馬玉菲

(青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

0　引　言

新能源發(fā)電的間隙性和隨機(jī)性等缺點(diǎn)正成為阻礙其深度發(fā)展的首要障礙，平穩(wěn)的發(fā)電功率難以得到保障[1]。儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能夠彌補(bǔ)新能源發(fā)電的上述缺點(diǎn)，使大規(guī)模新能源發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行更加安全可靠。儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)儲(chǔ)存電能，負(fù)荷高峰時(shí)釋放電能，以達(dá)到緩解目前電網(wǎng)面臨電力供應(yīng)巨大峰谷差的壓力。

1　常用儲(chǔ)能電池的應(yīng)用及工作原理

能量的時(shí)間、形態(tài)、數(shù)量的差異普遍存在于新能源的開發(fā)、轉(zhuǎn)換、利用進(jìn)程中。為了緩解這些差異，便于新能源的高效利用，常采取儲(chǔ)存和釋放能量的人為過程或技術(shù)手段，即儲(chǔ)能技術(shù)[2]。成熟的儲(chǔ)能技術(shù)可以解決風(fēng)力、光伏發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)難題、發(fā)電的間歇性問題等，進(jìn)而消除大規(guī)模發(fā)展新能源發(fā)電的主要障礙。所以，提升新能源發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量的同時(shí)，還應(yīng)提高系統(tǒng)的最大儲(chǔ)能容量和有效地提高系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量。

1.1　鋰離子電池

隨著創(chuàng)新型鋰電池電極、電解質(zhì)的出現(xiàn)，以及鋰電池生產(chǎn)技術(shù)的不斷優(yōu)化發(fā)展，使鋰電池的生產(chǎn)成本不斷降低，從而擁有良好的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而促進(jìn)了鋰電池在電力系統(tǒng)的大范圍應(yīng)用。其中液態(tài)鋰離子電池化學(xué)方程式如下：

正極：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe-

負(fù)極：6C+xLi++xe-=LixC6

正極采用LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，負(fù)極采用的LixC6是鋰-碳層間化合。

鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)：工作運(yùn)行壽命長(zhǎng)(當(dāng)放電量小于儲(chǔ)電總量的80%時(shí)，可循環(huán)使用3 000次)、儲(chǔ)能密度高(130 kW·h/t)和儲(chǔ)能效率高(近100%)。安全性方面，鋰電池易發(fā)生過充、內(nèi)部短路、溫升嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致起火爆炸。

1.2　鉛酸電池

不同類型的鉛酸儲(chǔ)能電池的化學(xué)反應(yīng)原理基本相同，安全性方面，相對(duì)于鋰離子電池而言工作環(huán)境安全、生產(chǎn)工藝成熟。

充放電反應(yīng)式：

鉛酸蓄電池的使用壽命受到多種因素影響：電池各部件的生產(chǎn)質(zhì)量和電池整體的制造工藝是內(nèi)部因素；正常運(yùn)行狀態(tài)下的溫度、欠充電、過度放電、浮充電壓的選擇等是外部因素。實(shí)際使用過程中，影響儲(chǔ)能鉛酸電池使用壽命的是電池內(nèi)、外部綜合因素產(chǎn)生的影響。

(1)板柵的腐蝕。電解液有腐蝕作用且正極腐蝕更為嚴(yán)重；

(2)內(nèi)部熱量失控。在一定運(yùn)行環(huán)境下，如果電池散熱速率低于電池內(nèi)部熱量產(chǎn)生的速率，則會(huì)出現(xiàn)電池?zé)崾Э亍?duì)于電解液，水分被持續(xù)的熱失控蒸發(fā)散失，導(dǎo)致濃度不斷增大，電池正常的充放電進(jìn)程難以維持。

(3)嚴(yán)重的酸分層。由于硫酸濃度在極板上的分布差異，導(dǎo)致負(fù)極板底部的活性物質(zhì)硫酸鹽化、正極板膨脹和正極板柵腐蝕，從而縮短電池使用壽命。

1.3　鈉硫電池

由熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)組成的，負(fù)、正極均為活性物質(zhì)，分別是熔融金屬鈉、硫和多硫化鈉熔鹽[3]。鈉硫電池正常工作狀態(tài)下的溫度約為300℃。正、負(fù)極反應(yīng)式如下：

鈉硫電池優(yōu)點(diǎn)：比能量高；可大電流、高功率放電；充放電效率高。缺點(diǎn)：工作溫度較高(300～350℃)；充電模式下需要周期性的離線度量，以便得到平均值；需要對(duì)電池的殼體進(jìn)行嚴(yán)格的抗腐蝕處理。安全性方面，因陶瓷隔膜屬于易碎部件，若隔膜損壞則容易引起火災(zāi)、爆炸等事故。

2　常用蓄能電池的性能對(duì)比

表1分別給出了新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)常見的三種儲(chǔ)能電池的性能、經(jīng)濟(jì)參數(shù)，為選擇高性價(jià)比、容量匹配、系統(tǒng)穩(wěn)定的儲(chǔ)能元件提供參考。

表1　儲(chǔ)能系統(tǒng)三種儲(chǔ)能電池參數(shù)對(duì)比

利用PCS系統(tǒng)(過程控制系統(tǒng))為儲(chǔ)能系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，可大大減少無功調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性得以全面提高。

3　總　結(jié)

本文分析了幾種常見的化學(xué)儲(chǔ)能電池的儲(chǔ)能原理，并對(duì)其性能、經(jīng)濟(jì)性做了詳細(xì)對(duì)比。每種蓄能電池的優(yōu)缺點(diǎn)突出，對(duì)于不同的新能源發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)據(jù)自身需求選擇適合的儲(chǔ)能電池。作為電力系統(tǒng)用戶側(cè)的備用電源、系統(tǒng)“黑啟動(dòng)”的電源，儲(chǔ)能系統(tǒng)有提高系統(tǒng)可靠性和抵御自然災(zāi)害的能力。由于我國(guó)的能源中心和電力負(fù)荷中心距離跨度大，我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展始終是大電網(wǎng)、大電機(jī)的方向，運(yùn)行模式采用集中輸配電模式。隨著可再生能源的飛速發(fā)展和社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量不斷提出新要求，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]BARTON J, PINFIELD D G. Energy storage and its use with intermittent renewable energy[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion,2004,19(2):441-448.

[2]樊栓獅，梁德青，楊向陽(yáng)，等.儲(chǔ)能材料與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]YAO Y F Y, KUMMER J T. Ion exchange properties of, and rates of ionic diffusion in, beta-alumina[J]. Journal of Inorganic Nuclear Chemistry, 1967, 29(9): 2453-2466.

[4]華光輝，赫衛(wèi)國(guó)，趙大偉.儲(chǔ)能技術(shù)在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)中的作用[J].供用電，2010，27(4)：22-25.