鋰電儲能、氫儲能與超級電容器儲能的比較研究*

翁迪惠 王藝恒 秦旭

南京工程學院 電力工程學院 江蘇 南京 211167

引言

近年來清潔、高效的新型可再生能源迎來了飛速的發展，而各種儲存新型能源的技術一直是許多國家研究攻關的課題。隨著我國分布式發電與微電網、智能電網和電動汽車等領域的日新月異，儲能技術的相關研究與應用已受到國家的高度重視[1]。

儲能技術種類繁多，目前氫儲能、鋰電池儲能及超級電容器儲能等類別具有一定代表性。相比于傳統儲能裝置，氫具有清潔、能量密度高、便于儲存及運輸等優點，將電解槽與燃料電池作為能量型單元符合國家發展純綠色能源理念；鋰電儲能鋰離子電池因其能量密度高、使用壽命長、適用溫度范圍寬等特點，近些年來在儲能市場的電化學儲能裝機中占據領導地位。超級電容器具有功率高、充放電速度快等優點，用其來平抑集成系統中電解槽與燃料電池延遲相應所引起的波動已成為廣大學者的理念[2]。因此，本課題氫儲能、鋰電儲能與超級電容器儲能的比較研究具有深厚理論研究意義與工程實踐指導價值。

1 三種儲能技術原理分析

隨著社會進步發展，電力系統也在快速演變不斷適應各種變化，目前電網主要有來自以下幾方面的挑戰：電力負荷峰谷差日益增大、可再生能源和分布式發電系統的規模發展與并網、系統結構復雜及受擾后的安全穩定、用戶對電能質量和供電可靠性要求日益提高、節能減排和降低損耗的需求等等，大規模的儲能技術能方便地實現用戶側的需求管理，為現代電力系統解決上述問題提供了新的思路與有效方法。

1.1 儲能技術的基本原理

儲能技術種類繁多，工作原理各異，但結構拓撲大體類似，通常由三部分組成：儲能元件構成的儲能裝置、電力電子器件構成的功率轉換系統和儲能檢測管理系統。其中儲能裝置實現能量的存儲與釋放；功率轉換系統完成充放電控制、功率調節、濾波及其他控制功能，是儲能與電網質量雙向交換的核心部件；儲能監測管理系統實時檢測儲能裝置的充放電，監控電壓、電流、溫度等狀態指標，根據運行情況調節控制。

1.2 鋰電儲能原理

鋰電池通用等效電路模型如圖1所示，其中受控源電壓

式中：E0為恒定電壓，K為極化電壓，Q為容量，A表示指數區域幅值，B表示指數區域時間常數的倒數，Qe為t時間內的荷電量，式中后兩項分別表示額定區域和指數區域的影響[3]。

圖2是某個鋰電池的額定放電特性，其電流保持恒定，一區域代表指數區域，二區域代表額定區域，三區域代表快速下降區域。曲線箭頭所指分別為完全充電電壓Ef，指數區域末端端點（Ee,Qe）和額定區域末端端點（En,Qn）。鋰電池模型參數均可通過該放電特性曲線中三個特征點的數據得到。

圖2 鋰電池的典型額定放電特性曲線

計算式：

1.3 氫儲能原理

氫儲能系統包括堿式電解水制氫系統、儲氫系統和質子交換膜燃料電池系統[4]。其基本工作原理是通過電解水制氫模型生成氫氣和氧氣，并將氫氣儲存在儲存罐中，放電時氫氣通過燃料電池產生電能。

堿式電解水制氫系統：

電解槽通過直流電流，將水電解成氫氣和氧氣，直流電流通過電解液（30% KOH）在兩個電極（陽極和陰極）之間流通，其中堿式電解液增加了電解槽的電導率。

儲氫系統：

儲氫率為

式中：n為儲氫罐凈儲氫率；nin為儲氫罐進氫率；nout為儲氫罐出氫率。

儲氫量為

式中：n(t0)為t0時刻儲氫罐儲氫量。

由氣體狀態方程可得，儲氫罐壓力為

式中：T為儲氫溫度；V為儲氫罐體積。

質子交換膜燃料電池系統：

質子交換膜燃料電池模塊由集流板、流場板、氣體擴散層、催化層和質子交換膜組成[5]。

氫燃料電池等效電路模型：

圖3 氫燃料電池等效電路模型

如圖3所示為氫燃料電池等效電路，Ract表示活化極化損失等效電阻，Rcon表示濃差極化損失等效電阻，RΩ表示燃料電池等效內阻，C表示雙電荷層效應的等效電容，其儲存了大量電能[6]。

其中：

式中：為吉布斯自由能，va,c1,c2,c3為由溫度和化學反應壓強決定的經驗常數，imax為引起電壓急劇降落的電流，v0為電流i為零時的電壓降落。

1.4 超級電容器儲能原理

超級電容作為一個非線性系統，目前尚沒有一個泛化的模型得到公認。對于暫態分析，應采用能充分表征超級電容非線性特征的適用性模型。超級電容器的一階RC模型結構簡單，模型參數易獲取、計算簡單且能夠較準確地反映出超級電容器在充放電過程中非線性的外在電氣特征。亦被稱為典型模型，適用于對精度要求不太高的仿真，被廣泛應用于計算和分析超級電容器的動態性能和工程分析設計。

如圖4所示，超級電容組由單元串并聯組成，在具體連接時可采用先串后并或先并后串兩種方式，其中后者不僅能夠提高儲能模塊的可靠性，還能夠減小超級電容容量的分散度。超級電容器組的串聯數主要由儲能變流器直流側工作電壓允許范圍決定，并聯數主要由儲能容量大小決定。

圖4 超級電容器組等效電路模型

2 三種儲能方式的比較

表1 三種儲能方式的比較

由表1可以看出，能量型的氫儲能與鋰電儲能和功率型的超級電容器儲能的應用規模都至少在千瓦級以上，在續航能力方面，超級電容器相比于其他兩種儲能方式會比較短；在電池成本方面，氫儲能相比于其他兩者會相對較高；在適用場合方面，鋰電儲能在電力系統方面目前應用較少，但三種儲能方式的應用領域都非常廣泛。鋰電儲能能量密度高，超級電容器儲能功率密度高，而且三種儲能方式在響應速度和安全性方面都比較有優勢。

3 結束語

近些年儲能一直是熱度居高不下的話題，本文結合三種儲能方式的原理，建立了三者的等效電路模型，得出具體結論如下。

三種儲能方式的等效電路均具有等效電阻元件，而氫儲能和超級電容器儲能的等效電路同樣具有電容元件，鋰電池的電阻元件具有儲能作用，其他兩種儲能方式中的電容元件具有儲能作用。