光伏电站用储能电池的发展现状及应用前景综述

2022-10-09高翔

太阳能 2022年9期

高翔

(酒泉职业技术学院，酒泉 735000)

0 引言

中国提出2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和这一目标对国家实现经济社会绿色发展及世界低碳发展具有重要意义。碳达峰、碳中和目标将逐步推动中国能源结构转型的进程和新能源发电改革，以风电和光伏发电为主要形式的二次能源将逐步占据中国能源体系的主导地位，以煤炭、石油和天然气为主的一次能源的消费量将逐步下降，新型电力系统和氢能的地位将明显改善。当前，中国低碳发展取得了一定成效，但在碳达峰、碳中和目标实现的过程中，仍然面临着低碳技术发展不足、建筑能耗趋高、碳交易体系不完善等多重挑战[1]。中国碳达峰、碳中和目标面临着经济和能源结构调整压力大、制造成本高、光伏发电及风电并网电能质量不稳定、煤电退出困难、关键金属供应量存在隐患等多方面的挑战；但与此同时也面临着油气依存度逐步降低、光伏发电及风电设备竞争力强、低碳绿色转型加快等市场机遇[2]。在此背景下，光伏电站用储能电池的发展和应用意义重大。

光伏电站用储能电池与储能装置是离网型光伏电站及并网型“光伏+储能”电站的重要组成部分，其主要作用是存储电能，在连续阴雨天、夜晚及应急状态下为负载供电，或在并网系统中利用存储的电能调峰填谷，以减少对电网的冲击等。储存电能的方式有很多，主要方式之一是利用各类储能电池和储能装置来完成储能的任务。在光伏发电系统中，常用的储能电池及储能装置包括铅酸蓄电池、锂离子电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池，以及当前具有前沿性的全钒液流电池、钠硫电池、超级电容器等，它们分别应用于光伏发电的不同场景和产品中[3]。

为了更好地调峰填谷，解决光伏、风电并网影响电网稳定的问题，需要对各类储能电池的发展和应用进行梳理和研究。基于此，本文对光伏电站用储能电池的发展现状及应用前景展开综述，主要分析了中国光伏电站用储能电池的发展现状与趋势，对铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池、全钒液流电池、钠硫电池、超级电容器等不同光伏电站用储能电池的工作原理和应用场所、典型项目、性能进行了介绍及对比，并对未来光伏电站用储能电池在中国的发展情况进行了展望。

1 中国光伏电站用储能电池的发展现状与趋势

根据《机电商报》发布的数据显示，2020年，在新冠疫情冲击下，中国的光伏发电装机容量依然快速增长，保持并延续了多项世界第一。2020年，中国光伏发电新增装机容量为48.2 GW，连续8年位居全球首位；累计装机容量达到253 GW，连续6年位居全球首位[4]。在成本层面，2020年中国光伏组件及系统价格继续降低，光伏组件全年平均价格约为1.57元/W，较2019年下降了10.3%；系统全年平均价格约为3.99元/W，较2019年下降了12.3%。2020年的光伏发电项目中标电价也出现了新的低价纪录，青海省海南藏族自治州某光伏发电竞价项目的中标电价为0.2427元/kWh(约为3.46美分/kWh)，低于2019年达拉特旗65万kW“风光同场”风电光伏项目0.26元/kWh的电价纪录。此外，世界多国的光伏发电系统中标电价也打破了原来的最低纪录，光伏发电已成为极具竞争力的电力产品。

根据中关村储能产业技术联盟(CNESA)的全球储能数据库的不完全统计，截至2020年底，中国已投运的“光伏+储能”项目累计装机容量达883.0 MW，占中国电化学储能投运项目总装机容量的27.0%，年增长率达到了132.3%[5]，具体如图1所示。全年新增电化学储能投运规模达1559.6 MW，同比增长145%，其中一半的新增投运规模均来自新能源发电；长期来看，“新能源+储能”市场的发展空间巨大。

图1 中国已投运的“光伏+储能”项目情况Fig.1 “PV + energy storage”projects put into operation in China

2 中国典型光伏电站用储能电池

2.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池在充电时将电能转换成化学能，放电时再将化学能转换成电能，正极材料为二氧化铅(PbO2)，负极材料为铅(Pb)，电解液为硫酸(H2SO4)。铅酸蓄电池具有电能转换效率高、循环使用寿命长、端电压高、安全性强、性价比高、安装维护简单等特点，是目前各类储能、应急供电和电力启动等装置中应用最多的电化学电池。未来，随着国家清洁能源产业的拉动及国外电池生产企业在华投资的增多，中国铅酸蓄电池产业将飞速发展。根据工信部发布的数据，2020年中国铅酸蓄电池的市场规模为1659亿元，同比增长4.67%，年均复合增长速度为3.62%。随着国际市场需求的逐渐增长，中国铅酸蓄电池市场规模持续稳定增长，已成为世界最大的铅酸蓄电池生产国、出口国和消费国。

铅酸蓄电池的反应原理如图2所示。最能反映铅酸蓄电池充、放电过程的是双极硫酸盐化理论。铅酸蓄电池在放电时正、负极的活性物质均变成硫酸铅(PbSO4)，充电后正极转变成二氧化铅，负极转变成海绵状铅，铅酸蓄电池又还原到原来的状态[6]。

图2 铅酸蓄电池的反应原理Fig.2 Reaction principle of lead-acid battery

铅酸蓄电池的电化学反应过程如式(1)、式(2)所示。其中，放电过程为：

充电过程为：

随着铅酸蓄电池技术的发展，阀控式铅酸蓄电池的应用越来越广泛。由于铅酸蓄电池充电后期会出现正极板产生氧气、负极板产生氢气及水的电解等问题，工程上为了抑制氢气的产生，减少气体释放量，提高释放氢气的电位，降低自放电率，常将阀控式铅酸蓄电池正极改用铅钙合金栅板，负极改用具有活性物质的海绵状铅，利用其与氧气快速反应的特点，负极吸氧增多，抑制了水的减少。阀控式铅酸蓄电池的电池盖上设有单向排气阀(安全阀)，当蓄电池内部气压超过一定值时，单向排气阀会自动开启排出气体，随后自动关闭阻止外界空气进入蓄电池内部。因此，此类蓄电池被称为阀控式铅酸蓄电池[7]。

2.2 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池是一种以磷酸铁锂为正极材料的新型锂离子电池，与铅酸蓄电池相比，其具有比能量高、重量轻、体积小、环保、无污染、免维护、寿命长、高低温适应性能好、无记忆效应、安全性高等优点，磷酸铁锂电池的标称电压为3.2 V，具有良好的电化学性能，充电、放电性能均十分平稳，可高倍率放电，可接受大电流快速充电[8]。

磷酸铁锂电池在80%放电深度条件下，循环使用寿命大于2000次(能量型的磷酸铁锂电池循环使用寿命可以达到6000次)，表明该类电池在深度放电状态下仍能提供高功率输出，完全符合现代动力电池和储能电池的发展需要。目前，磷酸铁锂电池已经广泛应用于电动自行车、电动汽车、电动工具、汽车启动、UPS电源、通信基站、新能源储能、智能微电网等领域。未来，随着磷酸铁锂电池技术的不断成熟，与另一种国内常用的三元锂电池相比，磷酸铁锂电池因出色的安全性能和成本优势，必定会成为未来市场的主流产品。

尽管在制造成本上，磷酸铁锂电池高于铅酸蓄电池，但磷酸铁锂电池的性能优于铅酸蓄电池。磷酸铁锂电池质量为同容量铅酸蓄电池质量的1/3左右，循环使用寿命是铅酸蓄电池的5倍以上，且安装方便、施工和维护成本低，长期使用的综合效益显著。磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的性能对比如表1所示。

表1 磷酸铁锂电池和铅酸蓄电池的性能对比Table 1 Performance comparison of lithium iron phosphate battery and lead-acid battery

2.3 镍氢电池

镍氢电池的正极为氢氧化镍(Ni(OH)2)，负极为储氢合金，电解液为碱性氧化物。镍氢电池的结构包括隔膜纸、电解液、钢壳、顶盖、密封圈等组成部分，制作时可以用隔膜纸将正、负极分开后卷绕在一起密封于钢壳中，制作成圆形电池；也可以用隔膜纸将正、负极分开后叠成层状密封于钢壳中，制作成方形电池。镍氢电池的优点是功率大、重量轻、寿命长、无污染，其能量密度比镍镉电池的能量密度大2倍，工作电压与同类型的镍镉电池的工作电压相同。镍氢电池具有良好的过充电和过放电性能，且基本消除了记忆效应；缺点是自放电性能较差，在充满电放置2个月后，许多镍氢电池的剩余电量减少到原有容量的50%以下，过高的环境温度也会加速其自放电。

镍氢电池主要应用在太阳能储能、电动工具、医疗器械和消费数码产品中，比如太阳能灯、高温灯具、车载T-BOX、汽车OBD和E-CALL系统、电动工具、医疗器械、游戏机手柄、吸尘器、剃须刀、电动牙刷、电动玩具的电池等。镍氢电池的性能稳定、技术成熟，且已实现产业化，未来5年将逐步成为中国新能源储能的重点发展方向。

镍氢电池的反应原理如图3所示。镍氢电池充电时，正极的氢氧化镍失去1个电子并与电解液中电离的氢氧根离子(OH-)结合，生成羟基氧化镍(NiOOH)，负极的氢合金(M)得到1个电子并与电解液中电离的氢离子(H+)结合，生成储氢合金吸附氢(MHab)；放电过程与充电过程相反[9]。

图3 镍氢电池的反应原理Fig.3 Reaction principle of Ni-MH battery

镍氢电池的反应式如式(3)～式(5)所示。其中，正极的反应式为：

负极的反应式为：

总反应的反应式为：

2.4 超级电容器

超级电容器的性能介于电解电容器和蓄电池之间，是一种新型储能装置，由隔膜、电解液、集流体和电极材料等组成。其中，电极材料主要有碳材料、金属氧化物及水合物材料(MxOy)、导电聚合物，通过极化电解质来储能。

按照不同的划分标准，可将超级电容器划分为不同类型。1)按照电解质溶液的不同，可以将超级电容器划分为水系电解液超级电容器、有机电解液超级电容器、固态电解液超级电容器；2)按照超级电容器电极的构成及在电极上发生反应类型的不同，可以将其划分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器；3)按照电极的储能机理及制备原料的不同，可以将超级电容器划分为双电层超级电容器、赝电容超级电容器和混合型超级电容器[10]。

双电层超级电容器通过电解质与电极之间的相互融合形成界面双电层来储存能量，其结构原理图如图4所示。

图4 双电层超级电容器的结构原理图Fig.4 Structural schematic diagram of electric double layer super capacitor

赝电容超级电容器利用电极表面的电活性物质，通过欠电位沉积，发生氧化还原反应和化学吸附/脱附，从而储存电能。

超级电容器的构造简单，具有充放电能力强、功率密度大、容量大、循环使用寿命长、免维护、工作温度低、经济环保等优点，通常应用在汽车电源、电力储能、铁路、航空航天、通信、国防等领域，拥有广阔的发展前景。

超级电容器与电解电容器及铅酸蓄电池3种储能装置的性能对比如表2所示。

表2 3种储能装置的性能对比Table 2 Performance comparison of three types of energy storage devices

以某住宅小区内的1个太阳能路灯为例。该太阳能路灯选用超级电容器作为储能装置，对其正常工作时需要配备的超级电容器的容量进行计算。该太阳能路灯的平均工作时间为每日3 h(即工作时间t为10800 s)，工作电流I为0.025 A，正常工作电压U1为3.7 V，截止工作电压U0为1.8 V。

超级电容器容量的计算式为：

将参数值代入式(6)，可以得出超级电容器的容量为142 F。根据这一结果，该太阳能路灯选择耐压值为5.5 V、容量为140～160 F的超级电容器即可。

2.5 全钒液流电池与钠硫电池

2.5.1 全钒液流电池

全钒液流电池(vanadium flow battery，VFB)全称为全钒氧化还原液流电池(vanadium redox flow battery，VRFB)，是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。全钒液流电池因长寿命、高能效、绿色环保、安全性高、运行维护费用低等特点，成为极具发展潜力的大容量储能装置，可用于电能质量改善、可靠性提高、备用电源与能量管理等方面。全钒液流电池可应用于电网调峰、应急发电装置、电动车车用电源等领域，新能源发电的储能环节也是全钒液流电池的主要应用场景，其通常应用于“光伏+储能”项目的储能环节。但由于全钒液流电池中的钒电解液成本约占该电池成本的60%，导致采用全钒液流电池的大中型储能电站的初始投资门槛较高[11]。

2020年，中国科学院大连化学物理研究所研究员李先锋、张华民带领的科研团队设计了以可焊接全钒液流电池为核心的8kW/80kWh和15kW/80kWh示范储能项目，并均在陕西省投入运行。示范储能项目的额定容量均为80 kWh，额定输出功率分别为8 kW和15 kW，由储能电池模块、电解液循环模块、远程控制系统及力控模块等组成。示范储能项目现场机房等重要负载的备用电源全部采用全钒液流电池和光伏发电配套装置，以确保为负载可靠供电。

2021年5 月，攀钢集团研究院有限公司在全钒液流电池领域取得了技术突破，降低了全钒液流电池用电极材料的成本。与传统电堆相比，采用全钒液流电池的新一代电堆的总成本降低了40%，提升了整个储能电池系统的稳定性和经济性。

未来，随着传导膜、电解液等低成本开发项目的启动，全钒液流电池的成本有望进一步降低，且其从规划设计至回收利用的各个环节的标准规范将逐步建立与完善，商业模式也将逐步多样化。

2.5.2 钠硫电池

钠硫电池的正极由硫和多硫化钠熔盐等活性物质组成，负极由熔融金属钠组成，固体电解质隔膜是一种专门传导钠离子的氧化铝(Al2O3)陶瓷材料，壳体一般为不锈钢金属材料。常见的铅酸蓄电池、镍镉电池等都是固体电极与液体电解质结合组成，而钠硫电池则是由熔融的液体电极材料和固体电解质组成，硫填充在导电多孔碳或石墨毡中。在固定的工作温度下，钠离子透过电解质膜与硫发生反应，进行能量储存和释放[12]。

钠硫电池是一种新型化学电源。早在1966年，美国福特公司的Kumner和Weber就首次提出了钠硫电池系统。钠硫电池具有很长的循环使用寿命，高质量钠硫电池的循环使用寿命一般能达到20000次以上。钠硫电池还具有高能量、高功率密度、无自放电现象、80%以上的充放电转换效率、便于现场安装、材料来源容易获得、价格适当等优势，在大容量储能领域获得了广泛应用。目前，钠硫电池产业化应用的条件日趋成熟，中国储能用钠硫电池已进入产业化的前期准备阶段。

铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池、全钒液流电池和钠硫电池5种储能电池的主要特性对比如表3所示。