風能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的儲能電池分析

中心議題：
* 比較密封鉛蓄電池、鋰離子電池等的長處和短處
* 介紹正在開發(fā)研制的鈉硫電池和超級電容器
* 列出膠體密封鉛蓄電池的應用實例

風能和太陽能非并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)都需要儲能電池。這是由于這兩種發(fā)電方式受到大自然條件變化的影響，而具有間歇性和不可控性。小型風能和太陽能非并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)普遍采用鉛蓄電池組作為儲能裝置。目前風力發(fā)電機組已由千瓦級發(fā)展到兆瓦級，這就要求儲能系統(tǒng)必需大型化。同時由于發(fā)電系統(tǒng)地理位置的限制，儲能系統(tǒng)必需安全可靠，使用方便，價格便宜，充電效率高，使用壽命長并且有充分的抗惡劣天氣和使用條件的能力。文章綜合了風能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)的要求和不同類型蓄電池的特點，闡明了膠體密封鉛蓄電池是風能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最合適的儲能裝置。

1 蓄電池是市場認可的蓄能裝置表1列出了4種常用的蓄電池的特性，以下簡要介紹它們的特點和試用情況。

(1)鉛蓄電池

鉛蓄電池至今仍然廣泛應用于軍事和國民經(jīng)濟的許多領域。究其原因, 首先是這種電池有其固有的優(yōu)越性; 再者, 電池本身為適應社會發(fā)展的需要也經(jīng)歷了“脫胎換骨”的變化, 已經(jīng)今非昔比了。當前使用最廣泛的是閥控式密封鉛蓄電池(VRLA) 和膠體密封鉛蓄電池。這些電池內(nèi)部結構多種多樣, 容量范圍可從數(shù)十毫安時到上萬安時, 它們已逐步取代傳統(tǒng)的鉛蓄電池, 其主要優(yōu)缺點概述如下:

電池的能量密度雖然不太高( 30～50 Wh/kg) , 但其功率密度較高, 目前已達200～300 W/kg, 新設計的產(chǎn)品可以達到500 W/kg。這樣的能量密度和功率密度搭配起來, 可以滿足各種用電設備的需要。電池的生產(chǎn)工藝成熟可靠, 電池的均勻性較好。這是供電電源系統(tǒng)可靠性和安全性的根本保證。電池無記憶效應, 既可以隨時充電, 也可以隨時放電, 使用維護工作比較簡單, 耐濫用性比較好, 使用壽命比較長。它的自放電速度可以說是各種蓄電池中最低者, 高溫下月自放電小于電池容量的5%。價格便宜, 這是任何一種蓄電池都無法比擬的。尤其是作為大型儲能電源, 其價格和運行費用往往是能否普及推廣應用的非常關鍵的因素。世界各國的風能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)廣泛使用鉛蓄電池作為貯能電池。

(2) 鎘鎳電池

鎘鎳電池的最大優(yōu)點是充電簡單, 既可快速充電又可慢速充電, 既可脈沖充電又可直流充電。在各種常用的蓄電池中, 鎘鎳電池快速充電時間最短, 通常充電1 h 即可使用。即使電池經(jīng)過長時間貯存之后, 仍然可以很好地進行充電。

鎘鎳電池充放電循環(huán)次數(shù)很高, 很耐用; 如果使用維護得比較好, 它可以達到1 000 次充放電。但鎘鎳電池必須周期性地進行全放電, 否則在極板上將會產(chǎn)生大的活性物質結晶, 失去活性, 電池的容量就會很快下降, 出現(xiàn)通常所說的記憶效應。鎘鎳電池可以在低溫條件下進行充放電, 它的工作溫度范圍為- 40℃～60℃; 它在- 40℃條件下的放電容量仍然可以達到常溫放電容量的20%, 其他一些蓄電池甚至無法在- 40℃工作。

該電池的貯存壽命很長, 一般達到5 年以上, 但這種電池的自放電速度較大, 剛充完電的電池在24h 內(nèi)自放電速度達到10%; 然后逐漸下降。溫度升高,自放電速度加大, 因而在電池貯存之后必須重新充電。鎘鎳電池的質量比能量是鉛蓄電池的1.5～2 倍,其價格約為鉛蓄電池的2～2.5 倍。但由于它的循環(huán)壽命長, 因而其單位充放電循環(huán)所需的費用就比其他蓄電池要低了。這種電池的最大缺點, 除了上述的記憶效應之外, 就是所使用的原材料鎘是毒性很大的物質, 因而許多國家已明文限制使用這種電池。

(3) 鎳金屬氫化物電池(MH- Ni 電池)

跟鎘鎳電池相比, 它的能量密度比后者高40%左右, 并且不會污染環(huán)境。它不像鎘鎳電池那樣有很強的記憶性, 因而不需要頻繁的周期維護充放電。跟其他電池相比, 其貯存和運輸也比較簡單。MH- Ni 電池的循環(huán)壽命不如鎘鎳電池。這是由于該電池充電后期發(fā)熱量很大, 會導致貯氫合金材料粉末化, 貯氫量明顯下降, 因而最好采用間歇式充電方法, 其充電時間比鎘鎳電池長。MH- Ni 電池的自放電速度也明顯大于鎘鎳電池(約50%) , 所以需要定期地對它進行全充電。NH- Ni 電池只有在小電流放電時才具有80～90Wh/kg 的高比能量輸出; 在大電流放電高功率輸出時, 其能量密度會降至40 Wh/kg 或更低。

(4) 鋰離子電池

鋰離子電池的能量密度很高, 是鎘鎳電池的2- 3倍; 其負荷特性也非常好, 類似于鎘鎳電池; 它的充電接受能力很好。該電池的單電壓高達3.6 V, 是鎘鎳電池的3 倍, 此外, 由于它沒有記憶效應, 就不需要進行周期性維護充放電, 方便了用戶。盡管鋰離子電池有以上得天獨厚的優(yōu)點, 但它也存在著一些尚待解決的問題。

首先, 為保證電池使用過程中的安全性, 就必須避免出現(xiàn)金屬鋰, 因而必須采取一些防護措施: (1)每個單體電池都必須配有充放電保護電路, 使充電電壓不得高于4.2 V, 放電電壓不得低于2.5 V; (2)電池最大充電電流不得大于1 C, 放電電流不得大于2 C; (3) 必須監(jiān)控電池溫度不得超過規(guī)定值。再者, 該電池的容量衰減速度是不容忽視的, 不論電池使用與否, 它都是不可避免的, 并且在2- 3 年之后, 電池就會失效。因而電池的貯存溫度不要高于15 ℃, 并且在貯存過程中要補充充電。由于安全性等因素, 鋰離子電池多用于小型移動電器設備之中, 目前尚不宜用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)。

二、正在開發(fā)的蓄能體系

2.1 鈉硫熱電池

圖1 示出了鈉硫電池的工作原理。該電池是在300℃高溫條件下工作的。它的正極活性物質是液態(tài)硫(S) ; 負極活性物質是液態(tài)金屬鈉(Na) ;中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池的主要特點有: 能量密度是鉛蓄電池的3 倍; 充電效率高達70%~80%; 循環(huán)壽命比鉛蓄電池長; 原材料鈉和硫易得; 工作在300 ℃高溫; 安全性和可靠性不如鉛蓄電池; 適用于大型儲能體系。日本已初步應用于負荷平衡和應急電源系統(tǒng)。

2.2 氧化還原電池

該電池的工作原理如圖2 所示。它采用不同價數(shù)的釩(V) 作為正極( +5 / +4 ) 和負極( +2 / +3 ) 活性物質體系, 中間有離子交換膜; 使用石墨板柵為集流體。正極和負極電解液在不停地流動, 當它們流過電極表面時, 就產(chǎn)生電化學反應, 實現(xiàn)充電或放電。這種電池具有下列特性: 電池與儲液罐可分開放, 易于模塊組合; 不會有活性物質脫落, 壽命長; 沒有自放電; 可以用3 倍的額定功率輸出; 應答性好;能量效率高; 均勻性好; 適用于輸出頻繁變動的風力發(fā)電系統(tǒng)。日本在液晶工廠試用, 美國和南非都有試用。

2.3 超級電容器

超級電容器是20 世紀60 年代發(fā)展起來的一種新型貯能單元, 20 世紀80 年代國外已進入商業(yè)應用規(guī)模, 近年來得到了飛快的發(fā)展。超級電容器是將電化學雙層電容與法拉弟準電容結合起來做成的電容器。它采用比表面積很大的多孔性炭和具有準電容特性的RuO2•xH2O 按一定的比例做成電極材料, 使用38%硫酸或膠體高分子聚合物作為電解質, 使用多孔性的聚乙烯/聚丙烯膜作為隔膜, 其厚度為0.02mm。在兩電極之間夾上隔膜, 以此組成電極基片, 再由此基片組裝成超級電容器。超級電容器的結構形式大致分為兩種: 其一是柱狀電容器, 即把基片卷繞起來裝進圓形金屬外殼內(nèi), 這種電容器適用于低電壓大電流充放電的情況;另一種是疊層式的, 即將電極基片疊起來, 組裝在塑料或金屬殼內(nèi), 這種電容器用在高電壓小電流充放電的情況下比較合適。當前研制成功的超級電容器具有如下特點: 功率密度高, 1 000 W/kg; 循環(huán)壽命長, 50 000 次; 充電時間短, 全充電10~30 min; 充電效率高, 可達95%;儲存壽命極長; 可靠性高。超級電容器適用于大功率脈沖輸出, 在一些特定的場合, 它也可以用作儲能系統(tǒng)。
三、膠體電池受到青睞

3.1 兩類閥控密封鉛蓄電池(VRLA 電池)

當今閥控密封鉛蓄電池有兩類, 即使用玻璃纖維隔膜(AGM)的緊裝配貧液式密封鉛蓄電池, 簡稱AGM電池; 另一種使用膠體電解液的富液式密封鉛蓄電池, 簡稱膠體電池或Gel 電池。兩類電池的對比如下:

(a) 電池的工作原理

它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的。電池充電時, 正極會析出氧氣, 負極會析出氫氣。正極析出的氧到達負極, 跟負極起反應, 達到陰極吸收的目的。

AGM電池隔膜中雖然保持了電池的大部分電解液, 但必須保證10%的隔膜孔隙中不進入電解液。正極生成的氧就是通過這部分孔隙到達負極而被負極吸收的。膠體電池內(nèi)的硅凝膠是以SiO2 質點作為骨架構成的三維多孔網(wǎng)狀結構, 它將電解液包藏在里邊。電池灌注的硅溶膠變成凝膠后, 骨架要進一步收縮,使凝膠出現(xiàn)裂縫貫穿于正負極板之間, 給正極析出的氧提供了到達負極的通道。由此看出, 兩種電池的密封工作原理是相同的,其區(qū)別就在于電解液的“固定”方式和提供氧氣到達負極的通道的方式有所不同。

(b) 電池結構和工藝上的主要差異

AGM電池使用純的硫酸溶液作電解液, 其密度為1.29～1.31g/cm3。除了極板內(nèi)部吸有一部分電解液外, 其大部存在于玻璃纖維隔膜之中。為了給正極析出的氧提供向負極的通道, 必須使隔膜保持有10%的孔隙不被電解液占有, 即貧液式設計。為了使極板充分接觸電解液, 極群采用緊裝配的方式。為了保證電池有足夠的壽命, 極板應設計得較厚, 正板柵合金采用Pb- Ca- Sn- Al 四元合金。膠體電池的電解液是由硅溶膠和硫酸配成的,硫酸溶液的濃度比AGM式電池要低, 通常為1.26～1.28g/cm3。電解液的量比AGM式電池約多20%, 跟富液式電池相當。這種電池采用的是富液式非緊裝配結構, 正極板柵材料可以采用低銻合金, 也可以采用管狀電池正極板。

(c) 電池放電容量

膠體電池的放電容量達到或接近開口式鉛蓄電池的水平。AGM式電池的放電容量比開口式電池要低10%左右。

(d) 電池內(nèi)阻及大電流放電能力

AGM電池內(nèi)阻低, 大電流快速放電能力很強。膠體電池的內(nèi)阻比AGM電池稍大, 但它的大電流放電能力并不亞于AGM電池。

(e) 熱失控

熱失控指的是電池在充電后期( 或浮充狀態(tài)) ,由于沒有及時調(diào)整充電電壓, 使電池的充電電流和溫度發(fā)生一種累積性的相互增強作用, 此時電池的溫度急劇上升, 從而導致電池槽膨脹變形, 失水速度加大, 甚至電池損壞。這是AGM電池在使用不當時出現(xiàn)的一種具有很大破壞性的現(xiàn)象。膠體電池沒有熱失控現(xiàn)象。

(f) 使用壽命

膠體電池采用了富液式設計, 電解液密度比AGM電池低, 降低了板柵合金腐蝕速度; 電解液量也比AGM電池多15%~20%, 對失水的敏感性較低。膠體電池運行壽命達12～14 年, AGM密封鉛蓄電池只有6-8年。

(g) 自放電

AGM電池的自放電速度為3%~5%/月。我們開發(fā)的儲能用膠體電池自放電速度為1% /月。

3.2 先進的儲能用膠體電池

先進的儲能用膠體電池具有以下特點: 采用管式正極板或厚的平板電極( δR5 mm ); 懸掛式極群;復合式隔板; 板柵合金不含銻; 低密度電解液( d =1.240~1.260 g/mL ) (低溫使用地區(qū), 電解液密度要適當提高); 循環(huán)壽命1 600 次(DOD = 80%); 自放電速度慢, 1%/月; 特別適合部分荷電態(tài)運行; DOD =40%~80%條件下循環(huán)壽命超過5 500 次, 充電效率達99%。

四、小結和建議

(1) 膠體密封鉛蓄電池是風能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)最合算的儲能裝置。

(2) 電池容量和品位可根據(jù)具體的使用對象和要求來調(diào)整。在交通方便的地方, 可用AGM電池; 在交通不方便的地方, 建議使用長壽命的膠體電池。

(3) 鈉硫電池、氧化還原電池和超電容器的工藝條件不如膠體電池成熟, 有待進一步開發(fā)研究。