分布式光伏發電關鍵問題：儲能技術

■ 阮曉東

隨著可再生能源行業和智能電網產業的迅速崛起，儲能技術發揮了越來越重要的作用。就在2012年10月初，中央政府出臺了《關于申報分布式光伏發電規模化應用示范區通知》；接著在10月末，溫家寶主持召開國務院常務會議討論通過《能源發展“十二五”規劃》，規劃中大力提倡推進分布式可再生能源技術應用，兩個綱領性文件為國內光伏的分布式應用大發展拉開序幕。

在這兩個文件中，都強調要求國家電網配合以解決光伏并網問題。一直以來，分布式應用發展驅動力不足的首要原因便是光伏并網問題。眾所周知，分布式光伏發電由于受到季節、氣象和地域條件的限制，發電連續性和穩定性都不足，特別是由于調節性較差，當電網接入發電容量過多時，電網將受到一定沖擊，對電網的安全產生影響。盡管前幾年的“金太陽”工程得到了政府的支持，但真正入網的企業少之又少，這與國家電網的戰略性安全布局不無關系。

而從技術上考慮，首先是光伏電力在2005年左右才開始起步，在2010年以后才開始在西北、內蒙古和西南地區大量出現，可再生能源發電的大規模并網接入還缺少統一的規劃；其次就是當時大規模高效儲能裝置還沒有得到有效應用，儲能技術的安全性也沒有得到徹底解決。雖然高效儲能裝置可解決直接并網對電網的沖擊，并可調節電能品質，但市場的出現和技術的提升總是一個相對跟隨的過程。此次政策將重點強調解決這一問題，將電網納入監管層，計量上網電量，配合項目的運營將直接為分布式光伏的應用提供利好刺激。

業內人士很快指出其中的一個關鍵問題：儲能技術。

1 國外儲能市場快速崛起

電力系統是國民經濟的基礎保障之一。電力系統的安全性、穩定性、可靠性和電力質量的保證，對新能源的發展也提出了一系列的要求。目前由于光伏電力的功率等級分散、等效阻抗較大、輸出功率波動劇烈等原因，分布式光伏電站對電網而言是一種沖擊電源。儲能技術誕生的目的就是在光伏發電功率大于負載需要時存儲電能，在它們不能夠滿足負載需要時提供電能進行補足，以最大效率收集利用光伏電力。

存儲和消納已經成為行業主要議題。隨著歐洲上網電價補貼和電價之間差距的擴大，分散儲能系統對于終端客戶來說越來越重要。德國蓄電池專家Matthias Vetter認為，對于分布式發電而言，未來高效儲能技術及能源管理系統將為商業及工業建筑節省巨大的電力成本。 其中光伏蓄電系統將可能滿足單戶家庭或公寓內80%的電力需求。此外，日本東北部特大地震發生后，日本核電將逐步退出市場，而市場的反應是日本家用蓄電系統需求量快速上升。隨著分布式光伏系統、屋頂系統及光伏農場的角色越來越重要，從2012年3月30日起，日本經濟產業省對容量1kWh以上的蓄電系統給予1/3的補貼，補助政策將在2013年底或支付額達到預算的210億日元時截止。其市場規模到2020年將達450億日元，是2010年的563倍。

不得不說，隨著光伏應用更加的“親民”，一個明顯的現象是一個新的發展領域——儲能市場正在快速形成。目前新型儲能技術的發展已經帶動了日本整個光伏市場的前進。NEC和松下都推出了家用型太陽能蓄電系統；ELIIYPower建立154MWh鋰電池工廠。而德國IBC與韓國LG化學合作開發了鋰離子存儲太陽能電力解決方案。瑞士Leclanch?則開設了自動化存儲系統生產工廠，專門為太陽能解決方案服務。

2 中國儲能廠商快速跟進

我國儲能技術的真正飛躍式發展是從2011開始的，這一年發布的“十二五”規劃對儲能技術的必要性作了首次闡述。2011年，國家張北風光儲輸示范項目一期工程順利完工，自此拉開了中國儲能技術應用的大幕。同年，儲能正式列入國家《“十二五”科學和技術發展規劃》，其中“電能利用和電能儲存技術”已被列為我國電網前瞻性關鍵技術之一，以確保提高系統動態穩定性，保證互聯大電網安全，改善區域供電品質和綠色能源電力輸出特性。

自此，大規模儲能技術作為支撐可再生能源普及的戰略性技術，得到我國政府和企業界的高度關注，同時，其巨大的市場潛力也迅速吸引了風投基金的目光。而我國相關企業敏銳的市場嗅覺早已認識到其中巨大的市場潛力，就在分布式光伏發電規模化應用示范區通知發布前的兩個月里，各個儲能廠商的技術已經密集發布，即使是外國公司都開始緊盯中國國內市場這塊巨大的蛋糕。表1即是2012年8月末～10月末主要儲能企業/科研單位項目信息，從中不難看出，一場沒有硝煙的戰爭早就開始打響，數十家企業都在進行光伏儲能市場的開拓。

其中比較重要的是磷酸鐵鋰電池、釩電池、鈉硫電池技術，而這幾種技術目前也是市場關注的焦點以及相關企業發展的重點。如2012年10月，實聯長宜中國控股有限公司在淮安市投資的磷酸鐵鋰電池項目完成簽約，項目總投資9900萬美元，預計首期投產后，可實現年產能100萬只，銷售額6億元人民幣。2012年10月，由中航鋰電(洛陽)有限公司實施的省重大科技專項“大容量鋰離子動力電池全自動生產線研發”順利通過驗收，中航鋰電在生產自動化控制、在線監測、DCS集散控制、環境自動檢測等關鍵技術上取得突破，實現了大容量鋰電池全過程自動化生產，目前已有4條全自動生產線投入使用，單條生產線的年產能力達3000萬Ah。于此同時，重慶、青島、鄂爾多斯、寧波、武漢、深圳等地的企業都在進行新型儲能設備的研發和新生產線的投產，中科院寧波材料技術與工程研究所、大連化學物理研究所、上海硅酸鹽研究所、青島生物能源與過程研究所以及北京大學、清華大學、上海交大等都將新型儲能技術的研發列入重點項目，新型成果不斷推出，一場儲能技術的革命正在如火如荼地展開。

3 儲能技術的博弈

傳統的儲能系統以鉛酸電池為主，鉛酸電池的技術最成熟，價格也最低(12V系列目前國內約6.0元/Ah)。鉛酸電池目前國家不再進行支持發展，主要是由于其使用壽命較短、易處于欠充狀態和容易導致環境污染。但鉛酸電池在部分光伏系統中還有應用，目前應用的主要是固定型排氣式鉛酸蓄電池、工業型閥控鉛酸蓄電池以及小型閥控密封鉛酸蓄電池。

鉛酸蓄電池由于放電時生成PbSO4，充電時又恢復為PbO2，而二者摩爾體積的不同導致電池在充放電過程中體積反復發生收縮和膨脹，隨著放電深度的增加，PbO2粒子變得松弛，不斷從板柵上脫落，因此其使用壽命較短。此外，隨著充放電次數的增加，極柵板上容易形成難于接受充電的PbSO4結晶，使得蓄電池容量減少，電池長期處于欠充狀態。目前新型儲能技術發展的格局包括鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池、液流電池、鈉鎳電池、超級電容器、鋅溴電池、鋁二次電池、超導儲能、飛輪儲能等。這些新型儲能技術一方面解決了電池或儲能系統大電流充放電性能的穩定性問題，另外在循環穩定性和安全性方面都有所提升。

從目前的技術進展來看，磷酸鐵鋰電池、釩電池、鈉硫電池和飛輪儲能技術得到了越來越多的應用，相關技術更新也較快。

表1 2012年8月末～10月末儲能企業/科研單位項目信息整理

(1)磷酸鐵鋰電池

于2002年出現，由于它的性能特別適于作動力方面的應用，也稱磷酸鐵鋰動力電池。磷酸鐵鋰電池的優點較明顯，可歸納為：極好的循環壽命，達到2000次以上，標準充電(5小時率)使用可達到2000次。同質量的鉛酸電池為1～2年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用將達到8～10年。此外，磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題。鈷酸鋰和錳酸鋰在強烈碰撞下會產生爆炸對消費者的生命安全構成威脅，而磷酸鐵鋰經過嚴格的安全測試，即使在最惡劣的交通事故中也不會產生爆炸。該電池不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬)、無毒(SGS認證通過)、無污染、符合歐洲RoHS規定，為絕對的綠色環保電池。

磷酸鐵鋰電池項目是國家重點支持和鼓勵發展的項目，曾列入“十五”期間的“863”國家高科技發展計劃。目前主要的生產企業國外有美國Valence(威能)和A123(高博)，國內有天津斯特蘭、北大先行、深圳比亞迪公司。由于磷酸鐵鋰材料的專利基本被來自美國的威能和高博公司申請，所以目前國內的材料廠家很難擺脫國外專利的限制。

但動力電池巨大的需求依然挑動了各個地方的投資沖動。山東海霸通訊設備有限公司投資3.3億元人民幣，擬建成國內最大的磷酸鐵鋰動力電池生產基地；萬向集團也開發了磷酸鐵鋰聚合物動力電池項目；2012歐洲Intersolar德國慕尼黑光伏展上，比亞迪光伏在革命性光伏TOP.5技術基礎上提出了“TOP.5技術(光伏)+鐵電池(存儲)=電網平價”的新概念。到2012年10月末，比亞迪的存儲解決方案出貨量達165MW，其中一半應用于太陽能領域，另一半應用于其他可再生能源產品。目前磷酸鐵鋰儲能系統已經得到了光伏系統的普遍認可，2011年3月發布的《華北電網有限公司國家風光儲輸示范工程(一期)儲能設備采購招標公告》以及4月發布《國家風光儲輸示范工程(一期)液流電池系統采購二次招標公告》中，五個包之中四個都是磷酸鐵鋰電池系統，分別為：6MW×6h、4MW×4h、3MW×3h和1MW×2h；最后一個包是采購2MW×4h的液流電池系統。最終，比亞迪中標了磷酸鐵鋰項目最大的6MW×6h的包，外資企業ATL中標4MW×4h，中航鋰電中標3MW×3h，萬向公司中標1MW×2h，普能公司中標2MW×4h的液流電池系統。

2010年8月25日，南方電網調峰調頻發電公司南方電網兆瓦級電池儲能站試點工程蓄電池、能量轉換系統采購項目招標、評標工作結束，比亞迪是第一中標人，中標金額4797.23萬元；第二中標人是中航鋰電，中標金額1886.35萬元。2011年1月25日，南方電網宣布，中航鋰電建造的瓦級電池儲能站成功并網。2012年4月中航鋰電與上海普天工業園開始共建大容量磷酸鐵鋰電池生產線。未來磷酸鐵鋰電池儲能系統將成為整個分布式光伏儲能系統的技術主流。

(2)釩電池

一般稱為氧化還原液流電池，是一種正在積極研制開發的新型大容量電化學儲能裝置，正負極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池，簡稱釩電池。釩電池在1985年由澳大利亞新南威爾士大學的MarriaKacos提出，經過多年的研發，目前釩電池技術已經趨近成熟。作為一種新的蓄電池，釩電池的活性物質是電解質溶液，具有容量高、使用領域(環境)廣、循環使用壽命長、規模化蓄電等特點，在光伏儲能領域有廣泛利用價值。

目前釩電池成本與鉛酸電池相近，它還可制備兆瓦級電池組，大功率長時間提供電能，因此釩電池在大規模儲能領域具有鋰離子電池、鎳氫電池不可比擬的性價比優勢。釩電池早在上世紀90年代就開始在中國發展，中國公司已掌握了釩電池的關鍵技術。中策資本集團在徐州、南陽等地建立了釩電池原材料生產基地，并在國內最大的風力發電基地甘肅玉門建立了風、光、電儲一體化的國家級示范基地。國內大型釩礦企業如攀鋼集團、川威集團等企業正在積極尋求資源轉化，釩電池已經成為他們新的發展方向。目前的固態電解質釩動力電池已經在電功率、充放電、比能量等方面接近鋰電池的水平，而在安全性、使用壽命和成本等方面則比鋰電池和鉛酸電池有相對優勢。釩是典型的中國優勢資源，中國占全球釩礦的比例為35%，產量占全球的48%，都居全球第一位，所以未來光伏電力存儲領域使用釩電池的幾率也比較大。

2012年10月，中科院大連化物所自主研制的“非氟離子交換膜”材料進入小批量試生產，這標志著中國全釩/液流/儲能電池技術實現了新突破，并開始產業化應用。目前15套該類型電池352kW單元模塊系統將組合應用于國內外最大規模的龍源沈陽法庫臥牛石風電場5MW/10MWh全釩液流電池儲能系統應用示范工程。與此同時，承德萬利通集團公司成為國內第一家規模化生產釩電池的企業，該企業全釩液流電池研發20kW單電堆已完成，單堆10kW的釩電池中試車間已順利投入運行。目前釩電池發展非常迅速，已經應用于部分地區的電站調峰和風力、光伏儲能等項目。2012年5月，普能公司宣布，具備電網級規模循環儲電的全釩液流電池儲能系統獲得加州愛迪生電力公司的并網運營許可，系統將正式全面運行。目前釩電池的制造技術已經趨于成熟，其生產工藝簡單、價格經濟、電性能優異的特點與磷酸鐵鋰電池相比具備了一定的競爭實力。

(3)鈉硫電池

最早由美國福特(Ford)公司于1967年首先發明公布，至今有40年的歷史。鈉硫電池是由熔融液態電極和固體電解質組成的，負極活性物質為熔融金屬鈉，正極活性物質為硫和多硫化鈉熔鹽。其中的硫填充在導電的多孔炭或石墨氈里，外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。鈉硫電池充電時間相當短暫，一次充電可運行10～11h，經熱反應后所產生的理論能量密度為786Wh/kg，實際能量密度為300Wh/kg，約是鉛酸電池的10倍，鎳氫電池的4倍，鋰電池的3倍。但鈉硫電池也有不足之處，其工作溫度在300℃～350℃，電池工作時需要一定的加熱保溫。未來鈉硫電池的發展還有賴技術的進步。

我國的鈉硫電池目前應用還較少。2006年8月，上海硅酸鹽研究所與上海市電力公司開展了大容量鈉硫單體電池的合作研發，2007年3月，成功試制了650Ah的單體電池，我國也成為世界上第二個掌握鈉硫單體電池核心技術的國家。2007年8月，雙方共建“上海鈉硫電池研制基地”，不久就成功研制170余臺套具有自有知識產權的生產與性能評價裝備，完成了年產2MW的鈉硫儲能電池中試線，實現10kW儲能系統成功演示。2008年3月，上海思源電氣公司與上海電力公司正式簽署100kW鈉硫電池儲能系統配套150kVA電網接入系統開發的合同；2010年，思源電氣公司的鈉硫電池儲能系統在上海世博園示范運行。中國內蒙古阿拉善經濟開發區所屬的蘭太公司是國內唯一的核級高純度金屬鈉生產企業，2011年10月，蕪湖海力實業有限公司與香港磊鑫國際投資集團公司投資約3.5億元在阿拉善經濟開發區開始建設大功率鈉硫電池項目，項目主要利用當地蘭太公司生產的金屬鈉。據估計該項目建成后可年產6kW及500kW的大功率鈉硫電池共10萬臺套。

(4)飛輪儲能

飛輪儲能技術從概念到實際的應用走過了近60年的發展。飛輪儲能具有諸多優點：完全是物理式存儲、儲能密度大、效率高、成本低、壽命長、環境污染小、不受地理環境限制等，是目前最有發展前途的儲能技術之一。早在20世紀50年代，瑞士歐瑞康公司就開發出飛輪儲能巴士，但此后三四十年間，由于高速旋轉飛輪驅動、飛輪軸承摩擦等問題難以解決，飛輪儲能技術的發展非常緩慢。清華大學1997年首次實現0.3kWh飛輪儲能樣機的充放電實驗。幾年后，該校研究人員完成了0.5kWh飛輪儲能不間斷電源原理樣機，飛輪轉速達到42000 r/min。由北京航空航天大學、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所完成的“衛星新型姿控儲能兩用飛輪技術”項目獲得2007年度國家技術發明一等獎。但是以不間斷供電備用電源(UPS)為突破點，飛輪儲能設備從2000年開始實現商業示范應用，其中超導技術和高強度材料為飛輪儲能提供了支撐。

我國第一批風輪儲能設備樣機的研制由河北英利集團在2010年底推出，功率在20～60kW之間。2012年9月，由英利歷時3年研發的國內單體儲能量最大的20kWh磁懸浮儲能飛輪磁軸承、輪體結構、控制線路改進等關鍵技術研發實現突破，飛輪充放電功能得到進一步完善，磁軸承耗損大幅降低，已滿足飛輪高速運行的設計要求。據介紹，英利研發20kWh磁懸浮儲能飛輪磁軸承損耗由330W(1000r/min)降至3.3W，降幅達99%，電機的轉矩提高30%。按照英利的市場規劃，“十二五”期間飛輪儲能設備將至少生產45萬臺。以英利為代表的大型光伏企業參與國家級大儲能裝備科研項目技術攻關，將推動我國儲能設備的規模化生產。

飛輪儲能技術作為區分于化學儲能的另外一種儲能技術，如果技術發展成熟，則將成為儲能領域新的經濟增長點，也將滿足未來儲能技術多樣化發展的需求。

2013年6月，由中國通信學會主辦的中國(上海)國際儲能、動力電池技術及設備展覽會將在上海世博會議中心舉辦，屆時，我們將看到更多儲能技術、設備的應用，也將見證中國光伏發展歷史上一個重要時刻的到來。