新能源儲能系統中的儲能電池研究

孔鋒超，郝曉明，陳燕龍，馬英敏

1.中國三峽新能源（集團）股份有限公司河北分公司，河北 石家莊 050000 2.國家電投集團河北電力有限公司，河北 石家莊 050000

0 引言

新能源正在逐漸取代傳統能源，成為新的能源龍頭產業。大力推動新能源，是發展的需要，也是保護環境的重要舉措。與傳統電池相比，應用于新能源儲能系統中的儲能電池已開始向高科技方向發展，具有更長的使用壽命和儲能效率，在技術上已達到了一個關鍵轉折點，使新能源儲能系統的發展和應用前景廣闊。

1 儲能方式概述

1.1 電磁能儲能

儲能技術在新能源系統中的應用可以實現有效的儲能，不同的能源可采用不同的儲能方式進行儲存和轉換。通過科學技術將水、熱能、冷能和風能轉換為電力系統所需的電能，以達到用電需求，最終實現電能的轉換和儲存。在電磁能轉化過程中，可以運用電磁儲能技術，通過變頻器和超級電容器，將電能轉換為適用的電磁能，最終依靠電磁儲能技術儲存電能，以供需要時使用。同時，在儲存和轉換電能時，需根據供電系統的實際運行情況，實時采集系統內部的供電電阻和電流，科學轉換電磁能量，從而降低能量的損耗問題。在電力不足的情況下，合理運用應用電磁儲能技術可以將電磁能轉換為可用能源，提高電力工程行業的可靠性。

1.2 物理儲能

物理儲能具有體積大、花費少、可循環性好等優點，可以為大型發電工程提供持續的能量供給。物理儲能大多利用大自然的資源，具有環保性和可持續性，但是其必須準備特殊場地，并需要滿足地理條件的要求。常用儲存物理能的方法包括抽水儲能、壓縮空氣和飛行能量積累。能量轉換率較高的方式是抽水儲能，其擁有巨大的儲存量，同時成本低廉。壓縮空氣儲能的安全系數性能較高，是解決大型能源生產項目的重要手段。但是，壓縮空氣儲存場地對地質條件有特殊要求，在儲能過程中，首先需進行儲能，儲能是壓縮機利用風電機組多余的風能進行基本能量的儲存操作、空氣壓縮和冷卻，壓縮和冷卻空氣必須儲存在廢物中或最近建造的油氣礦山中，在井內釋放能量；然后釋放能量的作用于加熱裝置，使其在高壓下加熱空氣，并在加熱氣體的幫助下進入空氣內部助燃燃燒室內的材料，燃燒后的氣體將驅動燃氣輪機。飛行儲能與壓縮空氣儲能具有相似性，主要可分為能量積累和能量釋放兩部分。通過轉換旋轉飛行的機械能與電能獲取能量，具有能源清潔、轉化高效、存儲快捷等特點[1]。

2 儲能電池的優點

儲能電池在儲能過程中擁有足夠兼容的應用條件，可在配電網側實施平面布置圖，從而減少電力企業在高峰時期的能源消耗，確保用戶和企業的正常用電需求。同時，儲能電池可以產生巨大的經濟效益。首先，其可限制高峰時段電網的電力傳輸，從而達到減少成本的效果；其次，顯著改善了電力效率；最后，儲能電池擴大能源分配設施的循環周期。通過技術研究和儲能電池的開發就可以降低生產成本，在促進電池儲能的推廣中發著揮積極作用。

3 儲能電池的主要類型

由于新能源在能源生產方面具有一定的隨機性和差距性，使其發展受到限制，同時這兩個原因也使得能源生產不穩定，無法持續工作實現高效發電。為了解決這一問題，可以運用儲能電池，確保新能源的可靠性和安全性。同時，可以在能源消耗特別嚴重的時期釋放儲存的電力，以保障人們的用電需求，有效緩解高峰能耗對電力事業的影響。此外，應注意新能源的能源轉換問題，為達到高效利用新能源的目的，需要更高的效率來儲存或釋放能量。儲能系統裝置還應考慮儲能能力以及生產效果之間的轉化關系問題。

3.1 鋰離子電池

近年來，由于新型電池的不斷發展，同時電解質和電極以及電池的發展水平也在不斷提高，使鋰離子電池受到廣泛應用，并主要用于普通家用電器中。鋰離子電池的優勢主要體現在以下方面：首先，擁有較長的使用周期，可以重復多次使用。鋰離子電池每次充電達到總存儲能量的80%時，可連續循環使用約3 000次。其次，擁有極高的儲能密度，且儲能轉換效率高，幾乎可以實現完全轉化。但是，鋰離子電池的安全隱患問題也顯而易見，其安全系數相對較差，過長時間的充電極易引起短路，導致高溫，甚至會引起電池爆炸。鋰離子電池在電力系統能量轉換過程中，具有非常高的轉化效率，同時轉化時長較短，可以有效節約能源轉化成本，在解決電力系統內部能源儲存問題的同時，可以確保電力系統平穩運作[2-4]，是鋰離子電池完全區別于普通電池的特質。

鋰離子電池的儲能原理如下：鋰離子電池分別采用兩種可逆嵌入和脫嵌鋰離子化合物當作正負極所構成的二次電池。電池在充電的過程中，鋰離子會從正極脫出，通過電解液和隔膜嵌入負極；與此相反，電池在放電的過程中，鋰離子會從負極脫嵌，通過電解液和隔膜重新嵌入正極。由于鋰離子于正負極之中有相對較為固定的空間和位置，因此電池在實際進行充電和放電期間，具有良好的可逆性反應。除此之外，由于鋰離子電池的種類較繁多，化學反應根據反應物的不同也存在一定的差異性。

鈦鋰電池屬于一種改進的優良鋰電子電池，正極采用的是鈦鋰納米結晶體，而并非傳統的碳，使得其正極的表面積能夠達到1 003 m2/g，但由碳所組成的正極表面積只有3 m2/g。這也就意味著電子進入后離開陽極的速度會更快，能進一步促使電池具有快充和提供大電流的性能。但此種電池的應用缺點在于，容量電壓相比普通的鋰電子電池較小。早年珠海建設的風-光-儲500 MW綜合發電示范系統項目中的儲能電池系統，采用了國內所研發的基本單元為2 000 Ah的鈦酸鋰儲能電池。

3.2 鉛酸蓄電池

近年來，鉛酸蓄電池的使用頻率呈上升趨勢，影響其工作時長的因素較多，主要包括電池制造商的工廠技藝水平和產品質量，使用中的裝載釋電條件和溫度等。鉛酸蓄電池在使用過程中經常容易被損壞，主要表現在如下方面：第一，鉛酸蓄電池存在嚴重的表面腐蝕現象，尤其表現在正極，這是由于在電解液中大部分都含有腐蝕性物質；第二，熱量在鉛酸蓄電池中難以得到有效控制，電池在使用過程中可能會散熱較慢，產熱速度比散熱速度快，導致電池溫度的異常升高，使電解液失水現象較為嚴重，進而影響其充電放電過程；第三，如果正極板和負極板的上邊緣的硫酸含量不同，極有可能導致硫酸與底物進行反應，從而嚴重縮短電池使用壽命。

3.3 鈉硫電池

熔融液型電極和固體電解質共同構成了鈉硫電池。該電池正負兩極分別為多硫化鈉的熔融鹽、熔融金屬鈉和熔融金屬硫，使得鈉硫電池可以在高溫條件下（300 ℃左右的溫度）工作。鈉硫電池的最大優勢是具有極高的能量轉化率，可以用大功率進行放電和充電操作，這使鈉硫電池擁有極短的充電時間和放電時間，具有明顯優勢。但是，當其對工作溫度的要求較高（300～500 ℃），而且充電時必須保持一定的狀態來保障遠線度量獲得更準確的平均值，還可能由于陶瓷破損而導致發生安全事故[5-9]。

4 總結

通過上述分析可以得出結論，鈉硫電池擁有最高的工作溫度（3 000 ℃），對外部環境要求同樣嚴格；鋰離子電池擁有最高工作電壓，轉化效率也最高，幾乎可以達到100%的完全轉換；鈉硫電池具有放電率變化快，釋放電過程平穩；鉛酸蓄電池的成本最低，但是存在一定的有毒物質。

用電單位需根據儲能電池的性能和實際需要，在新能源發電系統中選擇更合適的儲能電池作為儲能系統的發電工具，從而保證系統運行的穩定性和安全性，為企業創收。