鉛炭電池的性能及其在電力儲能中的應用

廖強強，邱琳，樓曉東，劉宇，張世翔，華誠，黃華，周國定，葛紅花(.上海電力學院，上海市00090;.國網(wǎng)上海市電力公司，上海市00; .中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海市00050)

鉛炭電池的性能及其在電力儲能中的應用

廖強強1，邱琳2，樓曉東2，劉宇3，張世翔1，華誠2，黃華2，周國定1，葛紅花1
(1.上海電力學院，上海市200090;2.國網(wǎng)上海市電力公司，上海市200122; 3.中國科學院上海硅酸鹽研究所，上海市200050)

鉛炭電池是在鉛酸電池的負極以不同方式加入具有雙電層電容特性的炭，將鉛酸電池的比能量優(yōu)勢和超級電容器大容量充放電的優(yōu)點融合在一起的新型電池。鉛炭電池具有高倍率充放電、淺充放狀態(tài)下循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，而這一優(yōu)勢正好與通過儲能來平滑可再生能源輸出、電網(wǎng)調頻的功率需求相吻合。鉛炭電池成本為150～200美元/ (kW·h)，是目前相對經(jīng)濟可行的電力儲能技術路線之一。鉛炭電池儲能系統(tǒng)在光伏輸出功率平滑和削峰填谷、風電輸出功率平滑、電網(wǎng)調頻示范項目中的成功應用，說明鉛炭電池在電力儲能方面具有很好的應用前景。

鉛炭電池;電力儲能;可再生能源;儲能電池;循環(huán)壽命

0 引言

儲能電池技術是制約智能電網(wǎng)儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵技術之一［1-4］。光伏儲能、風電儲能和電網(wǎng)調頻調峰等儲能領域，要求電池具有功率密度大，循環(huán)壽命長和價格較低等特點。在各種儲能電池中，鉛炭電池具有能快速充放電、淺充放循環(huán)壽命長［5］、成本低(150～200美元/(kW·h))等優(yōu)勢，是目前相對實際可行的儲能技術路線之一。

國外對于鉛炭電池的研發(fā)及應用極為重視。2009年，美國總統(tǒng)奧巴馬對外界宣布的24億美元支持48個項目發(fā)展“下一代電池和電動車”研制與生產(chǎn)，包含6 680萬美元支持鉛炭電池的項目，其中: 3 430萬美元用于支持Exide Technologies和Axion Power International研究鉛-炭電極技術生產(chǎn)高級鉛酸電池;3 250萬美元用于支持East Penn Manufacturing Co.，Ltd.(東賓制造有限公司)生產(chǎn)超級電池。日本古河電池公司在清水公司建立了1個超級電池的智能電網(wǎng)示范項目，使用了163個500 A ·h、2 V的超級電池單體，用以滿足公司的電力需求;在北九州建立了1個300 kW的智能電網(wǎng)示范系統(tǒng)，使用了336個1 000 A·h、2 V的超級電池單體，目標是負載均衡。解放軍防化研究院是國內(nèi)研究鉛炭電池較早的機構之一［6］，與浙江南都電源開展產(chǎn)學研合作，南都電源在國內(nèi)建立了一些鉛炭電池儲能示范項目，如東福山島300 kW風光儲微網(wǎng)系統(tǒng)、新疆吐魯番新能源城市微電網(wǎng)MW級儲能項目、浙江鹿西島4 MW·h新能源微網(wǎng)儲能項目、珠海萬山海島6 MW·h新能源微電網(wǎng)示范項目。目前南都應用在儲能市場的鉛炭電池售價為1.5～2.0元/(W·h)。

本文通過比較普通鉛酸電池與鉛炭電池的性能差異，闡明鉛炭電池在電力儲能方面的優(yōu)勢，并介紹其在電力儲能中的應用案例。

1 鉛炭電池的性能

普通鉛酸電池的正極活性材料是氧化鉛(PbO2)，負極活性材料是鉛(Pb)。為了改進傳統(tǒng)鉛酸電池的循環(huán)壽命短、充放電功率小等缺點，在鉛酸電池的負極加入具有雙電層電容特性的炭，將鉛酸電池和超級電容器的優(yōu)勢融合在一起，既發(fā)揮了超級電容器大容量充放電的優(yōu)點，也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量優(yōu)勢，這就是正在興起的一種炭增強鉛酸電池，又稱為鉛炭電池［7-13］。在鉛酸電池中加入活性炭主要有2種方式，一種是負極材料分別由鉛和活性炭單獨制作，然后通過并聯(lián)形成負極，稱為“內(nèi)并”模式;另一種是把活性炭混合到負極材料Pb中制作成負極，稱為“內(nèi)混”模式［14］。前者是由澳大利亞的聯(lián)邦科學與工業(yè)研究會(commonwealth scientific and industrial research organization，CSIRO)發(fā)展起來，稱之為超級電池，可以把其看成是由非對稱性超級電容器和鉛酸電池兩部分組成(圖1)。2007年，CSIRO與日本古河電池(Furukawa Battery)及美國東賓制造公司簽署協(xié)議，由古河電池和東賓制造負責研發(fā)生產(chǎn)超級電池。后者將具有雙電層電容特性的炭材料與海綿鉛負極進行混合制作成既有電容特性又有電池特性的鉛炭復合電極，鉛炭復合電極再與PbO2正極匹配組裝成鉛炭電池，又稱為高級鉛酸電池(圖2)。高級鉛酸電池最早是在2004年由美國的Axion公司研究開發(fā)的。由于在鉛炭電池加入了活性炭，一方面減緩了負極硫酸鹽化現(xiàn)象，延長了電池壽命，另一方面發(fā)揮超級電容器的優(yōu)勢，具備大容量充放電的特性［15-16］。

鉛炭電池與鉛酸電池的技術指標如表1所示。由表1可看出，與鉛酸電池相比，雖然鉛炭電池的比能量沒有差異，但是比功率卻有大幅的提升，而且在放電深度(depth of discharge，DOD)較小的情況下循環(huán)壽命也有顯著的提高;在大電流、淺充淺放(10% DOD)條件下鉛炭電池具有長達1萬次的循環(huán)壽命，而這一優(yōu)勢正好與通過儲能來平滑可再生能源輸出、電網(wǎng)調頻的功率需求相吻合。

圖3為高倍率部分荷電狀態(tài)［17］下閥控鉛酸電池與超級電池的初始容量與循環(huán)壽命的關系，其中閥控鉛酸電池的規(guī)格為12 V/350 A·h，超級電池的規(guī)格為24 V/1 000 A·h。閥控鉛酸電池在1C倍率循環(huán)少于2 000次的情況下其初始容量下降到了80%以下;而超級電池先在1C倍率下循環(huán)到2 500次，然后在4C倍率下循環(huán)到7 500次，再在2C倍率下循環(huán)到14 740次，最后在1C倍率下循環(huán)到16 740次，其初始容量仍然在70%以上［18］。由此可見，超級電池的高倍率部分荷電狀態(tài)循環(huán)性能遠優(yōu)于閥控鉛酸電池的。

圖4 為超級電池與閥控鉛酸電池的能量密度與功率密度的關系曲線。從圖4可看出，超級電池與閥控鉛酸電池的能量密度與功率密度關系曲線近似，只是由于在超級電池的負極材料中加入了活性炭，使得相同功率密度條件下超級電池的能量密度比閥控鉛酸電池的要大一些。另外，超級電池的最大功率密度要遠大于閥控鉛酸電池的，說明超級電池具有較好的高倍率充放電特性。

2 電力儲能應用案例

2.1 光伏儲能

2011年新墨西哥州的公用事業(yè)公司建設了1個由500 kW/500 kW·h超級電池和250 kW/ 1 000 kW·h高級鉛酸電池與500 kW的光伏電站配套的離網(wǎng)型分布式電源系統(tǒng)。這套電源系統(tǒng)通過先進的控制算法提供同步的電壓平滑和削峰填谷服務，其中500 kW/500 kW·h系統(tǒng)由2個電池柜組成，每個電池柜含有160個超級電池，用于平滑光伏輸出; 250 kW/1 MW·h系統(tǒng)由6個電池柜組成，每個電池柜含有160個高級鉛酸電池，應用于太陽能能量移峰，并且通過光儲配合達到不少于15%的高峰負荷消減量。試驗結果表明，對于500 kW的光伏電站而言，當云遮住陽光的時候，其發(fā)電功率將以136 kW/s的速率下降。當大規(guī)模可再生能源入網(wǎng)時，如此巨大的擾動是電網(wǎng)不能承受的。圖5為超級電池技術能有效地控制和平滑光伏輸出。圖6為在光照充足的時候，用戶消納不了的光伏電力被儲存在高級鉛酸電池中，在18:00以后，沒有光伏出力，但是用電負荷仍然維持在較高水平，這時缺電部分就由電池系統(tǒng)放電來維持用電負荷。由此可見，高級鉛酸電池儲能系統(tǒng)具有較好的能量移峰作用。

2.2 風電儲能

風能是清潔能源，且其蘊藏量是當前全球能源消費總量的數(shù)倍。盡管風能一定程度上能進行預測，但還是變化太快，快速爬坡率是風力發(fā)電的一個顯著特點，這對于風電入網(wǎng)是一個挑戰(zhàn)，也限制了風電的發(fā)展。風電入網(wǎng)的一個直接的解決方案就是限制風電輸出的爬坡率，平滑風電輸出曲線。澳大利亞Hampton風電場項目的目標是應用超級電池儲能技術限制可再生能源輸出的5 min爬坡率，從而增加可再生能源入網(wǎng)的滲透率。美國東賓制造公司2011年為Hampton風電場設計建造了1套1 MW/ 0.5 MW·h超級電池儲能系統(tǒng)，設計壽命為3年，總投資為650萬美元。當使用的儲能容量為風電輸出功率的1/10時，這套電池儲能系統(tǒng)能限制風電場5 Min的爬坡率為風電原始輸出的1/10［19］。也就是說，1 MW的風電裝機只需要0.1 MW·h的儲存能量，如圖7所示。從圖7可看出，通過儲能充放電，變化劇烈的風電輸出曲線變得平滑，這有利于減少不穩(wěn)定的風電對電網(wǎng)的沖擊作用。

2.3 電網(wǎng)調頻儲能

美國東賓制造公司2011年為PJM公司設計建造了1套電池儲能系統(tǒng)，包括3 MW/3 MW·h超級電池、雙向換流器、可編程控制器和電池監(jiān)控系統(tǒng)。這套電池儲能系統(tǒng)設計能提供3 MW的調頻服務，除此以外，這套系統(tǒng)還能為特定的高峰負荷提供1～4 h的1 MW電力需求側能源管理服務。該套電池系統(tǒng)設計壽命為5年，總投資為5 087 269美元。這套系統(tǒng)由1 920個超級電池單體組成的4個480 V/ 750 kW電池模塊構成。圖8為PJM公司某2天的輸出功率變化曲線。從圖8可看出，由于受到發(fā)電和用電功率的不穩(wěn)定影響，電網(wǎng)輸出功率波動頻繁，電網(wǎng)頻率因而不穩(wěn)定。為了穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，調頻服務需要在5 min以內(nèi)及時對電網(wǎng)補充能量(頻率降低時)或釋放能量(頻率升高時)，這時起蓄水池作用的儲能電池充放電頻繁，電流大但持續(xù)時間短。超級電池特別適合這種應用場合，因為其適合在淺充淺放狀態(tài)(10%DOD～15%DOD)下高倍率充放電循環(huán)。這套儲能系統(tǒng)對PJM的輸出功率信號做出快速響應，提供連續(xù)的調頻服務。圖9顯示電池充放電曲線對來自PJM的調頻信號做出快速精準的反應。與之對比，空氣脈沖整形器由于響應速度慢，對每MW的調頻服務只能提供30%的修正量。當這套系統(tǒng)被應用于需求側能源管理服務時，所設計的荷電狀態(tài)為30%～70%，即最大放電深度為40%的狀態(tài)下連續(xù)運行，此時超級電池DC/DC轉換效率可達93%。

2.4 風光儲微網(wǎng)系統(tǒng)

由國家電力集團投資建設的東福山島300 kW風光儲微網(wǎng)供電系統(tǒng)于2011年5月初開始試運行，全島負荷基本上由新能源提供。整個微網(wǎng)系統(tǒng)由210 kW風力發(fā)電機組、100 kW光伏電池組、200 kW柴油發(fā)電機、960 kW鉛炭電池組和300 kW儲能變流器組成。鉛炭電池由南都電源提供，蓄電池單體額定容量為1 000 A·h，額定電壓為2.0 V，每組由240支單體串聯(lián)組成，共有2組蓄電池。蓄電池在標準使用條件下，25%DOD下循環(huán)壽命為5 500次，100%DOD循環(huán)壽命1 000次，在25±5℃環(huán)境下，設計浮充壽命為20年，充電效率在95%以上，100%放電后仍可繼續(xù)接在負載上，4周后再充電可恢復原容量。

東福山島300 kW微網(wǎng)系統(tǒng)運行時根據(jù)光伏、風機出力、蓄電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)狀態(tài)及用電負荷情況，以有效使用新能源及合理使用蓄電池為原則。一般情況下，系統(tǒng)負荷用電主要由光伏、風機及蓄電池提供，當光伏與風機出力小于用電負荷時，差額容量由蓄電池供給;當光伏與風機出力大于用電負荷時，多余能量對蓄電池充電。當蓄電池SOC值較高時，系統(tǒng)由風光儲供電;當蓄電池SOC值較低時，系統(tǒng)由柴油發(fā)電機供電。該示范工程實現(xiàn)了風光柴儲優(yōu)化互補和可再生能源的最大化利用，減少了柴油發(fā)電機的運行時間，提高了島上的供電可靠性，大大地改善了居民的生活品質。

3 結論

(1)鉛炭電池可以看作是鉛酸電池和超級電容器的混合體，兼具鉛酸電池的比能量優(yōu)勢和超級電容器大容量充放電的優(yōu)勢。

(2)鉛炭電池具有高倍率充放電、淺充放循環(huán)壽命長、電池成本低等優(yōu)勢，是目前相對經(jīng)濟可行的電力儲能技術路線之一。

(3)鉛炭電池儲能技術在光伏儲能、風電儲能、電網(wǎng)調頻示范項目中的成功應用，說明鉛炭電池在電力儲能方面具有很好的應用前景。

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(編輯:蔣毅恒)

Performance of Lead-Carbon Batteries and Their Applications in Electricity Storage

LIAO Qiangqiang1，QIU Lin2，LOU Xiaodong2，LIU Yu3，ZHANG Shixiang1，HUA Cheng2，HUANG Hua2，ZHOU Guoding1，GE Honghua1
(1.Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China; 2.State Grid ShanghaiMunicipal Electric Power Company，Shanghai200122，China; 3.Shanghai Institute of Ceram ics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai200050，China)

Lead-carbon battery whose negative electrode consists of lead and carbon With electric double layer capacitance characteristics in a number of ways is a new type of battery on the basis of lead-acid battery，possessing the traits of both high ratio energy of lead-acid battery and high-rate charge-discharge of supercapacitor.Lead-carbon battery has the advantages of high-rate charge-discharge and long cycle life at shallow state of charge and discharge，matching the power demand from renewable energy sources＇smoothing and regulation services With using energy storage technologies.Leadcarbon battery is produced and sold at costs below the$150-200/(kW·h)，so it is one of technical routes of econom ically feasible electricity storage.The successful demonstration applications in solar smoothing and shifting，Wind smoothing and frequency regulation services of lead-carbon battery energy storage systems show that lead-carbon battery has a bright prospect for the applications in electricity storage.

lead-carbon battery;electricity storage;renewable energy;energy storage battery;cycle life

TM 912

A

1000－7229(2014)11－0117－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.020

2014-07-11

2014-08-18

廖強強(1971)，男，博士，教授，研究方向為電力儲能和電力腐蝕控制;

邱琳(1967)，女，大專，經(jīng)濟師，研究方向為經(jīng)濟管理;

樓曉東(1974)，男，碩士，高級工程師，研究方向為經(jīng)濟管理;

劉宇(1973)，男，博士，研究員，研究方向為儲能材料與器件;

張世翔(1979)，男，博士后，副教授，研究方向為能源經(jīng)濟與管理;

華誠(1959)，男，大專，技師，研究方向電力系統(tǒng)運行優(yōu)化;

黃華(1969)，男，大專，技師，研究方向電力系統(tǒng)運行優(yōu)化;

周國定(1938)，男，碩士，教授，研究方向為化學電源和電力儲能;

葛紅花(1966)，女，博士，教授，研究方向為電力儲能。

上海市科委項目(14DZ1201500);上海市聯(lián)盟計劃(LM201458);上海市教委科研創(chuàng)新項目(13YZ107);上海市浦東新區(qū)科技發(fā)展基金配套項目(PKC2014-M12)。