獨(dú)立光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)研究

湯秀芬

（寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川750021）

近年來(lái)，隨著能源、環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，世界各國(guó)都把目光投向進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用可再生能源發(fā)電。光伏發(fā)電受日照和溫度等外界條件的影響較大，其功率輸出具有較強(qiáng)的間歇性和隨機(jī)性，因此，儲(chǔ)能成為一個(gè)必備而關(guān)鍵的特征以配合電力系統(tǒng)的順暢運(yùn)行。儲(chǔ)能技術(shù)可以緩解高峰負(fù)荷供電需求，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)故障的發(fā)生，提高電能質(zhì)量和用電效率，滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)優(yōu)質(zhì)、安全、可靠供電和高效用電的要求。研究和開(kāi)發(fā)高效、廉價(jià)的儲(chǔ)能技術(shù)，成為獨(dú)立光伏系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是國(guó)家未來(lái)能源戰(zhàn)略的重要組成部分。

1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1所示為獨(dú)立光伏系統(tǒng)。應(yīng)用的儲(chǔ)能電池壽命都在十年以下，儲(chǔ)能電池壽命決定了光伏系統(tǒng)的壽命。蓄電池組占光伏系統(tǒng)成本的20%～25%［1］，良好的電池性能和使用壽命是降低儲(chǔ)能成本的重要因素，所以?xún)?chǔ)能技術(shù)需要不斷改進(jìn)和創(chuàng)新［2］。

1.2 獨(dú)立光伏系統(tǒng)的特殊性

獨(dú)立光伏系統(tǒng)有不同于其它系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，其特殊性表現(xiàn)在［3］：充電電源來(lái)自于太陽(yáng)能陣列，能源不用則失，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能陣列容量有限，并“限時(shí)不定量供應(yīng)”。（2）放電深度必須適中，太淺蓄電池容量要大，投入就大；太深蓄電池壽命縮短，發(fā)電成本增加。（3）蓄電池處于循環(huán)使用，系統(tǒng)中電池?cái)?shù)量較多，因此對(duì)整組電池容量的均一性要求較高，以提高電池的循環(huán)壽命等。（4）容易造成：低光照時(shí)，蓄電池欠充；高光照時(shí)，蓄電池過(guò)充等。另外，光伏儲(chǔ)能電池工作環(huán)境惡劣，有的地區(qū)晝夜溫差大，所以理想的儲(chǔ)能電池應(yīng)該有寬的工作溫度范圍，并且受溫度變化影響小。

圖1 獨(dú)立光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 中，光伏系統(tǒng)中光伏組件的壽命可以達(dá)到20年以上，控制器和逆變器的壽命在10年以上，而目前

2 儲(chǔ)能技術(shù)分類(lèi)

儲(chǔ)能技術(shù)大致分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能，物理儲(chǔ)能又可以分為機(jī)械儲(chǔ)能和電磁場(chǎng)儲(chǔ)能，如圖2所示。

電池儲(chǔ)能比較適用于中小規(guī)模儲(chǔ)能和用戶(hù)需求側(cè)管理［4］。電池儲(chǔ)能具有能量密度高、響應(yīng)時(shí)間快、維護(hù)成本低、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，成為目前獨(dú)立光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向。以下將重點(diǎn)介紹幾種常見(jiàn)儲(chǔ)能技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)、目前存在的主要問(wèn)題。

圖2 電能儲(chǔ)能技術(shù)的分類(lèi)

3 幾種常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)

3.1 機(jī)械儲(chǔ)能

3.1.1 抽水蓄能

抽水蓄能電站通常由上水庫(kù)、下水庫(kù)和輸水及發(fā)電系統(tǒng)組成，上下水庫(kù)之間存在一定的落差。抽水蓄能電站主要是利用電網(wǎng)中負(fù)荷低谷時(shí)的電力，由下水庫(kù)抽水到上水庫(kù)蓄能，待電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)，放水回到下水庫(kù)發(fā)電的水電站，又稱(chēng)蓄能式水電站。抽水蓄能電站具有調(diào)峰、調(diào)相和備用等功能。抽水蓄能的最大局限性是受地理?xiàng)l件的限制，必須具有合適建造上下水庫(kù)的地理?xiàng)l件。抽水蓄能技術(shù)相對(duì)成熟，設(shè)備壽命可達(dá)30～40年。但是，以太陽(yáng)能光伏發(fā)電為目的安裝的抽水蓄能電站還很少見(jiàn)。

3.1.2 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能是根據(jù)壓力—體積關(guān)系進(jìn)行儲(chǔ)能，它可以存儲(chǔ)電廠（熱、核、風(fēng)或光伏）的剩余能量，然后在貧電時(shí)期或峰值負(fù)荷的時(shí)候供電。其工作原理是：當(dāng)電力系統(tǒng)的用電處于低谷時(shí)，利用富余電量驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)，把能量以高壓空氣的形式存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)用電負(fù)荷處于高峰時(shí)，將儲(chǔ)氣空間內(nèi)的高壓空氣釋放出來(lái)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前的主要問(wèn)題是儲(chǔ)能效率較低、能量密度低等。

3.1.3 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能的基本原理是把電能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)體（飛輪）的動(dòng)能進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)給電機(jī)充電時(shí)，飛輪增速儲(chǔ)能，變電能為機(jī)械能；飛輪降速時(shí)放能，變機(jī)械能為電能。

飛輪儲(chǔ)能的最大優(yōu)勢(shì)在于雙程飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%，同時(shí)壽命長(zhǎng)、高峰值功率容量大、對(duì)環(huán)境友好、功率管理簡(jiǎn)單，針對(duì)給定的電壓和電流，設(shè)計(jì)更靈活等優(yōu)點(diǎn)也使飛輪儲(chǔ)能技術(shù)擁有更好的市場(chǎng)前景。缺點(diǎn)主要是儲(chǔ)能能量密度低、自放電率較高。

3.2 電磁場(chǎng)儲(chǔ)能

超級(jí)電容器儲(chǔ)能是目前主要應(yīng)用的電磁場(chǎng)儲(chǔ)能技術(shù)，按照儲(chǔ)能原理可以分為雙電層電容器和法拉第準(zhǔn)電容器兩大類(lèi)。雙電層電容器的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來(lái)存儲(chǔ)電能。雙電層電容器的儲(chǔ)能是通過(guò)使電解質(zhì)溶液進(jìn)行電化學(xué)極化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。法拉第準(zhǔn)電容器是在電極表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，進(jìn)行電活性物質(zhì)欠電位沉積，產(chǎn)生化學(xué)吸脫或氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。

超級(jí)電容器具有充放電速度快、功率密度高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。這種電池目前的主要問(wèn)題是能量密度低、成本高。

3.3 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能即通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)完成電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。電池的類(lèi)型很多，其內(nèi)部材料體系和電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理各異，但是，它們內(nèi)部的核心結(jié)構(gòu)卻基本相同，都是由正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)組成。電池內(nèi)部電勢(shì)較高的一極稱(chēng)為正極，電勢(shì)較低的一極稱(chēng)為負(fù)極。在充電過(guò)程中，電池正極上的活性材料發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子。同時(shí)，陽(yáng)離子通過(guò)電解質(zhì)在電場(chǎng)的作用下向負(fù)極移動(dòng)。失去的電子沿著外電路流向負(fù)極，并在負(fù)極上與負(fù)極活性材料結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)。電池的放電過(guò)程與充電過(guò)程正好相反。

目前，研究得較多的主要有鋰離子電池、鈉硫電池、全釩液流電池、鉛酸電池等。

3.3.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池電壓高，內(nèi)阻小，輸出功率大，電能效率高，技術(shù)成熟，使用溫度范圍廣，使用安全，成本較低［5］，在儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

目前可供光伏儲(chǔ)能使用的鉛酸蓄電池主要有兩種：AGM閥控式蓄電池、膠體閥控式蓄電池。AGM閥控式鉛酸電池不需要或很少需要維護(hù)，在小電流長(zhǎng)時(shí)間放電會(huì)發(fā)生不可逆硫酸鹽化，使壽命大大降低，但其內(nèi)阻小，大電流放電性能優(yōu)越。膠體閥控式蓄電池的電解液是凝膠態(tài)，可以完全固定電解液，沒(méi)有分層現(xiàn)象，但凝膠態(tài)的電解液對(duì)硫酸的遷移阻力大，致使電池內(nèi)阻大，大電流放電性能不理想［6］。

根據(jù)光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能電池的工作特點(diǎn)可知，儲(chǔ)能電池是小電流深放電，而且經(jīng)常欠充電，在這種環(huán)境下，AGM電池發(fā)生不可逆硫酸鹽化，壽命會(huì)大大降低，而膠體電解液可以吸附硫酸鉛從而降低硫酸鉛的過(guò)飽和度，防止粗大晶粒的硫酸鉛形成，緩解或抑制不可逆硫酸鹽化從而保證循環(huán)壽命。因此，膠體電池是光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能的最理想選擇。

3.3.2 鋰電池

鋰電池開(kāi)路電壓約為3.7 V，能量密度約為150 Ah／kg，功率密度超過(guò)200（W·h）／kg。這是因?yàn)殇囯姵貥O板薄，活性物質(zhì)比表面積高，活性物質(zhì)利用率高。鋰離子電池在容量、功率方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。這是在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鉛酸電池的3～4倍，是鎳鎘電池的2.5倍，是鎳氫電池的1.8倍［7－8］。而且鋰電池性能安全可靠，環(huán)保性較好。此外，由于它沒(méi)有記憶效應(yīng)，就不需要進(jìn)行周期性維護(hù)充放電，方便了用戶(hù)。但價(jià)格偏高。隨著一種磷酸鐵鋰的正極材料的出現(xiàn)，降低了鋰離子電池的價(jià)格，使得鋰離子電池在光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能廣泛的應(yīng)用成為可能。

3.3.3 鈉硫電池

鈉硫電池是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池，其電極是液態(tài)的，電解質(zhì)是固態(tài)的。

鈉硫電池的主要特點(diǎn)有：能量密度是鉛蓄電池的3倍；固體電解質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生如采用液體電解質(zhì)的二次電池所產(chǎn)生的副反應(yīng)，無(wú)自放電現(xiàn)象，充電效率高達(dá)70%～80%；循環(huán)壽命比鉛蓄電池長(zhǎng)；大電流放電和高功率放電性能好，放電電流密度可達(dá)200 mA／c m2以上；原材料鈉和硫易得；工作在300℃高溫；安全性和可靠性不如鉛蓄電池。

目前的鈉硫電池技術(shù)成本很高。雖然鈉硫電池還存在亟待解決的問(wèn)題，但其性能優(yōu)越，甚至在諸多方面超過(guò)鋰電池，在光伏儲(chǔ)能應(yīng)用中較有潛力。

3.3.4 液流電池

液流電池是通過(guò)可溶性電對(duì)在惰性電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而完成能量存儲(chǔ)與釋放的一類(lèi)電池。與其他電池不同的是，其電解質(zhì)（可溶性電對(duì)）是分別存放在2個(gè)不同的容器中，通過(guò)泵的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，液流電池的功率和容量相互獨(dú)立，可以根據(jù)需求分別調(diào)整系統(tǒng)的容量和功率的大小。此外，液態(tài)流動(dòng)電解質(zhì)使得液流電池響應(yīng)時(shí)間極短（亞秒級(jí)）。

全釩氧化還原液流電池是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)的氧化還原電池。與其它化學(xué)電源相比，釩電池具有明顯的優(yōu)越性，與其它儲(chǔ)能電池或二次電池相比，釩電池的活性物質(zhì)微流體，具有很多獨(dú)特的性能：功率大，通過(guò)增加單片電池的數(shù)量和電極面積，即可增加釩電池的功率；容量大，通過(guò)任意增加電解液的體積，即可任意增加釩電池的電量；能夠100%深度放電；效率高，釩電池的充放電能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)75%以上，遠(yuǎn)高于鉛酸電池的45%；壽命長(zhǎng)，可瞬間充電，安全性好，無(wú)污染，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。但目前液流電池的能量密度較低，單位造價(jià)昂貴，制約了其大規(guī)模發(fā)展［9－10］。

4 結(jié) 論

儲(chǔ)能系統(tǒng)能否以設(shè)備形態(tài)運(yùn)行，以及是否具有較高的安全可靠性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性用于光伏系統(tǒng)是決定其能否得到大規(guī)模推廣應(yīng)用的重要因素。在眾多儲(chǔ)能方式中，電池儲(chǔ)能技術(shù)是契合設(shè)備形態(tài)需求較好的一種儲(chǔ)能技術(shù)［11］。

目前儲(chǔ)能電池種類(lèi)較多，性能各有優(yōu)劣，鉛酸蓄電池是傳統(tǒng)電池，技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，但它對(duì)環(huán)境的影響及其有限的循環(huán)壽命制約了其在大規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用。鋰電池在新型電池中技術(shù)較成熟，性能優(yōu)越、安全可靠，符合光伏儲(chǔ)能發(fā)電的儲(chǔ)能要求，但鋰離子電池儲(chǔ)能價(jià)格較高，其安全性能也是一個(gè)值得特別關(guān)注的問(wèn)題。而鈉硫電池、釩電池在儲(chǔ)能市場(chǎng)上有較大潛力，但其技術(shù)欠成熟，安全性能有待考究。

［1］ 楊 勇.太陽(yáng)能系統(tǒng)用鉛酸蓄電池綜述［J］.蓄電池，2009，2：51－57.

［2］ 毛賢仙，項(xiàng)文敏，唐 征.太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)用VRLA電池技術(shù)性能探討［J］.蓄電池，2003，1（40）：22－24.

［3］ 王長(zhǎng)貴，王斯成.太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［4］ 祝 銘.儲(chǔ)能電池技術(shù)［J］.裝備機(jī)械，2010，3：25－29.

［5］ 朱松然.鉛蓄電池技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［6］ 張學(xué)慶.電池儲(chǔ)能技術(shù)在35 k V航頭變電站的示范應(yīng)用［J］.上海電力，2008，5：463－465.

［7］ 魏?jiǎn)|，袁竹林.第十一屆中國(guó)光伏大會(huì)暨展覽會(huì)會(huì)議論文集［C］.南京：東南大學(xué)出版社，2010：1369－1375.

［8］ 吳寧寧，吳 可，高 雅，等.鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2010，10：49－52.

［9］ 陳茂斌，李曉兵，孟凡明，等.釩電池儲(chǔ)能在光伏發(fā)電中的應(yīng)用前景［J］.電池工業(yè)，2008，13（4）：267－369.

［10］ 楊根生.液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.湖南電力，2008，28（3）：59－62.

［11］ Dunn B，KA MAT H H，TARASCON J M.Electrical ener gy storage for the grid：a batter of choices［J］.Science 2011，334（6058）：928－935.