在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常用的儲能電池及儲能裝置包括鉛酸蓄電池、鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池，以及當(dāng)前具有前沿性的全釩液流電池、鈉硫電池、超級電容器等，它們分別應(yīng)用于光伏發(fā)電的不同場景和產(chǎn)品中。
為了更好地調(diào)峰填谷，解決光伏、風(fēng)電并網(wǎng)影響電網(wǎng)穩(wěn)定的問題，需要對各類儲能電池的發(fā)展和應(yīng)用進行梳理和研究。
中國光伏電站用儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
根據(jù)《機電商報》發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年，在新冠疫情沖擊下，中國的光伏發(fā)電裝機容量依然快速增長，保持并延續(xù)了多項世界第一。2020年，中國光伏發(fā)電新增裝機容量為48.2GW，連續(xù)8年位居全球首位；累計裝機容量達到253GW，連續(xù)6年位居全球首位。
在成本層面，2020年中國光伏組件及系統(tǒng)價格繼續(xù)降低，光伏組件全年平均價格約為1.57元/W，較2019年下降了10.3%；系統(tǒng)全年平均價格約為3.99元/W，較2019年下降了12.3%。
2020年的光伏發(fā)電項目中標(biāo)電價也出現(xiàn)了新的低價紀(jì)錄，青海省海南藏族自治州某光伏發(fā)電競價項目的中標(biāo)電價為0.2427元/kWh(約為3.46美分/kWh)，低于2019年達拉特旗65萬kW“風(fēng)光同場”風(fēng)電光伏項目0.26元/kWh的電價紀(jì)錄。
根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)的全球儲能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計，截至2020年底，中國已投運的“光伏+儲能”項目累計裝機容量達883.0MW，占中國電化學(xué)儲能投運項目總裝機容量的27.0%，年增長率達到了132.3%，具體如圖1所示。
圖1?中國已投運的“光伏+儲能”項目情況
全年新增電化學(xué)儲能投運規(guī)模達1559.6MW，同比增長145%，其中一半的新增投運規(guī)模均來自新能源發(fā)電；長期來看，“新能源+儲能”市場的發(fā)展空間巨大。
鉛酸蓄電池在充電時將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，放電時再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，正極材料為二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極材料為鉛(Pb)，電解液為硫酸(H2SO4)。
鉛酸蓄電池具有電能轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)使用壽命長、端電壓高、安全性強、性價比高、安裝維護簡單等特點，是目前各類儲能、應(yīng)急供電和電力啟動等裝置中應(yīng)用最多的電化學(xué)電池。
根據(jù)工信部發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年中國鉛酸蓄電池的市場規(guī)模為1659億元，同比增長4.67%，年均復(fù)合增長速度為3.62%。
最能反映鉛酸蓄電池充、放電過程的是雙極硫酸鹽化理論。鉛酸蓄電池在放電時正、負(fù)極的活性物質(zhì)均變成硫酸鉛(PbSO4)，充電后正極轉(zhuǎn)變成二氧化鉛，負(fù)極轉(zhuǎn)變成海綿狀鉛，鉛酸蓄電池又還原到原來的狀態(tài)。
鉛酸蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)過程如式(1)、式(2)所示。其中，放電過程為：
隨著鉛酸蓄電池技術(shù)的發(fā)展，閥控式鉛酸蓄電池的應(yīng)用越來越廣泛。
磷酸鐵鋰電池是一種以磷酸鐵鋰為正極材料的新型鋰離子電池，與鉛酸蓄電池相比，其具有能量高、重量輕、體積小、環(huán)保、無污染、免維護、壽命長、高低溫適應(yīng)性能好、無記憶效應(yīng)、安全性高等優(yōu)點，磷酸鐵鋰電池的標(biāo)稱電壓為3.2V，具有良好的電化學(xué)性能，充電、放電性能均十分平穩(wěn)，可高倍率放電，可接受大電流快速充電。
磷酸鐵鋰電池在80%放電深度條件下，循環(huán)使用壽命大于2000次(能量型的磷酸鐵鋰電池循環(huán)使用壽命可以達到6000次)，表明該類電池在深度放電狀態(tài)下仍能提供高功率輸出，完全符合現(xiàn)代動力電池和儲能電池的發(fā)展需要。
未來，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的不斷成熟，與另一種國內(nèi)常用的三元鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池因出色的安全性能和成本優(yōu)勢，必定會成為未來市場的主流產(chǎn)品。
盡管在制造成本上，磷酸鐵鋰電池高于鉛酸蓄電池，但磷酸鐵鋰電池的性能優(yōu)于鉛酸蓄電池。磷酸鐵鋰電池質(zhì)量為同容量鉛酸蓄電池質(zhì)量的1/3左右，循環(huán)使用壽命是鉛酸蓄電池的5倍以上，且安裝方便、施工和維護成本低，長期使用的綜合效益顯著。磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的性能對比如表1所示。
表1 磷酸鐵鋰電池和鉛酸蓄電池的性能對比
鎳氫電池的正極為氫氧化鎳(Ni(OH)2)，負(fù)極為儲氫合金，電解液為堿性氧化物。鎳氫電池的結(jié)構(gòu)包括隔膜紙、電解液、鋼殼、頂蓋、密封圈等組成部分，制作時可以用隔膜紙將正、負(fù)極分開后卷繞在一起密封于鋼殼中，制作成圓形電池；也可以用隔膜紙將正、負(fù)極分開后疊成層狀密封于鋼殼中，制作成方形電池。
鎳氫電池的優(yōu)點是功率大、重量輕、壽命長、無污染，其能量密度比鎳鎘電池的能量密度大2倍，工作電壓與同類型的鎳鎘電池的工作電壓相同。
鎳氫電池具有良好的過充電和過放電性能，且基本消除了記憶效應(yīng)；缺點是自放電性能較差，在充滿電放置2個月后，許多鎳氫電池的剩余電量減少到原有容量的50%以下，過高的環(huán)境溫度也會加速其自放電。
鎳氫電池的性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟，且已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，未來5年將逐步成為中國新能源儲能的重點發(fā)展方向。
鎳氫電池充電時，正極的氫氧化鎳失去1個電子并與電解液中電離的氫氧根離子(OH-)結(jié)合，生成羥基氧化鎳(NiOOH)，負(fù)極的氫合金(M)得到1個電子并與電解液中電離的氫離子(H+)結(jié)合，生成儲氫合金吸附氫(MHab)；放電過程與充電過程相反。
鎳氫電池的反應(yīng)式如式(3)～式(5)所示。其中，正極的反應(yīng)式為：
超級電容器的性能介于電解電容器和蓄電池之間，是一種新型儲能裝置，由隔膜、電解液、集流體和電極材料等組成。其中，電極材料主要有碳材料、金屬氧化物及水合物材料(MxOy)、導(dǎo)電聚合物，通過極化電解質(zhì)來儲能。
按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，可將超級電容器劃分為不同類型。
1)按照電解質(zhì)溶液的不同，可以將超級電容器劃分為水系電解液超級電容器、有機電解液超級電容器、固態(tài)電解液超級電容器；
2)按照超級電容器電極的構(gòu)成及在電極上發(fā)生反應(yīng)類型的不同，可以將其劃分為對稱型超級電容器和非對稱型超級電容器；
3)按照電極的儲能機理及制備原料的不同，可以將超級電容器劃分為雙電層超級電容器、贗電容超級電容器和混合型超級電容器。
雙電層超級電容器通過電解質(zhì)與電極之間的相互融合形成界面雙電層來儲存能量，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。
圖4 雙電層超級電容器的結(jié)構(gòu)原理圖
贗電容超級電容器利用電極表面的電活性物質(zhì)，通過欠電位沉積，發(fā)生氧化還原反應(yīng)和化學(xué)吸附/脫附，從而儲存電能。
超級電容器的構(gòu)造簡單，具有充放電能力強、功率密度大、容量大、循環(huán)使用壽命長、免維護、工作溫度低、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點，通常應(yīng)用在汽車電源、電力儲能、鐵路、航空航天、通信、國防等領(lǐng)域，擁有廣闊的發(fā)展前景。
超級電容器與電解電容器及鉛酸蓄電池3種儲能裝置的性能對比如表2所示。
表 2 3種儲能裝置的性能對比
以某住宅小區(qū)內(nèi)的1個太陽能路燈為例。該太陽能路燈選用超級電容器作為儲能裝置，對其正常工作時需要配備的超級電容器的容量進行計算。該太陽能路燈的平均工作時間為每日3h(即工作時間t為10800s)，工作電流I為0.025A，正常工作電壓U1為3.7V，截止工作電壓U0為1.8V。
將參數(shù)值代入式(6)，可以得出超級電容器的容量為142F。根據(jù)這一結(jié)果，該太陽能路燈選擇耐壓值為5.5V、容量為140～160F的超級電容器即可。
全釩液流電池(VFB)全稱為全釩氧化還原液流電池(VRFB)，是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動液態(tài)的氧化還原電池。
全釩液流電池因長壽命、高能效、綠色環(huán)保、安全性高、運行維護費用低等特點，成為極具發(fā)展?jié)摿Φ拇笕萘績δ苎b置，可用于電能質(zhì)量改善、可靠性提高、備用電源與能量管理等方面。
全釩液流電池可應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰、應(yīng)急發(fā)電裝置、電動車車用電源等領(lǐng)域，新能源發(fā)電的儲能環(huán)節(jié)也是全釩液流電池的主要應(yīng)用場景，其通常應(yīng)用于“光伏+儲能”項目的儲能環(huán)節(jié)。
但由于全釩液流電池中的釩電解液成本約占該電池成本的60%，導(dǎo)致采用全釩液流電池的大中型儲能電站的初始投資門檻較高。
未來，隨著傳導(dǎo)膜、電解液等低成本開發(fā)項目的啟動，全釩液流電池的成本有望進一步降低，且其從規(guī)劃設(shè)計至回收利用的各個環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將逐步建立與完善，商業(yè)模式也將逐步多樣化。
鈉硫電池的正極由硫和多硫化鈉熔鹽等活性物質(zhì)組成，負(fù)極由熔融金屬鈉組成，固體電解質(zhì)隔膜是一種專門傳導(dǎo)鈉離子的氧化鋁(Al2O3)陶瓷材料，殼體一般為不銹鋼金屬材料。
常見的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池等都是固體電極與液體電解質(zhì)結(jié)合組成，而鈉硫電池則是由熔融的液體電極材料和固體電解質(zhì)組成，硫填充在導(dǎo)電多孔碳或石墨氈中。在固定的工作溫度下，鈉離子透過電解質(zhì)膜與硫發(fā)生反應(yīng)，進行能量儲存和釋放。
鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池、全釩液流電池和鈉硫電池5種儲能電池的主要特性對比如表3所示。
表3 5種儲能電池的主要特性對比
隨著儲能技術(shù)朝儲能方式混合化、轉(zhuǎn)換高效化、能量高密度化、應(yīng)用低成本化、環(huán)境友好的方向發(fā)展，光伏發(fā)電與儲能技術(shù)的結(jié)合將大幅提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的能源利用率和經(jīng)濟性，為助力中國實現(xiàn)碳達峰、碳中和提供技術(shù)保障。
來源：光伏電站用儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景綜述
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