風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的儲能電池分析

中心議題：
* 比較密封鉛蓄電池、鋰離子電池等的長處和短處
* 介紹正在開發(fā)研制的鈉硫電池和超級電容器
* 列出膠體密封鉛蓄電池的應(yīng)用實例

風(fēng)能和太陽能非并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)都需要儲能電池。這是由于這兩種發(fā)電方式受到大自然條件變化的影響，而具有間歇性和不可控性。小型風(fēng)能和太陽能非并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)普遍采用鉛蓄電池組作為儲能裝置。目前風(fēng)力發(fā)電機組已由千瓦級發(fā)展到兆瓦級，這就要求儲能系統(tǒng)必需大型化。同時由于發(fā)電系統(tǒng)地理位置的限制，儲能系統(tǒng)必需安全可靠，使用方便，價格便宜，充電效率高，使用壽命長并且有充分的抗惡劣天氣和使用條件的能力。文章綜合了風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)的要求和不同類型蓄電池的特點，闡明了膠體密封鉛蓄電池是風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最合適的儲能裝置。

1 蓄電池是市場認(rèn)可的蓄能裝置表1列出了4種常用的蓄電池的特性，以下簡要介紹它們的特點和試用情況。

(1)鉛蓄電池

鉛蓄電池至今仍然廣泛應(yīng)用于軍事和國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域。究其原因, 首先是這種電池有其固有的優(yōu)越性; 再者, 電池本身為適應(yīng)社會發(fā)展的需要也經(jīng)歷了“脫胎換骨”的變化, 已經(jīng)今非昔比了。當(dāng)前使用最廣泛的是閥控式密封鉛蓄電池(VRLA) 和膠體密封鉛蓄電池。這些電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)多種多樣, 容量范圍可從數(shù)十毫安時到上萬安時, 它們已逐步取代傳統(tǒng)的鉛蓄電池, 其主要優(yōu)缺點概述如下:

電池的能量密度雖然不太高( 30～50 Wh/kg) , 但其功率密度較高, 目前已達(dá)200～300 W/kg, 新設(shè)計的產(chǎn)品可以達(dá)到500 W/kg。這樣的能量密度和功率密度搭配起來, 可以滿足各種用電設(shè)備的需要。電池的生產(chǎn)工藝成熟可靠, 電池的均勻性較好。這是供電電源系統(tǒng)可靠性和安全性的根本保證。電池?zé)o記憶效應(yīng), 既可以隨時充電, 也可以隨時放電, 使用維護工作比較簡單, 耐濫用性比較好, 使用壽命比較長。它的自放電速度可以說是各種蓄電池中最低者, 高溫下月自放電小于電池容量的5%。價格便宜, 這是任何一種蓄電池都無法比擬的。尤其是作為大型儲能電源, 其價格和運行費用往往是能否普及推廣應(yīng)用的非常關(guān)鍵的因素。世界各國的風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)廣泛使用鉛蓄電池作為貯能電池。

(2) 鎘鎳電池

鎘鎳電池的最大優(yōu)點是充電簡單, 既可快速充電又可慢速充電, 既可脈沖充電又可直流充電。在各種常用的蓄電池中, 鎘鎳電池快速充電時間最短, 通常充電1 h 即可使用。即使電池經(jīng)過長時間貯存之后, 仍然可以很好地進行充電。

鎘鎳電池充放電循環(huán)次數(shù)很高, 很耐用; 如果使用維護得比較好, 它可以達(dá)到1 000 次充放電。但鎘鎳電池必須周期性地進行全放電, 否則在極板上將會產(chǎn)生大的活性物質(zhì)結(jié)晶, 失去活性, 電池的容量就會很快下降, 出現(xiàn)通常所說的記憶效應(yīng)。鎘鎳電池可以在低溫條件下進行充放電, 它的工作溫度范圍為- 40℃～60℃; 它在- 40℃條件下的放電容量仍然可以達(dá)到常溫放電容量的20%, 其他一些蓄電池甚至無法在- 40℃工作。

該電池的貯存壽命很長, 一般達(dá)到5 年以上, 但這種電池的自放電速度較大, 剛充完電的電池在24h 內(nèi)自放電速度達(dá)到10%; 然后逐漸下降。溫度升高,自放電速度加大, 因而在電池貯存之后必須重新充電。鎘鎳電池的質(zhì)量比能量是鉛蓄電池的1.5～2 倍,其價格約為鉛蓄電池的2～2.5 倍。但由于它的循環(huán)壽命長, 因而其單位充放電循環(huán)所需的費用就比其他蓄電池要低了。這種電池的最大缺點, 除了上述的記憶效應(yīng)之外, 就是所使用的原材料鎘是毒性很大的物質(zhì), 因而許多國家已明文限制使用這種電池。

(3) 鎳金屬氫化物電池(MH- Ni 電池)

跟鎘鎳電池相比, 它的能量密度比后者高40%左右, 并且不會污染環(huán)境。它不像鎘鎳電池那樣有很強的記憶性, 因而不需要頻繁的周期維護充放電。跟其他電池相比, 其貯存和運輸也比較簡單。MH- Ni 電池的循環(huán)壽命不如鎘鎳電池。這是由于該電池充電后期發(fā)熱量很大, 會導(dǎo)致貯氫合金材料粉末化, 貯氫量明顯下降, 因而最好采用間歇式充電方法, 其充電時間比鎘鎳電池長。MH- Ni 電池的自放電速度也明顯大于鎘鎳電池(約50%) , 所以需要定期地對它進行全充電。NH- Ni 電池只有在小電流放電時才具有80～90Wh/kg 的高比能量輸出; 在大電流放電高功率輸出時, 其能量密度會降至40 Wh/kg 或更低。

(4) 鋰離子電池

鋰離子電池的能量密度很高, 是鎘鎳電池的2- 3倍; 其負(fù)荷特性也非常好, 類似于鎘鎳電池; 它的充電接受能力很好。該電池的單電壓高達(dá)3.6 V, 是鎘鎳電池的3 倍, 此外, 由于它沒有記憶效應(yīng), 就不需要進行周期性維護充放電, 方便了用戶。盡管鋰離子電池有以上得天獨厚的優(yōu)點, 但它也存在著一些尚待解決的問題。

首先, 為保證電池使用過程中的安全性, 就必須避免出現(xiàn)金屬鋰, 因而必須采取一些防護措施: (1)每個單體電池都必須配有充放電保護電路, 使充電電壓不得高于4.2 V, 放電電壓不得低于2.5 V; (2)電池最大充電電流不得大于1 C, 放電電流不得大于2 C; (3) 必須監(jiān)控電池溫度不得超過規(guī)定值。再者, 該電池的容量衰減速度是不容忽視的, 不論電池使用與否, 它都是不可避免的, 并且在2- 3 年之后, 電池就會失效。因而電池的貯存溫度不要高于15 ℃, 并且在貯存過程中要補充充電。由于安全性等因素, 鋰離子電池多用于小型移動電器設(shè)備之中, 目前尚不宜用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)。

二、正在開發(fā)的蓄能體系

2.1 鈉硫熱電池

圖1 示出了鈉硫電池的工作原理。該電池是在300℃高溫條件下工作的。它的正極活性物質(zhì)是液態(tài)硫(S) ; 負(fù)極活性物質(zhì)是液態(tài)金屬鈉(Na) ;中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池的主要特點有: 能量密度是鉛蓄電池的3 倍; 充電效率高達(dá)70%~80%; 循環(huán)壽命比鉛蓄電池長; 原材料鈉和硫易得; 工作在300 ℃高溫; 安全性和可靠性不如鉛蓄電池; 適用于大型儲能體系。日本已初步應(yīng)用于負(fù)荷平衡和應(yīng)急電源系統(tǒng)。

2.2 氧化還原電池

該電池的工作原理如圖2 所示。它采用不同價數(shù)的釩(V) 作為正極( +5 / +4 ) 和負(fù)極( +2 / +3 ) 活性物質(zhì)體系, 中間有離子交換膜; 使用石墨板柵為集流體。正極和負(fù)極電解液在不停地流動, 當(dāng)它們流過電極表面時, 就產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng), 實現(xiàn)充電或放電。這種電池具有下列特性: 電池與儲液罐可分開放, 易于模塊組合; 不會有活性物質(zhì)脫落, 壽命長; 沒有自放電; 可以用3 倍的額定功率輸出; 應(yīng)答性好;能量效率高; 均勻性好; 適用于輸出頻繁變動的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。日本在液晶工廠試用, 美國和南非都有試用。

2.3 超級電容器

超級電容器是20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的一種新型貯能單元, 20 世紀(jì)80 年代國外已進入商業(yè)應(yīng)用規(guī)模, 近年來得到了飛快的發(fā)展。超級電容器是將電化學(xué)雙層電容與法拉弟準(zhǔn)電容結(jié)合起來做成的電容器。它采用比表面積很大的多孔性炭和具有準(zhǔn)電容特性的RuO2•xH2O 按一定的比例做成電極材料, 使用38%硫酸或膠體高分子聚合物作為電解質(zhì), 使用多孔性的聚乙烯/聚丙烯膜作為隔膜, 其厚度為0.02mm。在兩電極之間夾上隔膜, 以此組成電極基片, 再由此基片組裝成超級電容器。超級電容器的結(jié)構(gòu)形式大致分為兩種: 其一是柱狀電容器, 即把基片卷繞起來裝進圓形金屬外殼內(nèi), 這種電容器適用于低電壓大電流充放電的情況;另一種是疊層式的, 即將電極基片疊起來, 組裝在塑料或金屬殼內(nèi), 這種電容器用在高電壓小電流充放電的情況下比較合適。當(dāng)前研制成功的超級電容器具有如下特點: 功率密度高, 1 000 W/kg; 循環(huán)壽命長, 50 000 次; 充電時間短, 全充電10~30 min; 充電效率高, 可達(dá)95%;儲存壽命極長; 可靠性高。超級電容器適用于大功率脈沖輸出, 在一些特定的場合, 它也可以用作儲能系統(tǒng)。
三、膠體電池受到青睞

3.1 兩類閥控密封鉛蓄電池(VRLA 電池)

當(dāng)今閥控密封鉛蓄電池有兩類, 即使用玻璃纖維隔膜(AGM)的緊裝配貧液式密封鉛蓄電池, 簡稱AGM電池; 另一種使用膠體電解液的富液式密封鉛蓄電池, 簡稱膠體電池或Gel 電池。兩類電池的對比如下:

(a) 電池的工作原理

它們都是利用陰極吸收原理使電池得以密封的。電池充電時, 正極會析出氧氣, 負(fù)極會析出氫氣。正極析出的氧到達(dá)負(fù)極, 跟負(fù)極起反應(yīng), 達(dá)到陰極吸收的目的。

AGM電池隔膜中雖然保持了電池的大部分電解液, 但必須保證10%的隔膜孔隙中不進入電解液。正極生成的氧就是通過這部分孔隙到達(dá)負(fù)極而被負(fù)極吸收的。膠體電池內(nèi)的硅凝膠是以SiO2 質(zhì)點作為骨架構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), 它將電解液包藏在里邊。電池灌注的硅溶膠變成凝膠后, 骨架要進一步收縮,使凝膠出現(xiàn)裂縫貫穿于正負(fù)極板之間, 給正極析出的氧提供了到達(dá)負(fù)極的通道。由此看出, 兩種電池的密封工作原理是相同的,其區(qū)別就在于電解液的“固定”方式和提供氧氣到達(dá)負(fù)極的通道的方式有所不同。

(b) 電池結(jié)構(gòu)和工藝上的主要差異

AGM電池使用純的硫酸溶液作電解液, 其密度為1.29～1.31g/cm3。除了極板內(nèi)部吸有一部分電解液外, 其大部存在于玻璃纖維隔膜之中。為了給正極析出的氧提供向負(fù)極的通道, 必須使隔膜保持有10%的孔隙不被電解液占有, 即貧液式設(shè)計。為了使極板充分接觸電解液, 極群采用緊裝配的方式。為了保證電池有足夠的壽命, 極板應(yīng)設(shè)計得較厚, 正板柵合金采用Pb- Ca- Sn- Al 四元合金。膠體電池的電解液是由硅溶膠和硫酸配成的,硫酸溶液的濃度比AGM式電池要低, 通常為1.26～1.28g/cm3。電解液的量比AGM式電池約多20%, 跟富液式電池相當(dāng)。這種電池采用的是富液式非緊裝配結(jié)構(gòu), 正極板柵材料可以采用低銻合金, 也可以采用管狀電池正極板。

(c) 電池放電容量

膠體電池的放電容量達(dá)到或接近開口式鉛蓄電池的水平。AGM式電池的放電容量比開口式電池要低10%左右。

(d) 電池內(nèi)阻及大電流放電能力

AGM電池內(nèi)阻低, 大電流快速放電能力很強。膠體電池的內(nèi)阻比AGM電池稍大, 但它的大電流放電能力并不亞于AGM電池。

(e) 熱失控

熱失控指的是電池在充電后期( 或浮充狀態(tài)) ,由于沒有及時調(diào)整充電電壓, 使電池的充電電流和溫度發(fā)生一種累積性的相互增強作用, 此時電池的溫度急劇上升, 從而導(dǎo)致電池槽膨脹變形, 失水速度加大, 甚至電池?fù)p壞。這是AGM電池在使用不當(dāng)時出現(xiàn)的一種具有很大破壞性的現(xiàn)象。膠體電池沒有熱失控現(xiàn)象。

(f) 使用壽命

膠體電池采用了富液式設(shè)計, 電解液密度比AGM電池低, 降低了板柵合金腐蝕速度; 電解液量也比AGM電池多15%~20%, 對失水的敏感性較低。膠體電池運行壽命達(dá)12～14 年, AGM密封鉛蓄電池只有6-8年。

(g) 自放電

AGM電池的自放電速度為3%~5%/月。我們開發(fā)的儲能用膠體電池自放電速度為1% /月。

3.2 先進的儲能用膠體電池

先進的儲能用膠體電池具有以下特點: 采用管式正極板或厚的平板電極( δR5 mm ); 懸掛式極群;復(fù)合式隔板; 板柵合金不含銻; 低密度電解液( d =1.240~1.260 g/mL ) (低溫使用地區(qū), 電解液密度要適當(dāng)提高); 循環(huán)壽命1 600 次(DOD = 80%); 自放電速度慢, 1%/月; 特別適合部分荷電態(tài)運行; DOD =40%~80%條件下循環(huán)壽命超過5 500 次, 充電效率達(dá)99%。

四、小結(jié)和建議

(1) 膠體密封鉛蓄電池是風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)最合算的儲能裝置。

(2) 電池容量和品位可根據(jù)具體的使用對象和要求來調(diào)整。在交通方便的地方, 可用AGM電池; 在交通不方便的地方, 建議使用長壽命的膠體電池。

(3) 鈉硫電池、氧化還原電池和超電容器的工藝條件不如膠體電池成熟, 有待進一步開發(fā)研究。