鋰電儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能與超級(jí)電容器儲(chǔ)能的比較研究*

翁迪惠 王藝恒 秦旭

南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院 江蘇 南京 211167

引言

近年來清潔、高效的新型可再生能源迎來了飛速的發(fā)展，而各種儲(chǔ)存新型能源的技術(shù)一直是許多國家研究攻關(guān)的課題。隨著我國分布式發(fā)電與微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的日新月異，儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)研究與應(yīng)用已受到國家的高度重視[1]。

儲(chǔ)能技術(shù)種類繁多，目前氫儲(chǔ)能、鋰電池儲(chǔ)能及超級(jí)電容器儲(chǔ)能等類別具有一定代表性。相比于傳統(tǒng)儲(chǔ)能裝置，氫具有清潔、能量密度高、便于儲(chǔ)存及運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，將電解槽與燃料電池作為能量型單元符合國家發(fā)展純綠色能源理念；鋰電儲(chǔ)能鋰離子電池因其能量密度高、使用壽命長、適用溫度范圍寬等特點(diǎn)，近些年來在儲(chǔ)能市場的電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)中占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。超級(jí)電容器具有功率高、充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，用其來平抑集成系統(tǒng)中電解槽與燃料電池延遲相應(yīng)所引起的波動(dòng)已成為廣大學(xué)者的理念[2]。因此，本課題氫儲(chǔ)能、鋰電儲(chǔ)能與超級(jí)電容器儲(chǔ)能的比較研究具有深厚理論研究意義與工程實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

1 三種儲(chǔ)能技術(shù)原理分析

隨著社會(huì)進(jìn)步發(fā)展，電力系統(tǒng)也在快速演變不斷適應(yīng)各種變化，目前電網(wǎng)主要有來自以下幾方面的挑戰(zhàn)：電力負(fù)荷峰谷差日益增大、可再生能源和分布式發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模發(fā)展與并網(wǎng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜及受擾后的安全穩(wěn)定、用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性要求日益提高、節(jié)能減排和降低損耗的需求等等，大規(guī)模的儲(chǔ)能技術(shù)能方便地實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)的需求管理，為現(xiàn)代電力系統(tǒng)解決上述問題提供了新的思路與有效方法。

1.1 儲(chǔ)能技術(shù)的基本原理

儲(chǔ)能技術(shù)種類繁多，工作原理各異，但結(jié)構(gòu)拓?fù)浯篌w類似，通常由三部分組成：儲(chǔ)能元件構(gòu)成的儲(chǔ)能裝置、電力電子器件構(gòu)成的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和儲(chǔ)能檢測(cè)管理系統(tǒng)。其中儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放；功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)完成充放電控制、功率調(diào)節(jié)、濾波及其他控制功能，是儲(chǔ)能與電網(wǎng)質(zhì)量雙向交換的核心部件；儲(chǔ)能監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)能裝置的充放電，監(jiān)控電壓、電流、溫度等狀態(tài)指標(biāo)，根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)節(jié)控制。

1.2 鋰電儲(chǔ)能原理

鋰電池通用等效電路模型如圖1所示，其中受控源電壓

式中：E0為恒定電壓，K為極化電壓，Q為容量，A表示指數(shù)區(qū)域幅值，B表示指數(shù)區(qū)域時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)，Qe為t時(shí)間內(nèi)的荷電量，式中后兩項(xiàng)分別表示額定區(qū)域和指數(shù)區(qū)域的影響[3]。

圖2是某個(gè)鋰電池的額定放電特性，其電流保持恒定，一區(qū)域代表指數(shù)區(qū)域，二區(qū)域代表額定區(qū)域，三區(qū)域代表快速下降區(qū)域。曲線箭頭所指分別為完全充電電壓Ef，指數(shù)區(qū)域末端端點(diǎn)（Ee,Qe）和額定區(qū)域末端端點(diǎn)（En,Qn）。鋰電池模型參數(shù)均可通過該放電特性曲線中三個(gè)特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)得到。

圖2 鋰電池的典型額定放電特性曲線

計(jì)算式：

1.3 氫儲(chǔ)能原理

氫儲(chǔ)能系統(tǒng)包括堿式電解水制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)和質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)[4]。其基本工作原理是通過電解水制氫模型生成氫氣和氧氣，并將氫氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)存罐中，放電時(shí)氫氣通過燃料電池產(chǎn)生電能。

堿式電解水制氫系統(tǒng)：

電解槽通過直流電流，將水電解成氫氣和氧氣，直流電流通過電解液（30% KOH）在兩個(gè)電極（陽極和陰極）之間流通，其中堿式電解液增加了電解槽的電導(dǎo)率。

儲(chǔ)氫系統(tǒng)：

儲(chǔ)氫率為

式中：n為儲(chǔ)氫罐凈儲(chǔ)氫率；nin為儲(chǔ)氫罐進(jìn)氫率；nout為儲(chǔ)氫罐出氫率。

儲(chǔ)氫量為

式中：n(t0)為t0時(shí)刻儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫量。

由氣體狀態(tài)方程可得，儲(chǔ)氫罐壓力為

式中：T為儲(chǔ)氫溫度；V為儲(chǔ)氫罐體積。

質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)：

質(zhì)子交換膜燃料電池模塊由集流板、流場板、氣體擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜組成[5]。

氫燃料電池等效電路模型：

圖3 氫燃料電池等效電路模型

如圖3所示為氫燃料電池等效電路，Ract表示活化極化損失等效電阻，Rcon表示濃差極化損失等效電阻，RΩ表示燃料電池等效內(nèi)阻，C表示雙電荷層效應(yīng)的等效電容，其儲(chǔ)存了大量電能[6]。

其中：

式中：為吉布斯自由能，va,c1,c2,c3為由溫度和化學(xué)反應(yīng)壓強(qiáng)決定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，imax為引起電壓急劇降落的電流，v0為電流i為零時(shí)的電壓降落。

1.4 超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理

超級(jí)電容作為一個(gè)非線性系統(tǒng)，目前尚沒有一個(gè)泛化的模型得到公認(rèn)。對(duì)于暫態(tài)分析，應(yīng)采用能充分表征超級(jí)電容非線性特征的適用性模型。超級(jí)電容器的一階RC模型結(jié)構(gòu)簡單，模型參數(shù)易獲取、計(jì)算簡單且能夠較準(zhǔn)確地反映出超級(jí)電容器在充放電過程中非線性的外在電氣特征。亦被稱為典型模型，適用于對(duì)精度要求不太高的仿真，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算和分析超級(jí)電容器的動(dòng)態(tài)性能和工程分析設(shè)計(jì)。

如圖4所示，超級(jí)電容組由單元串并聯(lián)組成，在具體連接時(shí)可采用先串后并或先并后串兩種方式，其中后者不僅能夠提高儲(chǔ)能模塊的可靠性，還能夠減小超級(jí)電容容量的分散度。超級(jí)電容器組的串聯(lián)數(shù)主要由儲(chǔ)能變流器直流側(cè)工作電壓允許范圍決定，并聯(lián)數(shù)主要由儲(chǔ)能容量大小決定。

圖4 超級(jí)電容器組等效電路模型

2 三種儲(chǔ)能方式的比較

表1 三種儲(chǔ)能方式的比較

由表1可以看出，能量型的氫儲(chǔ)能與鋰電儲(chǔ)能和功率型的超級(jí)電容器儲(chǔ)能的應(yīng)用規(guī)模都至少在千瓦級(jí)以上，在續(xù)航能力方面，超級(jí)電容器相比于其他兩種儲(chǔ)能方式會(huì)比較短；在電池成本方面，氫儲(chǔ)能相比于其他兩者會(huì)相對(duì)較高；在適用場合方面，鋰電儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)方面目前應(yīng)用較少，但三種儲(chǔ)能方式的應(yīng)用領(lǐng)域都非常廣泛。鋰電儲(chǔ)能能量密度高，超級(jí)電容器儲(chǔ)能功率密度高，而且三種儲(chǔ)能方式在響應(yīng)速度和安全性方面都比較有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語

近些年儲(chǔ)能一直是熱度居高不下的話題，本文結(jié)合三種儲(chǔ)能方式的原理，建立了三者的等效電路模型，得出具體結(jié)論如下。

三種儲(chǔ)能方式的等效電路均具有等效電阻元件，而氫儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能的等效電路同樣具有電容元件，鋰電池的電阻元件具有儲(chǔ)能作用，其他兩種儲(chǔ)能方式中的電容元件具有儲(chǔ)能作用。