標籤：分布式發電 儲能技術 電池
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201253.htm摘要：分布式發電與儲能技術的結合大大提高了系統的能源利用率，改善系統的穩定性、可靠性以及經濟性。該 文在簡單分析了各種可用於分布式發電的各種儲能技術之後，重點對比研究了各種電池儲能技術，認為鋰離子電 池儲能系統是目前最有發展前景、最有應用優勢的儲能方式。
分布式發電，一般指為滿足用戶特定的需要、支持現 存配電網的經濟運行或同時滿足這兩方面的要求，且在用 戶現場或靠近用戶現場配置功率為數千瓦到50 MW的小 型且與環境兼容的發電機組;從更廣泛的定義來看，分布 式發電指的是任何安裝在用戶附近的發電設施，包含熱電 聯產、冷熱電聯產以及各種蓄能技術等，而不論這種發電 形式的規模大小和一次能源的使用類型[1]。
分布式發電技術有多種分類方式，按發電能源是否可 以再生分為兩大類 ：一類利用可再生能源，主要包括風 力發電、太陽能光伏、小水電、地熱能、生物質能、海洋 能等發電形式;另一類利用不可再生能源，主要包括熱電聯產、微型燃氣輪機、燃料電池等發電形式。其中的風力 發電和太陽能光伏技術，具有的波動性、隨機性、間歇性 成為制約新能源併網的關鍵問題，而儲能技術則是解決這 一問題的有效手段。
目前儲能技術在全球範圍得到關注，取得了迅速的發 展，儲能在分布式發電中起的作用可概括為三個方面[3]： 對系統起穩定的作用;適量的儲能可以在分布式發電單元 不能正常運行的情況下起過渡作用;儲能使得不可調度的 分布式發電單元能夠作為可調度機組單元運行，實現與大 電網的併網運行，提供削峰、緊急功率支持等服務。
1適用於分布式發電的儲能技術
儲能技術具有極高的戰略地位，長期以來世界各國都 在一直不斷支持儲能技術研究和應用，並給予大力的財政 資助。可用於分布式發電的儲能方式主要有電池儲能、抽 水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、超導儲能。超導儲能 目前受制於技術的進步，短期內看不到大規模應用的前 景;飛輪儲能轉換效率較低，大功率飛輪實現難度大;壓 縮空氣儲能對安全要求較高，實現存在一定難度。國內主 要倡導的是抽水蓄能和電池儲能。抽水蓄能電站技術成 熟、存儲容量大、運行壽命長，適宜於電力系統的大容量 儲能，但是受水資源和地理條件的限制。因此，電池儲能 的技術研究是目前分布式發電領域研究熱點之一。
1.1 鈉硫電池
鈉硫電池由美國福特(Ford)公司於1967年首先發 明，至今已有40多年的歷史。然而，受困於電池的性能提 升、安全可靠性保障技術、成本以及規模化生產的工藝和 裝備技術，尤其是核心部件氧化鋁陶瓷管(在電池中起隔 膜作用)的製造及保持電池一致性的批量化生產工藝，使 世界上多家曾經涉足過鈉硫電池研發的公司陸續退出。
1.2 液流電池
液流電池全稱為全釩離子氧化還原液流電池，液流電 池中的兩個氧化-還原電對的活性物質，分別裝在兩個大 儲液罐中的溶液中，各用一個泵，使溶液流經電池，並在 離子交換膜兩側的電極上分別發生還原和氧化反應。單電 池通過雙極板串聯成堆。釩液流電池作為儲能電源，主要 用於電廠(電站) 調峰電源系統、大規模的光電轉換系 統、風能發電的儲能電源以及邊遠地區儲能系統、不間斷 電源或應急電源系統等。
1.3 鎳氫電池
作為鹼性電池的鎳氫電池與鉛酸電池比較，具有容量 大、結構堅固、充放循環次數多的特點，但價格也高一 些。鎳氫電池是新型環保的二次鹼性電池，正極材料為羥 基氧化鎳，負極材料為儲氫合金粉，不含鉛、鉻、汞等有 毒物質。鎳氫電池是密封免維護電池，正常使用過程中也 不會產生任何有害物質。
1.4 鋰離子電池
鋰離子電池是新型綠色環保蓄電池，主要結構分為正 極、負極、電解液、隔膜。當放電時，鋰離子從負極釋放 出進入正極，充電時，鋰離子從正極釋放進入負極。鋰離 子電池按正極材料分類主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、 三元材料、磷酸亞鐵鋰等。各種系列鋰電池特性比較如 下：磷酸亞鐵鋰，因為高放電功率、成本低、可快速充電 且循環壽命長(1000次以上)，在高溫高熱環境下的穩定
性高(300℃高溫以上才有安全隱患)，在大容量、高功 率、安全性方面表現出最佳的性能;三元材料是鈷錳鎳混 合材料，所表現出的電化學性能兼備了鈷錳鎳三者的優 點，彌補了各自的不足，具有高比容量、成本較低、循環 性能穩定、安全性能較好等特點，多在小型功率型電池設 計中採用;錳酸鋰安全性比鈷酸鋰高，但高溫環境的循環 壽命較差(500次);鈷酸鋰容量較高，最大的問題是安 全性差、成本高、循環壽命短。
2各種電池儲能優缺點及應用現狀
2.1 鈉硫電池
鈉硫電池最早發明於20世紀60年代中期，以鈉和硫分 別用作陽極和陰極，Beta-氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解 質的雙重作用。
鈉硫電池優點：比能量高;可大電流、高功率放電; 充放電效率高。缺點：工作溫度較高(300～350 ℃); 充電狀態只能用平均值計量，需要周期性的離線度量;由 於硫具有腐蝕性，電池殼體需經過嚴格耐腐處理;技術受 國外壟斷。
目前，全球只有日本NGK擁有成熟的鈉硫電池生產 和研發體系，在市場上也有成熟的應用業績。我國在大容 量鈉硫電池關鍵技術和小批量製備(年產2MW)上也取 得了突破，但在生產工藝、重大裝備、成本控制和滿足市 場需求等方面仍存在明顯不足。上海市電力公司與上海 矽酸鹽所聯合開發儲能鈉硫電池，已建立了鈉硫電池的2 MW中試線，並製備了650Ah的鈉硫單體電池樣品，但是 在循環壽命、充放倍率、生產成本等關鍵性能指標上距離 NGK仍然有較大的差距。
2.2 液流電池
液流電池優點：電池的功率和儲能容量可以獨立設 計，電池系統組裝設計靈活;電池系統可高功率輸出;電 池系統易於維護，安全穩定;環境友好;可超深度放電 (100%)而不引起電池的不可逆損傷;響應速度快。缺 點是：需要額外的動力電源維持電池的正常運行，降低了 其整體的能量效率;電解液易洩露，需事故預防;液流電 池的造價較高，與鐵鋰電池相比性價比差。
液流電池最早由美國航空航天局(NASA)資助研 發，澳大利亞的Pinnacle VRB Ltd公司及加拿大的VRB Power Systems公司在大型液流電池儲能系統(VRBESS)的開發上走在世界前列。我國研究始於20世紀90年 代，中國科學院大連物化所、中國工程物理研究院電子工 程研究所、中國科學院金屬研究所和中南大學等先後加入 到VRB的研究中來。2006年，中國科學院大連物化研製 成功10kW級VRB系統，但釩電解液和隔膜的高成本阻礙 其商業化推廣。
2.3 鎳氫電池
鎳氫電池優點：具有較高的容量、結構堅固、充放循 環次數多的特點;鎳氫電池是密封免維護電池，不含鉛、 鉻、汞等有毒物質，正常使用過程中也不會產生任何有害 物質，鎳氫電池具有較好的低溫放電特性，自放電率很 小，可深度放電，價格相對便宜且普及。缺點是：有記憶 效應，能量密度低，充電速度較慢，原材料製造成本較 高。
1982年美國Ovonic公司申請儲氫合金用於電池製造的 專利，1985年荷蘭的飛利浦公司突破了儲氫合金在充放電 過程中容量衰減的問題，使鎳氫電池廣泛應用。在美國和 日本，鎳氫電池技術主要應用於混合動力汽車領域。日本 松下電池公司是從事電動車用鎳氫電池開發的主要代表性 廠家，不但開發了純電池電動車用的EV型電池組，還開 發了供汽油機—電池混合動力源的HEV用的高功率型鎳 氫電池。
在國家863計劃的推動下，國內鎳氫電池產業得到了 較大的發展，目前單體電池的技術指標與國外的相差不 大，但一致性和循環壽命與國外有一定差距，特別是集成 大規模電池組後各項指標相差較大。北京有色金屬總院進 行了電動車用方形鎳氫電池的研究試驗，共涉及10、44、 80和100Ah四種單體電池，比能量分別為55、58、60、67 Wh/kg。由鎳氫電池整合而成的電池電源系統已在國內一 汽、二汽、上海汽車工業集團、上海磁懸浮樣車的備用電 源上廣泛使用，包括北京2008年奧運會中標企業在內的國 內混合電動車企業大都採用鎳氫蓄電池作為電源。目前， 國內已在上海市電力公司建設的100 kW儲能試驗園區內 建立了100 kW×1.5 h的鎳氫電池儲能系統，整個系統含 100kW×1.5h鎳氫電池、120kVAPCS和專門開發的儲能 用監控系統組成。
由於使用大量有色金屬鎳和稀土元素，鎳氫電池製造 成本相對較高，與鋰離子電池相比，比能量較低，正逐漸 被鋰離子電池所替代。
2.4 鋰離子電池
鋰離子電池不僅具備高比能量、高比功率、高能量轉 換效率等優點，而且兼具長循環壽命。鋰離子動力電池是 電動技術產業興起的關鍵，現已廣泛應用於電動自行車、 電動汽車等領域，成本也在逐年下降，磷酸亞鐵鋰、鈦酸 RURAL ELECTRIFICATION 鋰等新材料的開發和應用，大大改善了鋰離子電池的安全 性和循環壽命，從而可能將鋰離子電池用於更大規模的儲 能。目前飽受困擾的則是有
的體系安全性稍差，價格還較高。相對於其他體系鋰電池，磷酸亞鐵鋰電池是最有希望 的儲能電池。磷酸亞鐵鋰材料的單位價格不高，其成本在幾種電池材料中是最低的，而且對環境無汙染。磷酸亞鐵 鋰比其他材料的體積要大，成本低，適合大型儲能系統。
目前，高功率鋰離子電池儲能技術日益成熟，逐步取 代鎳氫電池在動力車應用的部分市場。美國能源部DOE 和USABC已支持了3代動力鋰離子電池的研發。USABC 在2007年2月發布了油電混合動力(PHEV)研究目標， 計劃開發高比功率/能量型(比功率為500W/kg，比能量 為56.7Wh/kg)和高比能/功率型(比能量為96.7Wh/kg， 比功率為208.3 W/kg)兩類鋰離子電池組，兩類電池壽 命均要求15年/30萬次，同時對價格、高低溫性能提出要 求。
3結論
儲能技術的不斷發展，會促使分布式發電系統更快地 發展。同時，分布式發電與儲能技術的結合大大提高了系 統的能源利用率，改善系統的穩定性、可靠性以及經濟 性。該文在簡單分析了各種可用於分布式發電的各種儲能 技術之後，重點對比研究了各種電池儲能技術，認為鋰離 子電池儲能系統是目前最有發展前景、最有應用優勢的儲 能方式，隨著鋰離子電池技術的完善和成本下降，鋰離子 電池儲能系統的應用優勢將更為明顯。
參考文獻
[1] 錢科軍，袁越. 分布式發電技術及其對電力系統的影響[J]. 繼電器，2007，35(13)：25-29.
[2] Puttgen H.B., MacGregor P.R., Lambert F.C..Distributed generation: semantic hype or the dawn of a new era[J]. IEEE PowerandEnergyMagazine,2003,1(1):22-29.
[3] 程華，徐政. 分布式發電中的儲能技術[J]. 高壓電器， 2003，39(3)：53-56.