適用于分布式發(fā)電的儲能技術比較

標簽：分布式發(fā)電 儲能技術 電池

摘要：分布式發(fā)電與儲能技術的結合大大提高了系統(tǒng)的能源利用率，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及經濟性。該 文在簡單分析了各種可用于分布式發(fā)電的各種儲能技術之后，重點對比研究了各種電池儲能技術，認為鋰離子電 池儲能系統(tǒng)是目前最有發(fā)展前景、最有應用優(yōu)勢的儲能方式。

分布式發(fā)電，一般指為滿足用戶特定的需要、支持現 存配電網的經濟運行或同時滿足這兩方面的要求，且在用 戶現場或靠近用戶現場配置功率為數千瓦到50 MW的小 型且與環(huán)境兼容的發(fā)電機組;從更廣泛的定義來看，分布 式發(fā)電指的是任何安裝在用戶附近的發(fā)電設施，包含熱電 聯產、冷熱電聯產以及各種蓄能技術等，而不論這種發(fā)電 形式的規(guī)模大小和一次能源的使用類型[1]。

分布式發(fā)電技術有多種分類方式，按發(fā)電能源是否可 以再生分為兩大類 ：一類利用可再生能源，主要包括風 力發(fā)電、太陽能光伏、小水電、地熱能、生物質能、海洋 能等發(fā)電形式;另一類利用不可再生能源，主要包括熱電聯產、微型燃氣輪機、燃料電池等發(fā)電形式。其中的風力 發(fā)電和太陽能光伏技術，具有的波動性、隨機性、間歇性 成為制約新能源并網的關鍵問題，而儲能技術則是解決這 一問題的有效手段。

目前儲能技術在全球范圍得到關注，取得了迅速的發(fā) 展，儲能在分布式發(fā)電中起的作用可概括為三個方面[3]： 對系統(tǒng)起穩(wěn)定的作用;適量的儲能可以在分布式發(fā)電單元 不能正常運行的情況下起過渡作用;儲能使得不可調度的 分布式發(fā)電單元能夠作為可調度機組單元運行，實現與大 電網的并網運行，提供削峰、緊急功率支持等服務。

1適用于分布式發(fā)電的儲能技術

儲能技術具有極高的戰(zhàn)略地位，長期以來世界各國都 在一直不斷支持儲能技術研究和應用，并給予大力的財政 資助?？捎糜诜植际桨l(fā)電的儲能方式主要有電池儲能、抽 水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、超導儲能。超導儲能 目前受制于技術的進步，短期內看不到大規(guī)模應用的前 景;飛輪儲能轉換效率較低，大功率飛輪實現難度大;壓 縮空氣儲能對安全要求較高，實現存在一定難度。國內主 要倡導的是抽水蓄能和電池儲能。抽水蓄能電站技術成 熟、存儲容量大、運行壽命長，適宜于電力系統(tǒng)的大容量 儲能，但是受水資源和地理條件的限制。因此，電池儲能 的技術研究是目前分布式發(fā)電領域研究熱點之一。

1.1 鈉硫電池

鈉硫電池由美國福特(Ford)公司于1967年首先發(fā) 明，至今已有40多年的歷史。然而，受困于電池的性能提 升、安全可靠性保障技術、成本以及規(guī)?；a的工藝和 裝備技術，尤其是核心部件氧化鋁陶瓷管(在電池中起隔 膜作用)的制造及保持電池一致性的批量化生產工藝，使 世界上多家曾經涉足過鈉硫電池研發(fā)的公司陸續(xù)退出。

1.2 液流電池

液流電池全稱為全釩離子氧化還原液流電池，液流電 池中的兩個氧化-還原電對的活性物質，分別裝在兩個大 儲液罐中的溶液中，各用一個泵，使溶液流經電池，并在 離子交換膜兩側的電極上分別發(fā)生還原和氧化反應。單電 池通過雙極板串聯成堆。釩液流電池作為儲能電源，主要 用于電廠(電站) 調峰電源系統(tǒng)、大規(guī)模的光電轉換系 統(tǒng)、風能發(fā)電的儲能電源以及邊遠地區(qū)儲能系統(tǒng)、不間斷 電源或應急電源系統(tǒng)等。

1.3 鎳氫電池

作為堿性電池的鎳氫電池與鉛酸電池比較，具有容量 大、結構堅固、充放循環(huán)次數多的特點，但價格也高一 些。鎳氫電池是新型環(huán)保的二次堿性電池，正極材料為羥 基氧化鎳，負極材料為儲氫合金粉，不含鉛、鉻、汞等有 毒物質。鎳氫電池是密封免維護電池，正常使用過程中也 不會產生任何有害物質。

1.4 鋰離子電池

鋰離子電池是新型綠色環(huán)保蓄電池，主要結構分為正 極、負極、電解液、隔膜。當放電時，鋰離子從負極釋放 出進入正極，充電時，鋰離子從正極釋放進入負極。鋰離 子電池按正極材料分類主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、 三元材料、磷酸亞鐵鋰等。各種系列鋰電池特性比較如 下：磷酸亞鐵鋰，因為高放電功率、成本低、可快速充電 且循環(huán)壽命長(1000次以上)，在高溫高熱環(huán)境下的穩(wěn)定

性高(300℃高溫以上才有安全隱患)，在大容量、高功 率、安全性方面表現出最佳的性能;三元材料是鈷錳鎳混 合材料，所表現出的電化學性能兼?zhèn)淞蒜掑i鎳三者的優(yōu) 點，彌補了各自的不足，具有高比容量、成本較低、循環(huán) 性能穩(wěn)定、安全性能較好等特點，多在小型功率型電池設 計中采用;錳酸鋰安全性比鈷酸鋰高，但高溫環(huán)境的循環(huán) 壽命較差(500次);鈷酸鋰容量較高，最大的問題是安 全性差、成本高、循環(huán)壽命短。

2各種電池儲能優(yōu)缺點及應用現狀

2.1 鈉硫電池

鈉硫電池最早發(fā)明于20世紀60年代中期，以鈉和硫分 別用作陽極和陰極，Beta-氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解 質的雙重作用。

鈉硫電池優(yōu)點：比能量高;可大電流、高功率放電; 充放電效率高。缺點：工作溫度較高(300～350 ℃); 充電狀態(tài)只能用平均值計量，需要周期性的離線度量;由 于硫具有腐蝕性，電池殼體需經過嚴格耐腐處理;技術受 國外壟斷。

目前，全球只有日本NGK擁有成熟的鈉硫電池生產 和研發(fā)體系，在市場上也有成熟的應用業(yè)績。我國在大容 量鈉硫電池關鍵技術和小批量制備(年產2MW)上也取 得了突破，但在生產工藝、重大裝備、成本控制和滿足市 場需求等方面仍存在明顯不足。上海市電力公司與上海 硅酸鹽所聯合開發(fā)儲能鈉硫電池，已建立了鈉硫電池的2 MW中試線，并制備了650Ah的鈉硫單體電池樣品，但是 在循環(huán)壽命、充放倍率、生產成本等關鍵性能指標上距離 NGK仍然有較大的差距。

2.2 液流電池

液流電池優(yōu)點：電池的功率和儲能容量可以獨立設 計，電池系統(tǒng)組裝設計靈活;電池系統(tǒng)可高功率輸出;電 池系統(tǒng)易于維護，安全穩(wěn)定;環(huán)境友好;可超深度放電 (100%)而不引起電池的不可逆損傷;響應速度快。缺 點是：需要額外的動力電源維持電池的正常運行，降低了 其整體的能量效率;電解液易泄露，需事故預防;液流電 池的造價較高，與鐵鋰電池相比性價比差。

液流電池最早由美國航空航天局(NASA)資助研 發(fā)，澳大利亞的Pinnacle VRB Ltd公司及加拿大的VRB Power Systems公司在大型液流電池儲能系統(tǒng)(VRBESS)的開發(fā)上走在世界前列。我國研究始于20世紀90年 代，中國科學院大連物化所、中國工程物理研究院電子工 程研究所、中國科學院金屬研究所和中南大學等先后加入 到VRB的研究中來。2006年，中國科學院大連物化研制 成功10kW級VRB系統(tǒng)，但釩電解液和隔膜的高成本阻礙 其商業(yè)化推廣。

2.3 鎳氫電池

鎳氫電池優(yōu)點：具有較高的容量、結構堅固、充放循 環(huán)次數多的特點;鎳氫電池是密封免維護電池，不含鉛、 鉻、汞等有毒物質，正常使用過程中也不會產生任何有害 物質，鎳氫電池具有較好的低溫放電特性，自放電率很 小，可深度放電，價格相對便宜且普及。缺點是：有記憶 效應，能量密度低，充電速度較慢，原材料制造成本較 高。

1982年美國Ovonic公司申請儲氫合金用于電池制造的 專利，1985年荷蘭的飛利浦公司突破了儲氫合金在充放電 過程中容量衰減的問題，使鎳氫電池廣泛應用。在美國和 日本，鎳氫電池技術主要應用于混合動力汽車領域。日本 松下電池公司是從事電動車用鎳氫電池開發(fā)的主要代表性 廠家，不但開發(fā)了純電池電動車用的EV型電池組，還開 發(fā)了供汽油機—電池混合動力源的HEV用的高功率型鎳 氫電池。

在國家863計劃的推動下，國內鎳氫電池產業(yè)得到了 較大的發(fā)展，目前單體電池的技術指標與國外的相差不 大，但一致性和循環(huán)壽命與國外有一定差距，特別是集成 大規(guī)模電池組后各項指標相差較大。北京有色金屬總院進 行了電動車用方形鎳氫電池的研究試驗，共涉及10、44、 80和100Ah四種單體電池，比能量分別為55、58、60、67 Wh/kg。由鎳氫電池整合而成的電池電源系統(tǒng)已在國內一 汽、二汽、上海汽車工業(yè)集團、上海磁懸浮樣車的備用電 源上廣泛使用，包括北京2008年奧運會中標企業(yè)在內的國 內混合電動車企業(yè)大都采用鎳氫蓄電池作為電源。目前， 國內已在上海市電力公司建設的100 kW儲能試驗園區(qū)內 建立了100 kW×1.5 h的鎳氫電池儲能系統(tǒng)，整個系統(tǒng)含 100kW×1.5h鎳氫電池、120kVAPCS和專門開發(fā)的儲能 用監(jiān)控系統(tǒng)組成。

由于使用大量有色金屬鎳和稀土元素，鎳氫電池制造 成本相對較高，與鋰離子電池相比，比能量較低，正逐漸 被鋰離子電池所替代。

2.4 鋰離子電池

鋰離子電池不僅具備高比能量、高比功率、高能量轉 換效率等優(yōu)點，而且兼具長循環(huán)壽命。鋰離子動力電池是 電動技術產業(yè)興起的關鍵，現已廣泛應用于電動自行車、 電動汽車等領域，成本也在逐年下降，磷酸亞鐵鋰、鈦酸 RURAL ELECTRIFICATION 鋰等新材料的開發(fā)和應用，大大改善了鋰離子電池的安全 性和循環(huán)壽命，從而可能將鋰離子電池用于更大規(guī)模的儲 能。目前飽受困擾的則是有

的體系安全性稍差，價格還較高。相對于其他體系鋰電池，磷酸亞鐵鋰電池是最有希望 的儲能電池。磷酸亞鐵鋰材料的單位價格不高，其成本在幾種電池材料中是最低的，而且對環(huán)境無污染。磷酸亞鐵 鋰比其他材料的體積要大，成本低，適合大型儲能系統(tǒng)。

目前，高功率鋰離子電池儲能技術日益成熟，逐步取 代鎳氫電池在動力車應用的部分市場。美國能源部DOE 和USABC已支持了3代動力鋰離子電池的研發(fā)。USABC 在2007年2月發(fā)布了油電混合動力(PHEV)研究目標， 計劃開發(fā)高比功率/能量型(比功率為500W/kg，比能量 為56.7Wh/kg)和高比能/功率型(比能量為96.7Wh/kg， 比功率為208.3 W/kg)兩類鋰離子電池組，兩類電池壽 命均要求15年/30萬次，同時對價格、高低溫性能提出要 求。

3結論

儲能技術的不斷發(fā)展，會促使分布式發(fā)電系統(tǒng)更快地 發(fā)展。同時，分布式發(fā)電與儲能技術的結合大大提高了系 統(tǒng)的能源利用率，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及經濟 性。該文在簡單分析了各種可用于分布式發(fā)電的各種儲能 技術之后，重點對比研究了各種電池儲能技術，認為鋰離 子電池儲能系統(tǒng)是目前最有發(fā)展前景、最有應用優(yōu)勢的儲 能方式，隨著鋰離子電池技術的完善和成本下降，鋰離子 電池儲能系統(tǒng)的應用優(yōu)勢將更為明顯。

參考文獻

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[3] 程華，徐政. 分布式發(fā)電中的儲能技術[J]. 高壓電器， 2003，39(3)：53-56.