新能源儲能系統(tǒng)中的儲能電池研究

孔鋒超，郝曉明，陳燕龍，馬英敏

1.中國三峽新能源（集團）股份有限公司河北分公司，河北 石家莊 050000 2.國家電投集團河北電力有限公司，河北 石家莊 050000

0 引言

新能源正在逐漸取代傳統(tǒng)能源，成為新的能源龍頭產(chǎn)業(yè)。大力推動新能源，是發(fā)展的需要，也是保護環(huán)境的重要舉措。與傳統(tǒng)電池相比，應(yīng)用于新能源儲能系統(tǒng)中的儲能電池已開始向高科技方向發(fā)展，具有更長的使用壽命和儲能效率，在技術(shù)上已達(dá)到了一個關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點，使新能源儲能系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用前景廣闊。

1 儲能方式概述

1.1 電磁能儲能

儲能技術(shù)在新能源系統(tǒng)中的應(yīng)用可以實現(xiàn)有效的儲能，不同的能源可采用不同的儲能方式進行儲存和轉(zhuǎn)換。通過科學(xué)技術(shù)將水、熱能、冷能和風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電力系統(tǒng)所需的電能，以達(dá)到用電需求，最終實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和儲存。在電磁能轉(zhuǎn)化過程中，可以運用電磁儲能技術(shù)，通過變頻器和超級電容器，將電能轉(zhuǎn)換為適用的電磁能，最終依靠電磁儲能技術(shù)儲存電能，以供需要時使用。同時，在儲存和轉(zhuǎn)換電能時，需根據(jù)供電系統(tǒng)的實際運行情況，實時采集系統(tǒng)內(nèi)部的供電電阻和電流，科學(xué)轉(zhuǎn)換電磁能量，從而降低能量的損耗問題。在電力不足的情況下，合理運用應(yīng)用電磁儲能技術(shù)可以將電磁能轉(zhuǎn)換為可用能源，提高電力工程行業(yè)的可靠性。

1.2 物理儲能

物理儲能具有體積大、花費少、可循環(huán)性好等優(yōu)點，可以為大型發(fā)電工程提供持續(xù)的能量供給。物理儲能大多利用大自然的資源，具有環(huán)保性和可持續(xù)性，但是其必須準(zhǔn)備特殊場地，并需要滿足地理條件的要求。常用儲存物理能的方法包括抽水儲能、壓縮空氣和飛行能量積累。能量轉(zhuǎn)換率較高的方式是抽水儲能，其擁有巨大的儲存量，同時成本低廉。壓縮空氣儲能的安全系數(shù)性能較高，是解決大型能源生產(chǎn)項目的重要手段。但是，壓縮空氣儲存場地對地質(zhì)條件有特殊要求，在儲能過程中，首先需進行儲能，儲能是壓縮機利用風(fēng)電機組多余的風(fēng)能進行基本能量的儲存操作、空氣壓縮和冷卻，壓縮和冷卻空氣必須儲存在廢物中或最近建造的油氣礦山中，在井內(nèi)釋放能量；然后釋放能量的作用于加熱裝置，使其在高壓下加熱空氣，并在加熱氣體的幫助下進入空氣內(nèi)部助燃燃燒室內(nèi)的材料，燃燒后的氣體將驅(qū)動燃?xì)廨啓C。飛行儲能與壓縮空氣儲能具有相似性，主要可分為能量積累和能量釋放兩部分。通過轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)飛行的機械能與電能獲取能量，具有能源清潔、轉(zhuǎn)化高效、存儲快捷等特點[1]。

2 儲能電池的優(yōu)點

儲能電池在儲能過程中擁有足夠兼容的應(yīng)用條件，可在配電網(wǎng)側(cè)實施平面布置圖，從而減少電力企業(yè)在高峰時期的能源消耗，確保用戶和企業(yè)的正常用電需求。同時，儲能電池可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。首先，其可限制高峰時段電網(wǎng)的電力傳輸，從而達(dá)到減少成本的效果；其次，顯著改善了電力效率；最后，儲能電池擴大能源分配設(shè)施的循環(huán)周期。通過技術(shù)研究和儲能電池的開發(fā)就可以降低生產(chǎn)成本，在促進電池儲能的推廣中發(fā)著揮積極作用。

3 儲能電池的主要類型

由于新能源在能源生產(chǎn)方面具有一定的隨機性和差距性，使其發(fā)展受到限制，同時這兩個原因也使得能源生產(chǎn)不穩(wěn)定，無法持續(xù)工作實現(xiàn)高效發(fā)電。為了解決這一問題，可以運用儲能電池，確保新能源的可靠性和安全性。同時，可以在能源消耗特別嚴(yán)重的時期釋放儲存的電力，以保障人們的用電需求，有效緩解高峰能耗對電力事業(yè)的影響。此外，應(yīng)注意新能源的能源轉(zhuǎn)換問題，為達(dá)到高效利用新能源的目的，需要更高的效率來儲存或釋放能量。儲能系統(tǒng)裝置還應(yīng)考慮儲能能力以及生產(chǎn)效果之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系問題。

3.1 鋰離子電池

近年來，由于新型電池的不斷發(fā)展，同時電解質(zhì)和電極以及電池的發(fā)展水平也在不斷提高，使鋰離子電池受到廣泛應(yīng)用，并主要用于普通家用電器中。鋰離子電池的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：首先，擁有較長的使用周期，可以重復(fù)多次使用。鋰離子電池每次充電達(dá)到總存儲能量的80%時，可連續(xù)循環(huán)使用約3 000次。其次，擁有極高的儲能密度，且儲能轉(zhuǎn)換效率高，幾乎可以實現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化。但是，鋰離子電池的安全隱患問題也顯而易見，其安全系數(shù)相對較差，過長時間的充電極易引起短路，導(dǎo)致高溫，甚至?xí)痣姵乇āｄ囯x子電池在電力系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程中，具有非常高的轉(zhuǎn)化效率，同時轉(zhuǎn)化時長較短，可以有效節(jié)約能源轉(zhuǎn)化成本，在解決電力系統(tǒng)內(nèi)部能源儲存問題的同時，可以確保電力系統(tǒng)平穩(wěn)運作[2-4]，是鋰離子電池完全區(qū)別于普通電池的特質(zhì)。

鋰離子電池的儲能原理如下：鋰離子電池分別采用兩種可逆嵌入和脫嵌鋰離子化合物當(dāng)作正負(fù)極所構(gòu)成的二次電池。電池在充電的過程中，鋰離子會從正極脫出，通過電解液和隔膜嵌入負(fù)極；與此相反，電池在放電的過程中，鋰離子會從負(fù)極脫嵌，通過電解液和隔膜重新嵌入正極。由于鋰離子于正負(fù)極之中有相對較為固定的空間和位置，因此電池在實際進行充電和放電期間，具有良好的可逆性反應(yīng)。除此之外，由于鋰離子電池的種類較繁多，化學(xué)反應(yīng)根據(jù)反應(yīng)物的不同也存在一定的差異性。

鈦鋰電池屬于一種改進的優(yōu)良鋰電子電池，正極采用的是鈦鋰納米結(jié)晶體，而并非傳統(tǒng)的碳，使得其正極的表面積能夠達(dá)到1 003 m2/g，但由碳所組成的正極表面積只有3 m2/g。這也就意味著電子進入后離開陽極的速度會更快，能進一步促使電池具有快充和提供大電流的性能。但此種電池的應(yīng)用缺點在于，容量電壓相比普通的鋰電子電池較小。早年珠海建設(shè)的風(fēng)-光-儲500 MW綜合發(fā)電示范系統(tǒng)項目中的儲能電池系統(tǒng)，采用了國內(nèi)所研發(fā)的基本單元為2 000 Ah的鈦酸鋰儲能電池。

3.2 鉛酸蓄電池

近年來，鉛酸蓄電池的使用頻率呈上升趨勢，影響其工作時長的因素較多，主要包括電池制造商的工廠技藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，使用中的裝載釋電條件和溫度等。鉛酸蓄電池在使用過程中經(jīng)常容易被損壞，主要表現(xiàn)在如下方面：第一，鉛酸蓄電池存在嚴(yán)重的表面腐蝕現(xiàn)象，尤其表現(xiàn)在正極，這是由于在電解液中大部分都含有腐蝕性物質(zhì)；第二，熱量在鉛酸蓄電池中難以得到有效控制，電池在使用過程中可能會散熱較慢，產(chǎn)熱速度比散熱速度快，導(dǎo)致電池溫度的異常升高，使電解液失水現(xiàn)象較為嚴(yán)重，進而影響其充電放電過程；第三，如果正極板和負(fù)極板的上邊緣的硫酸含量不同，極有可能導(dǎo)致硫酸與底物進行反應(yīng)，從而嚴(yán)重縮短電池使用壽命。

3.3 鈉硫電池

熔融液型電極和固體電解質(zhì)共同構(gòu)成了鈉硫電池。該電池正負(fù)兩極分別為多硫化鈉的熔融鹽、熔融金屬鈉和熔融金屬硫，使得鈉硫電池可以在高溫條件下（300 ℃左右的溫度）工作。鈉硫電池的最大優(yōu)勢是具有極高的能量轉(zhuǎn)化率，可以用大功率進行放電和充電操作，這使鈉硫電池?fù)碛袠O短的充電時間和放電時間，具有明顯優(yōu)勢。但是，當(dāng)其對工作溫度的要求較高（300～500 ℃），而且充電時必須保持一定的狀態(tài)來保障遠(yuǎn)線度量獲得更準(zhǔn)確的平均值，還可能由于陶瓷破損而導(dǎo)致發(fā)生安全事故[5-9]。

4 總結(jié)

通過上述分析可以得出結(jié)論，鈉硫電池?fù)碛凶罡叩墓ぷ鳒囟龋? 000 ℃），對外部環(huán)境要求同樣嚴(yán)格；鋰離子電池?fù)碛凶罡吖ぷ麟妷?，轉(zhuǎn)化效率也最高，幾乎可以達(dá)到100%的完全轉(zhuǎn)換；鈉硫電池具有放電率變化快，釋放電過程平穩(wěn)；鉛酸蓄電池的成本最低，但是存在一定的有毒物質(zhì)。

用電單位需根據(jù)儲能電池的性能和實際需要，在新能源發(fā)電系統(tǒng)中選擇更合適的儲能電池作為儲能系統(tǒng)的發(fā)電工具，從而保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，為企業(yè)創(chuàng)收。