淺析太陽能發電系統中儲能電池應用

李 亭 張 軍

(玉門油田分公司水電廠)

0 引言

在非并網狀態下, 太陽能發電系統的正常運轉離不開儲能電池的能源提供, 作為一種依賴自然可再生資源的清潔能源系統, 這種發電方式較為容易收到自然條件因素的干擾, 因此具有一定的間歇性及不可控性?，F階段我國使用的太陽能發電系統的正常運轉大多數來自于鉛蓄電池組的支持, 因此相關技術仍舊具有較大發展空間, 對于儲能系統的需求也日益提高,必須保證其容量足夠支撐大規模機組發動的能源存儲, 由于發電系統廣泛安裝在遠離人群的地理環境中, 因此其儲能系統必須保證其安全性以及使用性。本文基于太陽能發電系統, 提出了一種膠體密封鉛蓄電池的儲能原理, 證明了其使用性。

1 太陽能發電技術發展現狀

當前, 我國能源應用結構中, 熱力作為碳排放的重要領域, 大約占據了整個應用結構一半的排放占比, 大大加劇了溫室效應的程度, 因此在十四五期間, 國家制定了節能減排計劃, 根據相關研究數據分析, 在2018年, 我國占據了全世界接近30%的二氧化碳排放量, 總量約97 億噸, 因此在未來的工業發展中, 依照節能減排措施, 需要從電力減排領域著手推動可持續性發展計劃。

2 太陽能系統常見儲能電池分析

如表1 所示為現階段在發電系統中四種常用儲能電池的特性相關數據, 在下文將對這些儲能電池的特點進行分別論述。

1) 鉛蓄電池

現階段, 鉛蓄電池的應用較為廣泛, 在軍事以及國民生活相關領域占據比重較大, 鉛蓄電池受到人們廣泛歡迎的原因是該電池技術優越性較強, 為了適應社會發展的需求, 鉛蓄電池技術得到了較為深入的優化, 因此該體系較為成熟, 現階段使用使用較為廣泛的鉛蓄電池種類為閥控式密封鉛蓄電池以及膠體密封鉛蓄電池, 這兩種鉛蓄電池內部較為復雜, 容量也較大, 因此當容量范圍接近10000A 時, 這兩種新型鉛蓄電池性能將明顯優于傳統模式下的鉛蓄電池結構。

2) 鎘鎳電池

鎘鎳電池的最大優點是可以快速或慢速充電, 以脈沖或恒定模式充電。在各種常用的電池中, 鎘鎳電池的快速充電時間最短, 一般為1h。即使經過長時間的儲存, 電池也能很好地充電。

鎘鎳電池有大量的充電/放電周期, 非常耐用; 如果維護得好, 它們可以充放電1000 次。然而, 鎘鎳電池需要定期完全放電, 否則極板上會形成大量活性材料的晶體, 這些晶體會失去活性, 電池的容量會迅速下降,導致所謂的記憶效應。鎘鎳電池可以在低溫下充放電,其工作溫度為-40℃～60℃; 其在-40℃下的放電容量仍可達到常溫下放電容量的20%, 而其他一些電池在-40℃下也無法工作。電池的壽命很長, 通常達到5 年以上, 但這種電池的自放電率很高, 只要在24h 內充電,自放電率為10%; 然后逐漸降低。自放電率隨著溫度的升高而增加, 所以在儲存期間有必要對電池進行充電。

鎘鎳電池的比能量是鉛酸電池比能量的1.5 ～2倍, 其成本是鉛酸電池比能量的2 ～2.5 倍。然而,由于循環時間長, 與其他電池相比, 每個充/放電周期的成本更低。除了上面提到的記憶效應外, 這種電池的主要缺點是使用的原材料—鎘—是一種劇毒物質, 許多國家已經明確限制使用這種電池。

(3) 鎳金屬氫化物電池(MH-Ni 電池)

它的能量密度比鎳鎘電池高約40%, 而且是環保的。它不像鎳鎘電池那樣有很強的記憶力, 因此不需要頻繁的充電和放電的維護周期。儲存和運輸也比其他電池更容易。

MH-Ni 電池的使用壽命不如鎳鎘電池長。這是因為在充電的最后階段, 電池會產生高熱, 使儲氫合金膨脹,大大減少了儲氫量, 因此, 步進式充電方法是首選, 充電時間比鎳鎘電池長。NH-Ni 電池只有在低電流放電時才具有80 ～90Wh/kg 的高比能量密度; 在高電流和高功率放電時, 能量密度下降到40Wh/kg 或更低。

(4) 鋰離子電池

鋰離子電池的能量密度非常高, 是鎳鎘電池的2 至3 倍; 它們也有非常好的充電特性, 與鎳鎘電池相似;它們有良好的充電能力。該電池的電壓高達3.6V, 比鎳鎘電池高三倍。此外, 這種電池沒有記憶效應, 因此不需要定期維護充電和放電, 這對用戶來說很方便。

磷酸鐵鋰電池的工作原理是: 電池充電時, 正極材料中的鋰離子脫出來, 經過電解液, 穿過隔膜進入到負極材料中; 電池放電時, 鋰離子又從負極中脫出來, 經過電解液, 穿過隔膜回到正極材料中。

雖然鋰離子電池具有上述所有優點, 但也存在一些尚未解決的問題。

首先, 為了保證電池的安全, 在使用過程中應避免使用金屬鋰, 并采取一定的保護措施。

(1) 所有電池都必須配備有保護的充電和放電電路, 使充電電壓不超過4.2V, 放電電壓不低于2.5V。

(2) 蓄電池的最大充電電流不應超過1C, 放電電流不應超過2C。此外, 電池容量的惡化速度也不容忽視。無論電池是否使用, 2 至3 年后不可避免地會失去吸引力。因此, 電池應儲存在不超過15℃的溫度下, 并在儲存期間充電。

某電廠采用磷酸鐵鋰電池儲能技術在調峰過程中曲線比較(如圖1), 從曲線中可以看到, 跟蹤電網AGC 指令過程中, 儲能調整過的合并出力曲線要明顯好于機組單獨的出力曲線, 儲能系統能夠快速有效地補償和修正機組出力與AGC 指令間的偏差。AGC指令更新時, 儲能系統能夠在1s 內完成出力方向的調整和出力功率的控制。在AGC 指令的反向調節過程中, 該特性和修正效果表現得尤為明顯。

圖1 采用磷酸鐵鋰電池儲能技術在調峰過程中曲線比較

通過安裝磷酸鐵鋰電池蓄能裝置后機組在電網AGC運行下, 調節深度和調節性能進行對比, 得出磷酸鐵鋰電池儲能系統的調頻效果是燃煤機組的3.3 倍左右, 同時也具有一定的靜態、動態及環境效益。當前隨著新能源的快速發展, 中國火力發電已經從過去的單純論發電量轉變為調峰、調頻、調節電網系統穩定的多重角色投入到創新生產, 具有何種應用前景, 是否具備明確的限制條件以及創新成本企業能否全面擔負等問題難以準確研判, 影響生態系統穩定性, 并且企業與高校及科研院所的合作情況對創新資源轉化效率產生一定程度上的影響, 尤其是在信息不對稱的情況下, 企業技術創新成本影響資源吸收的主動性, 企業為了獲取更豐富的創新資源, 也會考慮自身是否具備資源吸收能力, 是否具備配套技術設備, 不利于技術創新活動的整體開展。

2 正在開發的蓄能體系

2.1 鈉硫電池

圖2 顯示了一個鈉硫電池的運行情況。該電池在300℃的高溫下工作。陰極活性材料是液態硫(S),陽極活性材料是液態金屬鈉(Na), 兩種材料之間有一個多孔陶瓷隔板。

圖2 鈉硫電池工作示意圖

鈉硫電池的主要特點是: 能量密度比鉛酸電池高三倍, 充電效率為70 ～80%, 壽命比鉛酸電池長, 使用鈉和硫作為原料。

電池壽命長, 能夠使用鈉和硫作為原料, 在高達300℃的溫度下工作, 安全性和可靠性不如鉛酸電池,適合大型儲能系統。它們最初在日本被用作負荷分擔和后備電源系統。

2.2 氧化還原電池

這種電池使用不同價位的釩(V) 作為正極( +5/+4) 和負極(+2/ +3) 的活性系統, 在它們之間有一個離子交換膜, 石墨板作為電流收集器, 呈網絡結構,其工作原理如圖2。正負電極上的電解液不斷循環, 在流經電極表面時發生電化學反應, 導致充電和放電。

這種類型的電池有以下特點: 電池和蓄電池的可分離性, 模塊容易連接, 活性物質無損失, 壽命長,無自清潔, 有三種使用方式。

無自清潔, 可在三倍額定功率下使用, 響應性好,能源效率高, 均勻性好, 適用于功率波動大的風電系統。在日本、美國和南非的LCD 電廠進行了測試。

2.3 超級電容器

超級電容器是20 世紀60 年代開發的一種新型儲能裝置, 80 年代在國外首次實現商業化, 近年來發展迅速。超級電容器是雙層電化學電容器和準法拉第電容器的組合。它采用具有高比表面積、恒定RuO2-xH2O 比值和準電容特性的多孔碳電極材料, 以38%硫酸或膠體聚合物為電解質, 在兩個電極之間放置0.02 毫米厚的多孔聚乙烯/聚丙烯薄膜、該電極基片組裝成超級電容器。該基片組裝成超級電容器。

超級電容器包括柱狀電容器和薄膜電容器, 前者的基片被纏繞并排列在一個圓形的金屬盒中, 適合于低電壓、大電流的充電和放電; 后者的電極基片被層壓并組裝在一個塑料或金屬盒中, 適合于大電流、小電流的充電和放電。

迄今為止開發的超級電容器具有以下特點: 功率密度高達1000w/kg, 壽命長達50000 次, 充電時間為10 ～30min, 充電效率為95%或以上。

使用壽命極長, 可靠性高。超級電容器適合作為大功率脈沖發生器和特殊應用的儲能系統。

3 膠體電池相關研究

3.1 兩類閥控密封鉛蓄電池(VRLA 電池)

目前, 有兩種類型的帶閥密封鉛酸蓄電池: 帶玻璃纖維膜(AGM) 的密封鉛酸蓄電池, 被稱為AGM蓄電池; 帶膠體電解質的密封鉛酸蓄電池, 被稱為膠體或凝膠蓄電池。這兩類電池的比較如下。

(a) 電池原理。

這兩種類型的電池都是利用陰極的吸附原理來保持電池的密封。當電池充電時, 氧氣沉積在正極上,氫氣沉積在負極上。從陰極沉積的氧氣到達陽極, 與陽極發生反應, 導致陰極吸收, AGM 電池膜保留了電池中的大部分電解液, 但10%的膜孔必須不含電解液。在陰極產生的氧氣通過一些膜孔到達陽極, 在那里被吸收。膠體電池中的硅膠是一個三維多孔網絡結構,在電解質周圍有一個質子SiO2外殼。當電池充滿硅膠時, 框架必須進一步壓縮, 在正負膠板之間產生裂縫,這是氧氣從正極沉積到負極的途徑。因此, 電解質"粘合" 和輸送氧氣到陽極的方式存在差異。

(b) 電池設計和制造工藝的關鍵差異。

AGM 電池使用密度為1.29 ～1.31g/cm3的純硫酸溶液作為電解質, 電解質主要包含在玻璃纖維層中, 除了浸漬在電極板中的地方。為了使從陰極輸送到陽極的氧氣能夠通過通道, 膜上10%的孔隙必須充滿電解質, 也就是說, 膜上沒有液體。為確保與電解液充分接觸, 電極塊必須牢固地連接。為了確保電池有足夠的壽命, 板塊必須更厚, 陰極板網格由三鉛-銅-錫-鋁合金制成。

膠體電池的電解質由硅和硫酸組成; 硫酸溶液的濃度低于AGM 電池, 通常為1.26 ～1.28g/cm3, 電解質含量比AGM 電池高約20%, 與液體電池相當。這種電池有一個液體絕緣的集成安裝結構, 陰極板柵可以用低銻合金制成, 也可以使用管狀電池陰極板。

(c) 電池放電容量。

膠體電池的放電能力應等于或接近于開口鉛酸電池的放電能力, 而AGM 電池的放電能力應比開口鉛酸電池低10%左右。

(d) 大電流下的內阻和放電能力。

AGM 電池應具有低內阻, 并能在大電流下快速放電。膠體電池的內阻比AGM 電池略高, 但其在大

3.2 用于儲能的先進膠體電池

先進的儲能用膠體電池的特點是: 管狀陰極板或厚的平板電極(δ≥5mm); 懸極組; 復合隔板; 板柵合金不含銻; 低密度電解液(d =1.240 ～1.260g/ml)(低溫使用地區, 電解液密度應適當增加); 循環壽命1600 次(DOD =80%); 緩慢的自放電率.1% /月, 特別適用于部分充電, DOD=40% ～80%的循環壽命超過5500 次, 充電效率高達99%。

4 結束語

當前, 在化石能源越來越難以符合世界各國可持續性發展需求的大背景下, 對于清潔能源技術的重視程度在水漲船高, 因此太陽能發電系統作為清潔能源的代表新技術, 具有較大的應用與發展前景。本文以該發電系統中的儲能電池作為研究對象, 除了對于幾種常見的儲能電池做出概述外, 對于膠體密封鉛酸蓄電池做了詳細分析, 作為該發電系統中具有優越成本效益性的儲能電池, 其儲能容量基于不同的使用需求可以隨時做出變化,因此具有較大的使用價值。與當前技術相對成熟的膠體電池相比, 鈉硫電池以及氧化還原電池的相關工藝仍舊較為初步, 具有較大的上升空間。因此本文的相關研究為相關課題提供了較大的參考價值。