在諸多的可再生能源中，太陽能以其綠色、環(huán)保、取之不盡、用之不竭等特性成為最具發(fā)展?jié)摿Φ哪茉葱问?，具有巨大的市場前景。我國有著非常豐富的太陽能資源，發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)對(duì)我國欠發(fā)達(dá)地區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電改善具有重要意義。但是，光伏發(fā)電具有非連續(xù)性和不穩(wěn)定性，發(fā)電性能隨外界環(huán)境的變化而變化，因此，高性能的儲(chǔ)電環(huán)節(jié)對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。
目前，大部分光伏系統(tǒng)都采用鉛酸電池作為儲(chǔ)能裝置。相比于鉛酸電池，磷酸鋰鐵電池具有比能量高、儲(chǔ)能效率高、循環(huán)壽命長、使用成本低等優(yōu)勢(shì)。本文就常規(guī)性能、儲(chǔ)能特性等方面將鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池作了對(duì)比。在分析了將磷酸鐵鋰電池用作光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的可行性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)。
1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的基本要求
太陽能發(fā)電系統(tǒng)成本高、轉(zhuǎn)化效率低、隨環(huán)境變化性強(qiáng)，因此對(duì)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的要求較高。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命一般是20 年，要求與之配套的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)具有使用壽命長、性能穩(wěn)定、能量效率較高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等特征。
目前，用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)主要分為電化學(xué)電池、飛輪、超導(dǎo)線圈等。相比較而言，飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能在性能上有著化學(xué)電池?zé)o可比擬的優(yōu)勢(shì)，必將成為儲(chǔ)能裝置發(fā)展的必然趨勢(shì)，但在現(xiàn)階段，由于技術(shù)和價(jià)格的原因，化學(xué)電池仍然是太陽能光伏發(fā)電儲(chǔ)能的主要方式。
將化學(xué)電池用作光伏電源的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，就是把化學(xué)反應(yīng)中氧化還原所釋放出來的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔芄┴?fù)載使用。目前，可用作太陽能儲(chǔ)能單元的電化學(xué)介質(zhì)主要有6種，如表1 所示[1]。
表1 各種蓄電池性能對(duì)比
電化學(xué)介質(zhì) 單元電壓/V 評(píng)價(jià)
鉛酸 2.0 最低成本
鎳鎘 1.2 有記憶效應(yīng)
金屬氰化鎳 1.2 對(duì)溫度敏感
鋰離子 3.6 安全，不含金屬性鋰
鋰聚合物 3.0 含金屬性鋰
鋅-空氣 1.2 要求良好的空氣管理以限制自放電速率
在以上6 種蓄電池中，鉛酸蓄電池的能量密度較低，但其技術(shù)成熟程度和性價(jià)比最高，因此目前光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元主要采用閥控密封式鉛酸蓄電池組。但是，隨著光伏發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)電池的性能和安全性提出了更高的要求，鉛酸電池自身性能的弱點(diǎn)對(duì)光伏發(fā)電的不利影響日益突出。因此，急需一種高效能的化學(xué)電池來擔(dān)當(dāng)相應(yīng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。
2 磷酸鐵鋰電池性能分析
磷酸鐵鋰電池是近幾年發(fā)展起來的新型二次電源，具有輸入輸出功率大、工作溫度范圍寬、無記憶效應(yīng)、免維護(hù)、擁有2000 次的充放電使用壽命、安全以及綠色環(huán)保等特點(diǎn)，正在成為化學(xué)電池的主角[2]。
磷酸鐵鋰電池的主要材料為碳，正極主要材料為磷酸亞鐵鋰LiFePO4，電解液采用LiPF6有機(jī)溶劑，充放電的基本原理是鋰離子在正負(fù)極之間的嵌入和脫出。
磷酸鐵鋰電池的電壓平臺(tái)為3.2V，比能量也是鉛酸電池的2倍多，而體積比能量是鉛酸電池的4～5倍，如果利用磷酸鐵鋰電池代替鉛酸電池用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以大大縮小電池所占空間，降低維護(hù)工作量，兩種電池常規(guī)性能如表2 所示。
圖2 磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池常規(guī)性能表
項(xiàng)目 磷酸鐵鋰電池 鉛酸電池
標(biāo)稱電壓/V 3.2 2.0
質(zhì)量比能量/（Wh·kg-1） 90 40
體積比能量/（Wh·L-1） 190 70
自放電（28天）/% ≤10 ≤10
工作溫度范圍/℃ -20～55 -10～45
最佳工作溫度范圍/℃ 5～50 ～25
磷酸鐵鋰電池可以選擇功率型或能量型，適用范圍廣泛，安全性也較鉛酸電池有了較大的改善。同時(shí)磷酸鐵鋰電池的倍率特性為5 C～15 C，轉(zhuǎn)換效率大于95%，而鉛酸電池的倍率特性為0.1C～1C，轉(zhuǎn)換效率大于80%。因此，在儲(chǔ)能效率方面，磷酸鐵鋰電池具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
3 磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)
配合光伏電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1 所示，光伏組件陣列利用太陽電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，并通過光伏控制器對(duì)鐵鋰電池進(jìn)行充電，再通過逆變器直接對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行供電或通過并網(wǎng)逆變器將電能引入電網(wǎng)。圖1中的電池管理系統(tǒng)BMS 起到對(duì)蓄電池進(jìn)行管理的作用，首先對(duì)電池組的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)對(duì)電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，從而起到監(jiān)測電池組過壓、欠壓、過溫、過充、過放、過流、剩余容量(SOC)及單體電池健康狀態(tài)(SOH)的作用。
圖1 光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)整體架構(gòu)圖
鋰電池組在系統(tǒng)中起兩個(gè)作用，一個(gè)是能量的儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)，另一個(gè)是平衡負(fù)載，它將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，以備供電不足時(shí)使用。本系統(tǒng)中的鋰電池組采用磷酸鐵鋰電池來擔(dān)任，基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
由圖2可知，儲(chǔ)能子系統(tǒng)由直流匯流環(huán)節(jié)、磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統(tǒng)BMS、本地控制中心、遠(yuǎn)程控制中心等環(huán)節(jié)組成，直流匯流環(huán)節(jié)將太陽能電流匯集起來，并送入蓄電池中存儲(chǔ)起來，蓄電池與電池管理系統(tǒng)相連接，并通過短距離通信方式與本地監(jiān)控中心進(jìn)行信息的聯(lián)系，而本地監(jiān)控中心通過公共通信網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心相連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)有效監(jiān)控的目的。
4 結(jié)語
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)提出了更高的要求。鉛酸電池由于其自身不耐高溫、不耐過充過放、維護(hù)工作量大以及壽命短等缺陷，阻礙著光伏發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展。而磷酸鐵鋰電池的儲(chǔ)能效率高、壽命長、充放電性能好等特性決定其非常適合于作為新能源儲(chǔ)能用電源。本文在分析了將磷酸鐵鋰電池用作光伏儲(chǔ)能裝置可行性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于磷酸鐵鋰電池的光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)。研究表明，該系統(tǒng)能源效率高，充放電使用壽命長，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用前景良好。
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日本NEC鋰電池中國營銷中心于2023-11-19 17:13:35 整理發(fā)布。
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