適用于分布式發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)比較

標(biāo)簽：分布式發(fā)電 儲(chǔ)能技術(shù) 電池

摘要：分布式發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)的結(jié)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(jīng)濟(jì)性。該 文在簡單分析了各種可用于分布式發(fā)電的各種儲(chǔ)能技術(shù)之后，重點(diǎn)對(duì)比研究了各種電池儲(chǔ)能技術(shù)，認(rèn)為鋰離子電 池儲(chǔ)能系統(tǒng)是目前最有發(fā)展前景、最有應(yīng)用優(yōu)勢的儲(chǔ)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(xiàn) 存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行或同時(shí)滿足這兩方面的要求，且在用 戶現(xiàn)場或靠近用戶現(xiàn)場配置功率為數(shù)千瓦到50 MW的小 型且與環(huán)境兼容的發(fā)電機(jī)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(shè)施，包含熱電 聯(lián)產(chǎn)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)以及各種蓄能技術(shù)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(shù)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(fēng) 力發(fā)電、太陽能光伏、小水電、地?zé)崮?、生物質(zhì)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(lián)產(chǎn)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等發(fā)電形式。其中的風(fēng)力 發(fā)電和太陽能光伏技術(shù)，具有的波動(dòng)性、隨機(jī)性、間歇性 成為制約新能源并網(wǎng)的關(guān)鍵問題，而儲(chǔ)能技術(shù)則是解決這 一問題的有效手段。

目前儲(chǔ)能技術(shù)在全球范圍得到關(guān)注，取得了迅速的發(fā) 展，儲(chǔ)能在分布式發(fā)電中起的作用可概括為三個(gè)方面[3]： 對(duì)系統(tǒng)起穩(wěn)定的作用;適量的儲(chǔ)能可以在分布式發(fā)電單元 不能正常運(yùn)行的情況下起過渡作用;儲(chǔ)能使得不可調(diào)度的 分布式發(fā)電單元能夠作為可調(diào)度機(jī)組單元運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)與大 電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行，提供削峰、緊急功率支持等服務(wù)。

1適用于分布式發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)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(chǔ)能技術(shù)研究和應(yīng)用，并給予大力的財(cái)政 資助?？捎糜诜植际桨l(fā)電的儲(chǔ)能方式主要有電池儲(chǔ)能、抽 水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能。超導(dǎo)儲(chǔ)能 目前受制于技術(shù)的進(jìn)步，短期內(nèi)看不到大規(guī)模應(yīng)用的前 景;飛輪儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換效率較低，大功率飛輪實(shí)現(xiàn)難度大;壓 縮空氣儲(chǔ)能對(duì)安全要求較高，實(shí)現(xiàn)存在一定難度。國內(nèi)主 要倡導(dǎo)的是抽水蓄能和電池儲(chǔ)能。抽水蓄能電站技術(shù)成 熟、存儲(chǔ)容量大、運(yùn)行壽命長，適宜于電力系統(tǒng)的大容量 儲(chǔ)能，但是受水資源和地理?xiàng)l件的限制。因此，電池儲(chǔ)能 的技術(shù)研究是目前分布式發(fā)電領(lǐng)域研究熱點(diǎn)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(shù)、成本以及規(guī)?；a(chǎn)的工藝和 裝備技術(shù)，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(chǎn)工藝，使 世界上多家曾經(jīng)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(gè)氧化-還原電對(duì)的活性物質(zhì)，分別裝在兩個(gè)大 儲(chǔ)液罐中的溶液中，各用一個(gè)泵，使溶液流經(jīng)電池，并在 離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原和氧化反應(yīng)。單電 池通過雙極板串聯(lián)成堆。釩液流電池作為儲(chǔ)能電源，主要 用于電廠(電站) 調(diào)峰電源系統(tǒng)、大規(guī)模的光電轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)、風(fēng)能發(fā)電的儲(chǔ)能電源以及邊遠(yuǎn)地區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)、不間斷 電源或應(yīng)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(jié)構(gòu)堅(jiān)固、充放循環(huán)次數(shù)多的特點(diǎn)，但價(jià)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(fù)極材料為儲(chǔ)氫合金粉，不含鉛、鉻、汞等有 毒物質(zhì)。鎳氫電池是密封免維護(hù)電池，正常使用過程中也 不會(huì)產(chǎn)生任何有害物質(zhì)。

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(jié)構(gòu)分為正 極、負(fù)極、電解液、隔膜。當(dāng)放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極釋放 出進(jìn)入正極，充電時(shí)，鋰離子從正極釋放進(jìn)入負(fù)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?yàn)楦叻烹姽β省⒊杀镜汀⒖煽焖俪潆?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(xiàn)出最佳的性能;三元材料是鈷錳鎳混 合材料，所表現(xiàn)出的電化學(xué)性能兼?zhèn)淞蒜掑i鎳三者的優(yōu) 點(diǎn)，彌補(bǔ)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(diǎn)，多在小型功率型電池設(shè) 計(jì)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(chǔ)能優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 鈉硫電池

鈉硫電池最早發(fā)明于20世紀(jì)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(shí)起隔膜和電解 質(zhì)的雙重作用。

鈉硫電池優(yōu)點(diǎn)：比能量高;可大電流、高功率放電; 充放電效率高。缺點(diǎn)：工作溫度較高(300～350 ℃); 充電狀態(tài)只能用平均值計(jì)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(jīng)過嚴(yán)格耐腐處理;技術(shù)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(chǎn) 和研發(fā)體系，在市場上也有成熟的應(yīng)用業(yè)績。我國在大容 量鈉硫電池關(guān)鍵技術(shù)和小批量制備(年產(chǎn)2MW)上也取 得了突破，但在生產(chǎn)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(lián)合開發(fā)儲(chǔ)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(chǎn)成本等關(guān)鍵性能指標(biāo)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(diǎn)：電池的功率和儲(chǔ)能容量可以獨(dú)立設(shè) 計(jì)，電池系統(tǒng)組裝設(shè)計(jì)靈活;電池系統(tǒng)可高功率輸出;電 池系統(tǒng)易于維護(hù)，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(yīng)速度快。缺 點(diǎn)是：需要額外的動(dòng)力電源維持電池的正常運(yùn)行，降低了 其整體的能量效率;電解液易泄露，需事故預(yù)防;液流電 池的造價(jià)較高，與鐵鋰電池相比性價(jià)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(chǔ)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(jì)90年 代，中國科學(xué)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(xué)院金屬研究所和中南大學(xué)等先后加入 到VRB的研究中來。2006年，中國科學(xué)院大連物化研制 成功10kW級(jí)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(diǎn)：具有較高的容量、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、充放循 環(huán)次數(shù)多的特點(diǎn);鎳氫電池是密封免維護(hù)電池，不含鉛、 鉻、汞等有毒物質(zhì)，正常使用過程中也不會(huì)產(chǎn)生任何有害 物質(zhì)，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(jià)格相對(duì)便宜且普及。缺點(diǎn)是：有記憶 效應(yīng)，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(qǐng)儲(chǔ)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(chǔ)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(yīng)用。在美國和 日本，鎳氫電池技術(shù)主要應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域。日本 松下電池公司是從事電動(dòng)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(dòng)車用的EV型電池組，還開 發(fā)了供汽油機(jī)—電池混合動(dòng)力源的HEV用的高功率型鎳 氫電池。

在國家863計(jì)劃的推動(dòng)下，國內(nèi)鎳氫電池產(chǎn)業(yè)得到了 較大的發(fā)展，目前單體電池的技術(shù)指標(biāo)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(xiàng)指標(biāo)相差較大。北京有色金屬總院進(jìn) 行了電動(dòng)車用方形鎳氫電池的研究試驗(yàn)，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(nèi)一 汽、二汽、上海汽車工業(yè)集團(tuán)、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(yùn)會(huì)中標(biāo)企業(yè)在內(nèi)的國 內(nèi)混合電動(dòng)車企業(yè)大都采用鎳氫蓄電池作為電源。目前， 國內(nèi)已在上海市電力公司建設(shè)的100 kW儲(chǔ)能試驗(yàn)園區(qū)內(nèi) 建立了100 kW×1.5 h的鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)含 100kW×1.5h鎳氫電池、120kVAPCS和專門開發(fā)的儲(chǔ)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(duì)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(zhuǎn) 換效率等優(yōu)點(diǎn)，而且兼具長循環(huán)壽命。鋰離子動(dòng)力電池是 電動(dòng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)興起的關(guān)鍵，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車、 電動(dòng)汽車等領(lǐng)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(yīng)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(chǔ) 能。目前飽受困擾的則是有

的體系安全性稍差，價(jià)格還較高。相對(duì)于其他體系鋰電池，磷酸亞鐵鋰電池是最有希望 的儲(chǔ)能電池。磷酸亞鐵鋰材料的單位價(jià)格不高，其成本在幾種電池材料中是最低的，而且對(duì)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(chǔ)能系統(tǒng)。

目前，高功率鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)日益成熟，逐步取 代鎳氫電池在動(dòng)力車應(yīng)用的部分市場。美國能源部DOE 和USABC已支持了3代動(dòng)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(dòng)力(PHEV)研究目標(biāo)， 計(jì)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(shí)對(duì)價(jià)格、高低溫性能提出要 求。

3結(jié)論

儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)促使分布式發(fā)電系統(tǒng)更快地 發(fā)展。同時(shí)，分布式發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)的結(jié)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(jīng)濟(jì) 性。該文在簡單分析了各種可用于分布式發(fā)電的各種儲(chǔ)能 技術(shù)之后，重點(diǎn)對(duì)比研究了各種電池儲(chǔ)能技術(shù)，認(rèn)為鋰離 子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是目前最有發(fā)展前景、最有應(yīng)用優(yōu)勢的儲(chǔ) 能方式，隨著鋰離子電池技術(shù)的完善和成本下降，鋰離子 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢將更為明顯。

參考文獻(xiàn)

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