新能源储能系统中的储能电池研究

2021-03-26孔锋超郝晓明陈燕龙马英敏

光源与照明 2021年6期

孔锋超，郝晓明，陈燕龙，马英敏

1.中国三峡新能源（集团）股份有限公司河北分公司，河北石家庄 050000 2.国家电投集团河北电力有限公司，河北石家庄 050000

0 引言

新能源正在逐渐取代传统能源，成为新的能源龙头产业。大力推动新能源，是发展的需要，也是保护环境的重要举措。与传统电池相比，应用于新能源储能系统中的储能电池已开始向高科技方向发展，具有更长的使用寿命和储能效率，在技术上已达到了一个关键转折点，使新能源储能系统的发展和应用前景广阔。

1 储能方式概述

1.1 电磁能储能

储能技术在新能源系统中的应用可以实现有效的储能，不同的能源可采用不同的储能方式进行储存和转换。通过科学技术将水、热能、冷能和风能转换为电力系统所需的电能，以达到用电需求，最终实现电能的转换和储存。在电磁能转化过程中，可以运用电磁储能技术，通过变频器和超级电容器，将电能转换为适用的电磁能，最终依靠电磁储能技术储存电能，以供需要时使用。同时，在储存和转换电能时，需根据供电系统的实际运行情况，实时采集系统内部的供电电阻和电流，科学转换电磁能量，从而降低能量的损耗问题。在电力不足的情况下，合理运用应用电磁储能技术可以将电磁能转换为可用能源，提高电力工程行业的可靠性。

1.2 物理储能

物理储能具有体积大、花费少、可循环性好等优点，可以为大型发电工程提供持续的能量供给。物理储能大多利用大自然的资源，具有环保性和可持续性，但是其必须准备特殊场地，并需要满足地理条件的要求。常用储存物理能的方法包括抽水储能、压缩空气和飞行能量积累。能量转换率较高的方式是抽水储能，其拥有巨大的储存量，同时成本低廉。压缩空气储能的安全系数性能较高，是解决大型能源生产项目的重要手段。但是，压缩空气储存场地对地质条件有特殊要求，在储能过程中，首先需进行储能，储能是压缩机利用风电机组多余的风能进行基本能量的储存操作、空气压缩和冷却，压缩和冷却空气必须储存在废物中或最近建造的油气矿山中，在井内释放能量；然后释放能量的作用于加热装置，使其在高压下加热空气，并在加热气体的帮助下进入空气内部助燃燃烧室内的材料，燃烧后的气体将驱动燃气轮机。飞行储能与压缩空气储能具有相似性，主要可分为能量积累和能量释放两部分。通过转换旋转飞行的机械能与电能获取能量，具有能源清洁、转化高效、存储快捷等特点[1]。

2 储能电池的优点

储能电池在储能过程中拥有足够兼容的应用条件，可在配电网侧实施平面布置图，从而减少电力企业在高峰时期的能源消耗，确保用户和企业的正常用电需求。同时，储能电池可以产生巨大的经济效益。首先，其可限制高峰时段电网的电力传输，从而达到减少成本的效果；其次，显著改善了电力效率；最后，储能电池扩大能源分配设施的循环周期。通过技术研究和储能电池的开发就可以降低生产成本，在促进电池储能的推广中发着挥积极作用。

3 储能电池的主要类型

由于新能源在能源生产方面具有一定的随机性和差距性，使其发展受到限制，同时这两个原因也使得能源生产不稳定，无法持续工作实现高效发电。为了解决这一问题，可以运用储能电池，确保新能源的可靠性和安全性。同时，可以在能源消耗特别严重的时期释放储存的电力，以保障人们的用电需求，有效缓解高峰能耗对电力事业的影响。此外，应注意新能源的能源转换问题，为达到高效利用新能源的目的，需要更高的效率来储存或释放能量。储能系统装置还应考虑储能能力以及生产效果之间的转化关系问题。

3.1 锂离子电池

近年来，由于新型电池的不断发展，同时电解质和电极以及电池的发展水平也在不断提高，使锂离子电池受到广泛应用，并主要用于普通家用电器中。锂离子电池的优势主要体现在以下方面：首先，拥有较长的使用周期，可以重复多次使用。锂离子电池每次充电达到总存储能量的80%时，可连续循环使用约3 000次。其次，拥有极高的储能密度，且储能转换效率高，几乎可以实现完全转化。但是，锂离子电池的安全隐患问题也显而易见，其安全系数相对较差，过长时间的充电极易引起短路，导致高温，甚至会引起电池爆炸。锂离子电池在电力系统能量转换过程中，具有非常高的转化效率，同时转化时长较短，可以有效节约能源转化成本，在解决电力系统内部能源储存问题的同时，可以确保电力系统平稳运作[2-4]，是锂离子电池完全区别于普通电池的特质。

锂离子电池的储能原理如下：锂离子电池分别采用两种可逆嵌入和脱嵌锂离子化合物当作正负极所构成的二次电池。电池在充电的过程中，锂离子会从正极脱出，通过电解液和隔膜嵌入负极；与此相反，电池在放电的过程中，锂离子会从负极脱嵌，通过电解液和隔膜重新嵌入正极。由于锂离子于正负极之中有相对较为固定的空间和位置，因此电池在实际进行充电和放电期间，具有良好的可逆性反应。除此之外，由于锂离子电池的种类较繁多，化学反应根据反应物的不同也存在一定的差异性。

钛锂电池属于一种改进的优良锂电子电池，正极采用的是钛锂纳米结晶体，而并非传统的碳，使得其正极的表面积能够达到1 003 m2/g，但由碳所组成的正极表面积只有3 m2/g。这也就意味着电子进入后离开阳极的速度会更快，能进一步促使电池具有快充和提供大电流的性能。但此种电池的应用缺点在于，容量电压相比普通的锂电子电池较小。早年珠海建设的风-光-储500 MW综合发电示范系统项目中的储能电池系统，采用了国内所研发的基本单元为2 000 Ah的钛酸锂储能电池。

3.2 铅酸蓄电池

近年来，铅酸蓄电池的使用频率呈上升趋势，影响其工作时长的因素较多，主要包括电池制造商的工厂技艺水平和产品质量，使用中的装载释电条件和温度等。铅酸蓄电池在使用过程中经常容易被损坏，主要表现在如下方面：第一，铅酸蓄电池存在严重的表面腐蚀现象，尤其表现在正极，这是由于在电解液中大部分都含有腐蚀性物质；第二，热量在铅酸蓄电池中难以得到有效控制，电池在使用过程中可能会散热较慢，产热速度比散热速度快，导致电池温度的异常升高，使电解液失水现象较为严重，进而影响其充电放电过程；第三，如果正极板和负极板的上边缘的硫酸含量不同，极有可能导致硫酸与底物进行反应，从而严重缩短电池使用寿命。

3.3 钠硫电池

熔融液型电极和固体电解质共同构成了钠硫电池。该电池正负两极分别为多硫化钠的熔融盐、熔融金属钠和熔融金属硫，使得钠硫电池可以在高温条件下（300 ℃左右的温度）工作。钠硫电池的最大优势是具有极高的能量转化率，可以用大功率进行放电和充电操作，这使钠硫电池拥有极短的充电时间和放电时间，具有明显优势。但是，当其对工作温度的要求较高（300～500 ℃），而且充电时必须保持一定的状态来保障远线度量获得更准确的平均值，还可能由于陶瓷破损而导致发生安全事故[5-9]。