鋰電池作為儲能裝置在新能源高效利用中的作用

摘 要:通過各種儲能裝置的比較，提出將鋰電池作為儲能裝置配置新能源發(fā)電系統(tǒng)中，使新能源能更加高效的利用。同時給出了鋰電池的在新能源電場中的配置比例。

關(guān)鍵詞:鋰電池 儲能裝置 新能源

中圖分類號:TM73文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1672-3791(2012)06(c)-0001-03

隨著舟山以風(fēng)電為主的新能源項目不斷投運和新建，新能源裝機容量占當(dāng)?shù)仉娏θ萘勘壤饾u加大，若不配置必要的儲能裝置，將會影響到局部電網(wǎng)的穩(wěn)定，從而最終影響新能源產(chǎn)業(yè)的建設(shè)。本文以舟山為新能源發(fā)展為背景，探討鋰電池作為儲能裝置在新能源的高效利用中的作用。

1 海島型新能源資源的主要類型及特點

新能源又稱可再生能源，是指傳統(tǒng)能源(煤、石油、天然氣、核電以及水電)之外的各種能源形式，主要包括了風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑司圩儭⒑Ｑ竽堋⒁约翱稍偕茉囱苌鰜淼纳锶剂虾蜌渌a(chǎn)生的能量。在舟山地區(qū)其新能源產(chǎn)業(yè)主要涉及到風(fēng)電、太陽能、潮流能等。

風(fēng)電資源:舟山群島處于東南沿海風(fēng)能豐富地帶，擁有豐富的風(fēng)能資源。依據(jù)《浙江省舟山市風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃報告》(初稿)，至2015年舟山可累計建成風(fēng)電裝機容量約860MW，其中陸上風(fēng)電場約260MW(已經(jīng)投產(chǎn)或在建的項目有岱山衢山項目40.5MW，定海岑港項目45MW，定海長白項目12MW，擬建定海小沙項目30MW，定海金塘項目25.5MW)，近海風(fēng)電場約600MW(擬建普陀六橫項目500MW)。至2020年，舟山風(fēng)電總裝機容量可達1850MW，其中陸上風(fēng)電場約300MW，近海風(fēng)場約1550MW;至2030年，總裝機容量可達2900MW，其中陸上風(fēng)電場約300MW，近海風(fēng)電場約2600MW[1]。

太陽能資源:根據(jù)中國太陽能資源分布統(tǒng)計分析，浙江省大部分地區(qū)日照屬四類地區(qū)，舟山地區(qū)太陽能資源在全省屬較高水平，全年日照時數(shù)為1400h～2200h。在每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽輻射總量為4190MJ～5016MJ，有一定的太陽能開發(fā)價值。

潮流能資源:舟山群島不但擁有豐富的風(fēng)能，在星羅棋布的群島中，峽谷眾多、水深流急，潮流能蘊藏量更是驚人。舟山潮流能具有相當(dāng)大的開發(fā)潛力，有專家估計可開發(fā)資源占據(jù)全國潮流能資源的50%以上。根據(jù)資源分析，其資源規(guī)模達到2400萬千瓦。

目前具有開發(fā)價值中占較大比例是風(fēng)電、太陽能資源，其分別受風(fēng)力和光能的制約，發(fā)電具有間歇和不可控的特點。潮流能受到潮流的影響，相對風(fēng)電和太陽能輸出更加穩(wěn)定，但是其資源目前處于開發(fā)試驗階段，量能較小，具有波動性特點。這些新能源，若大規(guī)模直接接入電網(wǎng)，將對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可調(diào)度性造成一定的困擾，因此隨著近幾年風(fēng)電的大量發(fā)展后，地方政府和電力部門的支持力度逐步衰退。隨著新能源電能儲備技術(shù)的發(fā)展，改善了新能源的隨機性和波動性，這將可能再次推進新能源的發(fā)展，有效實現(xiàn)新能源發(fā)電的平緩輸出和有效調(diào)度。

2 各種儲能裝置的比較特點

目前儲能技術(shù)依照其工作原理主要分為三類，分別是物理儲能、電磁儲能和化學(xué)儲能。

(1)物理儲能。主要是抽水蓄能電站、壓縮空氣蓄能以及飛輪儲能。抽水蓄能電站目前主要解決的是電網(wǎng)高峰低谷直接的平衡，為使發(fā)電頻率保持恒定，水輪機-發(fā)電機組往往采用采取恒速恒頻運行方式。壓縮空氣儲能主要基于天然的溶洞或人工儲罐的方式，將富裕的電能做功將空氣壓縮，需要時再將空氣釋放出來做功發(fā)電。這兩種方式都可能具有大規(guī)模、高的能量轉(zhuǎn)換率、長壽命和低運行成本的優(yōu)點，但是其需要特殊的自然條件才能很好的實現(xiàn)，若人工創(chuàng)造條件，一次建設(shè)成本過高。飛輪儲能主要核心技術(shù)掌握在美國、德國等國外廠家手里，國內(nèi)的理論研究和工程實踐做了一些工作，但是進展緩慢，并且受到技術(shù)水平的限制，其能源轉(zhuǎn)換效率較低，大功率實踐難度較大。因此物理儲能方式較少應(yīng)用在海島的新能源儲能系統(tǒng)中。

(2)電磁儲能。主要是指超導(dǎo)儲能和超級電容器等兩種方式。其中超導(dǎo)儲能是利用由超導(dǎo)制成的線圈，將電網(wǎng)供電勵磁產(chǎn)生的磁場能量儲存起來，在需要時再將存儲的能量送回電網(wǎng)或作它用，其具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換率高、比容量大等優(yōu)點[2]，其主要是改善電網(wǎng)的暫態(tài)特性，由于其能量維持在幾分鐘以內(nèi)，所以目前不是很適合作為新能源的儲能裝置。超級電容器和超導(dǎo)有類似的特性，也是主要提升電能質(zhì)量，并且按照目前的水平，只能做到最大100kW左右，容量太小。

(3)化學(xué)儲能。主要指鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘(鎳氫)電池和鋰電池。鈉硫電池是在300℃的高溫環(huán)境下工作，其正極活性物質(zhì)是液態(tài)的硫，負極活性物質(zhì)為液態(tài)金屬鈉，中間是多孔陶瓷隔板。鈉硫電池發(fā)明于20世紀(jì)60年代，由美國福特公司首先發(fā)明，后來由于性能提升、安全保障、成本和規(guī)模化等原因，原先涉足的生產(chǎn)廠家陸續(xù)推出研究，目前只有日本的NGK公司擁有成熟的鈉硫電池生產(chǎn)和研發(fā)體系，在日本投入運行最大單體儲能系統(tǒng)達8MW/58MWh[3]。液流電池，也稱電化學(xué)液流電池，一般稱為氧化還原液流電池，其中若正負極活性物質(zhì)全使用釩鹽溶液的稱之為全釩液流電池，其正負極電解液分開各自循環(huán)，其特性是能完全深度放電，存儲壽命長，但是能量密度低、占地面積大以及日常維護困難等原因，并且處于商業(yè)化初期。鉛酸電池是目前相對比較成熟的儲電技術(shù)，其具有價格低廉，安全性能相對可靠等優(yōu)點，但是由于其充電速度慢、能量密度低、壽命短以及可能出現(xiàn)硫酸溢出等弊端，特別是環(huán)保的不友好性，行業(yè)發(fā)展受到限制。鎳鎘(鎳氫)電池。由于金屬鎘的環(huán)境污染問題，鎳鎘電池將被鎳氫電池替代，鎳氫電池由鎳鎘電池改良而來，其具有較高的能量密度、環(huán)境友好、使用壽命較長等優(yōu)點，但是由于存儲氫的材料鉑、鎳資源的稀缺性限制了其規(guī)模化的發(fā)展，目前國內(nèi)上海電力公司建設(shè)的100kW儲能實驗區(qū)建立了100kW×1.5h的鎳氫電池儲能系統(tǒng)。鋰電池大量應(yīng)用于手機、數(shù)碼產(chǎn)品中，不僅具有高比能量、高比功率、高能量轉(zhuǎn)換率等優(yōu)點，還具有環(huán)境友好，長壽命等特點，隨著國內(nèi)鋰電行業(yè)規(guī)模化的發(fā)展，應(yīng)用行業(yè)從手機和數(shù)碼行業(yè)向電動汽車行業(yè)發(fā)展，并且成本逐年下降，特別是基于磷酸鐵鋰電池等開發(fā)和應(yīng)用，安全性和使用壽命等得到很大的提高，使得鋰電成為化學(xué)電池儲能日益成熟。其中目前最大的鋰電儲能系統(tǒng)位于智利，系統(tǒng)總?cè)萘窟_12MW，已于2009年11月建成投產(chǎn)。

以上幾種常用的儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方向的比較如（表1）[4]。

3 應(yīng)用于海島新能源項目的儲能裝置的要求

受到海島地域的制約，一般適合海島新能源儲能裝置需要以下五個方面的要求[5]。

(1)長壽命，考慮到風(fēng)電和太陽能裝置的使用壽命，因此要求儲能系統(tǒng)能達到10～15年以上的使用壽命，循環(huán)壽命(70% DOD(深度放電))超過3000次。

(2)高充電效率，儲能裝置效率需要大于85%，儲能系統(tǒng)效率需要超過70%。

(3)投資，要求更低的一次性投資和更快的投資時間。

(4)運營成本，要求更低的日常維護運行成本。

(5)安全環(huán)保，需要日常運營中更加可靠的安全性能和環(huán)境友好型。

隨著技術(shù)的發(fā)展，多種儲能方式都將可能在未來滿足以上的要求。電力儲能領(lǐng)域是隨著新能源出現(xiàn)的新興產(chǎn)業(yè)，多種技術(shù)路線都存在博弈，發(fā)展路徑還在探索中，技術(shù)并非成熟。相對而言化學(xué)儲能方式是較為成熟的電力儲能方式，其中鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、全釩液流電池等都各有優(yōu)缺點。隨著鋰電池技術(shù)在國內(nèi)外電動汽車領(lǐng)域大發(fā)展的帶動下，單位成本不斷下降，使得鋰電作為能源儲能成為可能，其具有長壽命、高充電效率、低運營成本和環(huán)境友好等特性較好的滿足了海島新能源項目儲能裝置的要求，將成為儲能領(lǐng)域一個重要的技術(shù)發(fā)展方向。

4 國內(nèi)鋰電池行業(yè)的特點

鋰離子電池的原材料主要包括正負極材料、電解液、電極基材、隔離膜和罐材等。其中，正極材料是鋰電池中最為關(guān)鍵的原材料，直接決定了電池的安全性能和電池能否大型化，同時也是鋰電池成本占比最高的材料，約占鋰電池電芯材料成本的1/3左右。目前，正極材料主要有鎳鈷鋰(LiNiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)和磷酸鐵鋰(LiFePO4)等，負極材料為石墨。

此前，鋰電池成本之所以高于鎳氫電池，主要原因就在于其正極材料使用的是以貴金屬鈷為原料的鈷酸鋰，錳酸鋰和磷酸鐵鋰由于成本優(yōu)勢更為明顯，正逐步成為鋰電池的主要發(fā)展方向。也即，鋰電池之戰(zhàn)主要在錳酸鋰與磷酸鐵鋰之間展開。與錳酸鋰相比，磷酸鐵鋰的容量密度更高，前者為100～115mAh/g，后者為130～140mAh/g;充放電壽命更長，前者為500次以上，后者可達1500次以上;工作溫度區(qū)間更大，前者為0℃～50℃，后者則為-40℃～70℃;磷酸鐵鋰的生產(chǎn)成本也要低于錳酸鋰。

因此安全性能好且大電流的磷酸亞鐵鋰作為儲能裝置是發(fā)展前景最好的。2010年磷酸鋰鐵電池市場規(guī)模達1，588億元。其中以電動汽車市場占比重最大，達到61%[6]。長期而言仍將以汽車市場規(guī)模最大，風(fēng)電、太陽能儲能設(shè)備的電池需求也不容小覷。總之，磷酸亞鐵鋰電池市場商機無窮。

我國鋰電池工業(yè)體系具有以下幾個特點:原材料供應(yīng)豐富，其中已經(jīng)探明的鋰資源基礎(chǔ)儲量達到523萬噸，僅次于玻利維亞的540萬噸[6];成本控制基本到位，磷酸鋰鐵電池A級品零售價位8元/Ah，技術(shù)含量比較高的高端500Ah電池組，價格也在15元/Ah;行業(yè)競爭激烈，從事于鋰電行業(yè)的企業(yè)達到上千家，2009年，國內(nèi)鋰電產(chǎn)量為15億只，產(chǎn)能約為25.5億Ah/a[7];行業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，電動汽車、智能電網(wǎng)和其他儲能產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)系正在加深。當(dāng)然鋰電行業(yè)仍然還有制約發(fā)展的因素。比如技術(shù)要求，由于為了滿足儲能裝置的電壓和容量的要求，通常是鋰電池通過并聯(lián)形成一定容量的電池組，再將電池組進行串聯(lián)提高電壓，各個電池較難形成統(tǒng)一的充放電曲線，因此可能就會產(chǎn)生充放電不均衡性，從而出現(xiàn)整體儲能裝置中出現(xiàn)局部充電不足和過放電的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致儲能裝置整體性能和壽命下降;部分核心部件仍然依賴與進口，比如鋰電池中一個重要組成部分隔膜基本靠進口，國內(nèi)僅個別廠家掌握了隔膜制造技術(shù)，若能將類似的核心部件實現(xiàn)規(guī)模化國產(chǎn)化，將可能繼續(xù)降低整個鋰電池的整體制造成本;規(guī)模化有待加強，雖然有上千家涉鋰企業(yè)，以及鋰電池行業(yè)2010年將出現(xiàn)爆發(fā)性需求增長，但是截至去年全國實現(xiàn)磷酸鐵鋰電池批量生產(chǎn)的企業(yè)有12家，年產(chǎn)量2400t[6]，擴大鋰電池的生產(chǎn)規(guī)模化，提升自動化水平，降低成本，這些需要資金的大量介入，另外還需要配套電池管理系統(tǒng)和充電裝置等設(shè)施的大量先期投入，因此整體發(fā)展鋰電儲能行業(yè)，還有待時日。

5 儲能裝置在新能源電場中的配置

儲能裝置在新能源市場中的配置主要分兩方面，其一是獨立新能源(光伏、風(fēng)電)系統(tǒng)中裝機容量和儲能電池需求量之間的配置比例，其二是并網(wǎng)新能源(光伏、風(fēng)電)系統(tǒng)中裝機容量和儲能電池需求量之間的配置比例。

針對獨立新能源(光伏、風(fēng)電)系統(tǒng)中裝機容量和儲能電池需求量之間的配置比例問題，文獻[8]基于選用2V，2000Ah的閥控鉛酸電池為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)探討了我國新能源儲能電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟分析。其研究結(jié)論為在獨立光伏系統(tǒng)中，儲能配置每kW獨立光伏系統(tǒng)對應(yīng)儲能電池需求為6kAh，根據(jù)一般單個磷酸鐵鋰電池的電壓等級為3.5V，經(jīng)過容量折算6kAh×2V=3.43kAh×3.5V，因此在獨立光伏系統(tǒng)每kW配置磷酸鐵鋰電池比例為3.43kAh。獨立風(fēng)電系統(tǒng)中儲能配置為:每kW獨立風(fēng)電系統(tǒng)對應(yīng)儲能電池需求為4kAh，根據(jù)一般單個磷酸鐵鋰電池的電壓等級為3.5V，經(jīng)過容量折算4kAh×2V=2.28kAh×3.5V，因此在獨立風(fēng)電系統(tǒng)中，每kW配置磷酸鐵鋰電池比例為2.28kAh。

在獨立新能源系統(tǒng)中，假設(shè)的市場對儲能電池的蓄電為30個小時，根據(jù)研究資料[8，9]顯示，新能源(光伏、風(fēng)電)并網(wǎng)儲能調(diào)峰技術(shù)對儲能電池的要求為蓄電3h～4h，因此對每kW光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后需配備儲備鋰電池為0.34kAh～0.46kAh，每kW風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)后需配備儲備鋰電池為0.23kAh ～0.30kAh。

以配備3h的儲備鋰電為參考，風(fēng)力發(fā)電機組選用780kW，則需配鋰電780×0.23kAh=179.4kAh，鋰電容量為179.4kAh×3.5V=627.9kWh=209.3kW×3h，若4臺780kW的風(fēng)力發(fā)電機組，需要近同等風(fēng)力發(fā)電機組的容量(209.3×4=837kW)的蓄能3h的鋰電池。中科院研究人員也通過數(shù)據(jù)擬合得出，為了滿足風(fēng)電輸出功率極限以及容量極限的要求，在儲能系統(tǒng)輸出容量為750kW/4h、風(fēng)力發(fā)電機單機容量為780kW時，儲能系統(tǒng)可以滿足絕大多數(shù)時間內(nèi)將1～4臺規(guī)模的風(fēng)電場系統(tǒng)輸出功率每分鐘波動限制在裝機容量的10%以內(nèi)[10]。因此在小規(guī)模的儲能系統(tǒng)和風(fēng)電場規(guī)模保持1∶4的功率比較為適宜。在大規(guī)模的風(fēng)電場中，考慮到多臺風(fēng)力發(fā)電機的自平滑性，可以降低整體風(fēng)電場輸出功率的波動，因此可以適當(dāng)降低儲能系統(tǒng)的容量配備規(guī)模。

6 展望

雖然目前中國鋰電池在新能源領(lǐng)域的沒有大規(guī)模的應(yīng)用，但是隨著風(fēng)力和光伏發(fā)電的容量不斷擴大，需要大規(guī)模的化學(xué)儲能系統(tǒng)，作為鋰資源大國的中國，必然會加大鋰電行業(yè)的投資力度，提升鋰電池的性能，因此無污染的鋰電池將是新能源儲能裝置一個不錯的選擇。隨著國家電網(wǎng)與河北省張北縣就建設(shè)全國第一個風(fēng)光儲能綜合示范項目(開發(fā)規(guī)模為50萬千瓦風(fēng)電、10萬千瓦太陽能光伏發(fā)電、7.5萬千瓦化學(xué)儲能，建成后該項目將成為世界上最大的太陽能光伏發(fā)電場、最大的風(fēng)光儲實驗中心、第一個超百萬千瓦風(fēng)電集中輸出檢測基地、世界上規(guī)模最大的風(fēng)光儲三位一體示范工程)合作協(xié)議書的簽訂，預(yù)示著儲能技術(shù)在新能源的高效果利用中將會有更加廣闊的前景。

參考文獻

[1]李程，李劍，崔芳芳.舟山海島電網(wǎng)規(guī)劃方案探討[J].浙江電力，2011，6:7.

[2]甄曉亞，尹忠東，孫舟.先進儲能技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用和展望[J].電氣時代，2011，1:45.

[3]史正軍，李勇琦.MW級電池儲能站在電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2010，19.

[4]張文亮，丘明，來小康.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，電網(wǎng)技術(shù)[J].2008，4:1～9.

[5]Xiaobin Huang， Beibei Jiang， Research on Lithium Battery Energy Storage System in Wind Power， 2010 International Conference on Electrical and Control Engineering (ICECE):1200～1203.

[6] 中投顧問產(chǎn)業(yè)研究中心，電氣器材制造業(yè)研究部.2011年至2015年中國鋰電池行業(yè)投資分析及前景預(yù)測報告[R].2011，5.

[7] 中投顧問產(chǎn)業(yè)研究中心.2010年至2015年中國鋰電池正極材料行業(yè)投資分析及前景預(yù)測報告[R].2010，5.

[8] 范寶驥.我國新能源儲能電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟分析[D].吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010，5.

[9] Liang Liang， Li Jianlin and Hui Dong， An Optimal Energy Storage Capacity Calculation Method for 100MW Wind Farm，2010 International Conference on Power System Technology:1～4.

[10] 梁亮，李建林，惠東.大型風(fēng)電場用儲能裝置容量的優(yōu)化配置[J].高電壓技術(shù)，2011，4:930～936.