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光伏发电系统中的8种储能蓄电池
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来源：广东电源 发布时间：2014-11-18 浏览：次
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摘要：能源日趋紧张，开发利用新能源已成必然，采用光伏系统开发利用太阳能是有效的途径。本文简要介绍了光伏发电系统、储能电池的特殊要求，分析了多种储能电池在光伏系统中的适用性。
关键词：光伏系统；储能电池；太阳能
前言
随着能源、环境问题日益凸显，人们开始开发利用清洁的太阳能，太阳光能是取之不尽、用之不竭、天然无污染的能源，每小时照射到地球上的能量足够人类一年所需，如能充分利用，能源缺乏问题将可获得解决[1]。世界各国纷纷出台政策，鼓励发展太阳能，大规模利用太阳能进入一个新的发展时期[2]。利用太阳能输出稳定的能量，先要利用光伏系统储存能量，所以储能装置是光伏系统的重要组成部分。
1 光伏发电系统简介
光伏系统是利用太阳电池组件和其他辅助设备将太阳能转成电能，并能够储存电能的系统；太阳能电池组件（光伏列阵）的作用是将太阳能转化为电能，供给负载工作或给蓄电池组充电；控制器的作用是对蓄电池组的充放电进行保护；蓄电池组用于存储电能，用于夜间或阴雨天供电；光伏发电系统所产生的是直流电，须经由逆变器将直流电变换为交流电，以供家庭及工业使用[3-4]。光伏发电系统示意图如图 1 所示。
光伏发电系统中太阳能组件的寿命可以达到20 年以上，控制器和逆变器的寿命在 10 年以上，而目前广发应用的储能电池寿命都在十年以下，储能电池寿命决定了光伏发电系统的寿命；蓄电池组占光伏系统成本的 25 % 左右，良好的电池性能和使用寿命是降低储能成本的重要因素，所以储能电池技术需要不断改进和创新[5]。
2 储能电池技术
2.1 储能电池特殊性
光伏储能电池的工作环境与其他用途的电池有很大不同，决定了储能电池在性能上有特殊性[6-7]。
光伏储能电池在白天光照充足时，进行充电或浮充，而在夜晚、阴雨天气时放电，属于循环、浮充混合式工作制度；另外，相对于放电时间来讲，一次充电时间较短，即使长的时候也仅为白天，约10 h，光伏系统很少能完全、快速地给蓄电池充满电，而且在连续的阴雨天气时，电池处于过放电和欠充电状态，这对电池寿命是个严峻的考验。这就要求储能电池具有良好的抗欠充电能力和良好的充电恢复能力，在 PSOC 工作状态下有较长的寿命。
光伏储能电池通常放电电流小，介于 I 20～I 40，但放电时间长、频率高，蓄电池长时间处于放电状态，过放电现象经常发生；而充电倍率低，平均充电电流一般为 0.01C ～0.02C ，极少能达到 0.1C ～0.2C 。
光伏储能电池工作环境恶劣，有的地区，昼夜温差大，有的地区常年高温，而有的地区常年低温，这对电池的性能有很大影响，所以理想的储能电池应该有宽的工作温度范围，并且受温度变化影响小。
光伏储能电池应该免维护或少维护，因为储能系统多建在偏远地区，很难得到较好地维护，而且维护成本高。
2.2 储能电池种类及特点
电池储能比较适用于中小规模储能和用户需求侧管理[8]。化学电池用于储能电池具有悠久的历史，目前可供储能用的电池有铅酸电池、镍系电池、锂系电池以及液流电池、钠硫电池等类型，其中铅酸电池性能稳定可靠、储能成本低，已经在光伏发电系统中大量应用。
2.2.1 铅酸蓄电池
铅酸蓄电池已有一百五十多年的历史, 其电压高，内阻小，输出功率大，电能效率高，技术成熟，使用温度范围广，使用安全，成本较低[9]，在储能电池市场上占有绝对优势。
目前可供光伏储能使用的铅酸蓄电池主要有三种：富液式、AGM 阀控式蓄电池、胶体式阀控式蓄电池，三种电池各有各的特点[10]。富液式铅酸蓄电池容易溢酸，酸雾多，对周围设备腐蚀严重，酸易分层，不可逆硫酸盐化严重，失水多，需要定期维护，可避免热失控。AGM 阀控式铅酸电池虽然失水少，电解液不易分层，不需要或很少需要维护，但贫液式设计，容易热失控，在小电流长时间放电，会发生不可逆硫酸盐化，使寿命大大降低但其内阻小，大电流放电性能优越。胶体阀控式蓄电池的电解液是凝胶态，可以完全固定电解液，没有分层现象，含酸量可以与富液式相当，抑制气体逸出，失水少，没有热失控，但凝胶态的电解液对硫酸的迁移阻力大，致使电池内阻大，大电流放电性能不理想。
根据光伏储能电池的工作特点可知，光伏储能用电池是小电流深放电，而且经常欠充电，富液式与 AGM 电池在这种环境下发生不可逆硫酸盐化，寿命会大大降低，而胶体电解液可以吸附硫酸铅从而降低硫酸铅的过饱和度，防止粗大晶粒的硫酸铅形成，缓解或抑制不可逆硫酸盐化从而保证循环寿命。R.H. Newnham[11]等人研究证明胶体电池抗欠充电能力强，充电恢复能力强，在 40 %～70 %的PSOC 下工作，经过 6000 次循环，充电后容量还能达到 94 %左右。由此可见，在铅酸蓄电池中，胶体电池是光伏储能用的最理想的选择。
2.2.2 锂电池
锂离子电池是近三十年快速发展起来的化学电源，与其它新一代电池相比，技术成熟，性能可靠。锂离子电池按正极材料分主要有钴酸锂、锰酸锂、三元（钴锰镍复合材料）、磷酸铁锂等。锂电池有很高的能量密度，比容量为 170 mAh/g，产品实际比容量可超过 140 mAh/g，是其它二次电源无法比拟的，这是因为锂电池极板薄，活性物质比表面积高，活性物质利用率高。在相同体积下，锂离子电池的能量密度是铅酸电池的 3～4 倍，是镍镉电池的 2.5 倍，是镍氢电池的 1.8 倍[12-13]。
在锂电池中磷酸铁锂电池的成本相对较低，安全性相对较高环保性好，不含任何对人体有害的重金属元素，是储能用锂电池的发展方向[14]。磷酸铁锂电池具有优越的温度适应性，可在 -20～75 ℃下工作，这是因为磷酸铁锂的晶格稳定，在高低温影响下，对锂离子的嵌入和脱出影响较小，电池可逆性好，利于电池大电流快速充电有较高的充电效率。
与其他锂电池相比，磷酸铁锂电池有两个缺点：振实密度低和电导率低。磷酸铁锂电池的正极材料是无规则的颗粒组成的，振实密度较小，单位体积内活性物质比其他锂电池少，容量低，不利于生产制造微小型电池；磷酸铁锂电池电子离子传导性差，不适宜大电流放电；而对于光伏储能用电池来说，电池的体积大小要求不高，而其工作特点就是小电流放电，所以磷酸铁锂电池的两大缺点不会妨碍储能应用。
目前锂电池用于储能系统备受关注。国外已经有大容量的锂电池用于储能系统，例如，美国A123 Systems 公司[15]曾开发出 2 MW×0.25 h 的H-APU 柜式磷酸铁锂电池储能系统，并联合 GE公司，与美国 AES 公司与合作，在宾夕法尼亚州建设了 2 MW 的 H-APU 柜式磷酸铁锂电池储能系统；南加州爱迪生电力公司于 2009 年计划投资 6 千万美元，利用 A123 Systems 的设备建设当今世界上最大的锂离子电站 (32 MWh)。
国内对锂电池储能研究和应用也做了大量工作，例如，天津大学和北京天路能源有限公司联合研制了超大容量圆柱形单体 400 Ah 锂离子电池[16]，可适用于光伏储能；深圳比亚迪公司已开发出基于磷酸铁锂电池储能技术的 200 kW×4 h 柜式储能电站，1 MW×4 h 储能示范站也已经投产试用。
锂电池能量密度和功率密度大，性能安全可靠，环保性较好，国内外都在大力发展，相信在不久的将来，锂电池会在光伏储能市场上占有一席之地。
2.2.3 镍系电池
常见的镍系二次电源有镍镉电池、镍氢电池。镍镉电池虽有良好的性能，但镉元素对环境和人体危害极大，不符合新能源发展趋势和要求，在欧美等国家已经限用；镍氢电池是上世纪九十年代才展起来的绿色电池，环境友好[10]。
镍氢电池的低温性能良好，在 -20 ℃下即使采用大电流放电也可以放出额定容量80 %的电量；但其高温承受能力很差，在 40 ℃ 左右，电池容量便会下降 10 % 左右，这主要是高温下，电池自放电严重，所以镍氢电池的性能在较高温度的环境中会下降；镍氢电池也不适于过放电，严重的过放电会导致电池反极，对电池性能和寿命危害极大。因此，镍氢电池不是光伏储能用电池的理想选择。
2.2.4 钠硫电池
钠硫电池是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池，与传统二次电源不同，其电极是液态的，电解质是固态的。电池反应[17]是：
负极：2Na =2Na ++2e-；
正极：2Na ++x S+2e-=Na 2S x
总的电池反应： 2Na +x S=Na 2Sx (3＜x ＜5)
钠硫电池原理如图 2 [18]所示。
1983 年起，NGK 公司和日本东京电力公司合作共同开发钠硫电池，在 2002 年进入商品化实施阶段；1992～2007 年，全球钠硫电池储能应用共计196 个项目，安装容量 270 MW。美国虽然最早开展钠硫电池研究，但也一度中断，现在又重新投入研究，积极发展钠硫储能技术。在中国，2006年 8 月起，上海市电力公司与上海硅酸盐所合作开展了钠硫单体电池的攻关，并在 2009 年建设了一条 2 MW 的中试生产线[19-20]。
钠硫电池被如此看好，是因为有许多其他电池无法比拟的性能优点，例如高的比能量，理论比能量可以达到 750 Wh/kg，实际也在 300 Wh/kg 左右，远远高于其他电池；大电流放电和高功率放电性能好，放电电流密度可已达 200 mA/cm2 以上；固体电解质，不会产生如采用液体电解质的二次电池所产生的副反应，无自放电现象，充电效率接近 100 %，这对光电转化并不高的光伏系统来说是很有意义的；使用寿命长达十年，环境友好：全密封，无污染释放，无振动，无噪声[21]。
但是，钠硫电池也存在急需解决的问题。钠、硫常温下是固态，钠硫电池电极为液态，需在大约 300 ℃下才能正常运行，运行过程中需要加热保温，能耗比较大。高温下硫会腐蚀电池部件。电池出现损漏时，不易处理。电池短路时，高温液态的钠和硫接触，引起剧烈反应，放出大量热，有较大的安全隐患。目前的钠硫电池技术成本很高。虽然钠硫电池还存在亟待解决的问题，但其性能优越，甚至在诸多方面超过锂电池，在光伏储能应用中较
有潜力。
2.2.5 全钒电池
钒电池，也称作氧化还原电池，是一类新型的、环境友好的电能储存装置，电化学反应：
正极反应： VO2++H2O-e-=VO2++2H +；
负极反应：V3++e-=V2+
电池总反应： VO2++H2O+V3+=VO2++V2++2H +
其工作原理如图 3 所示[22]。
与其它储能电池或二次电池相比，钒电池的活性物质微流体，具有很多独特的性能[23-24]：
钒电池的功率和容量是可以独立设计的，因为钒电池的功率是由电池堆的片数、面积以及串并联方式决定，而其容量是由电解液的浓度和量来决定的，所以可以根据不同季节、不同用电量来设计和调节钒电池的电池堆结构和电解液组成，改变电池功率和容量，使其效率和性能充分发挥，这是其他二次电源难以实现的。钒电池环境适应能力强，活性物质循环流动，有利于交换热量，电池性能受温度影响很小，当温度恢复时，电池容量也可以完全恢复。钒电池未工作时，正、负电解液分开放置，电解液中不含杂质，自放电率极低；深放电循环性能强，过放电后再充电，容量很容易恢复，而且超深度放电不引起电池的不可逆损伤，通常循环次数大于 16 000 次，寿命可达 15～20 年。
虽然钒电池也存在一些不足之处，例如电流输出不稳定，储能成本较高，安全性还有待考究等，但国内外都很关注，大力研究发展。1984 年，澳大利亚 MMariaSkyllas-Kazacos 教授发明了钒电池，之后将钒电池试用于 4 kW 级太阳能电站，证明了钒电池在光伏储能中的应用可行性[25]。日本的钒电池技术水平较高，已经建造近 20 座钒电池储能系统，其中北海道一个为 32 MW 发电场配套的4 MW 钒电池项目中，钒电池储能系统已经充放电27 万多次[26]。
在国内，中国工程物理研究院电子工程研究所首先在中国展开钒电池的研究，成功研制 500 W 和1 kW的样机；中科院大连化学物理研究所自 2002年开始研究液流电池，以全钒电池为主，他们自主研制的 2 kW 全钒液流储能电池耐久性快速评价试验系统，目前已成功实现 10 000 次充/放电循环，电池模块的能量效率未见明显衰减，得到了专家的一致好评[27]。
3 结论
目前储能电池种类较多，性能各有优劣，铅酸蓄电池是传统电池，技术成熟，性能稳定，被广泛应用于各领域；锂电池在新型电池中技术较成熟，性能优越、安全可靠，符合光伏储能发电的储能要求；而钠硫电池、钒电池在储能市场上有较大潜力，但其技术欠成熟，安全性能有待考究。
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