新能源發電中電化學儲能技術的發展與應用分析

吳雪翚，曾馨潔，胡馨月

（重慶大學-辛辛那提大學聯合學院，重慶 400044）

目前能源危機席卷全球，且隨著社會的進步，對于環境保護的關注也愈來愈多，傳統化石能源的污染性和不可再生性問題已得到了廣泛的關注。在此背景下，新能源發電技術以其自身優勢得到了長足的重視和發展，由其所構成的微電網，也可以很好地分散電力負荷的需求，提高大電網的可靠性，因此開發新能源成為各國普遍的課題項目。由于風能和太陽能受天氣狀況的影響較大，導致新能源發電的輸出功率不連續并且也不穩定，因此為平抑此類型功率的波動，須在其輸出端配置儲能裝置。儲能系統是新能源發電中必不可少的部分，發揮了至關重要的作用，有非常大的市場前景，對電網的電能質量、電網穩定性以及供電可靠性都有很大的提升。儲能技術是電能與其他形式能源轉換和利用的關鍵環節，承擔著提高新能源發電的電能質量、電力調峰、增強系統穩定性等重任，可破解電能在生產和消費間的同步性難題，實現其在時間和空間上的可平移性，是一種投資少、又能有效應用可再生能源的節能措施。

1 儲能技術在新能源發電中的作用

1.1 提高電能質量

新能源發電并網運行，須達到電網對電能質量的要求，可通過控制并網逆變器來改變微電網輸送至電網的有功和無功，提高電能質量。在孤島運行下，新能源發電功率的輸出受天氣變化的影響很明顯，波動較大，儲能裝置可平抑功率波動，維持母線電壓的穩定，解決諸如電壓暫降等電能質量問題。

1.2 短時供電

當前能源危機日益加重，全球多次出現大范圍的電力短缺的現象，大范圍停電對生產和生活會產生極為惡劣的影響。在并網運行時，當電網發生事故，新能源發電可斷開與電網的連接，進入孤島運行模式，但是這中間往往存在一定的功率缺損，通過控制儲能系統的雙向功率變換器，可以利用儲能裝置，很好地填補這些缺損，實現并網模式到孤島運行的平滑切換。此外，由于新能源發電受天氣的影響很大，儲能系統可在無風無光或弱風弱光的極端天氣來供電，維持負荷的正常運轉。

1.3 電力調峰

負荷量始終是波動變化的，現階段電能生產和消費的策略是即發即用，這樣易導致為滿足峰值需求而過多安裝發電機組，造成不必要的浪費。儲能系統可有效解決此問題，在負荷低落時吸收多余的電能，在負荷高峰時釋放電能，達到削峰填谷的效果。

2 電化學儲能技術的發展與應用現狀

根據電能儲存形態的不同，儲能技術基本可分為電化學儲能、機械儲能、電磁儲能和熱力儲能這4大類別。其中，電化學儲能包括鉛酸、鈉硫、鋰離子和液流等電池儲能；機械儲能包含抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能；電磁儲能包括超級電容器儲能和超導磁儲能；熱力儲能包含熔鹽儲能和相變儲能。

由于儲能技術的戰略地位較高，近年來世界各國不斷加大對儲能技術研究的政策支持，其中以電化學儲能技術最受重視。美國于2009年撥巨款資助新一代環保電動汽車和儲能電池的研發和制造，且還將在近十年給予大規模儲能系統減免稅收的優惠，在良好形勢的背景下，美國的儲能市場穩步增長，可以預見，在不久的將來，大量輕型電動汽車的普及將使得美國對于石油的依賴程度降低；日本政府在高性能電池方面給予企業大力扶持，且日本新能源與產業技術綜合開發機構（NEDO）還于2009年開展了專注于鋰電池、鈉硫電池等儲能電池的基礎研究的專項課題；韓國和西歐發達國家也實施了相應的政策支持，如稅收優惠和財政專項撥款，用于高性能儲能技術，尤其是鋰離子電池的研究。

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池以二氧化鉛作為正電極，鉛為負電極，中間介質是水和硫酸，在充放電時發生氧化還原反應，于電池內部形成電流，過程是可逆的。鉛酸蓄電池是目前運用最多的電池儲能裝置之一，廣泛運用于電動車及新能源發電的儲能系統，其制造技術成熟，可大規模生產，但是體積較大，充放電的電流不宜劇烈波動，溫度適應性不高，環境污染大，由于目前全球對于可持續發展的追求，鉛酸蓄電池將會逐漸被其它高性能的電池所取代。

鉛酸蓄電池可以提供從kW到MW級別的電功率，效率可達70%以上，價格便宜，但其反應過程中會在極板表面逐漸累積硫酸鉛，這會降低其循環壽命，且在充電過程中有產生氫氣的可能，潛伏著爆炸的危險，制約了鉛酸電池的發展。文獻[5]研究表明，應當避免蓄電池的充電電流過小，否則不利于其內部所需發生的化學反應。文獻[6]研究表明，在鉛酸蓄電池經歷放電周期后，保證蓄電池的充電充足，有利于蓄電池的保養，否則會導致電池內部硫酸的鹽化，縮短蓄電池的壽命。

2.2 鈉硫電池

鈉硫電池系統以鈉為陽極，硫為陰極，β-氧化鋁陶瓷為電解質，為保證鈉和硫處于熔融狀態，其需在高溫（300～350℃）下工作。鈉硫電池具有很多優異的性能，如能量密度很大、循環壽命長、系統效率高，是目前很有潛力的一種電池，在未來可被大規模普及。但其也有一些缺點，如在工作時需要高溫環境，存在一定的安全隱患；且為防止熔融活性物質流過密封材料，造成電池短路，對材料的要求也較高；成本較高，大范圍運用還有待時日。鈉硫電池儲能可在電網中承擔削峰填谷的作用，可減少發電機組的容量配置，提高經濟效益。

目前日本NGK公司是鈉硫電池領域的標志性機構，處于國際領先地位，已在全球多地實現鈉硫電池儲能系統的商業性應用。在國內，國家電網公司和中科院上海硅酸鹽研究所合作研發的鈉硫電池填補了我國該領域技術的空白，目前已得到一定應用。文獻[7]提出，針對負荷側鈉硫電池儲能電站的優化調度策略，可在滿足負荷可靠供電的同時，平抑新能源發電的大幅度功率波動。文獻[8]通過建立含鈉硫電池儲能的微電網系統經濟運行優化模型，提高了系統的經濟效益。

2.3 鋰離子電池

鋰離子電池是近年興起的高能量儲能電池，兼具高充電效率和高能量密度的特點，目前廣泛應用于電動交通工具的儲能系統中，極具發展潛力。其通常由含鋰元素的材料作為正極，碳為負極，依靠鋰離子在正負極間的移動來工作，內部于充放電過程中發生氧化還原反應。鋰離子電池擁有很多優點，其體積小、重量輕、能量密度大、壽命長，可提供短時大輸出功率，但由于在過沖、短路、沖壓、穿刺等濫用條件下極易發生爆炸，安全性是其最大的缺點。

由于具有良好的性能，鋰離子電池在儲能領域有著很好的應用前景。文獻提出一種高效的基于鋰離子電池儲能的并網能量管理系統，可估計每個單體電池的剩余電量，保證電池內部多模塊的功率均分，并提高電能質量。文獻提出一種基于鋰離子電池系統剩余電量的改進型無功功率下垂控制策略，當風力發電功率和負荷變化時，電池儲能系統可以快速跟蹤并補償功率差，保持系統電壓和頻率的穩定。

2.4 全釩液流電池

液流電池是一種新型蓄電池，正負極電解液分開，各自循環，電解質溶液流經電極表面并發生電化學反應，通過電極板傳導電流。在多種液流電池中，全釩液流電池以其效率高、容量配置選擇靈活、壽命長等優點逐漸成為研究熱點。目前全釩液流電池儲能已在歐美日多國實現商業化運行，用于電網調峰；而國內的全釩液流電池研究尚處于試驗和示范階段，與發達國家還有一定的差距。

與其他儲能方式對比，全釩液流電池擁有可超深度放電而不導致電池損傷、使用壽命長等特點，可用于新能源發電的儲能系統，發揮電網調峰、UPS的作用，但同時其能量密度較低和工作溫度范圍較小，制約著其在儲能領域的進一步發展。文獻通過對影響全釩液流電池系統效率內因、外因的定性定量分析，指出在其規模化應用時，高電流密度充放電下的過電勢對系統能量效率的影響極大，且應根據不同情況恰當地選取充放電模式。

3 電化學儲能技術的研究趨勢

3.1 儲能系統的容量配置方法

由于電化學儲能技術在解決微電網中新能源發電系統的功率波動方面較為有效，其功率波動的平抑精度和系統經濟性指標與儲能裝置的容量配置直接相關，因此存在深入研究的必要性。文獻提出一種基于系統穩定域及狀態軌跡收斂速度的儲能裝置最小容量配置方法，可在系統保證足夠抗擾能力的前提下，確定儲能系統的最小容量。文獻以負荷缺電率和能量溢出比為考核指標，尋找了光伏組件容量和儲能電池單元容量間的優化關系。

3.2 研發新型高效、低成本的儲能技術

目前鉛酸蓄電池因價格優勢仍是占有率最高的電池儲能單元，但其有諸多的缺點。儲能技術在新能源發電中推廣運用的瓶頸之一是成本過高，因此延長使用壽命和降低成本是儲能技術的重要方向。在提高新能源發電系統穩定性的過程中，儲能技術的電能存釋速度是控制的關鍵。

3.3 電池儲能系統的高效能量管理策略

電池儲能系統的高效能量管理，可提高新能源的供電可靠性，因此深入研究儲能系統的能量管理策略有著很強的現實意義，會對新能源發電運行的穩定性和經濟性起到積極的作用。

4 結語

目前全球陷入了前所未有的能源危機，且隨著社會的進步，對于環境保護的關注也愈來愈多，傳統化石能源的污染性和不可再生性問題已得到了廣泛的關注，在此背景下，新能源發電技術得到了長足的發展。儲能技術是新能源發電中極為重要的一部分，其中以電化學儲能技術最受重視，是電能與其他形式能源轉換和利用的關鍵環節，承擔著提高新能源發電的電能質量、電力調峰、增強系統穩定性等重任，破解電能在生產和消費間的同步性難題，實現其在時間和空間上的可平移性，起著十分重要的作用。隨著新能源發電技術的蒸蒸日上及相應儲能技術的不斷發展進步，電化學儲能系統在新能源發電中將得到更加廣泛的應用。