适用于分布式发电的储能技术比较
摘要：分布式发电与储能技术的结合大大提高了系统的能源利用率，改善系统的稳定性、可靠性以及经济性。该 文在简单分析了各种可用于分布式发电的各种储能技术之后，重点对比研究了各种电池储能技术，认为锂离子电 池储能系统是目前最有发展前景、最有应用优势的储能方式。
分布式发电，一般指为满足用户特定的需要、支持现 存配电网的经济运行或同时满足这两方面的要求，且在用 户现场或靠近用户现场配置功率为数千瓦到50 MW的小 型且与环境兼容的发电机组;从更广泛的定义来看，分布 式发电指的是任何安装在用户附近的发电设施，包含热电 联产、冷热电联产以及各种蓄能技术等，而不论这种发电 形式的规模大小和一次能源的使用类型[1]。
分布式发电技术有多种分类方式，按发电能源是否可 以再生分为两大类 ：一类利用可再生能源，主要包括风 力发电、太阳能光伏、小水电、地热能、生物质能、海洋 能等发电形式;另一类利用不可再生能源，主要包括热电联产、微型燃气轮机、燃料电池等发电形式。其中的风力 发电和太阳能光伏技术，具有的波动性、随机性、间歇性 成为制约新能源并网的关键问题，而储能技术则是解决这 一问题的有效手段。
目前储能技术在全球范围得到关注，取得了迅速的发 展，储能在分布式发电中起的作用可概括为三个方面[3]： 对系统起稳定的作用;适量的储能可以在分布式发电单元 不能正常运行的情况下起过渡作用;储能使得不可调度的 分布式发电单元能够作为可调度机组单元运行，实现与大 电网的并网运行，提供削峰、紧急功率支持等服务。
1适用于分布式发电的储能技术
储能技术具有极高的战略地位，长期以来世界各国都 在一直不断支持储能技术研究和应用，并给予大力的财政 资助。可用于分布式发电的储能方式主要有电池储能、抽 水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超导储能。超导储能 目前受制于技术的进步，短期内看不到大规模应用的前 景;飞轮储能转换效率较低，大功率飞轮实现难度大;压 缩空气储能对安全要求较高，实现存在一定难度。国内主 要倡导的是抽水蓄能和电池储能。抽水蓄能电站技术成 熟、存储容量大、运行寿命长，适宜于电力系统的大容量 储能，但是受水资源和地理条件的限制。因此，电池储能 的技术研究是目前分布式发电领域研究热点之一。
1.1 钠硫电池
钠硫电池由美国福特(Ford)公司于1967年首先发 明，至今已有40多年的历史。然而，受困于电池的性能提 升、安全可靠性保障技术、成本以及规模化生产的工艺和 装备技术，尤其是核心部件氧化铝陶瓷管(在电池中起隔 膜作用)的制造及保持电池一致性的批量化生产工艺，使 世界上多家曾经涉足过钠硫电池研发的公司陆续退出。
1.2 液流电池
液流电池全称为全钒离子氧化还原液流电池，液流电 池中的两个氧化-还原电对的活性物质，分别装在两个大 储液罐中的溶液中，各用一个泵，使溶液流经电池，并在 离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应。单电 池通过双极板串联成堆。钒液流电池作为储能电源，主要 用于电厂(电站) 调峰电源系统、大规模的光电转换系 统、风能发电的储能电源以及边远地区储能系统、不间断 电源或应急电源系统等。
1.3 镍氢电池
作为碱性电池的镍氢电池与铅酸电池比较，具有容量 大、结构坚固、充放循环次数多的特点，但价格也高一 些。镍氢电池是新型环保的二次碱性电池，正极材料为羟 基氧化镍，负极材料为储氢合金粉，不含铅、铬、汞等有 毒物质。镍氢电池是密封免维护电池，正常使用过程中也 不会产生任何有害物质。
1.4 锂离子电池
锂离子电池是新型绿色环保蓄电池，主要结构分为正 极、负极、电解液、隔膜。当放电时，锂离子从负极释放 出进入正极，充电时，锂离子从正极释放进入负极。锂离 子电池按正极材料分类主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、 三元材料、磷酸亚铁锂等。各种系列锂电池特性比较如 下：磷酸亚铁锂，因为高放电功率、成本低、可快速充电 且循环寿命长(1000次以上)，在高温高热环境下的稳定
性高(300℃高温以上才有安全隐患)，在大容量、高功 率、安全性方面表现出最佳的性能;三元材料是钴锰镍混 合材料，所表现出的电化学性能兼备了钴锰镍三者的优 点，弥补了各自的不足，具有高比容量、成本较低、循环 性能稳定、安全性能较好等特点，多在小型功率型电池设 计中采用;锰酸锂安全性比钴酸锂高，但高温环境的循环 寿命较差(500次);钴酸锂容量较高，最大的问题是安 全性差、成本高、循环寿命短。
2各种电池储能优缺点及应用现状
2.1 钠硫电池
钠硫电池最早发明于20世纪60年代中期，以钠和硫分 别用作阳极和阴极，Beta-氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解 质的双重作用。
钠硫电池优点：比能量高;可大电流、高功率放电; 充放电效率高。缺点：工作温度较高(300～350 ℃); 充电状态只能用平均值计量，需要周期性的离线度量;由 于硫具有腐蚀性，电池壳体需经过严格耐腐处理;技术受 国外垄断。
目前，全球只有日本NGK拥有成熟的钠硫电池生产 和研发体系，在市场上也有成熟的应用业绩。我国在大容 量钠硫电池关键技术和小批量制备(年产2MW)上也取 得了突破，但在生产工艺、重大装备、成本控制和满足市 场需求等方面仍存在明显不足。上海市电力公司与上海 硅酸盐所联合开发储能钠硫电池，已建立了钠硫电池的2 MW中试线，并制备了650Ah的钠硫单体电池样品，但是 在循环寿命、充放倍率、生产成本等关键性能指标上距离 NGK仍然有较大的差距。
2.2 液流电池
液流电池优点：电池的功率和储能容量可以独立设 计，电池系统组装设计灵活;电池系统可高功率输出;电 池系统易于维护，安全稳定;环境友好;可超深度放电 (100%)而不引起电池的不可逆损伤;响应速度快。缺 点是：需要额外的动力电源维持电池的正常运行，降低了 其整体的能量效率;电解液易泄露，需事故预防;液流电 池的造价较高，与铁锂电池相比性价比差。
液流电池最早由美国航空航天局(NASA)资助研 发，澳大利亚的Pinnacle VRB Ltd公司及加拿大的VRB Power Systems公司在大型液流电池储能系统(VRBESS)的开发上走在世界前列。我国研究始于20世纪90年 代，中国科学院大连物化所、中国工程物理研究院电子工 程研究所、中国科学院金属研究所和中南大学等先后加入 到VRB的研究中来。2006年，中国科学院大连物化研制 成功10kW级VRB系统，但钒电解液和隔膜的高成本阻碍 其商业化推广。
2.3 镍氢电池
镍氢电池优点：具有较高的容量、结构坚固、充放循 环次数多的特点;镍氢电池是密封免维护电池，不含铅、 铬、汞等有毒物质，正常使用过程中也不会产生任何有害 物质，镍氢电池具有较好的低温放电特性，自放电率很 小，可深度放电，价格相对便宜且普及。缺点是：有记忆 效应，能量密度低，充电速度较慢，原材料制造成本较 高。
1982年美国Ovonic公司申请储氢合金用于电池制造的 专利，1985年荷兰的飞利浦公司突破了储氢合金在充放电 过程中容量衰减的问题，使镍氢电池广泛应用。在美国和 日本，镍氢电池技术主要应用于混合动力汽车领域。日本 松下电池公司是从事电动车用镍氢电池开发的主要代表性 厂家，不但开发了纯电池电动车用的EV型电池组，还开 发了供汽油机—电池混合动力源的HEV用的高功率型镍 氢电池。
在国家863计划的推动下，国内镍氢电池产业得到了 较大的发展，目前单体电池的技术指标与国外的相差不 大，但一致性和循环寿命与国外有一定差距，特别是集成 大规模电池组后各项指标相差较大。北京有色金属总院进 行了电动车用方形镍氢电池的研究试验，共涉及10、44、 80和100Ah四种单体电池，比能量分别为55、58、60、67 Wh/kg。由镍氢电池整合而成的电池电源系统已在国内一 汽、二汽、上海汽车工业集团、上海磁悬浮样车的备用电 源上广泛使用，包括北京2008年奥运会中标企业在内的国 内混合电动车企业大都采用镍氢蓄电池作为电源。目前， 国内已在上海市电力公司建设的100 kW储能试验园区内 建立了100 kW×1.5 h的镍氢电池储能系统，整个系统含 100kW×1.5h镍氢电池、120kVAPCS和专门开发的储能 用监控系统组成。
由于使用大量有色金属镍和稀土元素，镍氢电池制造 成本相对较高，与锂离子电池相比，比能量较低，正逐渐 被锂离子电池所替代。
2.4 锂离子电池
锂离子电池不仅具备高比能量、高比功率、高能量转 换效率等优点，而且兼具长循环寿命。锂离子动力电池是 电动技术产业兴起的关键，现已广泛应用于电动自行车、 电动汽车等领域，成本也在逐年下降，磷酸亚铁锂、钛酸 RURAL ELECTRIFICATION 锂等新材料的开发和应用，大大改善了锂离子电池的安全 性和循环寿命，从而可能将锂离子电池用于更大规模的储 能。目前饱受困扰的则是有
的体系安全性稍差，价格还较高。相对于其他体系锂电池，磷酸亚铁锂电池是最有希望 的储能电池。磷酸亚铁锂材料的单位价格不高，其成本在几种电池材料中是最低的，而且对环境无污染。磷酸亚铁 锂比其他材料的体积要大，成本低，适合大型储能系统。
目前，高功率锂离子电池储能技术日益成熟，逐步取 代镍氢电池在动力车应用的部分市场。美国能源部DOE 和USABC已支持了3代动力锂离子电池的研发。USABC 在2007年2月发布了油电混合动力(PHEV)研究目标， 计划开发高比功率/能量型(比功率为500W/kg，比能量 为56.7Wh/kg)和高比能/功率型(比能量为96.7Wh/kg， 比功率为208.3 W/kg)两类锂离子电池组，两类电池寿 命均要求15年/30万次，同时对价格、高低温性能提出要 求。
3结论
储能技术的不断发展，会促使分布式发电系统更快地 发展。同时，分布式发电与储能技术的结合大大提高了系 统的能源利用率，改善系统的稳定性、可靠性以及经济 性。该文在简单分析了各种可用于分布式发电的各种储能 技术之后，重点对比研究了各种电池储能技术，认为锂离 子电池储能系统是目前最有发展前景、最有应用优势的储 能方式，随着锂离子电池技术的完善和成本下降，锂离子 电池储能系统的应用优势将更为明显。
参考文献
[1] 钱科军，袁越. 分布式发电技术及其对电力系统的影响[J]. 继电器，2007，35(13)：25-29.
[2] Puttgen H.B., MacGregor P.R., Lambert F.C..Distributed generation: semantic hype or the dawn of a new era[J]. IEEE PowerandEnergyMagazine,2003,1(1):22-29.
[3] 程华，徐政. 分布式发电中的储能技术[J]. 高压电器， 2003，39(3)：53-56.
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