光伏電站用儲能電池的發展現狀及應用前景綜述

高 翔

(酒泉職業技術學院，酒泉 735000)

0 引言

中國提出2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和這一目標對國家實現經濟社會綠色發展及世界低碳發展具有重要意義。碳達峰、碳中和目標將逐步推動中國能源結構轉型的進程和新能源發電改革，以風電和光伏發電為主要形式的二次能源將逐步占據中國能源體系的主導地位，以煤炭、石油和天然氣為主的一次能源的消費量將逐步下降，新型電力系統和氫能的地位將明顯改善。當前，中國低碳發展取得了一定成效，但在碳達峰、碳中和目標實現的過程中，仍然面臨著低碳技術發展不足、建筑能耗趨高、碳交易體系不完善等多重挑戰[1]。中國碳達峰、碳中和目標面臨著經濟和能源結構調整壓力大、制造成本高、光伏發電及風電并網電能質量不穩定、煤電退出困難、關鍵金屬供應量存在隱患等多方面的挑戰；但與此同時也面臨著油氣依存度逐步降低、光伏發電及風電設備競爭力強、低碳綠色轉型加快等市場機遇[2]。在此背景下，光伏電站用儲能電池的發展和應用意義重大。

光伏電站用儲能電池與儲能裝置是離網型光伏電站及并網型“光伏+儲能”電站的重要組成部分，其主要作用是存儲電能，在連續陰雨天、夜晚及應急狀態下為負載供電，或在并網系統中利用存儲的電能調峰填谷，以減少對電網的沖擊等。儲存電能的方式有很多，主要方式之一是利用各類儲能電池和儲能裝置來完成儲能的任務。在光伏發電系統中，常用的儲能電池及儲能裝置包括鉛酸蓄電池、鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池，以及當前具有前沿性的全釩液流電池、鈉硫電池、超級電容器等，它們分別應用于光伏發電的不同場景和產品中[3]。

為了更好地調峰填谷，解決光伏、風電并網影響電網穩定的問題，需要對各類儲能電池的發展和應用進行梳理和研究。基于此，本文對光伏電站用儲能電池的發展現狀及應用前景展開綜述，主要分析了中國光伏電站用儲能電池的發展現狀與趨勢，對鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池、全釩液流電池、鈉硫電池、超級電容器等不同光伏電站用儲能電池的工作原理和應用場所、典型項目、性能進行了介紹及對比，并對未來光伏電站用儲能電池在中國的發展情況進行了展望。

1 中國光伏電站用儲能電池的發展現狀與趨勢

根據《機電商報》發布的數據顯示，2020年，在新冠疫情沖擊下，中國的光伏發電裝機容量依然快速增長，保持并延續了多項世界第一。2020年，中國光伏發電新增裝機容量為48.2 GW，連續8年位居全球首位；累計裝機容量達到253 GW，連續6年位居全球首位[4]。在成本層面，2020年中國光伏組件及系統價格繼續降低，光伏組件全年平均價格約為1.57元/W，較2019年下降了10.3%；系統全年平均價格約為3.99元/W，較2019年下降了12.3%。2020年的光伏發電項目中標電價也出現了新的低價紀錄，青海省海南藏族自治州某光伏發電競價項目的中標電價為0.2427元/kWh(約為3.46美分/kWh)，低于2019年達拉特旗65萬kW“風光同場”風電光伏項目0.26元/kWh的電價紀錄。此外，世界多國的光伏發電系統中標電價也打破了原來的最低紀錄，光伏發電已成為極具競爭力的電力產品。

根據中關村儲能產業技術聯盟(CNESA)的全球儲能數據庫的不完全統計，截至2020年底，中國已投運的“光伏+儲能”項目累計裝機容量達883.0 MW，占中國電化學儲能投運項目總裝機容量的27.0%，年增長率達到了132.3%[5]，具體如圖1所示。全年新增電化學儲能投運規模達1559.6 MW，同比增長145%，其中一半的新增投運規模均來自新能源發電；長期來看，“新能源+儲能”市場的發展空間巨大。

圖1 中國已投運的“光伏+儲能”項目情況Fig.1 “PV + energy storage”projects put into operation in China

2 中國典型光伏電站用儲能電池

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池在充電時將電能轉換成化學能，放電時再將化學能轉換成電能，正極材料為二氧化鉛(PbO2)，負極材料為鉛(Pb)，電解液為硫酸(H2SO4)。鉛酸蓄電池具有電能轉換效率高、循環使用壽命長、端電壓高、安全性強、性價比高、安裝維護簡單等特點，是目前各類儲能、應急供電和電力啟動等裝置中應用最多的電化學電池。未來，隨著國家清潔能源產業的拉動及國外電池生產企業在華投資的增多，中國鉛酸蓄電池產業將飛速發展。根據工信部發布的數據，2020年中國鉛酸蓄電池的市場規模為1659億元，同比增長4.67%，年均復合增長速度為3.62%。隨著國際市場需求的逐漸增長，中國鉛酸蓄電池市場規模持續穩定增長，已成為世界最大的鉛酸蓄電池生產國、出口國和消費國。

鉛酸蓄電池的反應原理如圖2所示。最能反映鉛酸蓄電池充、放電過程的是雙極硫酸鹽化理論。鉛酸蓄電池在放電時正、負極的活性物質均變成硫酸鉛(PbSO4)，充電后正極轉變成二氧化鉛，負極轉變成海綿狀鉛，鉛酸蓄電池又還原到原來的狀態[6]。

圖2 鉛酸蓄電池的反應原理Fig.2 Reaction principle of lead-acid battery

鉛酸蓄電池的電化學反應過程如式(1)、式(2)所示。其中，放電過程為：

充電過程為：

隨著鉛酸蓄電池技術的發展，閥控式鉛酸蓄電池的應用越來越廣泛。由于鉛酸蓄電池充電后期會出現正極板產生氧氣、負極板產生氫氣及水的電解等問題，工程上為了抑制氫氣的產生，減少氣體釋放量，提高釋放氫氣的電位，降低自放電率，常將閥控式鉛酸蓄電池正極改用鉛鈣合金柵板，負極改用具有活性物質的海綿狀鉛，利用其與氧氣快速反應的特點，負極吸氧增多，抑制了水的減少。閥控式鉛酸蓄電池的電池蓋上設有單向排氣閥(安全閥)，當蓄電池內部氣壓超過一定值時，單向排氣閥會自動開啟排出氣體，隨后自動關閉阻止外界空氣進入蓄電池內部。因此，此類蓄電池被稱為閥控式鉛酸蓄電池[7]。

2.2 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池是一種以磷酸鐵鋰為正極材料的新型鋰離子電池，與鉛酸蓄電池相比，其具有比能量高、重量輕、體積小、環保、無污染、免維護、壽命長、高低溫適應性能好、無記憶效應、安全性高等優點，磷酸鐵鋰電池的標稱電壓為3.2 V，具有良好的電化學性能，充電、放電性能均十分平穩，可高倍率放電，可接受大電流快速充電[8]。

磷酸鐵鋰電池在80%放電深度條件下，循環使用壽命大于2000次(能量型的磷酸鐵鋰電池循環使用壽命可以達到6000次)，表明該類電池在深度放電狀態下仍能提供高功率輸出，完全符合現代動力電池和儲能電池的發展需要。目前，磷酸鐵鋰電池已經廣泛應用于電動自行車、電動汽車、電動工具、汽車啟動、UPS電源、通信基站、新能源儲能、智能微電網等領域。未來，隨著磷酸鐵鋰電池技術的不斷成熟，與另一種國內常用的三元鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池因出色的安全性能和成本優勢，必定會成為未來市場的主流產品。

盡管在制造成本上，磷酸鐵鋰電池高于鉛酸蓄電池，但磷酸鐵鋰電池的性能優于鉛酸蓄電池。磷酸鐵鋰電池質量為同容量鉛酸蓄電池質量的1/3左右，循環使用壽命是鉛酸蓄電池的5倍以上，且安裝方便、施工和維護成本低，長期使用的綜合效益顯著。磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的性能對比如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池和鉛酸蓄電池的性能對比Table 1 Performance comparison of lithium iron phosphate battery and lead-acid battery

2.3 鎳氫電池

鎳氫電池的正極為氫氧化鎳(Ni(OH)2)，負極為儲氫合金，電解液為堿性氧化物。鎳氫電池的結構包括隔膜紙、電解液、鋼殼、頂蓋、密封圈等組成部分，制作時可以用隔膜紙將正、負極分開后卷繞在一起密封于鋼殼中，制作成圓形電池；也可以用隔膜紙將正、負極分開后疊成層狀密封于鋼殼中，制作成方形電池。鎳氫電池的優點是功率大、重量輕、壽命長、無污染，其能量密度比鎳鎘電池的能量密度大2倍，工作電壓與同類型的鎳鎘電池的工作電壓相同。鎳氫電池具有良好的過充電和過放電性能，且基本消除了記憶效應；缺點是自放電性能較差，在充滿電放置2個月后，許多鎳氫電池的剩余電量減少到原有容量的50%以下，過高的環境溫度也會加速其自放電。

鎳氫電池主要應用在太陽能儲能、電動工具、醫療器械和消費數碼產品中，比如太陽能燈、高溫燈具、車載T-BOX、汽車OBD和E-CALL系統、電動工具、醫療器械、游戲機手柄、吸塵器、剃須刀、電動牙刷、電動玩具的電池等。鎳氫電池的性能穩定、技術成熟，且已實現產業化，未來5年將逐步成為中國新能源儲能的重點發展方向。

鎳氫電池的反應原理如圖3所示。鎳氫電池充電時，正極的氫氧化鎳失去1個電子并與電解液中電離的氫氧根離子(OH-)結合，生成羥基氧化鎳(NiOOH)，負極的氫合金(M)得到1個電子并與電解液中電離的氫離子(H+)結合，生成儲氫合金吸附氫(MHab)；放電過程與充電過程相反[9]。

圖3 鎳氫電池的反應原理Fig.3 Reaction principle of Ni-MH battery

鎳氫電池的反應式如式(3)～式(5)所示。其中，正極的反應式為：

負極的反應式為：

總反應的反應式為：

2.4 超級電容器

超級電容器的性能介于電解電容器和蓄電池之間，是一種新型儲能裝置，由隔膜、電解液、集流體和電極材料等組成。其中，電極材料主要有碳材料、金屬氧化物及水合物材料(MxOy)、導電聚合物，通過極化電解質來儲能。

按照不同的劃分標準，可將超級電容器劃分為不同類型。1)按照電解質溶液的不同，可以將超級電容器劃分為水系電解液超級電容器、有機電解液超級電容器、固態電解液超級電容器；2)按照超級電容器電極的構成及在電極上發生反應類型的不同，可以將其劃分為對稱型超級電容器和非對稱型超級電容器；3)按照電極的儲能機理及制備原料的不同，可以將超級電容器劃分為雙電層超級電容器、贗電容超級電容器和混合型超級電容器[10]。

雙電層超級電容器通過電解質與電極之間的相互融合形成界面雙電層來儲存能量，其結構原理圖如圖4所示。

圖4 雙電層超級電容器的結構原理圖Fig.4 Structural schematic diagram of electric double layer super capacitor

贗電容超級電容器利用電極表面的電活性物質，通過欠電位沉積，發生氧化還原反應和化學吸附/脫附，從而儲存電能。

超級電容器的構造簡單，具有充放電能力強、功率密度大、容量大、循環使用壽命長、免維護、工作溫度低、經濟環保等優點，通常應用在汽車電源、電力儲能、鐵路、航空航天、通信、國防等領域，擁有廣闊的發展前景。

超級電容器與電解電容器及鉛酸蓄電池3種儲能裝置的性能對比如表2所示。

表2 3種儲能裝置的性能對比Table 2 Performance comparison of three types of energy storage devices

以某住宅小區內的1個太陽能路燈為例。該太陽能路燈選用超級電容器作為儲能裝置，對其正常工作時需要配備的超級電容器的容量進行計算。該太陽能路燈的平均工作時間為每日3 h(即工作時間t為10800 s)，工作電流I為0.025 A，正常工作電壓U1為3.7 V，截止工作電壓U0為1.8 V。

超級電容器容量的計算式為：

將參數值代入式(6)，可以得出超級電容器的容量為142 F。根據這一結果，該太陽能路燈選擇耐壓值為5.5 V、容量為140～160 F的超級電容器即可。

2.5 全釩液流電池與鈉硫電池

2.5.1 全釩液流電池

全釩液流電池(vanadium flow battery，VFB)全稱為全釩氧化還原液流電池(vanadium redox flow battery，VRFB)，是一種活性物質呈循環流動液態的氧化還原電池。全釩液流電池因長壽命、高能效、綠色環保、安全性高、運行維護費用低等特點，成為極具發展潛力的大容量儲能裝置，可用于電能質量改善、可靠性提高、備用電源與能量管理等方面。全釩液流電池可應用于電網調峰、應急發電裝置、電動車車用電源等領域，新能源發電的儲能環節也是全釩液流電池的主要應用場景，其通常應用于“光伏+儲能”項目的儲能環節。但由于全釩液流電池中的釩電解液成本約占該電池成本的60%，導致采用全釩液流電池的大中型儲能電站的初始投資門檻較高[11]。

2020年，中國科學院大連化學物理研究所研究員李先鋒、張華民帶領的科研團隊設計了以可焊接全釩液流電池為核心的8kW/80kWh和15kW/80kWh示范儲能項目，并均在陜西省投入運行。示范儲能項目的額定容量均為80 kWh，額定輸出功率分別為8 kW和15 kW，由儲能電池模塊、電解液循環模塊、遠程控制系統及力控模塊等組成。示范儲能項目現場機房等重要負載的備用電源全部采用全釩液流電池和光伏發電配套裝置，以確保為負載可靠供電。

2021年5 月，攀鋼集團研究院有限公司在全釩液流電池領域取得了技術突破，降低了全釩液流電池用電極材料的成本。與傳統電堆相比，采用全釩液流電池的新一代電堆的總成本降低了40%，提升了整個儲能電池系統的穩定性和經濟性。

未來，隨著傳導膜、電解液等低成本開發項目的啟動，全釩液流電池的成本有望進一步降低，且其從規劃設計至回收利用的各個環節的標準規范將逐步建立與完善，商業模式也將逐步多樣化。

2.5.2 鈉硫電池

鈉硫電池的正極由硫和多硫化鈉熔鹽等活性物質組成，負極由熔融金屬鈉組成，固體電解質隔膜是一種專門傳導鈉離子的氧化鋁(Al2O3)陶瓷材料，殼體一般為不銹鋼金屬材料。常見的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池等都是固體電極與液體電解質結合組成，而鈉硫電池則是由熔融的液體電極材料和固體電解質組成，硫填充在導電多孔碳或石墨氈中。在固定的工作溫度下，鈉離子透過電解質膜與硫發生反應，進行能量儲存和釋放[12]。

鈉硫電池是一種新型化學電源。早在1966年，美國福特公司的Kumner和Weber就首次提出了鈉硫電池系統。鈉硫電池具有很長的循環使用壽命，高質量鈉硫電池的循環使用壽命一般能達到20000次以上。鈉硫電池還具有高能量、高功率密度、無自放電現象、80%以上的充放電轉換效率、便于現場安裝、材料來源容易獲得、價格適當等優勢，在大容量儲能領域獲得了廣泛應用。目前，鈉硫電池產業化應用的條件日趨成熟，中國儲能用鈉硫電池已進入產業化的前期準備階段。

鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池、全釩液流電池和鈉硫電池5種儲能電池的主要特性對比如表3所示。

表3 5種儲能電池的主要特性對比Table 3 Comparison of main characteristics of five types of energy storage batteries

3 結論

本文綜述了光伏電站用儲能電池的研究現狀，以及不同光伏電站用儲能電池在光伏發電系統中的應用前景。隨著儲能技術朝儲能方式混合化、轉換高效化、能量高密度化、應用低成本化、環境友好的方向發展，光伏發電與儲能技術的結合將大幅提高光伏發電系統的能源利用率和經濟性，為助力中國實現碳達峰、碳中和提供技術保障。