【基于大容量储能电池的能源互联网区块链应用研究8100字】

基于大容量储能电池的能源互联网区块链应用研究目录TOC\o"1-3"\h\u29809基于大容量储能电池的能源互联网区块链应用研究 163541.1储能电池材料种类与发展趋势 185111.2大容量储能电池的研究进展 3217531.3储能系统的能量管理 424881.4基于区块链的能源系统调度优化研究 558611.5基于区块链的分布式电力交易 9234441.6小结 111.1储能电池材料种类与发展趋势如今，电化学储能越来越受到研究人员的关注，随着对锂离子电池的不断探索，使得其在能量密度和安全性能上得到较大的提升。与铅酸电池相比，锂离子电池具有环境友好性，重金属的污染小；与液流电池相比，锂离子电池的造价较低，整体成本较小[48]。总的来说，目前以锂离子电池为典型代表的储能电池的来说，具有以下自身优势：（1）电池电压高。利于电子产品轻便化和小型化。（2）能量密度高。工作电压高，其质量比能量密度和体积比能量密度（可达300Wh/kg）都要高于其它二次电池。（3）循环寿命长。循环次数可达上千次。（4）自放电率低。由于锂离子二次电池的首次充放电过程中，在碳负极表面形成了固体电解质界面（SEI）膜，它允许离子通过而不允许电子通过，使得锂离子二次电池的月自放电率只有2‒6%，远远低于Cd/Ni及MH/Ni电池的自放电率。（5）无记忆效应、无环境污染等。用于商品化的锂离子电池正极材料LiCoO2中的钴元素，全球的储量十分有限，其价格昂贵而且毒性大，因此，以LiCoO2为正极活性物质的锂离子电池成本较高；另外，LiCoO2过充后会放出大量的热量，所以以LiCoO2作为锂离子电池正极材料亦存在严重的安全隐患，只适合小容量的单体电池单独使用。同锂钴氧化物相比，锂锰氧化物具有安全性好、耐过充性好。原料锰的资源丰富、价格低廉及无毒性等优点，是最具发展前途的正极材料之一。锂锰氧化物主要有两种，即层状结构的LiMnO2和尖晶石结构LiMn2O4。在放电过程中，LiMn2O4会发生由立方晶系到四方晶系的相变，导致容量衰减严重，循环寿命低。目前，研究者通过掺杂其他半径和价态与Mn相近的金属原子来改善其电化学性能，效果明显。但总的来说，这些掺杂元素的加入量不宜过多，过多的掺杂物将会使电池的容量明显降低。除上述过渡金属氧化物作为锂离子电池正极材料外，目前研究关注的热点正极材料还有多元酸根离子体系。自从1997年，有人报道了锂离子可在LiFePO4中可逆地脱嵌以来，LiFePO4就因具有较高的理论比容量和工作电压；优良的循环性能，特别是高温循环性能；优良的安全性能；较高的振实密度，其质量、体积能量密度较高；世界铁资源丰富、廉价并且无毒，LiFePO4被认为是一种环境友好型正极材料。但是LiFePO4正极材料也有它的不足之处，该材料的离子和电子传导率都很低、合成过程中二价铁极易被氧化成三价铁，同时需要较纯的惰性气氛保护等工作条件，目前LiFePO4的研究难点是，合成工艺困难、电极材料的高倍率充放电性能较差。对于负极材料，插层类材料（例如各种碳材料以及TiO2和Li4Ti5O12）碳材料可以根据结晶度和碳原子排列方式分为两类：软碳（石墨碳），所有微晶的堆叠方向都相同；硬碳（非石墨碳），微晶拥有不同的堆叠方向。尤其是前者，它们在电池行业非常普遍，拥有合适的可逆容量，长循环寿命和高库伦效率。尽管石墨材料可以工业化大量生产且成本较低，但是这类材料有一个主要的问题，容量较低，达不到纯电动汽车或混合动力汽车的要求。因此，石墨碳负极的应用还只限于低功率器件，例如手机、笔记本电脑等。目前，能够有希望满足大功率器件的碳材料主要有多孔碳、碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯。这些材料的独特结构和微小尺寸带来的一些新性质，可以明显地提升锂电池的容量。二氧化钛电化学活性高，氧化能力强，化学稳定性好，储量丰富且结构多样。但是二氧化钛的试验结果发现很难完全地开发其理论容量。二氧化钛材料的锂离子的嵌入和脱嵌的过程与其结晶度、颗粒大小、结构以及比表面积有关。特别是颗粒尺寸的减小可以促进负极的锂离子嵌入与脱嵌和电子的集流，通过缩短锂离子的扩散路径并缩短电子传导的路程。合金类材料（例如Si）容量较高，但由于插、脱锂过程伴随着体积膨胀与收缩以及起始的较大的不可逆容量导致这些材料循环寿命差。为了解决这些问题，采取了一系列手段，包括从微米尺寸下降到纳米尺寸和形成与金属锂活性或金属锂的惰性的复合物。后一种方法，复合物中的金属锂活性、惰性材料作为合金材料和锂源的导电缓冲基底。纳米结构的合金材料拥有不同的形貌，例如纳米线、纳米管，是获得高容量、高倍率性能和长循环寿命的有效途径。同样，电解质也在锂离子电池中发挥重要作用。液体电解质，是目前使用的商业化电解质，主要是由一种或多种锂盐溶解在两种及以上的有机溶剂中，单一溶剂组成的电解质非常少。使用多种溶剂的原因是实际电池中的不同要求甚至是相互矛盾的要求，只使用单一溶剂很难达到要求。例如要求电解质拥有较高的流动性，同时还要有高的介电常数，因此拥有不同物理化学特性的溶剂常常会搭配使用，同时表现出不同的特性。另一方面，锂盐一般不会同时使用，因为锂盐的选择范围有限，而且优势也不容易体现出来。在隔膜方面，商用锂电池隔膜主要是聚烯烃微孔隔膜，包括聚乙烯（PE）隔膜、聚丙烯（PP）隔膜、PP/PE两层隔膜和PP/PE/PP三层隔膜。聚烯烃隔膜原料成本低，具有较高机械强度、更好化学稳定性、防水性、生物相容性和无毒性等优点。但商用隔膜普遍存在热稳定性低、孔隙率低、对电解液亲和性低等问题。对其改性的主要手段有：表面处理改性，通过一定的技术手段在聚烯烃的表面产生亲水功能基团，来改善隔膜与电解质的接触性、与电极材料之间的界面阻抗等；涂覆改性，在聚烯烃隔膜表面涂覆一层功能性涂层或沉积到隔膜表面，来改善隔膜的各项性能；静电纺丝纳米纤维隔膜，通过静电纺丝技术，使得隔膜具有小孔径、高孔隙率、高比表面积等优势，从而改善隔膜的性能。1.2大容量储能电池的研究进展储能电池可作为电力系统的缓冲器，对于提升发电品质、提升电网稳定性有着重要作用。储能电池可以应用于电力系统中的发电、配电、输电和用电等多个环节，也可在电子产品、电动汽车等领域广泛使用[49]。随着各国不断加快对电化学储能的研究进展，使得不同电池种类的发展历史不一致，每一种电池都具有发展潜力，技术指标都在不断发生变化。作为电化学储能的代表，锂离子电池具有电池电压高、能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无环境污染等优势。随着锂离子电池技术的快速发展，锂离子电池的寿命进一步延长、成本进一步降低，已成为电化学储能系统的主要应用类型。锂离子电池经过几十年的发展，已经在基础理论研究、关键材料制备技术、系统集成技术及应用研究领域取得了很大的进展[50]。其发展历程是能量密度不断提升的过程，大致可分为三个阶段：第一代锂离子电池是钴酸锂正极/中间相炭微球体系，能量密度不超过100Wh/kg；第二代电池能量密度的提升（超过100Wh/kg）主要体现在负极材料由中间相炭微球向石墨材料的转变，同时尖晶石钛酸锂和硬碳也在这个阶段出现。进入21世纪以来，除了在3C电子产品的使用，锂离子电池在动力电池领域也有了较大的发展。锂离子电池正极材料最初主要包括锰酸锂和磷酸铁锂两大路线。近年来随着社会发展对高能量密度的需求，含镍钴的三元锂正极材料，由于其能量密度方面的优势而得到迅速发展和广泛应用。此外，陶瓷涂布隔膜与功能电解液的发展使锂离子电池的安全性和稳定性等方面得以增强。目前，第三代锂离子电池的能量密度已经能够达到300Wh/kg，高比能和高压实电极材料（特别是硅碳负极材料的引入）以及电池轻量化是其能量密度得以提升的一个重要因素。在正极材料方面，以镍钴锰三元、高镍正极、富锂锰基、无钴正极发展为主，在负极材料方面主要发展高比能硅基材料。此外，隔膜和电解液等技术也需要与时俱进，以配合发展高能量密度锂离子电池。在国家政策的推动下，众多储能项目进入正式实施阶段[50]，比亚迪、宁德时代、国轩高科、亿纬锂能等多家锂离子电池企业掌握了规模储能锂离子电池系统技术，其中比亚迪、宁德时代、中航锂电、银隆等企业参与了40MWh磷酸铁锂体系和钛酸锂体系的锂离子储能电站示范项目，在张北国家“风光储输示范工程一期项目”中获得了初步应用。由宁德时代牵头的“100MWh新型锂电池规模储能技术开发及应用”国家重点专项取得了重大突破，电池单体循环寿命已达12000次。比亚迪以1.06元/Wh的价格中标青海光伏竞价项目配套储能项目，标志着锂电池储能正式进入1元/Wh的时代。2018年，国家电网在江苏昆山建设运营了一个110MW/200MWh的电网侧储能项目，这也是世界范围内最大规模的电池储能电站示范项目，相关技术处于国际领先水平。我国已经形成了完善的锂离子电池产业链，在电力储能的电芯、模块、系统制造方面己经达到了世界先进水平，全球市场占有率已经达到52%。但在此领域，美国、日本、韩国仍具有领先的原创技术水平和工程化能力。此外，尽管在电力储能、电动汽车等领域得到了大规模应用，但是对于提升锂离子电池能量密度和安全性、降低成本、延长循环寿命等研究仍在进行，同时还需兼具倍率特性、环境适应性、低自放电率、高能量效率和易回收等多重应用要求。目前的发展路径相对清晰，近期是开发含硅负极、高比能量正极的体系，之后是发展以高比能正负极和本征安全的固态以及水系电池体系。1.3储能系统的能量管理储能系统是对能量输入、输出以及转换、储存的设备[51]。系统涉及的能量、设备、物质、过程较为复杂，而且多种能量随时间的推移将会发生复杂的变化。大型储能系统一般由电池系统和变流器系统两个部分组成，户内项目可以部署在专用房间或地下室内，而户外项目大多数采用储能预制舱技术。电池系统一般多个电池簇构成，每个簇中包括多个电池模组，每个电池模组由多个单体电池串/并联而成，俗称电池包。电池的充电和放电由电池管理系统控制，电池系统核心通常分成多级，主机可以部署在单独的机柜中，二级控制和三级控制分别对应电池簇和电池包的控制。较为全面的储能电池系统还会包含监控系统、消防系统、控制系统的等。针对不同的应用场景和安全要求，储能系统也会有较为明显的变化[52]。储能系统电量的分配涉及储能单元荷电状态、电站荷电状态、电站上网电量、电站下网电量、站用电量、进线间隔上网电量、进线间隔下网电量、储能单元充电量、储能单元放电量、储能变流器直流侧放电量。根据应用场所和能源需求形式的不同，对以上的电量进行合理的控制。在电站进行电量分配的过程中，不可避免的会有损耗产生，比如用于电站监控系统的站用电损耗，各个储能单元的充放电过程中的电站储能损耗，向用电单元输变电时的损耗。针对以上损耗，一般采用的是对电站运行系统进行分析，借助于基础数据的采集、计算指标以及分析方法的优化，从而减小用电损耗，提高能量利用效率。由于电池在充放电过程中会有明显的温度变化，为了确保电池系统能够稳定工作，往往会在储能系统中加设热管理系统和消防系统。储能系统的热管理可以对来自充放电过程中电池的生热以及配件如线缆、铜排等产生的热量进行调控。现阶段，主要采用风冷技术，通过强对流以及自然对流，以空气为传热介质，通过对空气流场的合理组织，以对流的方式对电芯/电池组进行冷却。锂电池着火原因一般有三种：内部短路、外壳变形或破裂、过充放电。正常情况下，隔膜只能通过锂离子，但是不排除个别电池隔膜存在质量问题，造成电芯正负极短路发热。隔膜老化时，容易因拉伸或断裂而产生裂缝，造成电芯正负极短路发热，进而发生燃烧。常见的灭火剂七氟丙烷是一种以化学方式灭火的洁净气体灭火剂。它无色、无味、低毒、不导电、不污染被保护对象气体灭火控制系统，专用于气体自动灭火系统中。1.4基于区块链的能源系统调度优化研究伴随着科学技术以及经济的迅速发展，在经济全球化的巨大趋势下，能源系统的发展方向也开始逐渐出现变化。参与能源互联网建设的能源项目不断增加，各种新型能源层出不穷，规模越来越大。另外参与主体的扩充也是不容忽视的问题，需要进行进一步的技术完善才能应对这些新问题。根据目前资料总结出当前能源系统的发展趋势如下：（1）能源系统发展越来越规模化。在新的能源互联网环境下，能源的供需主体逐渐增多。从地区逐渐扩展到跨省甚至跨国，规模得到了极大的扩展。如此大的规模背景下，想要解决供需主体之间的相互信任的问题，必须要发展区块链跨链技术。（2）能源系统发展越来越多元化。随着能源互联网规模的迅速扩大，参与能源互联网的主体也越来越多，越来越多元化。参与主体不再限制于传统的电力供应公司，大量的分布式主体也都参与到了能源互联网中各种能源的交易过程。参与主体的大范围增加迫使我们不得不完善区块链技术，进行跨链技术更新。（3）能源系统发展越来越复杂化。在传统的能源系统中，始终是电力为主的状态。然而随着经济的发展和科学技术的成熟，目前的能量系统已经变成了热、电、冷、气多种形式能源共同发展的复杂局面。由IRENA的统计数据可知，截至到2018年，可再生能源占据了全球近三分之二新增发电。跨能源系统开始有越来越大的互联互通、信息传输需求，多种能量之间的互操作问题开始凸显。由于可再生能源发电模式存在显著的间断性以及不确定性等的特征，能源供应侧的能量管理变得十分复杂，集中式的管理方式已经不能实现各参与主体的可信交互ADDINNE.Ref.{FA5611EE-C97D-45E5-8497-AF9EB2663689}[53]。因此能源正逐步从以产品为中心向以用户为中心进行转变。要确保电力系统的管理和运行更加安全稳定需要注入更多灵活性措施。同时，面对快速增长的能源需求，以及大众对环境问题的高度关注，以可再生分布式发电为基本单元的微电网成为一种有前景的解决方案。提出微电网的目的是想要使分布式电源应用更加灵活、更加高效。这种方法可以降低投资成本和温室气体排放量，还可以解决数量多、类型多的分布式电源的并网问题ADDINNE.Ref.{73BCF5AA-7AB9-45DB-B8FD-FDF3B68A98EE}[54]。开发研究微电网可以充分使分布式电源和可再生能源大规模接入，能够实现可靠的供应，成为实现主动式配电网极为有效的方式。在微电网系统中，各分布能源主体平等分散，各种不同类型的能源能够实现高效配合，推动市场趋于多元化，该系统利用智能合约实现自动化交易。可再生能源整合到微电网可为不同用户提供可靠的电气化服务，并为联网和离网模式的可持续发展提供战略性电网配置。但是微电网含有数量庞大、特性不同的多样分布式电源，故有极其复杂多样的动态运行特性以及多种能量管理问题ADDINNE.Ref.{E400752C-3F0F-4453-9808-4C8B10B28F0A}[55]，使得微电网系统的协调运行能力和它的控制机制极其繁琐，加上可再生能源发电的间歇性以及与主电网连接的障碍，靠近用户侧的微电网无法轻松平衡电力供应和需求，这些问题使微电网的发展受到了阻碍。针对以上问题，许多科研工作者尝试有针对性的提出一些方案，以克服当前微电网的发展阻碍，总结如表2-1。表2-1基于区块链的能源系统调度优化相关研究研究年份发表期刊技术方案研究贡献文献[56]2018IEEETransactionsonIndustryApplications研究区块链和微网中的能源市场组合各部分的关系得到各个组合的更优配比文献[57]2018IETGenerationTransmission&Distribution设计了一个用于微电网间能源交易的去中心交易平台保证了能源交易的高效性和透明性文献[68]2019IEEETransactionsonIndustryApplications描述区时代微电网技术和经济管理的整体框架，提出一种评估服务经济价值的方法完善管理框架，提高经济效益文献[59]20172017IEEEConferenceonControlTechnologyandApplications(CCTA)介绍区块链在微电网市场的应用现状为实体电网的安全性带来了保障文献[60]2018AppliedEnergy分析布鲁克林微电网系统完善区块链在小区域能源系统调度中应用文献[61]2019IEEETransactionsonSystems,Man,andCybernetics:Systems开发了一种基于区块链的架构的优化模型优化能源调度，实现分布式能源高效利用文献[56]研究了区块链和微网中的能源市场组合部分：微网建设、电网连接、信息系统、市场机制、价格机制、能源管理交易体系、监管的关系。文献ADDINNE.Ref.{369D1805-74ED-40CC-8881-BD45E39F810E}[57]中，提出了一个用于微电网间能源交易的去中心交易平台，该平台使用区块链的智能合约记录区块链上的交易，保证了能源交易的高效性和透明性。文献ADDINNE.Ref.{A59C9782-CE00-41D0-8D8A-2694C7B7B16F}[58]提出了一种基于存储组件需求侧管理模型的博弈论方法。该模型除了可以减小峰均比，让电网受益，还可以使因供电约束而造成的负荷平稳的降低。文献ADDINNE.Ref.{A59C9782-CE00-41D0-8D8A-2694C7B7B16F}[59]介绍了在区块链技术支持下带来的自给自足、可持续发展的微电网市场现状，该技术为实体电网的安全性带来了保障。文献ADDINNE.Ref.{431446D9-02AE-460F-86CD-A3FD9590C024}[60]通过分析布鲁克林微电网系统展现了区块链能将本地可再生能源整合到能源系统的优势，并阐述了区块链固有的高效安全性和私密性对小区域内能源调度的积极作用。文献ADDINNE.Ref.{0F1B5EA7-7105-416F-9479-F9E181C04539}[61]开发了一种基于区块链架构的优化模型，以管理能源系统的运营。所建立的运行模型也可用于孤岛微电网的运行，该方案实现允许系统操作员管理网络用户直接交易能源。由此可见区块链与微电网的有机结合应用可以解决管理侧复杂的动态运行特性和能量管理问题，通过优化能源调度来达到分布式能源高效利用的目的。1.5基于区块链的分布式电力交易截至到2019年年底，我国可再生能源的发电装机容量达到4.1亿千瓦，在全国的总装机容量比重达到了20.6%。由于分布式能源在电力市场发挥的作用越来越大，参与市场化交易的程度越来越深，使得其面向市场的交易势在必行ADDINNE.Ref.{861C1553-05BA-488A-828F-59DC0068BFCB}[62]，同时以点对点（peertopeer，P2P）交易为代表的分布式电力交易在能源互联网中扮演了非常重要的角色，点对点能源交易是能源供应链脱碳、去中心化和数字化驱动的新模式之一，它允许能源消费者与生产者直接进行相互交易，交易模式为能源生产者在能源供应不能满足需求时从其他生产者购买能源，或在能源生产过剩的ADDINNE.Ref.{229A5158-95AB-4EBC-8258-8A40B0AF3329}季节向其他生产者出售能源ADDINNE.Ref.{50FD2D02-E824-4B69-AA77-40F34EECB65D}[63]。分布式能源产消者之间的点对点交易不仅有助于更好地消纳分布式能源ADDINNE.Ref.{191026CF-5CE0-46E4-8351-2CC1E5A08825}[64]，还将促进网络边缘的有效能源管理。尽管点对点交易给能源系统带来了机遇和好处，但它在设计和实践上面临许多挑战。首先，设计一个去中心化的点对点能源市场是过于复杂的，它要在经济效率和信息隐私之间保持公平与平衡。其次，随着存储设备的普及，新的点对点市场设计需要考虑它们的跨时间依赖性。最后，需要点对点交易引入区块链技术，来促进高效交易，这需要有符合能源交易的智能合约ADDINNE.Ref.{0DEE880C-187A-4EF8-BF8C-BEF4236ACC55}[65]。因此引入区块链技术来解决这些问题是很有必要的。一些文献针对上述问题开展了定向研究，总结于表2-2。

表2-2基于区块链的分布式电力交易相关研究研究年份发表期刊技术方案研究贡献文献[66]2019Appliedenergy设计电子合同线上签署方案简化程序，提高电能交易效率文献[67]2020InternationalJournalofElectricalPower&EnergySystems设计通过区块链技术解决用户的身份认证问题保护交易双方隐私安全，实现身份认证文献[68]2019IEEESystemsJournal采用PoS共识机制，并设计新的智能合约提高效率，降低电力损失文献[69]2018IEEEAccess运用博弈论探讨点对点能源交易的可行性保证能源消费者与能源系统建立其可持续参与点对点交易文献[70]2020AppliedEnergy提出一种新的激励模型，以及管理框架能源需求和碳排放的平均支出大幅减少，收入增加文献[71]2017Energies比较连续双拍卖点对点交易平台完善点对点交易过程文献[72