（厦门大学 福建厦门 361005）
摘要：由于太阳能资源具有间歇性，所以在光伏电站中，需要通过在电网中加入储能系统来稳定电能的输出。文中首先介绍了几种主流的储能技术类型，并针对海岛独立型微电网的特点，从技术和成本角度分析了适宜海岛独立型微电网的储能类型。再根据海南省三沙市独立光伏发电示范工程中储能系统的选择和使用，重点比较分析了铅酸电池和磷酸铁锂电池作为储能装置的性能，指出将磷酸铁锂电池作为储能装置配置于新能源发电系统中，能使新能源得到更加高效的利用。
关键词：海岛；储能系统；新能源；铅酸电池；锂电池
Selection and Application of Energy Storage System in Sansha Photovoltaic Power Station
YOU Weitao
（Xiamen University Fujianxiamen 361005China）
Abstract: Due to the fact that the intermittent of the solar energy，we need to add the energy storage system to the power grid to stabilize the output of the electric power in the photovoltaic power station. This article firstly introduces the mainstream energy storage technology types. Based on the features of the independent micro power grid on the island，it analyzes the energy storage type suited for island independent model of micro power grid from the perspective of technology and cost. According to the selection and application of energy storage system in Sansha，Hainanprovince‘s independent photovoltaic power generationdemonstrationproject，it especially compares and analyzes the characteristics of lead-acid cell andlithium iron phosphate battery，and indicates that using the lithium iron phosphate battery as the energy storage device in the solar energy generation system makes higher use of solar energy.
Key Words: island; energy storage system; solar energy; lead-acid battery; lithium battery
1项目背景
海南省三沙市独立光伏发电示范工程位于三沙市永兴岛，岛东西长约1950米，南北宽约1350米，面积2.13平方公里。永兴岛纬度较低，位于北回归线以南，太阳投射角大，昼夜长短变化小，平均年太阳辐射量约为7200MJ/m2，属我国第二类太阳能资源区域，太阳能资源丰富，具有良好的太阳能光伏发电项目开发前景。
海南省三沙市500kW独立光伏发电系统利用太阳能来发电，并作为分布式电源接入到配电网中，在满足供电需求的同时，实现电能的存储。项目建成后，不仅可满足岛上部分用户对供电的需求，减少现有柴油发电带来的柴油消耗及运输成本，同时也可为海岛分布式发电智能微电网的建设运行积累经验，发挥示范引领作用。
由于太阳能为间歇式可再生能源，为了使太阳能发电的电能稳定地向电网用户输送，实现削峰添谷，完成平衡电量，支撑智能微电网平稳运行，该项目中储能技术的选择极为关键。[1]
2储能类型
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储能、电磁储能和电化学储能三大类型。[2]
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。[3]
抽水蓄能是将电网低谷时利用过剩电力将水从地势低的水库抽到地势高的水库，电网峰荷时回流推动水轮机发电机发电；压缩空气蓄能是利用电网低谷时的剩余电量将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，当系统发电量不足时，将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机做功发电；飞轮储能是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来，在需要能量时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来。
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。[3]
超导储能是利用超导体制成的线圈存储磁场能量；超级电容储能是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的电容量来存储能量。
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，近年来在安全性、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。[4]
2.3.1 铅酸电池
铅酸电池电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液。
2.3.2 镍系电池
镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨的主要作用是增强导电性，负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，电解液常用氢氧化钾溶液，镍镉电池有记忆效应。
镍氢电池以氢氧化镍作为正极，储氢合金作为负极，氢氧化钾溶液作为电解液，无记忆效应。
2.3.3 钠硫电池
钠硫电池是以液态金属钠为负极、液体硫为正极（一般填充在导电的多孔碳或石墨毡里）、陶瓷管为电解质隔膜、外壳为不锈钢等金属的二次电池，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。[5]
2.3.4 全钒液流电池
全钒液流电池是以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正、负极电极反应活性物质，质子交换膜作为隔膜，电解液在电池内循环流动。电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，将储存在溶液中的化学能转换成电能。
2.3.5 锂离子电池
锂离子电池使用非水电解质溶液，以含锂的化合物做正极。锂离子电池是一种浓差电池，充电时，正极上有锂离子生成，再经过电解液运动到负极，并嵌入负极材料的微孔中；放电时，嵌在负极材料中的锂离子脱出，运动回到正极。
2.4各类储能技术在海岛独立微电网中的比较
相比于大电网，海岛独立型微电网规模相对较小，导致单位能量的价格远高于大电网。在利用可再生能源渗透率较大的太阳能发电系统中，适宜的储能系统可转移的电量高达50％，并且具备独立满足峰荷的能力，对于整个系统的平稳运行与总体成本至关重要。
衡量一种储能技术最基本的指标主要包括：①能量存储容量；②充电率和放电率；③使用寿命；④能量转换效率；⑤初始投资成本；⑥运行成本；⑦能量密度；⑧功率密度；⑨安全环保。[4]
各类储能技术在能量和功率等方面有着明显的区别，也决定了其不同的应用方向。比较见表1。[6]
从目前技术水平看，储能功率达到百万瓦级，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。而抽水蓄能和压缩空气储能受地理环境因素的影响较大，不适宜在海岛电网中使用。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。以下比较大容量储能技术在海岛独立微电网中的可选择性。
2.4.1 液流电池（全钒液流电池）
大部分液流电池的储能容量操作范围扩大，使用寿命较长。其中全钒液流电池不存在复杂的固相反应，电池寿命长，能耐受大电流充放；流动的活性物质使浓差极化可减至最小，电池容量调整容易；占用空间小；各个单体电池的均匀性好，维护相对容易；可通过更换溶液实现电池的“即时充电”，具备快速响应和超负荷工作能力；活性溶液可重复循环使用，对环境无污染。[7]但液流电池最大的缺点是能量密度低，电池堆的大小规模与传统电池相似，且电解液需要容器、管道和泵来容纳与传输，投资成本较高。
2.4.2 镍系电池
镍系电池安全性高，但镍镉电池有记忆效应，使得电池容量暂时减少，导致使用时间缩短，且镍镉电池属于碱性，对环境有污染。镍氢电池无污染，循环寿命长、比能大，且没有记忆效应，但其成本和技术等问题使得镍氢电池在电力系统储能上实用化进展缓慢。
2.4.3 铅蓄电池
铅酸蓄电池是现阶段价格可接受，成熟度和稳定性都非常好的一种储能技术，其经济成本低、技术成熟可靠，目前国内外一些较大的微电网工程储能系统均是选用铅酸蓄电池；但铅酸蓄电池相对较短的使用寿命以及废弃电池的处理和回收问题（铅对土壤和水质污染严重）是其公认的弊病，且其充电接受能力、维护性能及使用的经济性也仍不乐观。[8]
2.4.4 锂电池
目前用做锂离子电池的正极材料主要有LiCo02，LiMn204，LiNi02及LiFeP04。在这些组成电池正极材料的金属元素中，钴（Co）最贵，并且存储量不多，镍（Ni）、锰（Mn）较便宜，铁（Fe）最便宜，且磷酸铁锂电池无稀有金属，很环保。
磷酸铁锂电池具有高效率输出，标准放电为2C～5C（C为电池容量），连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10s）可达20C；高温性能良好；即使电池内部或外部受到伤害，电池也不燃烧、不爆炸，安全性高；循环寿命长，经500次循环，其放电容量仍大于95％，过放电到0V也无损坏。[4]
3实际案例分析
海南省三沙市独立光伏发电示范工程包括发电峰值容量不小于443.94kW的光伏发电系统和 500kW/1MWh储能系统。
由于小型岛屿系统受地理环境限制，抽水储能和压缩空气储能不具备应用条件，而液流电池和镍系电池的功率成本系数远大于容量成本系数，安装成本过高。因此，铅酸蓄电池和锂电池是最佳选择。两者比较见表2。
与铅酸电池相比，锂离子电池单体输出电压高、比能量高、瞬时功率大、效率高、自放电率低、循环寿命长、维护少、工作温度范围宽、对环境无污染，因此优先选择锂离子电池作为储能系统。
根据正极材料的不同，锂离子电池有锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂等类型。具体数据对比见表3。
目前磷酸铁锂在大规模储能领域的应用相对较多，是众多储能系统的首要选择，因此本工程选用磷酸铁锂电池作为储能装置。
根据逆变器输入550-800V的条件，电池组电压取600V-720V之间为佳，故采用73435型100AH不锈钢壳圆柱形铁锂电池芯，组成由32并200串储能系统。
总电池芯用量：6400只。
总重量：25000KG。
总储备：200×3200AH×3.2V=2048KWH。
电池组充放电循环次数：2000-3000次。
额定标称输出电压：640V。
工作电压范围：600-680V。
电能储备总量：2MWH。
储能系统有效工作年限：10年。
4结语
虽然目前中国锂电池在新能源领域的没有大规模的应用，但是随着光伏发电的容量不断扩大，需要大规模的化学储能系统，作为锂资源大国的中国，必然会加大锂电行业的投资力度，提升锂电池的性能，因此无污染的锂电池将是新能源储能装置一个不错的选择。随着海南省三沙市独立光伏发电示范工程的建成，使得锂电池储能技术在新能源的高效利用中提供更有效地实践依据。未来，锂电池技术的不断发展，其在电力系统中的应用将会越来越普及，价格将会不断降低，届时其储能使用寿命成本将越来越接近于铅酸蓄电池的储能使用寿命成本。再加之铅酸蓄电池对环境的污染越来越受到人们的重视，环境友好的磷酸铁锂电池将得到更多的关注。
参考文献
[1]程时杰.储能技术——一种在为了电气工程学科中可以发挥重要作用的技术[J].电气技术，2008年增刊.
[2]张文亮，丘明，来小康.储能技术在电力系统中的应用[J].电网技术，2008(7).
[3]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).
[4]赵波，王成山，张雪松.海岛独立型微电网储能类型选择与商业运营模式探讨[J].电力系统自动化，2013(4).
[5]巩俊强，邓浩，谢莹华.储能技术分类及国内大容量蓄电池储能技术比较[J].中国科技信息.2012(9).
[6]张承宇，张敏.锂电池作为储能装置在新能源高效利用中的作用[J].科技咨讯，2012(18).
[7]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(11).
[8]柴树松.风能、太阳能储能用铅蓄电池的开发前景[J].电池工业.2008(4).
论文作者:尤纬韬
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
标签：储能论文; 电池论文; 电网论文; 锂电池论文; 海岛论文; 技术论文; 流电论文; 《电力设备》2018年第2期论文;