新能源發(fā)電中電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用分析

吳雪翚，曾馨潔，胡馨月

（重慶大學(xué)-辛辛那提大學(xué)聯(lián)合學(xué)院，重慶 400044）

目前能源危機(jī)席卷全球，且隨著社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)于環(huán)境保護(hù)的關(guān)注也愈來(lái)愈多，傳統(tǒng)化石能源的污染性和不可再生性問(wèn)題已得到了廣泛的關(guān)注。在此背景下，新能源發(fā)電技術(shù)以其自身優(yōu)勢(shì)得到了長(zhǎng)足的重視和發(fā)展，由其所構(gòu)成的微電網(wǎng)，也可以很好地分散電力負(fù)荷的需求，提高大電網(wǎng)的可靠性，因此開(kāi)發(fā)新能源成為各國(guó)普遍的課題項(xiàng)目。由于風(fēng)能和太陽(yáng)能受天氣狀況的影響較大，導(dǎo)致新能源發(fā)電的輸出功率不連續(xù)并且也不穩(wěn)定，因此為平抑此類(lèi)型功率的波動(dòng)，須在其輸出端配置儲(chǔ)能裝置。儲(chǔ)能系統(tǒng)是新能源發(fā)電中必不可少的部分，發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，有非常大的市場(chǎng)前景，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量、電網(wǎng)穩(wěn)定性以及供電可靠性都有很大的提升。儲(chǔ)能技術(shù)是電能與其他形式能源轉(zhuǎn)換和利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，承擔(dān)著提高新能源發(fā)電的電能質(zhì)量、電力調(diào)峰、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性等重任，可破解電能在生產(chǎn)和消費(fèi)間的同步性難題，實(shí)現(xiàn)其在時(shí)間和空間上的可平移性，是一種投資少、又能有效應(yīng)用可再生能源的節(jié)能措施。

1 儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電中的作用

1.1 提高電能質(zhì)量

新能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行，須達(dá)到電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求，可通過(guò)控制并網(wǎng)逆變器來(lái)改變微電網(wǎng)輸送至電網(wǎng)的有功和無(wú)功，提高電能質(zhì)量。在孤島運(yùn)行下，新能源發(fā)電功率的輸出受天氣變化的影響很明顯，波動(dòng)較大，儲(chǔ)能裝置可平抑功率波動(dòng)，維持母線電壓的穩(wěn)定，解決諸如電壓暫降等電能質(zhì)量問(wèn)題。

1.2 短時(shí)供電

當(dāng)前能源危機(jī)日益加重，全球多次出現(xiàn)大范圍的電力短缺的現(xiàn)象，大范圍停電對(duì)生產(chǎn)和生活會(huì)產(chǎn)生極為惡劣的影響。在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生事故，新能源發(fā)電可斷開(kāi)與電網(wǎng)的連接，進(jìn)入孤島運(yùn)行模式，但是這中間往往存在一定的功率缺損，通過(guò)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向功率變換器，可以利用儲(chǔ)能裝置，很好地填補(bǔ)這些缺損，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)模式到孤島運(yùn)行的平滑切換。此外，由于新能源發(fā)電受天氣的影響很大，儲(chǔ)能系統(tǒng)可在無(wú)風(fēng)無(wú)光或弱風(fēng)弱光的極端天氣來(lái)供電，維持負(fù)荷的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3 電力調(diào)峰

負(fù)荷量始終是波動(dòng)變化的，現(xiàn)階段電能生產(chǎn)和消費(fèi)的策略是即發(fā)即用，這樣易導(dǎo)致為滿足峰值需求而過(guò)多安裝發(fā)電機(jī)組，造成不必要的浪費(fèi)。儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效解決此問(wèn)題，在負(fù)荷低落時(shí)吸收多余的電能，在負(fù)荷高峰時(shí)釋放電能，達(dá)到削峰填谷的效果。

2 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)電能儲(chǔ)存形態(tài)的不同，儲(chǔ)能技術(shù)基本可分為電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和熱力儲(chǔ)能這4大類(lèi)別。其中，電化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸、鈉硫、鋰離子和液流等電池儲(chǔ)能；機(jī)械儲(chǔ)能包含抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能；熱力儲(chǔ)能包含熔鹽儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能。

由于儲(chǔ)能技術(shù)的戰(zhàn)略地位較高，近年來(lái)世界各國(guó)不斷加大對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)研究的政策支持，其中以電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)最受重視。美國(guó)于2009年撥巨款資助新一代環(huán)保電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能電池的研發(fā)和制造，且還將在近十年給予大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)減免稅收的優(yōu)惠，在良好形勢(shì)的背景下，美國(guó)的儲(chǔ)能市場(chǎng)穩(wěn)步增長(zhǎng)，可以預(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，大量輕型電動(dòng)汽車(chē)的普及將使得美國(guó)對(duì)于石油的依賴程度降低；日本政府在高性能電池方面給予企業(yè)大力扶持，且日本新能源與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）還于2009年開(kāi)展了專(zhuān)注于鋰電池、鈉硫電池等儲(chǔ)能電池的基礎(chǔ)研究的專(zhuān)項(xiàng)課題；韓國(guó)和西歐發(fā)達(dá)國(guó)家也實(shí)施了相應(yīng)的政策支持，如稅收優(yōu)惠和財(cái)政專(zhuān)項(xiàng)撥款，用于高性能儲(chǔ)能技術(shù)，尤其是鋰離子電池的研究。

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池以二氧化鉛作為正電極，鉛為負(fù)電極，中間介質(zhì)是水和硫酸，在充放電時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，于電池內(nèi)部形成電流，過(guò)程是可逆的。鉛酸蓄電池是目前運(yùn)用最多的電池儲(chǔ)能裝置之一，廣泛運(yùn)用于電動(dòng)車(chē)及新能源發(fā)電的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其制造技術(shù)成熟，可大規(guī)模生產(chǎn)，但是體積較大，充放電的電流不宜劇烈波動(dòng)，溫度適應(yīng)性不高，環(huán)境污染大，由于目前全球?qū)τ诳沙掷m(xù)發(fā)展的追求，鉛酸蓄電池將會(huì)逐漸被其它高性能的電池所取代。

鉛酸蓄電池可以提供從kW到MW級(jí)別的電功率，效率可達(dá)70%以上，價(jià)格便宜，但其反應(yīng)過(guò)程中會(huì)在極板表面逐漸累積硫酸鉛，這會(huì)降低其循環(huán)壽命，且在充電過(guò)程中有產(chǎn)生氫氣的可能，潛伏著爆炸的危險(xiǎn)，制約了鉛酸電池的發(fā)展。文獻(xiàn)[5]研究表明，應(yīng)當(dāng)避免蓄電池的充電電流過(guò)小，否則不利于其內(nèi)部所需發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。文獻(xiàn)[6]研究表明，在鉛酸蓄電池經(jīng)歷放電周期后，保證蓄電池的充電充足，有利于蓄電池的保養(yǎng)，否則會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部硫酸的鹽化，縮短蓄電池的壽命。

2.2 鈉硫電池

鈉硫電池系統(tǒng)以鈉為陽(yáng)極，硫?yàn)殛帢O，β-氧化鋁陶瓷為電解質(zhì)，為保證鈉和硫處于熔融狀態(tài)，其需在高溫（300～350℃）下工作。鈉硫電池具有很多優(yōu)異的性能，如能量密度很大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)效率高，是目前很有潛力的一種電池，在未來(lái)可被大規(guī)模普及。但其也有一些缺點(diǎn)，如在工作時(shí)需要高溫環(huán)境，存在一定的安全隱患；且為防止熔融活性物質(zhì)流過(guò)密封材料，造成電池短路，對(duì)材料的要求也較高；成本較高，大范圍運(yùn)用還有待時(shí)日。鈉硫電池儲(chǔ)能可在電網(wǎng)中承擔(dān)削峰填谷的作用，可減少發(fā)電機(jī)組的容量配置，提高經(jīng)濟(jì)效益。

目前日本NGK公司是鈉硫電池領(lǐng)域的標(biāo)志性機(jī)構(gòu)，處于國(guó)際領(lǐng)先地位，已在全球多地實(shí)現(xiàn)鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的商業(yè)性應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，國(guó)家電網(wǎng)公司和中科院上海硅酸鹽研究所合作研發(fā)的鈉硫電池填補(bǔ)了我國(guó)該領(lǐng)域技術(shù)的空白，目前已得到一定應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]提出，針對(duì)負(fù)荷側(cè)鈉硫電池儲(chǔ)能電站的優(yōu)化調(diào)度策略，可在滿足負(fù)荷可靠供電的同時(shí)，平抑新能源發(fā)電的大幅度功率波動(dòng)。文獻(xiàn)[8]通過(guò)建立含鈉硫電池儲(chǔ)能的微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 鋰離子電池

鋰離子電池是近年興起的高能量?jī)?chǔ)能電池，兼具高充電效率和高能量密度的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于電動(dòng)交通工具的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，極具發(fā)展?jié)摿ΑＦ渫ǔＳ珊囋氐牟牧献鳛檎龢O，碳為負(fù)極，依靠鋰離子在正負(fù)極間的移動(dòng)來(lái)工作，內(nèi)部于充放電過(guò)程中發(fā)生氧化還原反應(yīng)。鋰離子電池?fù)碛泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，其體積小、重量輕、能量密度大、壽命長(zhǎng)，可提供短時(shí)大輸出功率，但由于在過(guò)沖、短路、沖壓、穿刺等濫用條件下極易發(fā)生爆炸，安全性是其最大的缺點(diǎn)。

由于具有良好的性能，鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)提出一種高效的基于鋰離子電池儲(chǔ)能的并網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，可估計(jì)每個(gè)單體電池的剩余電量，保證電池內(nèi)部多模塊的功率均分，并提高電能質(zhì)量。文獻(xiàn)提出一種基于鋰離子電池系統(tǒng)剩余電量的改進(jìn)型無(wú)功功率下垂控制策略，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電功率和負(fù)荷變化時(shí)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以快速跟蹤并補(bǔ)償功率差，保持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定。

2.4 全釩液流電池

液流電池是一種新型蓄電池，正負(fù)極電解液分開(kāi)，各自循環(huán)，電解質(zhì)溶液流經(jīng)電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)電極板傳導(dǎo)電流。在多種液流電池中，全釩液流電池以其效率高、容量配置選擇靈活、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為研究熱點(diǎn)。目前全釩液流電池儲(chǔ)能已在歐美日多國(guó)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，用于電網(wǎng)調(diào)峰；而國(guó)內(nèi)的全釩液流電池研究尚處于試驗(yàn)和示范階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。

與其他儲(chǔ)能方式對(duì)比，全釩液流電池?fù)碛锌沙疃确烹姸粚?dǎo)致電池?fù)p傷、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可用于新能源發(fā)電的儲(chǔ)能系統(tǒng)，發(fā)揮電網(wǎng)調(diào)峰、UPS的作用，但同時(shí)其能量密度較低和工作溫度范圍較小，制約著其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)影響全釩液流電池系統(tǒng)效率內(nèi)因、外因的定性定量分析，指出在其規(guī)?；瘧?yīng)用時(shí)，高電流密度充放電下的過(guò)電勢(shì)對(duì)系統(tǒng)能量效率的影響極大，且應(yīng)根據(jù)不同情況恰當(dāng)?shù)剡x取充放電模式。

3 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的研究趨勢(shì)

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置方法

由于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在解決微電網(wǎng)中新能源發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)方面較為有效，其功率波動(dòng)的平抑精度和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與儲(chǔ)能裝置的容量配置直接相關(guān)，因此存在深入研究的必要性。文獻(xiàn)提出一種基于系統(tǒng)穩(wěn)定域及狀態(tài)軌跡收斂速度的儲(chǔ)能裝置最小容量配置方法，可在系統(tǒng)保證足夠抗擾能力的前提下，確定儲(chǔ)能系統(tǒng)的最小容量。文獻(xiàn)以負(fù)荷缺電率和能量溢出比為考核指標(biāo)，尋找了光伏組件容量和儲(chǔ)能電池單元容量間的優(yōu)化關(guān)系。

3.2 研發(fā)新型高效、低成本的儲(chǔ)能技術(shù)

目前鉛酸蓄電池因價(jià)格優(yōu)勢(shì)仍是占有率最高的電池儲(chǔ)能單元，但其有諸多的缺點(diǎn)。儲(chǔ)能技術(shù)在新能源發(fā)電中推廣運(yùn)用的瓶頸之一是成本過(guò)高，因此延長(zhǎng)使用壽命和降低成本是儲(chǔ)能技術(shù)的重要方向。在提高新能源發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性的過(guò)程中，儲(chǔ)能技術(shù)的電能存釋速度是控制的關(guān)鍵。

3.3 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效能量管理策略

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效能量管理，可提高新能源的供電可靠性，因此深入研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，會(huì)對(duì)新能源發(fā)電運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性起到積極的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

目前全球陷入了前所未有的能源危機(jī)，且隨著社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)于環(huán)境保護(hù)的關(guān)注也愈來(lái)愈多，傳統(tǒng)化石能源的污染性和不可再生性問(wèn)題已得到了廣泛的關(guān)注，在此背景下，新能源發(fā)電技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。儲(chǔ)能技術(shù)是新能源發(fā)電中極為重要的一部分，其中以電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)最受重視，是電能與其他形式能源轉(zhuǎn)換和利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，承擔(dān)著提高新能源發(fā)電的電能質(zhì)量、電力調(diào)峰、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性等重任，破解電能在生產(chǎn)和消費(fèi)間的同步性難題，實(shí)現(xiàn)其在時(shí)間和空間上的可平移性，起著十分重要的作用。隨著新能源發(fā)電技術(shù)的蒸蒸日上及相應(yīng)儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源發(fā)電中將得到更加廣泛的應(yīng)用。