独立光伏系统的储能技术研究

汤秀芬

（宁夏大学 物理电气信息学院，宁夏 银川750021）

近年来，随着能源、环境问题日益凸显，世界各国都把目光投向进一步开发和利用可再生能源发电。光伏发电受日照和温度等外界条件的影响较大，其功率输出具有较强的间歇性和随机性，因此，储能成为一个必备而关键的特征以配合电力系统的顺畅运行。储能技术可以缓解高峰负荷供电需求，应对系统故障的发生，提高电能质量和用电效率，满足经济社会发展对优质、安全、可靠供电和高效用电的要求。研究和开发高效、廉价的储能技术，成为独立光伏系统可持续发展的关键环节，也是国家未来能源战略的重要组成部分。

1 独立光伏系统简介

1.1 光伏系统结构框图

图1所示为独立光伏系统。应用的储能电池寿命都在十年以下，储能电池寿命决定了光伏系统的寿命。蓄电池组占光伏系统成本的20%～25%［1］，良好的电池性能和使用寿命是降低储能成本的重要因素，所以储能技术需要不断改进和创新［2］。

1.2 独立光伏系统的特殊性

独立光伏系统有不同于其它系统储能技术的特点，其特殊性表现在［3］：充电电源来自于太阳能阵列，能源不用则失，而且系统设计的太阳能阵列容量有限，并“限时不定量供应”。（2）放电深度必须适中，太浅蓄电池容量要大，投入就大；太深蓄电池寿命缩短，发电成本增加。（3）蓄电池处于循环使用，系统中电池数量较多，因此对整组电池容量的均一性要求较高，以提高电池的循环寿命等。（4）容易造成：低光照时，蓄电池欠充；高光照时，蓄电池过充等。另外，光伏储能电池工作环境恶劣，有的地区昼夜温差大，所以理想的储能电池应该有宽的工作温度范围，并且受温度变化影响小。

图1 独立光伏系统结构框图

图1 中，光伏系统中光伏组件的寿命可以达到20年以上，控制器和逆变器的寿命在10年以上，而目前

2 储能技术分类

储能技术大致分为物理储能和化学储能，物理储能又可以分为机械储能和电磁场储能，如图2所示。

电池储能比较适用于中小规模储能和用户需求侧管理［4］。电池储能具有能量密度高、响应时间快、维护成本低、灵活方便等优点，成为目前独立光伏系统储能技术的发展方向。以下将重点介绍几种常见储能技术的基本原理、特点、目前存在的主要问题。

图2 电能储能技术的分类

3 几种常见的储能技术

3.1 机械储能

3.1.1 抽水蓄能

抽水蓄能电站通常由上水库、下水库和输水及发电系统组成，上下水库之间存在一定的落差。抽水蓄能电站主要是利用电网中负荷低谷时的电力，由下水库抽水到上水库蓄能，待电网高峰负荷时，放水回到下水库发电的水电站，又称蓄能式水电站。抽水蓄能电站具有调峰、调相和备用等功能。抽水蓄能的最大局限性是受地理条件的限制，必须具有合适建造上下水库的地理条件。抽水蓄能技术相对成熟，设备寿命可达30～40年。但是，以太阳能光伏发电为目的安装的抽水蓄能电站还很少见。

3.1.2 压缩空气储能

压缩空气储能是根据压力—体积关系进行储能，它可以存储电厂（热、核、风或光伏）的剩余能量，然后在贫电时期或峰值负荷的时候供电。其工作原理是：当电力系统的用电处于低谷时，利用富余电量驱动空气压缩机，把能量以高压空气的形式存储起来；当用电负荷处于高峰时，将储气空间内的高压空气释放出来，驱动发电机发电。目前的主要问题是储能效率较低、能量密度低等。

3.1.3 飞轮储能

飞轮储能的基本原理是把电能转换成旋转体（飞轮）的动能进行存储。当给电机充电时，飞轮增速储能，变电能为机械能；飞轮降速时放能，变机械能为电能。

飞轮储能的最大优势在于双程飞轮系统的转换效率可达90%，同时寿命长、高峰值功率容量大、对环境友好、功率管理简单，针对给定的电压和电流，设计更灵活等优点也使飞轮储能技术拥有更好的市场前景。缺点主要是储能能量密度低、自放电率较高。

3.2 电磁场储能

超级电容器储能是目前主要应用的电磁场储能技术，按照储能原理可以分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类。双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储电能。双电层电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的。法拉第准电容器是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，进行电活性物质欠电位沉积，产生化学吸脱或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。

超级电容器具有充放电速度快、功率密度高、循环使用寿命长、环境友好、工作温度范围宽等优点。这种电池目前的主要问题是能量密度低、成本高。

3.3 电化学储能

电化学储能即通过电化学反应完成电能和化学能之间的相互转换，从而实现电能的存储和释放。电池的类型很多，其内部材料体系和电化学反应机理各异，但是，它们内部的核心结构却基本相同，都是由正极、负极、隔膜和电解质组成。电池内部电势较高的一极称为正极，电势较低的一极称为负极。在充电过程中，电池正极上的活性材料发生氧化反应，失去电子。同时，阳离子通过电解质在电场的作用下向负极移动。失去的电子沿着外电路流向负极，并在负极上与负极活性材料结合，发生还原反应。电池的放电过程与充电过程正好相反。

目前，研究得较多的主要有锂离子电池、钠硫电池、全钒液流电池、铅酸电池等。

3.3.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池电压高，内阻小，输出功率大，电能效率高，技术成熟，使用温度范围广，使用安全，成本较低［5］，在储能技术应用上占有绝对优势。

目前可供光伏储能使用的铅酸蓄电池主要有两种：AGM阀控式蓄电池、胶体阀控式蓄电池。AGM阀控式铅酸电池不需要或很少需要维护，在小电流长时间放电会发生不可逆硫酸盐化，使寿命大大降低，但其内阻小，大电流放电性能优越。胶体阀控式蓄电池的电解液是凝胶态，可以完全固定电解液，没有分层现象，但凝胶态的电解液对硫酸的迁移阻力大，致使电池内阻大，大电流放电性能不理想［6］。

根据光伏系统储能电池的工作特点可知，储能电池是小电流深放电，而且经常欠充电，在这种环境下，AGM电池发生不可逆硫酸盐化，寿命会大大降低，而胶体电解液可以吸附硫酸铅从而降低硫酸铅的过饱和度，防止粗大晶粒的硫酸铅形成，缓解或抑制不可逆硫酸盐化从而保证循环寿命。因此，胶体电池是光伏系统储能的最理想选择。

3.3.2 锂电池

锂电池开路电压约为3.7 V，能量密度约为150 Ah／kg，功率密度超过200（W·h）／kg。这是因为锂电池极板薄，活性物质比表面积高，活性物质利用率高。锂离子电池在容量、功率方面具有较大的优势。这是在相同体积下，锂离子电池的能量密度是铅酸电池的3～4倍，是镍镉电池的2.5倍，是镍氢电池的1.8倍［7－8］。而且锂电池性能安全可靠，环保性较好。此外，由于它没有记忆效应，就不需要进行周期性维护充放电，方便了用户。但价格偏高。随着一种磷酸铁锂的正极材料的出现，降低了锂离子电池的价格，使得锂离子电池在光伏系统储能广泛的应用成为可能。

3.3.3 钠硫电池

钠硫电池是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池，其电极是液态的，电解质是固态的。

钠硫电池的主要特点有：能量密度是铅蓄电池的3倍；固体电解质，不会产生如采用液体电解质的二次电池所产生的副反应，无自放电现象，充电效率高达70%～80%；循环寿命比铅蓄电池长；大电流放电和高功率放电性能好，放电电流密度可达200 mA／c m2以上；原材料钠和硫易得；工作在300℃高温；安全性和可靠性不如铅蓄电池。

目前的钠硫电池技术成本很高。虽然钠硫电池还存在亟待解决的问题，但其性能优越，甚至在诸多方面超过锂电池，在光伏储能应用中较有潜力。

3.3.4 液流电池

液流电池是通过可溶性电对在惰性电极上发生电化学反应而完成能量存储与释放的一类电池。与其他电池不同的是，其电解质（可溶性电对）是分别存放在2个不同的容器中，通过泵的驱动实现循环流动，由于其结构特点，液流电池的功率和容量相互独立，可以根据需求分别调整系统的容量和功率的大小。此外，液态流动电解质使得液流电池响应时间极短（亚秒级）。

全钒氧化还原液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。与其它化学电源相比，钒电池具有明显的优越性，与其它储能电池或二次电池相比，钒电池的活性物质微流体，具有很多独特的性能：功率大，通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加钒电池的功率；容量大，通过任意增加电解液的体积，即可任意增加钒电池的电量；能够100%深度放电；效率高，钒电池的充放电能量转换效率高达75%以上，远高于铅酸电池的45%；寿命长，可瞬间充电，安全性好，无污染，维护简单，成本低。但目前液流电池的能量密度较低，单位造价昂贵，制约了其大规模发展［9－10］。

4 结 论

储能系统能否以设备形态运行，以及是否具有较高的安全可靠性和技术经济性用于光伏系统是决定其能否得到大规模推广应用的重要因素。在众多储能方式中，电池储能技术是契合设备形态需求较好的一种储能技术［11］。

目前储能电池种类较多，性能各有优劣，铅酸蓄电池是传统电池，技术成熟，性能稳定，但它对环境的影响及其有限的循环寿命制约了其在大规模储能中的应用。锂电池在新型电池中技术较成熟，性能优越、安全可靠，符合光伏储能发电的储能要求，但锂离子电池储能价格较高，其安全性能也是一个值得特别关注的问题。而钠硫电池、钒电池在储能市场上有较大潜力，但其技术欠成熟，安全性能有待考究。

［1］ 杨 勇.太阳能系统用铅酸蓄电池综述［J］.蓄电池，2009，2：51－57.

［2］ 毛贤仙，项文敏，唐 征.太阳能光伏系统用VRLA电池技术性能探讨［J］.蓄电池，2003，1（40）：22－24.

［3］ 王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术［M］.北京：化学工业出版社，2009.

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