光伏电站用储能电池的发展现状及应用前景探析

郭精韬

摘要：随着发电技术的快速发展，风力发电技术和光伏发电技术成为发电体系的主力军。光伏电站是指与电网连接，并向电网中输送电力的光伏发电系统，属于我国鼓励的绿色能源项目。光伏电站主要使用太阳能发电，在发电过程中，多余的电量会被存储到储能电池中。基于此，本文分析当前光伏电站储能电池的发展情况，讨论储能电池的发展现状以及未来发展前景，以供参考。

关键词：光伏电站；储能电池；发展

一、光伏电站用储能电池的重要意义

我国明确提出，到2030年力争达到碳高峰、到2060年力争实现碳中和，这一发展目标对实现经济社会绿色发展以及世界走向低碳发展具有重要的意义和作用。碳中和目标的设定将会让我国现有的能源结构逐渐转型，最终走向新能源领域。将风力发电和光伏发电作为主要形式的二次能源，未来将会占据能源市场的主要地位，而一些煤炭、石油、天然气为主的传统能源消费量将会逐渐下降。目前，我国低碳发展水平已有所改进，但距离碳中和发展目标依旧较远，光伏发电的不稳定性就是其中一个问题。

光伏发电技术可以凭借绿色无污染的可再生能源进行发电，这种发电技术已较为普遍，属于一项较成熟的发电体系。由于全天太阳能分布时间不一致，导致光伏发电技术产出的电量有所波动。如果不经过处理，直接将太阳能光伏板接入电网中，会导致居民在用电的过程中出现不稳定的情况，因此要使用储能电池。储能电池的主要意义是存储光伏发电过剩期间产出的电能，在光伏发电效率下降时，使用储能电池放电，原理相对较简单，对维护电网稳定性具有重要作用。

现如今，我国光伏电站用储能电池主要使用各类储能电池和储能装置，从而顺利存储电能。而在光伏发电系统中，较常见的储能电池主要包括铅酸蓄电池、锂离子电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池、超级电容器等类型，可以应用于光伏发电的不同场景与不同产品中。

二、光伏电站用储能电池的种类

（一）铅酸蓄电池

铅酸蓄电池在充电的过程中可以将电能转化成为化学能，在放电时，再将化学能转化成为电能，从而完成电能存储。铅酸蓄电池正极使用二氧化铅，负极使用铅，电解液使用硫酸。铅酸蓄电池的主要特点是电能转化效率较高，可以使用较长的时间，同时日常使用过程中比较稳定，属于安全的蓄电池类型。现如今，我国各个地区的储能、应急供电、电力启动基本上都会选择铅酸蓄电池。而作为出现较早的储能电池种类，未来将会针对铅酸蓄电池进行进一步投资，当前铅酸蓄电池产业规模已超过1700亿元，且还在稳步增长中，可以说，我国已成为世界上较大的铅酸蓄电池生产国、出口国之一。

铅酸蓄电池的反应原理主要为双基硫酸盐化理论，在放电过程中，铅酸蓄电池正负极活性物质将会转化为硫酸铅，充电时，硫酸铅会在正极转化为二氧化铅，在负极转化成为铅，从而完成电能的存储与释放。

（二）磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池属于一种将磷酸铁锂作为正极材料的电池，是较为新颖的锂离子电池。与铅酸蓄电池相比，磷酸铁锂电池的能量更高，重量更轻，整体存储效率也更高。同时，磷酸铁锂电池对温度不敏感，可以适应高温工作环境。在使用的过程中，磷酸铁锂不会对充电、放电行为产生记忆，因此老化速度较慢，整体较为安全。从电化学性能的角度看，磷酸铁锂电池的充电、放电性能都较好，可以在较高的需求下快速放电，也可以接受大电流充电，是一种较稳定的蓄电池。

磷酸铁锂电池在80%以上的放电条件下，依旧可以循环使用2000次，一些加强的磷酸铁锂电池使用寿命可以在6000次以上。这说明，磷酸铁锂电池即使处于深度放电条件下，仍可以保持较高的输出功率，满足现代化动力电池以及储能电池的使用需求。现如今，磷酸铁锂电池广泛应用于电动自行车、电动汽车、电动工具等领域，汽车启动、UPS电源、通信基站、新能源储能、智能微电网领域也开始使用这一技术。

（三）镍氢电池

镍氢电池的正极为氢氧化镍，负极是储氢合金，电解液属于碱性氧化物。镍氢电池的结构较简单，使用隔膜纸分隔，注入电解液，安装钢壳顶盖，再使用密封圈密封，就可以完成镍氢电池的组装。在制作过程中，将正负极使用隔膜纸封装在钢壳中，制作成圆形电池；也可以使用隔膜纸将正负极分开后进行叠加，放置在钢壳中，制作成方形电池。镍氢电池的优点是功率较大、整体重量较低，可以长时间使用，不会产生较大的污染，能量密度远超镍镉电池，工作电压与镍铬电池相仿。镍氢电池除了过充电与过放电性能达标外，也具有不记忆功能，因此使用寿命较长。而镍氢电池的缺点也较为明显，容易产生自放电，充满电放置在自然环境下，两个月后电池的剩余电量减少50%，如果周边环境温度过高，电池跑电速度会更快。

（四）超级电容器

超级电容器的性能超过大多数的蓄电池，是当前出现的一种全新储能设备，从性质上看，超级电容器属于电池的一种。超级电容器的电极材料主要使用碳材料、金属氧化物、水合物材料、导电聚合物等材料，可以根据极化电解质性能进行储能。

根据以下标准，对超级电容器进行分类：首先，根据电解质溶液的不同种类将超级电容器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三种类型。其次，根据超级电容器的电极构成将发生的反应种类分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器。最后，根据电极储能原理的不同以及使用的材料种类将超级电容器划分成为双层电容超级电容器、赝电容超级电容器、混合型超级电容器三种类型。双层电容超级电容器指将电解质与电极完成彼此融合，从而形成工作界面，存储更多能量，而赝电容超级电容器是利用电极的电化学活动，通过完成欠电位沉积，开展氧化还原反应，存储或吸附电能。混合型电容器属于全新的技术类型，这种电容器一端使用较为传统的电化学反应储存和转化能量，另一端知识使用双电层存储能量，两者结合在一起，将会产生更高的工作电压，从而满足工作需求。

（五）全钒液流电池与钠硫电池

1.全钒液流电池

这一类电池的全称为全返氧化还原液流电池，属于一种活性物质不断循环流动的氧化还原电池类型。全钒液流电池的使用寿命较长，整体能效较高，具有绿色环保的特征，已成为一种发展潜力极大的大容量储能装置。通过使用全钒液流电池，可以有效改善电能质量，且电池的可靠性较高，无论是备用电源还是能量管理，都可以发挥较好的作用。

2.钠硫电池

钠硫电池的正极由硫与多硫化钠熔盐等活性物质共同组成，负极由熔融金属钠组成，电解质隔膜使用一种传导钠离子的氧化铝陶瓷复合材料，外壳使用不锈钢金属。一般来说，较常见的铅酸蓄电池、镍镉电池都属于固体电极和液体电解质，钠硫电池的正负极处于熔融状态，电解质呈现固体状态。钠硫电池需要使用特定的多孔碳或石墨毡导电，导电过程中钠离子通过电解质与硫发生反应，完成能量存储和释放。

三、常见光伏电站储能电池的应用方向

（一）铅酸蓄电池的应用前景

随着我国铅酸蓄电池技术的发展与进步，铅酸蓄电池已发展成阀控式铅酸蓄电池，这一类蓄电池在充电后会在正极产生氧气，在负极产生氢气，将水进行电解化，是一种较常见的蓄电池类型。在使用铅酸蓄电池的过程中，为了更好地控制氢气，避免产生过多气体影响电池运行并减少气体释放量，要提高释放氢气需要的电位，降低放电率，延长电池寿命。此外，将阀控式铅酸蓄电池正极更换为铅钙合金栅板是另一种方法，负极使用海绵铅，整体反应速度较快，反应结果较好。此种方式主要利用与氧气发生快速反应的关键性质，让负极吸氧更多，控制反应产出的水。为避免气体影响铅酸蓄电池的正常运转，铅酸蓄电池上都会设施单向排气阀，一旦气压超标，就会向外排出气体，确保内部压力稳定，正是由于这一排气阀，这一类蓄电池被称为阀控式铅酸蓄电池。在光伏电站运行的过程中，此种蓄电池使用较多，性能稳定，工艺较成熟。不过，也存在易老化、污染环境等缺点。

（二）磷酸铁锂电池的应用前景

当前，磷酸铁锂电池已广泛应用于我国的电动自行车、电动汽车、汽车启动、UPS电源等领域，也应用于我国的新能源储能方面。与铅酸蓄电池相比，磷酸铁锂电池的使用寿命更长，储能效果更好。未来，随着磷酸铁锂电池技术的快速发展和进步，这一技术将会凭借安全性能以及成本较低的优势占有更多的市场。同时，在同等储能能力下，磷酸铁锂电池的重量是铅酸蓄电池的三分之一，循环寿命更是铅酸蓄电池的五倍以上，过去使用铅酸蓄电池的光伏电站，已开始更换使用磷酸铁锂电池，不仅可以减少人力资源消耗，还能安全充电、放电。

（三）镍氢电池的应用前景

当前，镍氢电池主要应用于光伏电站的储能方面，由于体积较小，也应用于一些电力工具、医疗器械方面，例如，医院使用的电动起搏器由镍氢电池供电。一些较小的镍氢电池也被应用于各类设备中，例如，游戏机手柄、吸尘机、电动牙刷等。镍氢电池的制造与使用性能已逐渐成熟，我国也已针对镍氢电池建设了对应的电池产业，相信未来一段时间内，我国光伏电站储能将会大范围推广镍氢电池，而这种电池的缺点在于体积较小、储能能力一般，因此不适合大型光伏电站，适合中小型太阳能发电站。

（四）超级电容器的应用前景

从原理上来说，超级电容器属于一种构造简单的储能装置和储能设备，无论是充电还是放电，整体性能都较强，且功率密度大，可以循环使用，无需进行精细化维护，属于质量较高的储能设备。当前，超级电容器被广泛用于汽车电源、电力储能、航空航天、通信等领域，发展前景广阔，覆盖范围广泛。

（五）全钒液流电池与钠硫电池的应用前景

1.全钒液流电池

当前，全钒液流电池已被正式应用于电网调峰、应急发电装置、电动车车用电源等方面，因此，光伏电站的发电储能也属于全钒液流电池的主要应用场景，但全钒液流电池成本高，一般的光伏电站无法承担。未来，随着传导膜、电解液等低成本开发项目的进一步发展与建设，全钒液流电池的成本有望降低，将其广泛应用于光伏电站储能方面有着良好的效果，商业模式也将愈发多样化与全面化。

2.钠硫电池

由于钠硫电池的特殊性能，钠硫电池具有较长的循环使用寿命，对于一块质量达标的钠硫电池而言，在使用过程中可以循环充电放电20000次以上。同时，钠硫电池的能量密度较高、功率密度较高，不会产生自放电问题。钠硫电池拥有80%以上的充放电转化效率，可以直接在现场安装，再加上钠硫电池的整体成本不高，现今已在大容量储能领域中广泛使用。当前，钠硫电池产业化条件逐渐成熟，我国将钠硫电池正式纳入到产业化发展范畴中，主要用于光伏电站的储能环节。

四、结语

综上说述，本文主要分析光伏电站用储能电池的研究现状，讨论不同储能电池的性质以及反应原理，随后根据光伏电站对储能设备的需求分析较为合理的储能设备。相信未来，随着储能技术的快速发展与进步，储能技术将会愈发全面化、高效化、密度化和低成本化，也不会对环境造成过大的影响与限制。因此，相关技术研究人员要深入研究光伏发电与储能技术，将其结合在一起，促进我国碳中和目标的实现。

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