分布式光伏发电关键问题：储能技术

■ 阮晓东

随着可再生能源行业和智能电网产业的迅速崛起，储能技术发挥了越来越重要的作用。就在2012年10月初，中央政府出台了《关于申报分布式光伏发电规模化应用示范区通知》；接着在10月末，温家宝主持召开国务院常务会议讨论通过《能源发展“十二五”规划》，规划中大力提倡推进分布式可再生能源技术应用，两个纲领性文件为国内光伏的分布式应用大发展拉开序幕。

在这两个文件中，都强调要求国家电网配合以解决光伏并网问题。一直以来，分布式应用发展驱动力不足的首要原因便是光伏并网问题。众所周知，分布式光伏发电由于受到季节、气象和地域条件的限制，发电连续性和稳定性都不足，特别是由于调节性较差，当电网接入发电容量过多时，电网将受到一定冲击，对电网的安全产生影响。尽管前几年的“金太阳”工程得到了政府的支持，但真正入网的企业少之又少，这与国家电网的战略性安全布局不无关系。

而从技术上考虑，首先是光伏电力在2005年左右才开始起步，在2010年以后才开始在西北、内蒙古和西南地区大量出现，可再生能源发电的大规模并网接入还缺少统一的规划；其次就是当时大规模高效储能装置还没有得到有效应用，储能技术的安全性也没有得到彻底解决。虽然高效储能装置可解决直接并网对电网的冲击，并可调节电能品质，但市场的出现和技术的提升总是一个相对跟随的过程。此次政策将重点强调解决这一问题，将电网纳入监管层，计量上网电量，配合项目的运营将直接为分布式光伏的应用提供利好刺激。

业内人士很快指出其中的一个关键问题：储能技术。

1 国外储能市场快速崛起

电力系统是国民经济的基础保障之一。电力系统的安全性、稳定性、可靠性和电力质量的保证，对新能源的发展也提出了一系列的要求。目前由于光伏电力的功率等级分散、等效阻抗较大、输出功率波动剧烈等原因，分布式光伏电站对电网而言是一种冲击电源。储能技术诞生的目的就是在光伏发电功率大于负载需要时存储电能，在它们不能够满足负载需要时提供电能进行补足，以最大效率收集利用光伏电力。

存储和消纳已经成为行业主要议题。随着欧洲上网电价补贴和电价之间差距的扩大，分散储能系统对于终端客户来说越来越重要。德国蓄电池专家Matthias Vetter认为，对于分布式发电而言，未来高效储能技术及能源管理系统将为商业及工业建筑节省巨大的电力成本。 其中光伏蓄电系统将可能满足单户家庭或公寓内80%的电力需求。此外，日本东北部特大地震发生后，日本核电将逐步退出市场，而市场的反应是日本家用蓄电系统需求量快速上升。随着分布式光伏系统、屋顶系统及光伏农场的角色越来越重要，从2012年3月30日起，日本经济产业省对容量1kWh以上的蓄电系统给予1/3的补贴，补助政策将在2013年底或支付额达到预算的210亿日元时截止。其市场规模到2020年将达450亿日元，是2010年的563倍。

不得不说，随着光伏应用更加的“亲民”，一个明显的现象是一个新的发展领域——储能市场正在快速形成。目前新型储能技术的发展已经带动了日本整个光伏市场的前进。NEC和松下都推出了家用型太阳能蓄电系统；ELIIYPower建立154MWh锂电池工厂。而德国IBC与韩国LG化学合作开发了锂离子存储太阳能电力解决方案。瑞士LeclanchŽ则开设了自动化存储系统生产工厂，专门为太阳能解决方案服务。

2 中国储能厂商快速跟进

我国储能技术的真正飞跃式发展是从2011开始的，这一年发布的“十二五”规划对储能技术的必要性作了首次阐述。2011年，国家张北风光储输示范项目一期工程顺利完工，自此拉开了中国储能技术应用的大幕。同年，储能正式列入国家《“十二五”科学和技术发展规划》，其中“电能利用和电能储存技术”已被列为我国电网前瞻性关键技术之一，以确保提高系统动态稳定性，保证互联大电网安全，改善区域供电品质和绿色能源电力输出特性。

自此，大规模储能技术作为支撑可再生能源普及的战略性技术，得到我国政府和企业界的高度关注，同时，其巨大的市场潜力也迅速吸引了风投基金的目光。而我国相关企业敏锐的市场嗅觉早已认识到其中巨大的市场潜力，就在分布式光伏发电规模化应用示范区通知发布前的两个月里，各个储能厂商的技术已经密集发布，即使是外国公司都开始紧盯中国国内市场这块巨大的蛋糕。表1即是2012年8月末～10月末主要储能企业/科研单位项目信息，从中不难看出，一场没有硝烟的战争早就开始打响，数十家企业都在进行光伏储能市场的开拓。

其中比较重要的是磷酸铁锂电池、钒电池、钠硫电池技术，而这几种技术目前也是市场关注的焦点以及相关企业发展的重点。如2012年10月，实联长宜中国控股有限公司在淮安市投资的磷酸铁锂电池项目完成签约，项目总投资9900万美元，预计首期投产后，可实现年产能100万只，销售额6亿元人民币。2012年10月，由中航锂电(洛阳)有限公司实施的省重大科技专项“大容量锂离子动力电池全自动生产线研发”顺利通过验收，中航锂电在生产自动化控制、在线监测、DCS集散控制、环境自动检测等关键技术上取得突破，实现了大容量锂电池全过程自动化生产，目前已有4条全自动生产线投入使用，单条生产线的年产能力达3000万Ah。于此同时，重庆、青岛、鄂尔多斯、宁波、武汉、深圳等地的企业都在进行新型储能设备的研发和新生产线的投产，中科院宁波材料技术与工程研究所、大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、青岛生物能源与过程研究所以及北京大学、清华大学、上海交大等都将新型储能技术的研发列入重点项目，新型成果不断推出，一场储能技术的革命正在如火如荼地展开。

3 储能技术的博弈

传统的储能系统以铅酸电池为主，铅酸电池的技术最成熟，价格也最低(12V系列目前国内约6.0元/Ah)。铅酸电池目前国家不再进行支持发展，主要是由于其使用寿命较短、易处于欠充状态和容易导致环境污染。但铅酸电池在部分光伏系统中还有应用，目前应用的主要是固定型排气式铅酸蓄电池、工业型阀控铅酸蓄电池以及小型阀控密封铅酸蓄电池。

铅酸蓄电池由于放电时生成PbSO4，充电时又恢复为PbO2，而二者摩尔体积的不同导致电池在充放电过程中体积反复发生收缩和膨胀，随着放电深度的增加，PbO2粒子变得松弛，不断从板栅上脱落，因此其使用寿命较短。此外，随着充放电次数的增加，极栅板上容易形成难于接受充电的PbSO4结晶，使得蓄电池容量减少，电池长期处于欠充状态。目前新型储能技术发展的格局包括锂离子电池、磷酸铁锂电池、液流电池、钠镍电池、超级电容器、锌溴电池、铝二次电池、超导储能、飞轮储能等。这些新型储能技术一方面解决了电池或储能系统大电流充放电性能的稳定性问题，另外在循环稳定性和安全性方面都有所提升。

从目前的技术进展来看，磷酸铁锂电池、钒电池、钠硫电池和飞轮储能技术得到了越来越多的应用，相关技术更新也较快。

表1 2012年8月末～10月末储能企业/科研单位项目信息整理

(1)磷酸铁锂电池

于2002年出现，由于它的性能特别适于作动力方面的应用，也称磷酸铁锂动力电池。磷酸铁锂电池的优点较明显，可归纳为：极好的循环寿命，达到2000次以上，标准充电(5小时率)使用可达到2000次。同质量的铅酸电池为1～2年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用将达到8～10年。此外，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题。钴酸锂和锰酸锂在强烈碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂经过严格的安全测试，即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。该电池不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属)、无毒(SGS认证通过)、无污染、符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池。

磷酸铁锂电池项目是国家重点支持和鼓励发展的项目，曾列入“十五”期间的“863”国家高科技发展计划。目前主要的生产企业国外有美国Valence(威能)和A123(高博)，国内有天津斯特兰、北大先行、深圳比亚迪公司。由于磷酸铁锂材料的专利基本被来自美国的威能和高博公司申请，所以目前国内的材料厂家很难摆脱国外专利的限制。

但动力电池巨大的需求依然挑动了各个地方的投资冲动。山东海霸通讯设备有限公司投资3.3亿元人民币，拟建成国内最大的磷酸铁锂动力电池生产基地；万向集团也开发了磷酸铁锂聚合物动力电池项目；2012欧洲Intersolar德国慕尼黑光伏展上，比亚迪光伏在革命性光伏TOP.5技术基础上提出了“TOP.5技术(光伏)+铁电池(存储)=电网平价”的新概念。到2012年10月末，比亚迪的存储解决方案出货量达165MW，其中一半应用于太阳能领域，另一半应用于其他可再生能源产品。目前磷酸铁锂储能系统已经得到了光伏系统的普遍认可，2011年3月发布的《华北电网有限公司国家风光储输示范工程(一期)储能设备采购招标公告》以及4月发布《国家风光储输示范工程(一期)液流电池系统采购二次招标公告》中，五个包之中四个都是磷酸铁锂电池系统，分别为：6MW×6h、4MW×4h、3MW×3h和1MW×2h；最后一个包是采购2MW×4h的液流电池系统。最终，比亚迪中标了磷酸铁锂项目最大的6MW×6h的包，外资企业ATL中标4MW×4h，中航锂电中标3MW×3h，万向公司中标1MW×2h，普能公司中标2MW×4h的液流电池系统。

2010年8月25日，南方电网调峰调频发电公司南方电网兆瓦级电池储能站试点工程蓄电池、能量转换系统采购项目招标、评标工作结束，比亚迪是第一中标人，中标金额4797.23万元；第二中标人是中航锂电，中标金额1886.35万元。2011年1月25日，南方电网宣布，中航锂电建造的瓦级电池储能站成功并网。2012年4月中航锂电与上海普天工业园开始共建大容量磷酸铁锂电池生产线。未来磷酸铁锂电池储能系统将成为整个分布式光伏储能系统的技术主流。

(2)钒电池

一般称为氧化还原液流电池，是一种正在积极研制开发的新型大容量电化学储能装置，正负极全使用钒盐溶液的称为全钒液流电池，简称钒电池。钒电池在1985年由澳大利亚新南威尔士大学的MarriaKacos提出，经过多年的研发，目前钒电池技术已经趋近成熟。作为一种新的蓄电池，钒电池的活性物质是电解质溶液，具有容量高、使用领域(环境)广、循环使用寿命长、规模化蓄电等特点，在光伏储能领域有广泛利用价值。

目前钒电池成本与铅酸电池相近，它还可制备兆瓦级电池组，大功率长时间提供电能，因此钒电池在大规模储能领域具有锂离子电池、镍氢电池不可比拟的性价比优势。钒电池早在上世纪90年代就开始在中国发展，中国公司已掌握了钒电池的关键技术。中策资本集团在徐州、南阳等地建立了钒电池原材料生产基地，并在国内最大的风力发电基地甘肃玉门建立了风、光、电储一体化的国家级示范基地。国内大型钒矿企业如攀钢集团、川威集团等企业正在积极寻求资源转化，钒电池已经成为他们新的发展方向。目前的固态电解质钒动力电池已经在电功率、充放电、比能量等方面接近锂电池的水平，而在安全性、使用寿命和成本等方面则比锂电池和铅酸电池有相对优势。钒是典型的中国优势资源，中国占全球钒矿的比例为35%，产量占全球的48%，都居全球第一位，所以未来光伏电力存储领域使用钒电池的几率也比较大。

2012年10月，中科院大连化物所自主研制的“非氟离子交换膜”材料进入小批量试生产，这标志着中国全钒/液流/储能电池技术实现了新突破，并开始产业化应用。目前15套该类型电池352kW单元模块系统将组合应用于国内外最大规模的龙源沈阳法库卧牛石风电场5MW/10MWh全钒液流电池储能系统应用示范工程。与此同时，承德万利通集团公司成为国内第一家规模化生产钒电池的企业，该企业全钒液流电池研发20kW单电堆已完成，单堆10kW的钒电池中试车间已顺利投入运行。目前钒电池发展非常迅速，已经应用于部分地区的电站调峰和风力、光伏储能等项目。2012年5月，普能公司宣布，具备电网级规模循环储电的全钒液流电池储能系统获得加州爱迪生电力公司的并网运营许可，系统将正式全面运行。目前钒电池的制造技术已经趋于成熟，其生产工艺简单、价格经济、电性能优异的特点与磷酸铁锂电池相比具备了一定的竞争实力。

(3)钠硫电池

最早由美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布，至今有40年的历史。钠硫电池是由熔融液态电极和固体电解质组成的，负极活性物质为熔融金属钠，正极活性物质为硫和多硫化钠熔盐。其中的硫填充在导电的多孔炭或石墨毡里，外壳则一般用不锈钢等金属材料。钠硫电池充电时间相当短暂，一次充电可运行10～11h，经热反应后所产生的理论能量密度为786Wh/kg，实际能量密度为300Wh/kg，约是铅酸电池的10倍，镍氢电池的4倍，锂电池的3倍。但钠硫电池也有不足之处，其工作温度在300℃～350℃，电池工作时需要一定的加热保温。未来钠硫电池的发展还有赖技术的进步。

我国的钠硫电池目前应用还较少。2006年8月，上海硅酸盐研究所与上海市电力公司开展了大容量钠硫单体电池的合作研发，2007年3月，成功试制了650Ah的单体电池，我国也成为世界上第二个掌握钠硫单体电池核心技术的国家。2007年8月，双方共建“上海钠硫电池研制基地”，不久就成功研制170余台套具有自有知识产权的生产与性能评价装备，完成了年产2MW的钠硫储能电池中试线，实现10kW储能系统成功演示。2008年3月，上海思源电气公司与上海电力公司正式签署100kW钠硫电池储能系统配套150kVA电网接入系统开发的合同；2010年，思源电气公司的钠硫电池储能系统在上海世博园示范运行。中国内蒙古阿拉善经济开发区所属的兰太公司是国内唯一的核级高纯度金属钠生产企业，2011年10月，芜湖海力实业有限公司与香港磊鑫国际投资集团公司投资约3.5亿元在阿拉善经济开发区开始建设大功率钠硫电池项目，项目主要利用当地兰太公司生产的金属钠。据估计该项目建成后可年产6kW及500kW的大功率钠硫电池共10万台套。

(4)飞轮储能

飞轮储能技术从概念到实际的应用走过了近60年的发展。飞轮储能具有诸多优点：完全是物理式存储、储能密度大、效率高、成本低、寿命长、环境污染小、不受地理环境限制等，是目前最有发展前途的储能技术之一。早在20世纪50年代，瑞士欧瑞康公司就开发出飞轮储能巴士，但此后三四十年间，由于高速旋转飞轮驱动、飞轮轴承摩擦等问题难以解决，飞轮储能技术的发展非常缓慢。清华大学1997年首次实现0.3kWh飞轮储能样机的充放电实验。几年后，该校研究人员完成了0.5kWh飞轮储能不间断电源原理样机，飞轮转速达到42000 r/min。由北京航空航天大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所完成的“卫星新型姿控储能两用飞轮技术”项目获得2007年度国家技术发明一等奖。但是以不间断供电备用电源(UPS)为突破点，飞轮储能设备从2000年开始实现商业示范应用，其中超导技术和高强度材料为飞轮储能提供了支撑。

我国第一批风轮储能设备样机的研制由河北英利集团在2010年底推出，功率在20～60kW之间。2012年9月，由英利历时3年研发的国内单体储能量最大的20kWh磁悬浮储能飞轮磁轴承、轮体结构、控制线路改进等关键技术研发实现突破，飞轮充放电功能得到进一步完善，磁轴承耗损大幅降低，已满足飞轮高速运行的设计要求。据介绍，英利研发20kWh磁悬浮储能飞轮磁轴承损耗由330W(1000r/min)降至3.3W，降幅达99%，电机的转矩提高30%。按照英利的市场规划，“十二五”期间飞轮储能设备将至少生产45万台。以英利为代表的大型光伏企业参与国家级大储能装备科研项目技术攻关，将推动我国储能设备的规模化生产。

飞轮储能技术作为区分于化学储能的另外一种储能技术，如果技术发展成熟，则将成为储能领域新的经济增长点，也将满足未来储能技术多样化发展的需求。

2013年6月，由中国通信学会主办的中国(上海)国际储能、动力电池技术及设备展览会将在上海世博会议中心举办，届时，我们将看到更多储能技术、设备的应用，也将见证中国光伏发展历史上一个重要时刻的到来。