储能技术分类及国内大容量蓄电池储能技术比较_巩俊强

引言

随着经济社会的不断发展，电力需求越来越大，电力系统规模不断扩大，电网复杂程度不断增加，对电力供应的可靠性和电能质量要求越来越高；另一方面，人类面临的能源、环境和气候问题日益突出，推广清洁能源、可再生能源的国际呼声不断加大。大容量储能技术能够在一定程度上满足上述需求，因此近年来引起了广泛关注。

1 大容量储能的作用[1]

⑴补充系统中的可调可控型电源，弥补核电可调节性较差的缺陷，平滑太阳能、风能发电出力，提高太阳能、风能利用率；

⑵向负荷侧提供可调、可控、可移动式电力，以满足各种新型负荷或分布式能源的需求；

⑶采用负荷平移技术，实现在电价高位时段享受低谷电价，以节省电费支出；

⑷适应负荷侧高质量、灵活、智能化的要求，减小谐波源、冲击性或波动性负荷对电网的影响；

⑸实现集中式和/或分布式调控技术，对电源侧出力和负荷侧需求进行灵活调控，以保持电力供需的实时平衡，提高电网安全性、供电可靠性和发、输、变、配电设备的利用率。

2 储能技术分类及比较[2]

电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储，按照其具体方式主要分为物理、电磁、电化学三大类型。

2.1物理储能

物理储能是指将电能转换为动能或势能存储的方式，主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。

⑴抽水蓄能是利用电能与水的势能转变，将电网负荷低谷时的多余电能，转变为电网高峰时的高价值电能，提高系统中火电站和核电站的效率。其特点是储存能量大，

储能技术分类及国内大容量蓄电池储能技术比较

巩俊强1 邓浩1 谢莹华2

1.深圳供电局，广东 深圳 518020

2.深圳供电规划设计院有限公司，广东 深圳 518054

摘 要

本文介绍了四大类型的电能储能技术，认为电化学储能虽然价格较高，但在性能及应用前景上有较大优势。进一步对国内磷酸亚铁锂电池、钠硫电池、全钒液流电池三种电化学储能技术的发展情况进行对比研究，认为国内单体电池制造质量已达国际水平，大容量蓄电池储能系统尚处于起步研究阶段，有关性能指标、高级应用还有待时间检验。关键词

大容量；储能；磷酸亚铁锂电池；钠硫电池 全钒液流

但建设周期长，且对地理条件有特殊要求，功率转换效率在70％～75％左右。

⑵压缩空气储能是一种调峰用燃气轮机发电厂，它在负荷低谷时利用电力将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞等地下洞穴内，在需要时释放压缩的空气，再添加燃气发电。1978年开始实际应用，但其对地理条件有特殊要求。

⑶飞轮储能是在储能时由电动机带动飞轮旋转，直至达到设计的转速，放电时由飞轮靠惯性带动发电机输出电能。飞轮储能系统的特点是寿命长、无污染，可在短时间内大功率放电，但飞轮储能的能量密度较低，且为了减小能量损耗，需将飞轮和电机放置在真空度较高的环境中。

2.2电磁储能

电磁储能是直接以电磁能的方式存储电能的技术，主要包括超导储能、超级电容储能等。

⑴超导储能是利用超导体制成的线圈存储磁场能量，具有响应速度快，转换效率高等特点。目前超导储能十分昂贵，包括超导体本身的费用和维持低温所需的费用。

⑵超级电容器的极板为活性炭材料，充放电时无化学反应，多用于高峰值功率、低容量的场合，与常规电容器相比，超级电容器具有更高的介电常数，更大的表面积及更高的耐压能力。

表1 各类储能技术比较[3]

2.3电化学储能

电化学储能是目前进步最快的储能技术之一，除铅酸、镍氢等常规电池技术外，还包括液流、钠硫、锂离子电池等大容量蓄电池储能技术，并在安全性、转换效率和经济性等方面取得重大突破，生产水平显著提高，产业化应用条件日趋成熟。

2.4各类储能技术比较

各类储能技术在能量和功率密度等方面有着明显的区别，也决定了其不同的应用方向，具体比较见表1。

从目前技术水平看，储能功率达到MW 级，储能时间达到小时级的大容量储能技术主要是抽水蓄能、压缩空气储能和电化学储能。其中电化学储能技术的应用不受场地限制，性能有进一步提高的空间，应用前景看好。

3 国内大容量蓄电池储能技术比较

蓄电池发展至今已有200多年的历史，当前主要应用的有铅酸、锌锰、镍镉、锂离子等电池，且技术在不断进步中。本文主要介绍性能较为突出的三种大容量蓄电池技术：磷酸亚铁钴锂、钠硫和全钒液流电池。

3.1磷酸亚铁钴锂电池

3.1.1磷酸亚铁钴锂电池基本特点和生产工艺

锂离子电池以工作电压高、体积小、储能密度高、响应速度快、循环寿命长、内阻小等特点而得到快速发展。锂离子电池因其正负极材料的变化衍生出众多系列，且性能上不断有提高，目前仍是蓄电池行业的研究热点，具有较大发展潜力。

磷酸亚铁钴锂电池的正极材料含磷酸亚铁钴锂LiFeCoPO 4，与传统的钴酸锂电池相比，其能量密度为钴酸锂电池的75％，但在制造成本、安全性能、循环寿命、功率输出范围等方面都具有明显优势。

3.1.2磷酸亚铁钴锂电池基本特性

(1）单体容量达到200A h ，重量6.7k g ，充电电压3.6V ，放电终止电压2V，储能容量约为0.65kWh，能量体积比为198.4kWh/m 3，能量重量比为97kWh/t。

(2）充放电特性：充电初期为恒流充电，当电池电压达到稳定值时，进行恒压充电；放电曲线较平稳，在大部分放电时间内能保持稳定的电压，支持高倍率放电。但过放电性能差，电池放至0V后难以恢复，从放电终止电压降至0V的时间不超过20分钟，需要电池管理系统提供良好的过放保护。

(3）循环寿命：估算单体电池深度充放电的循环次数应在7000次以上。但受温度影响较大，如长期工作于45℃，循环寿命可能缩短50％，而温度过低将影响电池性能，需对运行温度进行控制。

(4）充放电效率：直流充放电效率97％，储能系统转换效率90％左右（含

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.086

制造

Manufacturing

中国科技信息2012年第9期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2012

PCS、变压器损耗）；电池内阻小，自放电小。

（5）安全性：电池在高温情况下内部压力增大，有爆炸隐患，需采取一定的安全控制措施。

（6）回收处理：制造电池的材料均为无毒材料，材料本身不对环境构成污染影响，与常规电池相比具有良好的环保性能。且利用回收技术，可提取废弃电池中的有效成份进行重复利用，降低资源消耗，减少环境污染。

3.2钠硫电池

3.2.1钠硫电池原理和基本结构[4]

钠硫电池（Sodium sulfur battery, Nas）由美国福特公司于1967年首先发明公布。电池通常由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。负极的活性物质是液态金属钠，正极的活性物质主要是液体硫，由于硫是绝缘体，所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Beta－氧化铝的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料，如图1所示。

图1 钠硫电池结构示意图

3.2.2钠硫电池基本特性

（1）钠硫电池单体最大容量为650Ah，标称电压2V，功率约120W，能量体积比约为340.8kWh/m 3。

（2）目前设计为800次深度充放电，预期将来实现使用寿命为15年。

（3）直流充放电效率90％，储能系统转换效率75％（含PCS、变压器损耗）。

（4）电池支持高倍率放电，额定放电电流为80A，短时可达到额定电流的3－5倍。

（5）对环境影响小，无污染气体，无振动，低噪声。

（6）工作温度在300～350℃，电池工作时需要加热保温，消耗部分能量；

（7）钠与硫直接反应将引起爆炸，不宜使用于移动场合下（如电动汽车），在固定场合下使用也应当充分考虑其安全性问题。

3.3钒电池

3.3.1钒电池原理和基本结构[5]

全钒液流电池（all-vanadium redox flow battery，VRB）于1984年，澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的Marria Syallas-Kazacos教授提出将V2+/ V3+电对和V4+/ V5+电对应用于氧化还原电池中。钒电池以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正负电极反应活性物质，通过外接泵把电解液从储液罐压入电池堆体内完成电化学反应。之后，电解液又回

到储液罐，液态的活性物质不断循环流动。钒电池结构主要包括：电池堆、储液罐、质子交换膜等，如图2所示。

图2 钒电池结构示意图

3.3.2钒电池基本特性

（1）最重要的一个特点是：峰值功率取决于电池层总的表面积，电池的电量取决于电解液的多少。它的电极和电解液不必放到一块，意味着能量的存放可以不受电池外壳的限制，功率配置与容量配置相对独立，可根据需要灵活选择。

（2）由于不存在不可逆的氧化还原反应，活性溶液可重复循环使用，因此电池寿命长，更新维护费用较低。据介绍，钒电池设计寿命20年，承诺10万次深度充放电，在实际项目中，有运行3年内，充放电循环次数达到27万次的记录（浅充浅放）。

（3）钒电池中产生反应的是单一元素——钒，即使隔膜损坏，正负极元素直接反应也不会发生爆炸，安全性较高。

（4）在紧急情况下可通过更换溶液实现电池的“即时充电”。

（5）储液罐占地面积大，能量密度为15～25kWh/m 3。

（6）由于钒电池通过外接泵将溶液压入电池堆体内，因此需消耗一定电能。

（7）工作温度要求在5～40℃，温度过低电池停止出力，温度过高也影响效率，大系统通常配水冷装置，推荐工作温度为30℃。

（8）倍率特性不佳，高倍率充放时极化电压急剧上升，电池停止工作。

4 大容量蓄电池技术比较

以上三种大容量蓄电池技术中，钒电池所有的专利、技术和设备已由国内公司通过资产收购方式转为国有，磷酸亚铁锂电池和钠硫电池技术在国内尚处于探索尝试阶段，暂时落后于国际先进水平，几种技术比较如表2：

表2 电池技术比较

5 国内MW级储能电站简介

2011年1月，我国大容量电池储能技术建设取得重大突破，南方电网兆瓦级电池储能站成功并网，标志着我国大容量电池储能集成应用技术取得实质性进展。

南方电网10M W 级电池储能站最终建设规模10M W ×4h ，一期工程建设5MW×4h，目前首批1MW×4h电池储能系统已经成功并网投运。在电池选型上，南方电网经过大量调研和分析，综合考虑造价、寿命、效率以及国产化等方面的问题，最终一期工程采用了锂离子电池，远期考虑采用混合储能电池方案。

兆瓦级电池储能站在国内属于首创，它的主要功能除了用于10kV配网侧的削峰填谷外，更重要的是承担了高级应用的研究任务，包括系统备用、独立供电、无功补偿、电网的黑启动、配合风电和光伏发电等新能源发电等应用模式。

6 总结

通过研究讨论四大类型的电能储能技术，认为电化学储能虽然价格较高，但在性能及应用前景上有较大优势。发展潜力较大的三种电化学储能技术是磷酸亚铁锂电池、钠硫电池、全钒液流电池，进一步对这三种技术在国内的发展情况进行对比研究，得出结论如下：

（1）电化学储能总体来说性能优良，技术发展较快，且不受地形条件限制，适宜安放在城市负荷区，但目前价格仍然较高。

（2）国内单体电池制造质量可达到国际先进水平，但整组电池的循环寿命，以及电池的一致性等仍待实际检验。

（3）三种大容量蓄电池储能技术各有特色，国内的技术水平尚处于探索尝试阶段，南方电网在国内率先投运了1MW×4h 的锂离子电池储能系统，有关电池储能系统的性能指标、高级应用还有待时间检验。

参考文献

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[2]程时杰,文劲宇,孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用[J ].电气应用,2005,24(4),1～8.

[3]程时杰，李刚，孙海顺，文劲宇.储能技术在电气工程领域中的应用与展望[J].电网与清洁能源，2009(2):1～8

[4]温兆银.钠硫电池及其储能应用[J].上海节能,2007(2),7～10.

[5]崔艳华.孟凡明,钒电池储能系统的发展现状及其应用前景[J ].电源技术,2005,29(11),776～780.

作者简介

巩俊强（1979-），男，硕士，研究方向为电力系统自动化；

邓浩（1979-），男，硕士，研究方向为电力系统自动化；

谢莹华（1978-），女，博士，研究方向为电力系统自动化。