风能和太阳能发电系统中的储能电池.pdf

V o l 1 3N o 1F e b 2 0 0 8 收稿日期 2 0 0 7 0 3 2 0 作者简介 桂长清 1 9 3 8 男 安徽省人 研究员 B i o g r a p h y G U I C h a n g q i n g 1 9 3 8 m a l e r e s e a r c hf e l l o w 风能和太阳能非并网发电系统都需要储能电 池 这是由于这两种发电方式受到大自然条件变化 的影响 而具有间歇性和不可控性 小型风能和太阳 能非并网发电系统普遍采用铅蓄电池组作为储能装 置 目前风力发电机组已由千瓦级发展到兆瓦级 这 就要求储能系统必需大型化 同时由于发电系统地 理位置的限制 储能系统必需安全可靠 使用方便 价格便宜 充电效率高 使用寿命长并且有充分的抗 恶劣天气和使用条件的能力 文章综合了风能和太阳能发电系统对储能系统 的要求和不同类型蓄电池的特点 阐明了胶体密封 铅蓄电池是风能和太阳能发电系统的最合适的储能 装置 1蓄电池是市场认可的蓄能装置 表1列出了4种常用的蓄电池的特性 1 以下简 要介绍它们的特点和试用情况 1 铅蓄电池 铅蓄电池至今仍然广泛应用于军事和国民经济 风能和太阳能发电系统中的储能电池 桂长清 中船7 1 2研究所 湖北 武汉4 3 0 0 6 4 摘要 根据风能和太阳能发电系统的特殊性及其对储能装置的要求 比较了密封铅蓄电池 镍镉电 池 镍金属氢化物电池 锂离子电池的长处和短处 介绍了正在开发研制的钠硫电池 氧化还原电池 和超级电容器 同时还列出了胶体密封铅蓄电池的应用实例 显而易见 胶体密封铅蓄电池是风能 和太阳能发电系统的最合适的储能装置 钠硫电池 氧化还原电池和超级电容器有待进一步开发 研究 关键词 风能 太阳能 储能 蓄电池 中图分类号 T M 9 1 2文献标志码 A文章编号 1 0 0 8 7 9 2 3 2 0 0 8 0 1 0 0 5 0 0 5 E n e r g y s t o r i n gb a t t e r i e s u s e di nw i n da n ds o l a r p o w e r g e n e r a t i o ns y s t e ms G U I C h a n g q i n g C S S C7 1 2R e s e a r c hI n s t i t u t e Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 6 4 C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h ee s p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c s f o r w i n da n ds o l a r p o w e r g e n e r a t i o ns y s t e ma n di t s d e m a n d s f o r t h es t o r i n ge n e r g ye q u i p m e n t s t h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s f o r V R L A N i M H N i C d L i t h i u m i o nb a t t e r i e sw e r ec o m p a r e d a n dt h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gN a Sb a t t e r y r e d o x b a t t e r ya n ds u p e r c a p a c i t o r w e r er e v i e w e d A t t h es a m et i m e t h eg e l V R L Ag r o u p s u s e di nt h ew i n d g e n e r a t i o ns y s t e mw e r e i n t r o d u c e da l s o I t i s o b v i o u s l yt h a t i t w o u l db ee x c e l l e n t t os e l e c t t h eg e l V R L Ab a t t e r y a s t h e s t o r i n g e n e r g y b a t t e r y f o r w i n da n ds o l a r p o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m s K e yw o r d s w i n dp o w e r s o l a r p o w e r e n e r g y s t o r i n g s e c o n d a r y b a t t e r y 电池工业 C h i n e s e Ba t t e r y I n d u s t r y 第1 3卷第1期2 0 0 8年2月 5 0 电池工业 C h i n e s e Ba t t e r y I n d u s t r y V o l 1 3N o 1F e b 2 0 0 8 第1 3卷第1期2 0 0 8年2月 的许多领域 究其原因 首先是这种电池有其固有的 优越性 再者 电池本身为适应社会发展的需要也经 历了 脱胎换骨 的变化 已经今非昔比了 当前使用 最广泛的是阀控式密封铅蓄电池 V R L A 和胶体密 封铅蓄电池 这些电池内部结构多种多样 容量范围 可从数十毫安时到上万安时 它们已逐步取代传统 的铅蓄电池 其主要优缺点概述如下 电池的能量密度虽然不太高 3 0 5 0Wh k g 但 其功率密度较高 目前已达2 0 0 3 0 0W k g 新设计的 产品可以达到5 0 0W k g 这样的能量密度和功率密 度搭配起来 可以满足各种用电设备的需要 电池的生产工艺成熟可靠 电池的均匀性较好 这是供电电源系统可靠性和安全性的根本保证 电池无记忆效应 既可以随时充电 也可以随时 放电 使用维护工作比较简单 耐滥用性比较好 使 用寿命比较长 它的自放电速度可以说是各种蓄电池中最低 者 高温下月自放电小于电池容量的5 价格便宜 这是任何一种蓄电池都无法比拟的 尤其是作为大型储能电源 其价格和运行费用往往 是能否普及推广应用的非常关键的因素 世界各国 的风能和太阳能发电系统广泛使用铅蓄电池作为贮 能电池 2 2 镉镍电池 镉镍电池的最大优点是充电简单 既可快速充 电又可慢速充电 既可脉冲充电又可直流充电 在各 种常用的蓄电池中 镉镍电池快速充电时间最短 通 常充电1h即可使用 即使电池经过长时间贮存之 后 仍然可以很好地进行充电 镉镍电池充放电循环次数很高 很耐用 如果使 用维护得比较好 它可以达到10 0 0次充放电 但镉 镍电池必须周期性地进行全放电 否则在极板上将 会产生大的活性物质结晶 失去活性 电池的容量就 会很快下降 出现通常所说的记忆效应 镉镍电池可以在低温条件下进行充放电 它的 工作温度范围为 4 0 6 0 它在 4 0 条件下的放 电容量仍然可以达到常温放电容量的2 0 其他一 些蓄电池甚至无法在 4 0 工作 该电池的贮存寿命很长 一般达到5年以上 但 这种电池的自放电速度较大 刚充完电的电池在2 4 h内自放电速度达到1 0 然后逐渐下降 温度升高 自放电速度加大 因而在电池贮存之后必须重新充 电 镉镍电池的质量比能量是铅蓄电池的1 5 2倍 其价格约为铅蓄电池的2 2 5倍 但由于它的循环寿 命长 因而其单位充放电循环所需的费用就比其他 蓄电池要低了 这种电池的最大缺点 除了上述的记忆效应之 外 就是所使用的原材料镉是毒性很大的物质 因而 许多国家已明文限制使用这种电池 3 镍金属氢化物电池 M H N i电池 跟镉镍电池相比 它的能量密度比后者高4 0 左右 并且不会污染环境 它不像镉镍电池那样有很 强的记忆性 因而不需要频繁的周期维护充放电 跟 其他电池相比 其贮存和运输也比较简单 M H N i电池的循环寿命不如镉镍电池 这是由 于该电池充电后期发热量很大 会导致贮氢合金材 料粉末化 贮氢量明显下降 因而最好采用间歇式充 电方法 其充电时间比镉镍电池长 M H N i电池的自放电速度也明显大于镉镍电池 约5 0 所以需要定期地对它进行全充电 N H N i电池只有在小电流放电时才具有8 0 9 0 Wh k g的高比能量输出 在大电流放电高功率输出 时 其能量密度会降至4 0Wh k g或更低 表1四种常用的蓄电池的主要特性 T a b l e 1 T h e ma i np r o p e r t yo f f o u r s e c o n d a r yb a t t e r i e s 电池类型镉镍镍氢A G M铅酸锂离子 质量比能 Wh k g 4 5 8 08 0 9 03 0 5 01 1 0 1 6 0 比功率 W k g 1 5 0 5 0 05 0 0 10 0 01 5 0 3 5 0 10 0 0 12 0 0 内阻 m 1 0 0 2 0 02 0 0 3 0 0 2 C 1 C 工作温度 2 0 6 0 2 0 6 0 2 0 6 0 2 0 6 0 维护周期 月1 22 33 6不要求 进入市场时间1 9 5 01 9 9 01 9 7 01 9 9 1 价格 k Wh 2 0 0 3 0 03 0 0 5 0 06 0 1 0 030 0 0 40 0 0 注 使用循环次数会因充放电方式 放电深度 环境温度而有 较大变化 5 1 V o l 1 3N o 1F e b 2 0 0 8 4 锂离子电池 锂离子电池的能量密度很高 是镉镍电池的2 3 倍 其负荷特性也非常好 类似于镉镍电池 它的充 电接受能力很好 该电池的单电压高达3 6V 是镉 镍电池的3倍 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 尽管锂离子电池有以上得天独厚的优点 但它 也存在着一些尚待解决的问题 首先 为保证电池使用过程中的安全性 就必须 避免出现金属锂 因而必须采取一些防护措施 1 每个单体电池都必须配有充放电保护电路 使充电 电压不得高于4 2V 放电电压不得低于2 5V 2 电池最大充电电流不得大于1C 放电电流不得大于 2C 3 必须监控电池温度不得超过规定值 再者 该电池的容量衰减速度是不容忽视的 不 论电池使用与否 它都是不可避免的 并且在2 3年 之后 电池就会失效 因而电池的贮存温度不要高于 1 5 并且在贮存过程中要补充充电 由于安全性等因素 锂离子电池多用于小型移 动电器设备之中 目前尚不宜用于大规模储能系统 2正在开发的蓄能体系 3 2 1钠硫热电池 图1示出了钠硫电池的工作原理 该电池是在 3 0 0 高温条件下工作的 它的正极活性物质是液态 硫 S 负极活性物质是液态金属钠 N a 中间是多孔 性陶瓷隔板 钠硫电池的主要特点有 能量密度是铅蓄电池 的3倍 充电效率高达7 0 8 0 循环寿命比铅蓄 电池长 原材料钠和硫易得 工作在3 0 0 高温 安 全性和可靠性不如铅蓄电池 适用于大型储能体系 日本已初步应用于负荷平衡和应急电源系统 2 2氧化还原电池 该电池的工作原理如图2所示 它采用不同价 数的钒 V 作为正极 5 4 和负极 2 3 活性 物质体系 中间有离子交换膜 使用石墨板栅为集流 体 正极和负极电解液在不停地流动 当它们流过电 极表面时 就产生电化学反应 实现充电或放电 这种电池具有下列特性 电池与储液罐可分开 放 易于模块组合 不会有活性物质脱落 寿命长 没 有自放电 可以用3倍的额定功率输出 应答性好 能量效率高 均匀性好 适用于输出频繁变动的风力 发电系统 日本在液晶工厂试用 美国和南非都有试用 2 3超级电容器 4 超级电容器是2 0世纪6 0年代发展起来的一种 新型贮能单元 2 0世纪8 0年代国外已进入商业应用 规模 近年来得到了飞快的发展 超级电容器是将电 化学双层电容与法拉弟准电容结合起来做成的电容 器 它采用比表面积很大的多孔性炭和具有准电容 特性的R u O 2 x H2O按一定的比例做成电极材料 使 用3 8 硫酸或胶体高分子聚合物作为电解质 使用 多孔性的聚乙烯 聚丙烯膜作为隔膜 其厚度为0 0 2 m m 在两电极之间夹上隔膜 以此组成电极基片 再 由此基片组装成超级电容器 超级电容器的结构形式大致分为两种 其一是 图1钠硫电池工作原理图 F i g 1 Wo r k i n gs c h e ma t i c d i a g r a mo f N a Sb a t t e r y 图2钒氧化还原电池工作原理图 F i g 2 Wo r k i n gs c h e ma t i c d i a g r a mo f v a n a d i u m r e d o xb a t t e r y 电池工业C h i n e s eBa t t e r yI n d u s t r y桂长清 风能和太阳能发电系统中的储能电池 5 2 电池工业 C h i n e s e Ba t t e r y I n d u s t r y V o l 1 3N o 1F e b 2 0 0 8 第1 3卷第1期2 0 0 8年2月 柱状电容器 即把基片卷绕起来装进圆形金属外壳 内 这种电容器适用于低电压大电流充放电的情况 另一种是叠层式的 即将电极基片叠起来 组装在塑 料或金属壳内 这种电容器用在高电压小电流充放 电的情况下比较合适 当前研制成功的超级电容器具有如下特点 功 率密度高 10 0 0W k g 循环寿命长 5 00 0 0次 充电 时间短 全充电1 0 3 0m i n 充电效率高 可达9 5 储存寿命极长 可靠性高 超级电容器适用于大功率脉冲输出 在一些特 定的场合 它也可以用作储能系统 3胶体电池受到青睐 3 1两类阀控密封铅蓄电池 V R L A电池 当今阀控密封铅蓄电池有两类 即使用玻璃纤 维隔膜 A G M 的紧装配贫液式密封铅蓄电池 简称 A G M电池 另一种使用胶体电解液的富液式密封铅 蓄电池 简称胶体电池或G e l电池 两类电池的对比 如下 5 a 电池的工作原理 它们都是利用阴极吸收原理使电池得以密封 的 电池充电时 正极会析出氧气 负极会析出氢气 正极析出的氧到达负极 跟负极起反应 达到阴极吸 收的目的 A G M电池隔膜中虽然保持了电池的大部分电解 液 但必须保证1 0 的隔膜孔隙中不进入电解液 正 极生成的氧就是通过这部分孔隙到达负极而被负极 吸收的 胶体电池内的硅凝胶是以S i O 2质点作为骨架构 成的三维多孔网状结构 6 它将电解液包藏在里边 电池灌注的硅溶胶变成凝胶后 骨架要进一步收缩 使凝胶出现裂缝贯穿于正负极板之间 给正极析出 的氧提供了到达负极的通道 由此看出 两种电池的密封工作原理是相同的 其区别就在于电解液的 固定 方式和提供氧气到达 负极的通道的方式有所不同 b 电池结构和工艺上的主要差异 A G M电池使用纯的硫酸溶液作电解液 其密度 为1 2 9 1 3 1 g c m 3 除了极板内部吸有一部分电解液 外 其大部存在于玻璃纤维隔膜之中 为了给正极析 出的氧提供向负极的通道 必须使隔膜保持有1 0 的孔隙不被电解液占有 即贫液式设计 为了使极板 充分接触电解液 极群采用紧装配的方式 为了保证 电池有足够的寿命 极板应设计得较厚 正板栅合金 采用P b C a S n A l四元合金 胶体电池的电解液是由硅溶胶和硫酸配成的 硫酸溶液的浓度比A G M式电池要低 通常为1 2 6 1 2 8 g c m 3 电解液的量比A G M式电池约多2 0 跟 富液式电池相当 这种电池采用的是富液式非紧装 配结构 正极板栅材料可以采用低锑合金 也可以采 用管状电池正极板 c 电池放电容量 胶体电池的放电容量达到或接近开口式铅蓄电 池的水平 A G M式电池的放电容量比开口式电池要 低1 0 左右 d 电池内阻及大电流放电能力 A G M电池内阻低 大电流快速放电能力很强 胶体电池的内阻比A G M电池稍大 但它的大电 流放电能力并不亚于A G M电池 e 热失控 热失控指的是电池在充电后期 或浮充状态 由于没有及时调整充电电压 使电池的充电电流和 温度发生一种累积性的相互增强作用 此时电池的 温度急剧上升 从而导致电池槽膨胀变形 失水速度 加大 甚至电池损坏 这是A G M电池在使用不当时出现的一种具有 很大破坏性的现象 胶体电池没有热失控现象 f 使用寿命 胶体电池采用了富液式设计 电解液密度比 A G M电池低 降低了板栅合金腐蚀速度 电解液量也 比A G M电池多1 5 2 0 对失水的敏感性较低 胶 体电池运行寿命达1 2 1 4年 A G M密封铅蓄电池只 有6 8年 g 自放电 A G M电池的自放电速度为3 5 月 我们开 发的储能用胶体电池自放电速度为1 月 3 2先进的储能用胶体电池 7 先进的储能用胶体电池具有以下特点 采用管 式正极板或厚的平板电极 5m m 悬挂式极群 复合式隔板 板栅合金不含锑 低密度电解液 d 1 2 4 0 1 2 6 0g m L 低温使用地区 电解液密度要适 当提高 循环寿命16 0 0次 D O D 8 0 自放电速 度慢 1 月 特别适合部分荷电态运行 D O D 4 0 8 0 条件下循环寿命超过55 0 0次 充电效率 5 3 V o l 1 3N o 1F e b 2 0 0 8 欢迎刊登彩色和黑白广告 电 池 工 业 广 告 覆 盖 全 行 业 电 池 工 业 广 告 给 您 带 来 无 限 商 机 电池工业 是经国务院新闻办 国家新闻出版署审核 国内外公开发行的技术类刊物 中国电 池工业协会会刊 江苏省和华东地区优秀期刊 电池工业 已由美国C A收录 中国期刊网 中国 学术期刊 光盘版 国家级火炬计划项目 中国学术期刊综合评价数据库 来源期刊全文收录 发 行覆盖国内外电池行业的电池生产厂 原材料厂 零配件厂 机械厂 电池电器经销商和大专院校 科研院所等 电池工业 以其发行量大 发行范围宽 适用性强等特点赢得电池界的赞誉 利用 电池 工业 媒体 扬企业美名 宣传企业产品 一定会给您带来更多商机 欢迎通过电子邮件 信函或拨打本刊热线电话预定广告版面 本刊热线电话 0 5 1 2 6 7 2 6 1 8 7 4传 真 0 5 1 2 6 7 2 6 1 4 3 7 E m a i l d c g y p r e s s s i n a c o m广告联系人 马扣祥 孟良荣 达9 9 3 3新开发的储能用胶体电池 a 单体电池S N L 1 0 0 0型 8 额定容量 1 0 h率 10 0 0A h 额定电压 2V 外 形尺寸 2 8 7 1 6 5 4 6 8 4 9 3 m m 质量 5 8k g 能量密 度 1 0 h 3 4 5Wh k g 8 5 7Wh L 循环寿命 30 0 0 次 D O D 7 0 使用寿命1 0年以上 b 组合储能电池柜 规格 4 8 V 10 0 0 A h 额定容量 1 0 h率 10 0 0 A h 额定电压 2 V 外形尺寸 10 7 8 5 3 7 13 9 2 m m 质量 16 3 5k g 占地面积 0 5 8m 2 浮充使用 寿命1 5年以上 c 组合储能电池系统 额 定 输 出 功 率 3 0k W 额 定 放 电 容 量 1 5 0 k Wh 系统组成 1 0k W 3 输出电压 A C2 0 2V D C 2 8 8V 胶体蓄电池外形尺寸8 1 1 5 8 5 1 0 m m 质量2 0k g 数量2 5 0A h 1 4 4 3 4小结和建议 1 胶体密封铅蓄电池是风能和太阳能发电系统 最合算的储能装置 2 电池容量和品位可根据具体的使用对象和要 求来调整 在交通方便的地方 可用A G M电池 在 交通不方便的地方 建议使用长寿命的胶体电池 3 钠硫电池 氧化还原电池和超电容器的工艺 条件不如胶体电池成熟 有待进一步开发研究 参考文献 1 I s