中的氧化还原反应，电池中的氧化还原反应习惯称为电流的成流反应。2.0 蓄电池的组成1）正极活性物质它在工作（放电）时进行结合电子的还原反应或称阴极过程，而在充电时给出电子进行氧化反应又称阳极过程，在蓄电池中常称为正极。由于放电时进行的是阴极过程，充电时为阳极过程，因此将它称为阳极是错误的。2）负极活性物质电池在工作时（放电）进行氧化反应或称阳极过程，并给出电子，而在充电时结合电子进行还原反应又称阴极过程。 在蓄电池中常称为负极。 同样不能将其称为阴极。3）电解质提供电池内部离子导电，有的电解质参加电极反应而被消耗。铅酸蓄电池的电解质是硫酸水溶液，它是参加电极反应的。蓄电池放电时要消耗硫酸，因此硫酸溶液的密度要下降，充电时它的密度又会恢复。4）隔板（又可以称为隔膜）它是置于正负极之间，其作用是保证正负极活性物质绝对不因直接接触而短路，又要使正负极之间尽可能保持小的距离，以使电池具有较小的电阻。用于制造隔板的材料应具有良好的绝缘性， 例如早期的木隔板、 纸隔板以及多孔橡胶、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和玻璃纤维等。这类材料能耐电解质的腐蚀和正极活性物质的氧化，制得的隔板应有足够小的孔径和足够大的孔率。此外，应具有吸收足够电解质的能力，以确保离子的运动而导电。5）电池槽它是电池的容器。 电池槽的材料必须能经受电解质的腐蚀， 具有一定的机械强度和耐高温低温性能；铅酸蓄电池常用电池槽的材料有硬质橡胶， ABS （苯乙烯 -丁二烯 -丙烯腈的共聚物） ，改性聚丙烯（ PP） ，聚碳酸酯等工程塑料均已成为蓄电池常用的材料。我公司生产的阀控式密封铅蓄电池采用 ABS 为槽体材料。阀控式密封铅酸蓄电池另一种常用的材料是改性聚丙烯（ PP） ，前者槽盖间适合采用胶封，而后者槽盖间适合应用热封工艺。除上述各主要组成外，还必须需要导电体板栅，集流排、端子，及阀控式电池特有的结构安全阀， 2V 系列电池安全阀中的防爆滤气片，以及外连接板、防护盖等。其中端子有铜端子和铸铅端子两种。安全阀多采用三元乙丙橡胶或氟硅橡胶。滤气片是用聚四氟乙烯粉末烧结而成。需要说明的是，滤气片具有很强的憎水性，它可以把排出的气体中的酸液过滤，同时还具有隔爆作用，防止电池外部的明火引爆电池内的氢气和氧气。3.0 蓄电池的电特性3.1.0 蓄电池的电动势电池在断路条件下，正、负两极间的平衡电势之差，即为电池的电动势。电池的电动势的大小是由电池中进行反应的性质和条件决定的，与电池的形状，尺寸大小无关。例如阀控密封铅蓄电池无论尺寸是多少，一个单体电池的电动势是 2.1 伏左右 . 3.2.0 开路电压与工作电压电池在开路状态下的端电压称为开路电压。 电池开路电压等于组成电池正极的混合电势与负极混合电势之差。对于铅蓄电池来说，开路电压在数值上接近电池的电动势。铅蓄电池的开路电压与电解液的密度近似成直线关系开路电压 0.85d 工作电压是指电池接通负荷后在放电过程中显示的电压 ,又称负荷 载 电压或称放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。电池在接通负荷后，由于欧姆内阻和超电势的存在，电池的工作电压低于开路电压。电池的放电电压随放电时间的平稳性表示电压精度的高低。电池工作电压的数值及平稳程度依赖于电池结构和制造特性外，还依赖于放电电流的大小、放电温度、电池的状态等条件。大电流、低温条件下放电时，电池的工作电压将降低。3.3.0 蓄电池的容量电池在一定放电条件下 给定的放电电流、温度和终止电压 所给出的电量称为电池的容量， 以符合 C 表示。 常用的单位为安培小时， 简称 （ A h） 或毫安时 （ mA h） 。电池的容量可分为理论容量、额定容量、实际容量和标称容量。理论容量是活性物质的质量按法拉弟定律计算而得的最高理论值。 为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池的给出的理论电量，单位为 A h/kg 或 A h/L 。实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。 它等于放电电流与放电时间的的乘积，单位为 A h，其值小于理论容量。因为组成电池时除活性物质外，还包括非反应成分如板栅、外槽、隔膜、导电零件等，同时还与活性物质利用率有关。额定容量也叫保证容量，是按国家或有关行业颁布的标准， 保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。铅蓄电池包装或槽上标识的容量即为额定容量。3.4.0 电池内阻电流通过电池内部时受到阻力，使电池的输出电压降低，此阻力称为电池的内阻。电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成，电解液浓度和温度都在不断地变化。在放电过程中内阻的变化不尽相同。在低倍率放电时，内阻对电池性能的影响不显著，但在高倍率放电时，电池的全内阻明显增大，电压降损失可达数百毫伏，此时需要仔细考察电池间各个部件对电压降损失的影响程度，然后予以解决。电池的内阻包括欧姆内阻和极化内阻，二者之和为电池全内阻。内阻的存在 ,使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压 ,充电时端电压高于电动势和开路电压。电池的欧姆电阻遵守欧姆定律，极化电阻随电流密度增加而增大，但不是直线关系，常随电流密度的对数增大。3.7 电池的输出效率蓄电池的输出效率也称为充电效率。蓄电池实际上是一个能量贮存器。充电时把电能转变为化学能贮存在蓄电池中；放电时再把化学能转变为电能供电器使用。选择的蓄电池体系应为可逆的电池体系，而实际上蓄电池的充放电过程并不完全可逆，因此实际上蓄电池都不是理想的贮存器，在充、放电循环工作中有一定的能量消耗。这种消耗通常用容量输出效率和能量输出效率来表示 . 3.7.1 容量输出效率容量输出效率是指蓄电池放电时输出的电量与充电时输入的电量比，即η c 充放CC 100 式中 η c容量输出效率，用百分数表示；C 放 放电时输出的电量； （ A.h ）C 充 充电时输入的电量。 （ A.h ）影响蓄电池容量输出效率的主要因素是副反应。当蓄电池充电时，有一部分电量消耗在水的分解、板栅的腐蚀上。此外，充入的电量也不能全部输出，因为自放电、电极活性物质的脱落、活性物质结块、软化失效、以及孔率收缩等原因均导致了降低容量输出。铅蓄电池输出效率一般 8590 ，输出效率的大小与充、放电电流、电解液密度有一定的关系。一般阀控密封式铅蓄电池充入的电量是放出电量的 110115 。3.7.2 能量输出效率能量输出效率也称电能效率，指蓄电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比，即η w 充放WW 100 （ 3-15 ）式中 η w能量输出效率；W 放 放电时输出的能量（ W.h） ；W 充 充电时输入的能量（ W.h） ；影响能量输出效率的原因是电池存在内阻。 内阻使充电电压增加， 放电电压降低。这部分能量以热的形式释放。对于恒流充、放电过程，能量输出效率与容量输出效率有以下近似关系η W 充放WW 100 充放 100 nC 充放式中 放 恒浪放电时的平均电压， V ；充 恒流充电时的平均电压， V ；一般阀控铅蓄电池 放 / 充 约在 89 ～ 91， 综合考虑各种因素， 阀控密封铅蓄电池的能量输出效率约在 75 ～ 83 。3.5 蓄电池的自放电蓄电池的自放电是指电池在贮存期容量降低的现象， 电池在无负荷时由于自行放电使容量损失。3.5.1 自放电的原因自放电通常主要发生在负极，因为负极活性物质多为活泼的金属粉末电极，在水溶液中其电势常比氢负，可发生置换氢气的反应。对铅酸蓄电池，尽管氢在铅上的析出较为困难，但电极和电解液中存在着金属杂质，一方面降低了氢析出的过电位，另一方面对负极活性物质组成了腐蚀微电池， 结果负极金属自溶解， 并伴有氢气析出，从而使容量减少。有鉴于此，阀控式密封铅蓄电池板栅材料使用的是铅钙锡铝合金，而不使用传统的铅锑合金，就是避免锑的存在加大了自放电。一般正极自放电不大。因为正极为强氧化剂，若在电解液中或隔板上存在易于被氧化的杂质， 尤其变价态的金属离子， 例如铁 （ Fe） 也会引起正极活性物质的还原，使电池容量减少， 这也是阀控式密封蓄电池在制造过程和材料成分均要严格控制杂质的主要原因之一。3.5.2 自放电率自放电率用单位时间容量降低的百分数表示。自放电率 CaTCbCa 100 （ 3-10 ）式中 Ca 电池贮存前的容量（ A 2 h） ；Cb 电池贮存后的容量（ A2 h） ；充电电流 XCA充电电量 时充电的恒定电压为 2.3V/ 单体充电电压 V充入电量 -t放电后放电后T 电池贮存的时间，常用天计算。3.5.3 荷电保持能力荷电保持能力也是表征电池自放电性能的物理量， 它是指蓄电池经一定时间存贮后（容量有一定损失） ，所剩余容量为最初容量的多少，也用百分数表示。这种度量方式常被列入产品标准的技术要求中。 并且其贮存时间是预先要求的。 例如贮存 90天后剩余容量为 80 。荷电保持能力的表达式为蓄电池能用充电方式恢复容量，通常对自放电要求不如原电池那么严格，但对密封式铅蓄电池的要求却极为严格。 如用于汽车的起动用铅蓄电池荷电保持能力为 21天≥ C≥ 80 ，免维护电池为 49 天 C≥ 80。下面是常用标准对阀控式密封铅蓄电池荷电保持能力的技术指标。JB/T6457 、 2 92 小型阀控式密封铅酸蓄电池 技术条件在 25 5℃的环境中静置 6 个月，容量损失不大于 40 ；JB/T8451-1996 固定型阀控式密封铅酸蓄电池在 25 5℃的环境中存放 90 天，容量损失不低于 80 ；YD/T799-1996 通信阀控密封铅酸蓄电池技术要求和检验方法在 25 5℃的环境中存放 90 天，容量损失不低于 80 ；DL/T637-1997 阀控式密封铅酸蓄电池订货技术条件在 25 5℃的环境中存放 90 天，容量损失不低于 80 ；JB/T10262-2001 电动助力车用密封铅酸蓄电池在温度为 25 5℃的环境中开路静置 28 天，容量保存率不低于 85 ；JI S C 8702-1 1998 小型密封铅蓄电池 第一部分一般要求事项、功能特性及试验方法。开路状态保存 120 天，保存容量应在 75以上。4.0 蓄电池的特性曲线100abCCK放电特性容量与温度的关系环境温度容量5.0 蓄电池的失效模式蓄电池的失效一般指性能衰退或功能的丧失，直至不能继续使用。造成这些故障的原因是多方面的， 既有产品制造上的原因， 如部件设计不合理， 制造过程控制不严；也有使用不正确 （过充、 过放） 的因素。 因此蓄电池的失效是在线判断的难度也很大，原因是复杂的。5.1 蓄电池的失效模式由于极板种类，制造工艺条件、材质、使用方式各有差异，最终导致蓄电池失效的原因也各不相同，归纳起来铅蓄电池的失效有下列几种情况5.1.1 反极、短路、断路蓄电池的反极、短路、断路是制造过程中常见的故障。它会使用蓄电池完全不能使用。 反极、 短路、 断路现象绝大多数能够在制造过程的后期予以发现， 并及时返修。但也有个别的流入市场，这主要是用于车辆起动的不带液出厂的干式荷电电池。5.1.2 正极板栅的腐蚀变形由于正极板栅在蓄电池充放电使用过程必然会参加电化学反应， 尤其在充电过程中，会转化成二氧化铅（ PbO 2）导致板栅的腐蚀。板栅的腐蚀速度取决于板栅合金的材质（组成） ，微观的结晶结构，电解质的密度，电池使用条件（高温，充放电深度等） 。 目前用于制造蓄电池的合金有三类 传统的铅锑合金， 锑 （ Sb） 含量在 4～ 6；低锑或超低锑合金， Sb 含量在 2或更低，并含有锡（ Sn） 、铜（ Cu ） 、砷（ As ） 、硒（ Se）硫等变晶剂；铅 -钙系列，实际是铅钙锡铝（ Pb-Ca-Sn-Al ）四元合金，钙含量通常在 0.06 ～ 0.10 范围。上述三类合金铸成的正极板栅，在蓄电池的充电过程中都会被氧化成硫酸铅或二氧化铅， 最后导致其丧失支撑活性物质的作用而使电池失效；或者由于二氧化铅腐蚀层的形成，便铅合金产生应力，致使板栅线性长大、变形、断裂。这种变形超过 4时将使极板整体遭到破坏，活性物质与板栅接触不良而脱落、或在汇流排处短路。5.1.3 不可逆硫酸盐化铅蓄电池在正常工作中，极板放电反应后负极活性物质应生成颗粒较小的硫酸铅，这样在充电时很容易使之转化为海绵状铅。为达到此目的，产品制造时负极活性物质中加入有机和无机膨胀剂。但蓄电池过放电并长期在放电状态下贮存时，其负极将形成一种粗大的、难于接受充电的 PbS04 结晶，此现象称为不可逆硫酸盐化。轻微的不可逆硫酸盐化，尚可用一些方法使之恢复，但严重时则电极失效、充不进电。除了蓄电池不合理存放导致负极不可逆硫酸盐化，负极活性物质中有机膨胀剂的失效也是常见的原因之一。 蓄电池在运行过程中有三种途径会导致有机膨胀剂的损失。一是膨胀剂溶解在电解液中扩散至正极，在正极上被氧化成 H 2O 和 CO 2 而损失；二是热分解而损失；三是与电解液中氧化剂物质起反应而损失，尤其对阀控密封式铅蓄电池， 正极产生的过量的氧除被负极吸收会产生大量的热， 对有机膨胀剂极为不利，同时也会被扩散到负极的氧气氧化而损失。为防止这一现象的发生，目前较为有效防止方法是调整有机和无机膨胀剂的比例，或更换较稳定的有机膨胀剂。5.1.4 锑在活性物质上的严重积累这是使用铅锑合金铸造铅蓄电池板栅时常见的失效模式。 正极板栅上的锑随着循环，部分地转移到负极活性物质的表面上。由于 H 在锑上的还原的过电位约低200mV ，于是在锑积累时，电池充电电压降低，大部分电流均用于水的分解，电池不能正常充电因而失效。5.1.5 干涸失效方式从阀控密封铅蓄电池中排出氢气、氧气、水蒸气、酸雾都是电池失水的方式和干涸的原因。干涸造成电池失效这一因素是阀控式密封铅酸蓄电池所特有的。失水原因有四类①气体再化合的效率低；②从电池槽体中渗出水；③板栅腐蚀消耗水；④自放电水损失。（ 1） 气体再化合效率低气体再化合效率与选择浮充电压关系很大。电压选择过低，虽然氧气析出少，复合效率高； 但个别电池会由于长期充电不足造成浮充钝化而失效， 使电池寿命缩短。浮充电压选择过高，气体析出是增加，气体再化合效率降低。安全阀大部分时间处于开启状态，失水多，正极板栅也有腐蚀，一般认为失水 15 或容量下降 20，这时就认为寿命终止。例如一只 100Ah 的 UPS 用电源，在 25℃条件下以 2.25V/ 单体电池浮充再化合效率为 98.5, 则每只电池使用 10 年以上水耗为 75cm 3 只占总加入量的 7.50 。经验证明， 以 2.4V/ 单格进行永久性浮充电时 ,电池将在 12～ 18 个月内完全失效。在浮充条件下使用时，应对浮充电压给予温度补偿，若选择浮充电压过高，又无温度补偿，电池长期在高于 30℃下工作，其失水将显著增加。（ 2） 从槽体材料渗透水分从电池槽体渗出水分，除取决于槽体材料种类、性质外，还与其壁厚、槽体内外间水蒸汽压差有关。尤其电池使用在我国西北低气压、干旱地区，从槽壁失水量会有一定的增加。目前，多数阀控密封式铅蓄电池采用 ABS 材料，用粘合剂密封，少数厂家使用 PP 材料，热封合技术。（ 3）自放电对于阀控密封式铅蓄 电池正极自放电析出的氧气可以在负极再化合而不致失水。但是负极的自放电析出的氢气在正极被氧化的速度极少，会在电池积累，积累到一定程度后从安全阀排出导致失水。尤其是在较高温度下贮存时，自放也会加速。温度与电池搁置寿命的关系为存放温度（℃） 10 20 30 40 搁置寿命（月） 24 12 6 3 若搁置后剩余容量为 60 ， 则在 40℃存放 3 个月， 容量损失为 40 。 对于 100AH电池就相当于损失了 40Ah ；与之相对应氢气析出量在标准状态下为FVC2 40 3 22.4/26.8 3 216.7L MH 216.7/22.40.7455 moL 0.7455 3 MH 2O0.7455 3 1813.4g 折合水为 13.4g/ 单体。电池虽可以再充电恢复容量，但水不可逆地损失了。所以密封蓄电池在高温下存放时，对电池寿命是不利的。5.1.6 容量过早损失的失效模式阀控密封式铅酸蓄电池其制造技术的主要特点之一， 是用 Pb-Ca 合金取代 Pb-Sb合金作为板栅材料。投放市场不久就发现电池的循环寿命明显地缩短，尤其在深循环使用时，这种现象尤为突出。其特征是寿命终止时没有观察到正极活性物质的软化脱落，板栅没有明显的腐蚀，电池的开路电压正常，只是深循环放电时容量明显下降，下降最快时每个循环容量可减少 5 。最初认为是无锑板栅造成的。故称为无锑效应AFE （ Antimong Free Effect ） 。后来发现，在使用低锑（ 20 以下）合金作板栅材料，也出现这种现象，甚至高锑时也偶有发生。于是无锑效应这一术语，就被早期的容量损失 PCL （ Premature Capacity Loss ）所代替。经过大量的测试、研究，总结发现 PCL 蓄电池具有如下特征a） 该现象主要发生在正极；b） 正极板栅和集流体没有明显的腐蚀，仍然完好；c） 正极活性物质没有软化，脱落；d） 充电后正极 PbO 2 含量处于正常状态，即 PbO 2 含量大于 85 ；e） 容量衰减的速度快，每次循环最高可达 5 ，慢者也远远高于传统正常电池；f ） 最近发现 PCL 现象是可逆的。近年来，经过大量的研究对早期容量损失有了较深的认识，早期容量损失可分为三种类型 PCL-1 ， PCL-2 ， PCL-3 。PCL-1 是指板栅和活性物质界面的影响。 PCL-1 是由板栅和活性物质界面非导电层的形成引起的。这层非导电层或低导电性层在板栅和活性物质界面引起高的电阻，充放电时产生大量的热，并使板栅附近的正极活性物质膨胀而导致容量下降。PCL-2 是正极活性物质导电性限制了容量。由于在循环使用下，正极活性物质颗粒 PbO 2 的膨胀而引起的活性物质颗粒之间连接的变坏，放电越深越快，放电速率越大，活性物质的膨胀和容量损失的趋势越大。随着活性物质的膨胀 PbO 2 各自颗粒间的导电性减少， 因而膨胀使得活性物质之间电阻的增加，这种膨胀导致 PbO 2 软化，失去放电能力，容量下降；这一现象在高倍率放电和过放电时变得更糟。抑制正极活性物质膨胀的主要方法是改善隔板，用优质的 AGM （超细玻璃纤维隔板） ，将组装压力增加至 40kPa 以上是有效的，确保了电池循环使用时，隔板对