浅析太阳能发电系统中储能电池应用

李 亭 张 军

(玉门油田分公司水电厂)

0 引言

在非并网状态下, 太阳能发电系统的正常运转离不开储能电池的能源提供, 作为一种依赖自然可再生资源的清洁能源系统, 这种发电方式较为容易收到自然条件因素的干扰, 因此具有一定的间歇性及不可控性。现阶段我国使用的太阳能发电系统的正常运转大多数来自于铅蓄电池组的支持, 因此相关技术仍旧具有较大发展空间, 对于储能系统的需求也日益提高,必须保证其容量足够支撑大规模机组发动的能源存储, 由于发电系统广泛安装在远离人群的地理环境中, 因此其储能系统必须保证其安全性以及使用性。本文基于太阳能发电系统, 提出了一种胶体密封铅蓄电池的储能原理, 证明了其使用性。

1 太阳能发电技术发展现状

当前, 我国能源应用结构中, 热力作为碳排放的重要领域, 大约占据了整个应用结构一半的排放占比, 大大加剧了温室效应的程度, 因此在十四五期间, 国家制定了节能减排计划, 根据相关研究数据分析, 在2018年, 我国占据了全世界接近30%的二氧化碳排放量, 总量约97 亿吨, 因此在未来的工业发展中, 依照节能减排措施, 需要从电力减排领域着手推动可持续性发展计划。

2 太阳能系统常见储能电池分析

如表1 所示为现阶段在发电系统中四种常用储能电池的特性相关数据, 在下文将对这些储能电池的特点进行分别论述。

1) 铅蓄电池

现阶段, 铅蓄电池的应用较为广泛, 在军事以及国民生活相关领域占据比重较大, 铅蓄电池受到人们广泛欢迎的原因是该电池技术优越性较强, 为了适应社会发展的需求, 铅蓄电池技术得到了较为深入的优化, 因此该体系较为成熟, 现阶段使用使用较为广泛的铅蓄电池种类为阀控式密封铅蓄电池以及胶体密封铅蓄电池, 这两种铅蓄电池内部较为复杂, 容量也较大, 因此当容量范围接近10000A 时, 这两种新型铅蓄电池性能将明显优于传统模式下的铅蓄电池结构。

2) 镉镍电池

镉镍电池的最大优点是可以快速或慢速充电, 以脉冲或恒定模式充电。在各种常用的电池中, 镉镍电池的快速充电时间最短, 一般为1h。即使经过长时间的储存, 电池也能很好地充电。

镉镍电池有大量的充电/放电周期, 非常耐用; 如果维护得好, 它们可以充放电1000 次。然而, 镉镍电池需要定期完全放电, 否则极板上会形成大量活性材料的晶体, 这些晶体会失去活性, 电池的容量会迅速下降,导致所谓的记忆效应。镉镍电池可以在低温下充放电,其工作温度为-40℃～60℃; 其在-40℃下的放电容量仍可达到常温下放电容量的20%, 而其他一些电池在-40℃下也无法工作。电池的寿命很长, 通常达到5 年以上, 但这种电池的自放电率很高, 只要在24h 内充电,自放电率为10%; 然后逐渐降低。自放电率随着温度的升高而增加, 所以在储存期间有必要对电池进行充电。

镉镍电池的比能量是铅酸电池比能量的1.5 ～2倍, 其成本是铅酸电池比能量的2 ～2.5 倍。然而,由于循环时间长, 与其他电池相比, 每个充/放电周期的成本更低。除了上面提到的记忆效应外, 这种电池的主要缺点是使用的原材料—镉—是一种剧毒物质, 许多国家已经明确限制使用这种电池。

(3) 镍金属氢化物电池(MH-Ni 电池)

它的能量密度比镍镉电池高约40%, 而且是环保的。它不像镍镉电池那样有很强的记忆力, 因此不需要频繁的充电和放电的维护周期。储存和运输也比其他电池更容易。

MH-Ni 电池的使用寿命不如镍镉电池长。这是因为在充电的最后阶段, 电池会产生高热, 使储氢合金膨胀,大大减少了储氢量, 因此, 步进式充电方法是首选, 充电时间比镍镉电池长。NH-Ni 电池只有在低电流放电时才具有80 ～90Wh/kg 的高比能量密度; 在高电流和高功率放电时, 能量密度下降到40Wh/kg 或更低。

(4) 锂离子电池

锂离子电池的能量密度非常高, 是镍镉电池的2 至3 倍; 它们也有非常好的充电特性, 与镍镉电池相似;它们有良好的充电能力。该电池的电压高达3.6V, 比镍镉电池高三倍。此外, 这种电池没有记忆效应, 因此不需要定期维护充电和放电, 这对用户来说很方便。

磷酸铁锂电池的工作原理是: 电池充电时, 正极材料中的锂离子脱出来, 经过电解液, 穿过隔膜进入到负极材料中; 电池放电时, 锂离子又从负极中脱出来, 经过电解液, 穿过隔膜回到正极材料中。

虽然锂离子电池具有上述所有优点, 但也存在一些尚未解决的问题。

首先, 为了保证电池的安全, 在使用过程中应避免使用金属锂, 并采取一定的保护措施。

(1) 所有电池都必须配备有保护的充电和放电电路, 使充电电压不超过4.2V, 放电电压不低于2.5V。

(2) 蓄电池的最大充电电流不应超过1C, 放电电流不应超过2C。此外, 电池容量的恶化速度也不容忽视。无论电池是否使用, 2 至3 年后不可避免地会失去吸引力。因此, 电池应储存在不超过15℃的温度下, 并在储存期间充电。

某电厂采用磷酸铁锂电池储能技术在调峰过程中曲线比较(如图1), 从曲线中可以看到, 跟踪电网AGC 指令过程中, 储能调整过的合并出力曲线要明显好于机组单独的出力曲线, 储能系统能够快速有效地补偿和修正机组出力与AGC 指令间的偏差。AGC指令更新时, 储能系统能够在1s 内完成出力方向的调整和出力功率的控制。在AGC 指令的反向调节过程中, 该特性和修正效果表现得尤为明显。

图1 采用磷酸铁锂电池储能技术在调峰过程中曲线比较

通过安装磷酸铁锂电池蓄能装置后机组在电网AGC运行下, 调节深度和调节性能进行对比, 得出磷酸铁锂电池储能系统的调频效果是燃煤机组的3.3 倍左右, 同时也具有一定的静态、动态及环境效益。当前随着新能源的快速发展, 中国火力发电已经从过去的单纯论发电量转变为调峰、调频、调节电网系统稳定的多重角色投入到创新生产, 具有何种应用前景, 是否具备明确的限制条件以及创新成本企业能否全面担负等问题难以准确研判, 影响生态系统稳定性, 并且企业与高校及科研院所的合作情况对创新资源转化效率产生一定程度上的影响, 尤其是在信息不对称的情况下, 企业技术创新成本影响资源吸收的主动性, 企业为了获取更丰富的创新资源, 也会考虑自身是否具备资源吸收能力, 是否具备配套技术设备, 不利于技术创新活动的整体开展。

2 正在开发的蓄能体系

2.1 钠硫电池

图2 显示了一个钠硫电池的运行情况。该电池在300℃的高温下工作。阴极活性材料是液态硫(S),阳极活性材料是液态金属钠(Na), 两种材料之间有一个多孔陶瓷隔板。

图2 钠硫电池工作示意图

钠硫电池的主要特点是: 能量密度比铅酸电池高三倍, 充电效率为70 ～80%, 寿命比铅酸电池长, 使用钠和硫作为原料。

电池寿命长, 能够使用钠和硫作为原料, 在高达300℃的温度下工作, 安全性和可靠性不如铅酸电池,适合大型储能系统。它们最初在日本被用作负荷分担和后备电源系统。

2.2 氧化还原电池

这种电池使用不同价位的钒(V) 作为正极( +5/+4) 和负极(+2/ +3) 的活性系统, 在它们之间有一个离子交换膜, 石墨板作为电流收集器, 呈网络结构,其工作原理如图2。正负电极上的电解液不断循环, 在流经电极表面时发生电化学反应, 导致充电和放电。

这种类型的电池有以下特点: 电池和蓄电池的可分离性, 模块容易连接, 活性物质无损失, 寿命长,无自清洁, 有三种使用方式。

无自清洁, 可在三倍额定功率下使用, 响应性好,能源效率高, 均匀性好, 适用于功率波动大的风电系统。在日本、美国和南非的LCD 电厂进行了测试。

2.3 超级电容器

超级电容器是20 世纪60 年代开发的一种新型储能装置, 80 年代在国外首次实现商业化, 近年来发展迅速。超级电容器是双层电化学电容器和准法拉第电容器的组合。它采用具有高比表面积、恒定RuO2-xH2O 比值和准电容特性的多孔碳电极材料, 以38%硫酸或胶体聚合物为电解质, 在两个电极之间放置0.02 毫米厚的多孔聚乙烯/聚丙烯薄膜、该电极基片组装成超级电容器。该基片组装成超级电容器。

超级电容器包括柱状电容器和薄膜电容器, 前者的基片被缠绕并排列在一个圆形的金属盒中, 适合于低电压、大电流的充电和放电; 后者的电极基片被层压并组装在一个塑料或金属盒中, 适合于大电流、小电流的充电和放电。

迄今为止开发的超级电容器具有以下特点: 功率密度高达1000w/kg, 寿命长达50000 次, 充电时间为10 ～30min, 充电效率为95%或以上。

使用寿命极长, 可靠性高。超级电容器适合作为大功率脉冲发生器和特殊应用的储能系统。

3 胶体电池相关研究

3.1 两类阀控密封铅蓄电池(VRLA 电池)

目前, 有两种类型的带阀密封铅酸蓄电池: 带玻璃纤维膜(AGM) 的密封铅酸蓄电池, 被称为AGM蓄电池; 带胶体电解质的密封铅酸蓄电池, 被称为胶体或凝胶蓄电池。这两类电池的比较如下。

(a) 电池原理。

这两种类型的电池都是利用阴极的吸附原理来保持电池的密封。当电池充电时, 氧气沉积在正极上,氢气沉积在负极上。从阴极沉积的氧气到达阳极, 与阳极发生反应, 导致阴极吸收, AGM 电池膜保留了电池中的大部分电解液, 但10%的膜孔必须不含电解液。在阴极产生的氧气通过一些膜孔到达阳极, 在那里被吸收。胶体电池中的硅胶是一个三维多孔网络结构,在电解质周围有一个质子SiO2外壳。当电池充满硅胶时, 框架必须进一步压缩, 在正负胶板之间产生裂缝,这是氧气从正极沉积到负极的途径。因此, 电解质"粘合" 和输送氧气到阳极的方式存在差异。

(b) 电池设计和制造工艺的关键差异。

AGM 电池使用密度为1.29 ～1.31g/cm3的纯硫酸溶液作为电解质, 电解质主要包含在玻璃纤维层中, 除了浸渍在电极板中的地方。为了使从阴极输送到阳极的氧气能够通过通道, 膜上10%的孔隙必须充满电解质, 也就是说, 膜上没有液体。为确保与电解液充分接触, 电极块必须牢固地连接。为了确保电池有足够的寿命, 板块必须更厚, 阴极板网格由三铅-铜-锡-铝合金制成。

胶体电池的电解质由硅和硫酸组成; 硫酸溶液的浓度低于AGM 电池, 通常为1.26 ～1.28g/cm3, 电解质含量比AGM 电池高约20%, 与液体电池相当。这种电池有一个液体绝缘的集成安装结构, 阴极板栅可以用低锑合金制成, 也可以使用管状电池阴极板。

(c) 电池放电容量。

胶体电池的放电能力应等于或接近于开口铅酸电池的放电能力, 而AGM 电池的放电能力应比开口铅酸电池低10%左右。

(d) 大电流下的内阻和放电能力。

AGM 电池应具有低内阻, 并能在大电流下快速放电。胶体电池的内阻比AGM 电池略高, 但其在大

3.2 用于储能的先进胶体电池

先进的储能用胶体电池的特点是: 管状阴极板或厚的平板电极(δ≥5mm); 悬极组; 复合隔板; 板栅合金不含锑; 低密度电解液(d =1.240 ～1.260g/ml)(低温使用地区, 电解液密度应适当增加); 循环寿命1600 次(DOD =80%); 缓慢的自放电率.1% /月, 特别适用于部分充电, DOD=40% ～80%的循环寿命超过5500 次, 充电效率高达99%。

4 结束语

当前, 在化石能源越来越难以符合世界各国可持续性发展需求的大背景下, 对于清洁能源技术的重视程度在水涨船高, 因此太阳能发电系统作为清洁能源的代表新技术, 具有较大的应用与发展前景。本文以该发电系统中的储能电池作为研究对象, 除了对于几种常见的储能电池做出概述外, 对于胶体密封铅酸蓄电池做了详细分析, 作为该发电系统中具有优越成本效益性的储能电池, 其储能容量基于不同的使用需求可以随时做出变化,因此具有较大的使用价值。与当前技术相对成熟的胶体电池相比, 钠硫电池以及氧化还原电池的相关工艺仍旧较为初步, 具有较大的上升空间。因此本文的相关研究为相关课题提供了较大的参考价值。