光伏電站用儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景探析

郭精韜

摘要：隨著發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)成為發(fā)電體系的主力軍。光伏電站是指與電網(wǎng)連接，并向電網(wǎng)中輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)，屬于我國鼓勵的綠色能源項(xiàng)目。光伏電站主要使用太陽能發(fā)電，在發(fā)電過程中，多余的電量會被存儲到儲能電池中。基于此，本文分析當(dāng)前光伏電站儲能電池的發(fā)展情況，討論儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展前景，以供參考。

關(guān)鍵詞：光伏電站；儲能電池；發(fā)展

一、光伏電站用儲能電池的重要意義

我國明確提出，到2030年力爭達(dá)到碳高峰、到2060年力爭實(shí)現(xiàn)碳中和，這一發(fā)展目標(biāo)對實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會綠色發(fā)展以及世界走向低碳發(fā)展具有重要的意義和作用。碳中和目標(biāo)的設(shè)定將會讓我國現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)型，最終走向新能源領(lǐng)域。將風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電作為主要形式的二次能源，未來將會占據(jù)能源市場的主要地位，而一些煤炭、石油、天然氣為主的傳統(tǒng)能源消費(fèi)量將會逐漸下降。目前，我國低碳發(fā)展水平已有所改進(jìn)，但距離碳中和發(fā)展目標(biāo)依舊較遠(yuǎn)，光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性就是其中一個問題。

光伏發(fā)電技術(shù)可以憑借綠色無污染的可再生能源進(jìn)行發(fā)電，這種發(fā)電技術(shù)已較為普遍，屬于一項(xiàng)較成熟的發(fā)電體系。由于全天太陽能分布時間不一致，導(dǎo)致光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)出的電量有所波動。如果不經(jīng)過處理，直接將太陽能光伏板接入電網(wǎng)中，會導(dǎo)致居民在用電的過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，因此要使用儲能電池。儲能電池的主要意義是存儲光伏發(fā)電過剩期間產(chǎn)出的電能，在光伏發(fā)電效率下降時，使用儲能電池放電，原理相對較簡單，對維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要作用。

現(xiàn)如今，我國光伏電站用儲能電池主要使用各類儲能電池和儲能裝置，從而順利存儲電能。而在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，較常見的儲能電池主要包括鉛酸蓄電池、鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池、超級電容器等類型，可以應(yīng)用于光伏發(fā)電的不同場景與不同產(chǎn)品中。

二、光伏電站用儲能電池的種類

（一）鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池在充電的過程中可以將電能轉(zhuǎn)化成為化學(xué)能，在放電時，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為電能，從而完成電能存儲。鉛酸蓄電池正極使用二氧化鉛，負(fù)極使用鉛，電解液使用硫酸。鉛酸蓄電池的主要特點(diǎn)是電能轉(zhuǎn)化效率較高，可以使用較長的時間，同時日常使用過程中比較穩(wěn)定，屬于安全的蓄電池類型?，F(xiàn)如今，我國各個地區(qū)的儲能、應(yīng)急供電、電力啟動基本上都會選擇鉛酸蓄電池。而作為出現(xiàn)較早的儲能電池種類，未來將會針對鉛酸蓄電池進(jìn)行進(jìn)一步投資，當(dāng)前鉛酸蓄電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超過1700億元，且還在穩(wěn)步增長中，可以說，我國已成為世界上較大的鉛酸蓄電池生產(chǎn)國、出口國之一。

鉛酸蓄電池的反應(yīng)原理主要為雙基硫酸鹽化理論，在放電過程中，鉛酸蓄電池正負(fù)極活性物質(zhì)將會轉(zhuǎn)化為硫酸鉛，充電時，硫酸鉛會在正極轉(zhuǎn)化為二氧化鉛，在負(fù)極轉(zhuǎn)化成為鉛，從而完成電能的存儲與釋放。

（二）磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池屬于一種將磷酸鐵鋰作為正極材料的電池，是較為新穎的鋰離子電池。與鉛酸蓄電池相比，磷酸鐵鋰電池的能量更高，重量更輕，整體存儲效率也更高。同時，磷酸鐵鋰電池對溫度不敏感，可以適應(yīng)高溫工作環(huán)境。在使用的過程中，磷酸鐵鋰不會對充電、放電行為產(chǎn)生記憶，因此老化速度較慢，整體較為安全。從電化學(xué)性能的角度看，磷酸鐵鋰電池的充電、放電性能都較好，可以在較高的需求下快速放電，也可以接受大電流充電，是一種較穩(wěn)定的蓄電池。

磷酸鐵鋰電池在80%以上的放電條件下，依舊可以循環(huán)使用2000次，一些加強(qiáng)的磷酸鐵鋰電池使用壽命可以在6000次以上。這說明，磷酸鐵鋰電池即使處于深度放電條件下，仍可以保持較高的輸出功率，滿足現(xiàn)代化動力電池以及儲能電池的使用需求。現(xiàn)如今，磷酸鐵鋰電池廣泛應(yīng)用于電動自行車、電動汽車、電動工具等領(lǐng)域，汽車啟動、UPS電源、通信基站、新能源儲能、智能微電網(wǎng)領(lǐng)域也開始使用這一技術(shù)。

（三）鎳氫電池

鎳氫電池的正極為氫氧化鎳，負(fù)極是儲氫合金，電解液屬于堿性氧化物。鎳氫電池的結(jié)構(gòu)較簡單，使用隔膜紙分隔，注入電解液，安裝鋼殼頂蓋，再使用密封圈密封，就可以完成鎳氫電池的組裝。在制作過程中，將正負(fù)極使用隔膜紙封裝在鋼殼中，制作成圓形電池；也可以使用隔膜紙將正負(fù)極分開后進(jìn)行疊加，放置在鋼殼中，制作成方形電池。鎳氫電池的優(yōu)點(diǎn)是功率較大、整體重量較低，可以長時間使用，不會產(chǎn)生較大的污染，能量密度遠(yuǎn)超鎳鎘電池，工作電壓與鎳鉻電池相仿。鎳氫電池除了過充電與過放電性能達(dá)標(biāo)外，也具有不記憶功能，因此使用壽命較長。而鎳氫電池的缺點(diǎn)也較為明顯，容易產(chǎn)生自放電，充滿電放置在自然環(huán)境下，兩個月后電池的剩余電量減少50%，如果周邊環(huán)境溫度過高，電池跑電速度會更快。

（四）超級電容器

超級電容器的性能超過大多數(shù)的蓄電池，是當(dāng)前出現(xiàn)的一種全新儲能設(shè)備，從性質(zhì)上看，超級電容器屬于電池的一種。超級電容器的電極材料主要使用碳材料、金屬氧化物、水合物材料、導(dǎo)電聚合物等材料，可以根據(jù)極化電解質(zhì)性能進(jìn)行儲能。

根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)，對超級電容器進(jìn)行分類：首先，根據(jù)電解質(zhì)溶液的不同種類將超級電容器分為水系電解液超級電容器、有機(jī)電解液超級電容器、固態(tài)電解液超級電容器三種類型。其次，根據(jù)超級電容器的電極構(gòu)成將發(fā)生的反應(yīng)種類分為對稱型超級電容器和非對稱型超級電容器。最后，根據(jù)電極儲能原理的不同以及使用的材料種類將超級電容器劃分成為雙層電容超級電容器、贗電容超級電容器、混合型超級電容器三種類型。雙層電容超級電容器指將電解質(zhì)與電極完成彼此融合，從而形成工作界面，存儲更多能量，而贗電容超級電容器是利用電極的電化學(xué)活動，通過完成欠電位沉積，開展氧化還原反應(yīng)，存儲或吸附電能?；旌闲碗娙萜鲗儆谌碌募夹g(shù)類型，這種電容器一端使用較為傳統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)儲存和轉(zhuǎn)化能量，另一端知識使用雙電層存儲能量，兩者結(jié)合在一起，將會產(chǎn)生更高的工作電壓，從而滿足工作需求。

（五）全釩液流電池與鈉硫電池

1.全釩液流電池

這一類電池的全稱為全返氧化還原液流電池，屬于一種活性物質(zhì)不斷循環(huán)流動的氧化還原電池類型。全釩液流電池的使用壽命較長，整體能效較高，具有綠色環(huán)保的特征，已成為一種發(fā)展?jié)摿O大的大容量儲能裝置。通過使用全釩液流電池，可以有效改善電能質(zhì)量，且電池的可靠性較高，無論是備用電源還是能量管理，都可以發(fā)揮較好的作用。

2.鈉硫電池

鈉硫電池的正極由硫與多硫化鈉熔鹽等活性物質(zhì)共同組成，負(fù)極由熔融金屬鈉組成，電解質(zhì)隔膜使用一種傳導(dǎo)鈉離子的氧化鋁陶瓷復(fù)合材料，外殼使用不銹鋼金屬。一般來說，較常見的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池都屬于固體電極和液體電解質(zhì)，鈉硫電池的正負(fù)極處于熔融狀態(tài)，電解質(zhì)呈現(xiàn)固體狀態(tài)。鈉硫電池需要使用特定的多孔碳或石墨氈導(dǎo)電，導(dǎo)電過程中鈉離子通過電解質(zhì)與硫發(fā)生反應(yīng)，完成能量存儲和釋放。

三、常見光伏電站儲能電池的應(yīng)用方向

（一）鉛酸蓄電池的應(yīng)用前景

隨著我國鉛酸蓄電池技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，鉛酸蓄電池已發(fā)展成閥控式鉛酸蓄電池，這一類蓄電池在充電后會在正極產(chǎn)生氧氣，在負(fù)極產(chǎn)生氫氣，將水進(jìn)行電解化，是一種較常見的蓄電池類型。在使用鉛酸蓄電池的過程中，為了更好地控制氫氣，避免產(chǎn)生過多氣體影響電池運(yùn)行并減少氣體釋放量，要提高釋放氫氣需要的電位，降低放電率，延長電池壽命。此外，將閥控式鉛酸蓄電池正極更換為鉛鈣合金柵板是另一種方法，負(fù)極使用海綿鉛，整體反應(yīng)速度較快，反應(yīng)結(jié)果較好。此種方式主要利用與氧氣發(fā)生快速反應(yīng)的關(guān)鍵性質(zhì)，讓負(fù)極吸氧更多，控制反應(yīng)產(chǎn)出的水。為避免氣體影響鉛酸蓄電池的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，鉛酸蓄電池上都會設(shè)施單向排氣閥，一旦氣壓超標(biāo)，就會向外排出氣體，確保內(nèi)部壓力穩(wěn)定，正是由于這一排氣閥，這一類蓄電池被稱為閥控式鉛酸蓄電池。在光伏電站運(yùn)行的過程中，此種蓄電池使用較多，性能穩(wěn)定，工藝較成熟。不過，也存在易老化、污染環(huán)境等缺點(diǎn)。

（二）磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用前景

當(dāng)前，磷酸鐵鋰電池已廣泛應(yīng)用于我國的電動自行車、電動汽車、汽車啟動、UPS電源等領(lǐng)域，也應(yīng)用于我國的新能源儲能方面。與鉛酸蓄電池相比，磷酸鐵鋰電池的使用壽命更長，儲能效果更好。未來，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，這一技術(shù)將會憑借安全性能以及成本較低的優(yōu)勢占有更多的市場。同時，在同等儲能能力下，磷酸鐵鋰電池的重量是鉛酸蓄電池的三分之一，循環(huán)壽命更是鉛酸蓄電池的五倍以上，過去使用鉛酸蓄電池的光伏電站，已開始更換使用磷酸鐵鋰電池，不僅可以減少人力資源消耗，還能安全充電、放電。

（三）鎳氫電池的應(yīng)用前景

當(dāng)前，鎳氫電池主要應(yīng)用于光伏電站的儲能方面，由于體積較小，也應(yīng)用于一些電力工具、醫(yī)療器械方面，例如，醫(yī)院使用的電動起搏器由鎳氫電池供電。一些較小的鎳氫電池也被應(yīng)用于各類設(shè)備中，例如，游戲機(jī)手柄、吸塵機(jī)、電動牙刷等。鎳氫電池的制造與使用性能已逐漸成熟，我國也已針對鎳氫電池建設(shè)了對應(yīng)的電池產(chǎn)業(yè)，相信未來一段時間內(nèi)，我國光伏電站儲能將會大范圍推廣鎳氫電池，而這種電池的缺點(diǎn)在于體積較小、儲能能力一般，因此不適合大型光伏電站，適合中小型太陽能發(fā)電站。

（四）超級電容器的應(yīng)用前景

從原理上來說，超級電容器屬于一種構(gòu)造簡單的儲能裝置和儲能設(shè)備，無論是充電還是放電，整體性能都較強(qiáng)，且功率密度大，可以循環(huán)使用，無需進(jìn)行精細(xì)化維護(hù)，屬于質(zhì)量較高的儲能設(shè)備。當(dāng)前，超級電容器被廣泛用于汽車電源、電力儲能、航空航天、通信等領(lǐng)域，發(fā)展前景廣闊，覆蓋范圍廣泛。

（五）全釩液流電池與鈉硫電池的應(yīng)用前景

1.全釩液流電池

當(dāng)前，全釩液流電池已被正式應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰、應(yīng)急發(fā)電裝置、電動車車用電源等方面，因此，光伏電站的發(fā)電儲能也屬于全釩液流電池的主要應(yīng)用場景，但全釩液流電池成本高，一般的光伏電站無法承擔(dān)。未來，隨著傳導(dǎo)膜、電解液等低成本開發(fā)項(xiàng)目的進(jìn)一步發(fā)展與建設(shè)，全釩液流電池的成本有望降低，將其廣泛應(yīng)用于光伏電站儲能方面有著良好的效果，商業(yè)模式也將愈發(fā)多樣化與全面化。

2.鈉硫電池

由于鈉硫電池的特殊性能，鈉硫電池具有較長的循環(huán)使用壽命，對于一塊質(zhì)量達(dá)標(biāo)的鈉硫電池而言，在使用過程中可以循環(huán)充電放電20000次以上。同時，鈉硫電池的能量密度較高、功率密度較高，不會產(chǎn)生自放電問題。鈉硫電池?fù)碛?0%以上的充放電轉(zhuǎn)化效率，可以直接在現(xiàn)場安裝，再加上鈉硫電池的整體成本不高，現(xiàn)今已在大容量儲能領(lǐng)域中廣泛使用。當(dāng)前，鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化條件逐漸成熟，我國將鈉硫電池正式納入到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展范疇中，主要用于光伏電站的儲能環(huán)節(jié)。

四、結(jié)語

綜上說述，本文主要分析光伏電站用儲能電池的研究現(xiàn)狀，討論不同儲能電池的性質(zhì)以及反應(yīng)原理，隨后根據(jù)光伏電站對儲能設(shè)備的需求分析較為合理的儲能設(shè)備。相信未來，隨著儲能技術(shù)的快速發(fā)展與進(jìn)步，儲能技術(shù)將會愈發(fā)全面化、高效化、密度化和低成本化，也不會對環(huán)境造成過大的影響與限制。因此，相關(guān)技術(shù)研究人員要深入研究光伏發(fā)電與儲能技術(shù)，將其結(jié)合在一起，促進(jìn)我國碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]畢凱，宋明中，林玉杰，等.基于光伏電站的壓縮空氣儲能研究[J].中國科技信息，2022（21）：62-63.

[2]朱東垣，孫一飛，田有文.含儲能光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行可靠性評價仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2022，39（10）：109-112+165.

[3]葉祺賢，孟軍磊，宋明中，等.基于光伏電站的氫儲能可行性研究[J].上海電力大學(xué)學(xué)報，2022，38（05）：466-470+477.

[4]高翔.光伏電站用儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景綜述[J].太陽能，2022（09）：15-21.

[5]王敏濤，何小龍，王開讓.考慮電池荷電狀態(tài)的光伏電站儲能系統(tǒng)調(diào)控策略[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（20）：47-51.

[6]孫闊，張雪菲，遲福建，等.光伏電站復(fù)合儲能電壓波動抑制雙層優(yōu)化控制方法[J].可再生能源，2022，40（03）：402-409.

[7]殷仁豪，孫培峰，盧海勇.光伏電站和風(fēng)電場儲能容量配置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究[J].上海節(jié)能，2022（02）：192-203.