鉛炭電池的性能及其在電力儲(chǔ)能中的應(yīng)用

廖強(qiáng)強(qiáng)，邱琳，樓曉東，劉宇，張世翔，華誠(chéng)，黃華，周國(guó)定，葛紅花(.上海電力學(xué)院，上海市00090;.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海市00; .中國(guó)科學(xué)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(chǔ)能中的應(yīng)用

廖強(qiáng)強(qiáng)1，邱琳2，樓曉東2，劉宇3，張世翔1，華誠(chéng)2，黃華2，周國(guó)定1，葛紅花1
(1.上海電力學(xué)院，上海市200090;2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海市200122; 3.中國(guó)科學(xué)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(fù)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?jī)?yōu)勢(shì)和超級(jí)電容器大容量充放電的優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，而這一優(yōu)勢(shì)正好與通過儲(chǔ)能來(lái)平滑可再生能源輸出、電網(wǎng)調(diào)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(duì)經(jīng)濟(jì)可行的電力儲(chǔ)能技術(shù)路線之一。鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏輸出功率平滑和削峰填谷、風(fēng)電輸出功率平滑、電網(wǎng)調(diào)頻示范項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，說明鉛炭電池在電力儲(chǔ)能方面具有很好的應(yīng)用前景。

鉛炭電池;電力儲(chǔ)能;可再生能源;儲(chǔ)能電池;循環(huán)壽命

0 引言

儲(chǔ)能電池技術(shù)是制約智能電網(wǎng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-4］。光伏儲(chǔ)能、風(fēng)電儲(chǔ)能和電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰等儲(chǔ)能領(lǐng)域，要求電池具有功率密度大，循環(huán)壽命長(zhǎng)和價(jià)格較低等特點(diǎn)。在各種儲(chǔ)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(zhǎng)［5］、成本低(150～200美元/(kW·h))等優(yōu)勢(shì)，是目前相對(duì)實(shí)際可行的儲(chǔ)能技術(shù)路線之一。

國(guó)外對(duì)于鉛炭電池的研發(fā)及應(yīng)用極為重視。2009年，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬對(duì)外界宣布的24億美元支持48個(gè)項(xiàng)目發(fā)展“下一代電池和電動(dòng)車”研制與生產(chǎn)，包含6 680萬(wàn)美元支持鉛炭電池的項(xiàng)目，其中: 3 430萬(wàn)美元用于支持Exide Technologies和Axion Power International研究鉛-炭電極技術(shù)生產(chǎn)高級(jí)鉛酸電池;3 250萬(wàn)美元用于支持East Penn Manufacturing Co.，Ltd.(東賓制造有限公司)生產(chǎn)超級(jí)電池。日本古河電池公司在清水公司建立了1個(gè)超級(jí)電池的智能電網(wǎng)示范項(xiàng)目，使用了163個(gè)500 A ·h、2 V的超級(jí)電池單體，用以滿足公司的電力需求;在北九州建立了1個(gè)300 kW的智能電網(wǎng)示范系統(tǒng)，使用了336個(gè)1 000 A·h、2 V的超級(jí)電池單體，目標(biāo)是負(fù)載均衡。解放軍防化研究院是國(guó)內(nèi)研究鉛炭電池較早的機(jī)構(gòu)之一［6］，與浙江南都電源開展產(chǎn)學(xué)研合作，南都電源在國(guó)內(nèi)建立了一些鉛炭電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，如東福山島300 kW風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)、新疆吐魯番新能源城市微電網(wǎng)MW級(jí)儲(chǔ)能項(xiàng)目、浙江鹿西島4 MW·h新能源微網(wǎng)儲(chǔ)能項(xiàng)目、珠海萬(wàn)山海島6 MW·h新能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目。目前南都應(yīng)用在儲(chǔ)能市場(chǎng)的鉛炭電池售價(jià)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(chǔ)能方面的優(yōu)勢(shì)，并介紹其在電力儲(chǔ)能中的應(yīng)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(fù)極活性材料是鉛(Pb)。為了改進(jìn)傳統(tǒng)鉛酸電池的循環(huán)壽命短、充放電功率小等缺點(diǎn)，在鉛酸電池的負(fù)極加入具有雙電層電容特性的炭，將鉛酸電池和超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)融合在一起，既發(fā)揮了超級(jí)電容器大容量充放電的優(yōu)點(diǎn)，也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量?jī)?yōu)勢(shì)，這就是正在興起的一種炭增強(qiáng)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(fù)極材料分別由鉛和活性炭單獨(dú)制作，然后通過并聯(lián)形成負(fù)極，稱為“內(nèi)并”模式;另一種是把活性炭混合到負(fù)極材料Pb中制作成負(fù)極，稱為“內(nèi)混”模式［14］。前者是由澳大利亞的聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究會(huì)(commonwealth scientific and industrial research organization，CSIRO)發(fā)展起來(lái)，稱之為超級(jí)電池，可以把其看成是由非對(duì)稱性超級(jí)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(guó)東賓制造公司簽署協(xié)議，由古河電池和東賓制造負(fù)責(zé)研發(fā)生產(chǎn)超級(jí)電池。后者將具有雙電層電容特性的炭材料與海綿鉛負(fù)極進(jìn)行混合制作成既有電容特性又有電池特性的鉛炭復(fù)合電極，鉛炭復(fù)合電極再與PbO2正極匹配組裝成鉛炭電池，又稱為高級(jí)鉛酸電池(圖2)。高級(jí)鉛酸電池最早是在2004年由美國(guó)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(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象，延長(zhǎng)了電池壽命，另一方面發(fā)揮超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)，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(shù)指標(biāo)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(zhǎng)達(dá)1萬(wàn)次的循環(huán)壽命，而這一優(yōu)勢(shì)正好與通過儲(chǔ)能來(lái)平滑可再生能源輸出、電網(wǎng)調(diào)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(jí)電池的初始容量與循環(huán)壽命的關(guān)系，其中閥控鉛酸電池的規(guī)格為12 V/350 A·h，超級(jí)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(jí)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(jí)電池的高倍率部分荷電狀態(tài)循環(huán)性能遠(yuǎn)優(yōu)于閥控鉛酸電池的。

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

2 電力儲(chǔ)能應(yīng)用案例

2.1 光伏儲(chǔ)能

2011年新墨西哥州的公用事業(yè)公司建設(shè)了1個(gè)由500 kW/500 kW·h超級(jí)電池和250 kW/ 1 000 kW·h高級(jí)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(jìn)的控制算法提供同步的電壓平滑和削峰填谷服務(wù)，其中500 kW/500 kW·h系統(tǒng)由2個(gè)電池柜組成，每個(gè)電池柜含有160個(gè)超級(jí)電池，用于平滑光伏輸出; 250 kW/1 MW·h系統(tǒng)由6個(gè)電池柜組成，每個(gè)電池柜含有160個(gè)高級(jí)鉛酸電池，應(yīng)用于太陽(yáng)能能量移峰，并且通過光儲(chǔ)配合達(dá)到不少于15%的高峰負(fù)荷消減量。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于500 kW的光伏電站而言，當(dāng)云遮住陽(yáng)光的時(shí)候，其發(fā)電功率將以136 kW/s的速率下降。當(dāng)大規(guī)?？稍偕茉慈刖W(wǎng)時(shí)，如此巨大的擾動(dòng)是電網(wǎng)不能承受的。圖5為超級(jí)電池技術(shù)能有效地控制和平滑光伏輸出。圖6為在光照充足的時(shí)候，用戶消納不了的光伏電力被儲(chǔ)存在高級(jí)鉛酸電池中，在18:00以后，沒有光伏出力，但是用電負(fù)荷仍然維持在較高水平，這時(shí)缺電部分就由電池系統(tǒng)放電來(lái)維持用電負(fù)荷。由此可見，高級(jí)鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較好的能量移峰作用。

2.2 風(fēng)電儲(chǔ)能

風(fēng)能是清潔能源，且其蘊(yùn)藏量是當(dāng)前全球能源消費(fèi)總量的數(shù)倍。盡管風(fēng)能一定程度上能進(jìn)行預(yù)測(cè)，但還是變化太快，快速爬坡率是風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)顯著特點(diǎn)，這對(duì)于風(fēng)電入網(wǎng)是一個(gè)挑戰(zhàn)，也限制了風(fēng)電的發(fā)展。風(fēng)電入網(wǎng)的一個(gè)直接的解決方案就是限制風(fēng)電輸出的爬坡率，平滑風(fēng)電輸出曲線。澳大利亞Hampton風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的目標(biāo)是應(yīng)用超級(jí)電池儲(chǔ)能技術(shù)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(guó)東賓制造公司2011年為Hampton風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)建造了1套1 MW/ 0.5 MW·h超級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，設(shè)計(jì)壽命為3年，總投資為650萬(wàn)美元。當(dāng)使用的儲(chǔ)能容量為風(fēng)電輸出功率的1/10時(shí)，這套電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能限制風(fēng)電場(chǎng)5 Min的爬坡率為風(fēng)電原始輸出的1/10［19］。也就是說，1 MW的風(fēng)電裝機(jī)只需要0.1 MW·h的儲(chǔ)存能量，如圖7所示。從圖7可看出，通過儲(chǔ)能充放電，變化劇烈的風(fēng)電輸出曲線變得平滑，這有利于減少不穩(wěn)定的風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊作用。

2.3 電網(wǎng)調(diào)頻儲(chǔ)能

美國(guó)東賓制造公司2011年為PJM公司設(shè)計(jì)建造了1套電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括3 MW/3 MW·h超級(jí)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(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)能提供3 MW的調(diào)頻服務(wù)，除此以外，這套系統(tǒng)還能為特定的高峰負(fù)荷提供1～4 h的1 MW電力需求側(cè)能源管理服務(wù)。該套電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命為5年，總投資為5 087 269美元。這套系統(tǒng)由1 920個(gè)超級(jí)電池單體組成的4個(gè)480 V/ 750 kW電池模塊構(gòu)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(dòng)頻繁，電網(wǎng)頻率因而不穩(wěn)定。為了穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，調(diào)頻服務(wù)需要在5 min以內(nèi)及時(shí)對(duì)電網(wǎng)補(bǔ)充能量(頻率降低時(shí))或釋放能量(頻率升高時(shí))，這時(shí)起蓄水池作用的儲(chǔ)能電池充放電頻繁，電流大但持續(xù)時(shí)間短。超級(jí)電池特別適合這種應(yīng)用場(chǎng)合，因?yàn)槠溥m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(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)PJM的輸出功率信號(hào)做出快速響應(yīng)，提供連續(xù)的調(diào)頻服務(wù)。圖9顯示電池充放電曲線對(duì)來(lái)自PJM的調(diào)頻信號(hào)做出快速精準(zhǔn)的反應(yīng)。與之對(duì)比，空氣脈沖整形器由于響應(yīng)速度慢，對(duì)每MW的調(diào)頻服務(wù)只能提供30%的修正量。當(dāng)這套系統(tǒng)被應(yīng)用于需求側(cè)能源管理服務(wù)時(shí)，所設(shè)計(jì)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(yùn)行，此時(shí)超級(jí)電池DC/DC轉(zhuǎn)換效率可達(dá)93%。

2.4 風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)

由國(guó)家電力集團(tuán)投資建設(shè)的東福山島300 kW風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)供電系統(tǒng)于2011年5月初開始試運(yùn)行，全島負(fù)荷基本上由新能源提供。整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)由210 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、100 kW光伏電池組、200 kW柴油發(fā)電機(jī)、960 kW鉛炭電池組和300 kW儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(fù)載上，4周后再充電可恢復(fù)原容量。

東福山島300 kW微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)根據(jù)光伏、風(fēng)機(jī)出力、蓄電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)狀態(tài)及用電負(fù)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(fù)荷用電主要由光伏、風(fēng)機(jī)及蓄電池提供，當(dāng)光伏與風(fēng)機(jī)出力小于用電負(fù)荷時(shí)，差額容量由蓄電池供給;當(dāng)光伏與風(fēng)機(jī)出力大于用電負(fù)荷時(shí)，多余能量對(duì)蓄電池充電。當(dāng)蓄電池SOC值較高時(shí)，系統(tǒng)由風(fēng)光儲(chǔ)供電;當(dāng)蓄電池SOC值較低時(shí)，系統(tǒng)由柴油發(fā)電機(jī)供電。該示范工程實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光柴儲(chǔ)優(yōu)化互補(bǔ)和可再生能源的最大化利用，減少了柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行時(shí)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(zhì)。

3 結(jié)論

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

(2)鉛炭電池具有高倍率充放電、淺充放循環(huán)壽命長(zhǎng)、電池成本低等優(yōu)勢(shì)，是目前相對(duì)經(jīng)濟(jì)可行的電力儲(chǔ)能技術(shù)路線之一。

(3)鉛炭電池儲(chǔ)能技術(shù)在光伏儲(chǔ)能、風(fēng)電儲(chǔ)能、電網(wǎng)調(diào)頻示范項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，說明鉛炭電池在電力儲(chǔ)能方面具有很好的應(yīng)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(qiáng)強(qiáng)(1971)，男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏?chǔ)能和電力腐蝕控制;

邱琳(1967)，女，大專，經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)管理;

樓曉東(1974)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻?jīng)濟(jì)管理;

劉宇(1973)，男，博士，研究員，研究方向?yàn)閮?chǔ)能材料與器件;

張世翔(1979)，男，博士后，副教授，研究方向?yàn)槟茉唇?jīng)濟(jì)與管理;

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

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

周國(guó)定(1938)，男，碩士，教授，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)電源和電力儲(chǔ)能;

葛紅花(1966)，女，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏?chǔ)能。

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