談液態(tài)金屬電池在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展

陳 宇 劉明秋

1.國家電力投資集團有限公司，遼寧沈陽110000；2.遼寧能源股份有限公司，遼寧沈陽110000

1 液態(tài)金屬電池的必要性及市場前景

近幾年，以風(fēng)能和太陽能為代表的新能源的開發(fā)利用發(fā)展迅速。風(fēng)能等取之不盡，用之不竭，且在生產(chǎn)使用過程無污染，它的價值已經(jīng)被充分認識。然而，在新能源開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)：季節(jié)性變化、晝夜變化等使發(fā)電量波動大，對電網(wǎng)造成沖擊，致使棄風(fēng)率較大，嚴重制約新能源行業(yè)的發(fā)展。風(fēng)電棄風(fēng)率達到20%左右，有些風(fēng)場棄風(fēng)率甚至達到40%，每年造成極大的直接經(jīng)濟損失。

進入“十三五”以來，我國正創(chuàng)建能源發(fā)展的新格局。電力是我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的重點，新一輪電力體制改革的主要工作集中在推動大規(guī)模可再生能源消納和配售電改革等方面。國家政策著重強調(diào)新能源調(diào)峰能力，調(diào)度運行和調(diào)峰成本補償機制。儲能技術(shù)做為重要的調(diào)峰調(diào)頻手段，市場前景廣闊。 在新的電力市場發(fā)展環(huán)境下，作為重要的調(diào)峰調(diào)頻資源，儲能技術(shù)將在加強電力調(diào)節(jié)能力、增強電網(wǎng)的靈活性以及促進集中式和分布式可再生能源并網(wǎng)消納等發(fā)面發(fā)揮重要作用。2017年3月，能源局發(fā)布的 《關(guān)于出金儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿） 》明確了我國儲能發(fā)展的規(guī)劃和路徑、未來儲能發(fā)展的幾大應(yīng)用場景、儲能補貼政策實施路徑。削峰填谷和可再生能源消納是最大的儲能市場，國內(nèi)市場規(guī)模超過3000億元。液態(tài)金屬電池作為重要的儲能手段將會創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。

2 液態(tài)金屬電池優(yōu)勢

電力儲能主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能及電池儲能。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其次是壓縮空氣儲能，但受環(huán)境和容量制約，抽水蓄能和壓縮空氣儲能難以進一步突破。而制約電池儲能應(yīng)用的主要因素有充放電次數(shù)低、能量效率低和制造成本高等。隨著技術(shù)和材料的進步，液態(tài)金屬電池解決了傳統(tǒng)電池儲能的弊端。液態(tài)金屬電池主要有以下優(yōu)點：

①高電流密度。充放電電流密度高達1000mA/cm2。

②高循環(huán)壽命。電池進行正常充放電，10000次后電池仍能保持初始容量的98%。

③高能量效率。在工作溫度為450℃下，電池以電流密度275mA/cm2進行充放電，仍能保持98%的庫倫效率和73%的能量轉(zhuǎn)換效率。

④工藝簡單、成本低。相對傳統(tǒng)電池，液態(tài)金屬電池不需要特殊的隔膜，使電池體系易放大和生產(chǎn)不受關(guān)鍵技術(shù)限制，儲能成本降低。

⑤安全可靠。穩(wěn)健的設(shè)計是安全的可靠保證。液流電池不會引發(fā)火災(zāi)等事故。液態(tài)金屬電池與其它電池儲能技術(shù)參數(shù)對比表如表1所示。

表1 液態(tài)金屬電池與其它電池儲能技術(shù)參數(shù)對比表

液態(tài)金屬電池儲能將成為我國電力行業(yè)實現(xiàn)削峰填谷和可再生能源消納最主要手段之一。液態(tài)金屬電池商業(yè)化成功后，系統(tǒng)度電成本將下降30%以上，具有較強的市場競爭優(yōu)勢。

3 液態(tài)金屬電池技術(shù)可行性

3.1 液態(tài)金屬電池工作原理

液態(tài)金屬電池成本低廉、使用壽命長，適合新能源大規(guī)模并網(wǎng)存儲的需求，該項潛能，使其在短時間內(nèi)得到儲能技術(shù)研究及能源投資領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。其工作原理如圖1所示。

圖1 液態(tài)金屬電池的工作原理圖

液態(tài)金屬電池的組成部分，包含兩個液態(tài)金屬電極以及分隔它們的熔融鹽電解質(zhì)。其中，負極使用堿金屬或堿土金屬的合金。正極使用是銻、鉛、錫、鉍等過渡金屬及其合金。

電解質(zhì)使用的鹵鹽混合物與負極金屬對應(yīng)。在電池正常使用時，電極及電解質(zhì)受熱熔融且互不相溶，溶液受自身密度影響自動分為三層。放電時，負極金屬α發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子，電子外電路對外放電做功，陽離子通過溶液遷移至正極，發(fā)生還原反應(yīng)。充電時，上述過程逆向進行。

3.2 大容量液態(tài)金屬電池實現(xiàn)方法

大容量液態(tài)金屬電池是通過一個個單體電池的集成實現(xiàn)的，使生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本大大降低。首先將單體電池集成到一個電池托盤中，然后將電池托盤集成到電池塔，最后將電池塔集成到集裝箱中，形成大容量液態(tài)金屬電池組。液態(tài)金屬電池單體單元結(jié)構(gòu)簡單、空間少、形狀規(guī)則、易于生產(chǎn)制造，構(gòu)造如圖2所示。集成過程簡單、容量可調(diào)、形狀可變，適應(yīng)不同的應(yīng)用和場合，如圖3所示。

圖2 液態(tài)金屬電池單體單元

圖3 液態(tài)金屬電池集成

4 液態(tài)金屬電池經(jīng)濟性分析

液態(tài)金屬電池集成組可以依托遠大風(fēng)電公司風(fēng)力與發(fā)電機組結(jié)合，實現(xiàn)風(fēng)機組適當“瘦身”，也可以直接銷售給其它電力公司，實現(xiàn)銷售盈利。同時，可以享受政府收益性補貼或者稅收補貼政策。一般情況下，一個標準風(fēng)電場只需配置總?cè)萘?0%的儲能電池就可以完成對于整個風(fēng)電場的能量儲備支持，液態(tài)金屬電池儲能可靠，智能化運行控制，操作便捷，易于維護，對于優(yōu)化風(fēng)場電量輸出、減少風(fēng)機和風(fēng)場設(shè)備配置具有積極的作用，同時又能實現(xiàn)削峰填谷和電能消納。

增加儲能后，風(fēng)機設(shè)備的硬件配置會減少，從而降低機組成本。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 單臺風(fēng)機設(shè)備節(jié)省成本一覽表

由上表可見，單臺風(fēng)機大約節(jié)省成本約3.3萬元。以1.5MW風(fēng)機為例，對于4.95萬kW單體風(fēng)場，通過“瘦身”可節(jié)省投資100萬元。

假設(shè)4.95萬kW單體風(fēng)場年有效小時數(shù)為2500h，每年減少6%的棄風(fēng)率，就能直接增加經(jīng)濟收益4000多萬元。

實現(xiàn)削峰填谷和電能消納得到的巨大經(jīng)濟收益決定了液態(tài)金屬電池儲能的市場前景的廣闊。

5 結(jié)語

液態(tài)金屬電池作為新型的儲能手段，技術(shù)先進，市場前景廣闊，經(jīng)濟收益空間大。

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