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高翔. 光伏电站储能电池发展现状及应用前景评述[J]. 太阳能，2022(9):15-21.
摘要：2021年“两会”上，碳达峰、碳中和首次被写入《政府工作报告》，新能源发电备受关注。以风电、光伏发电为主的非化石能源将逐步占据电力体系。光伏电站储能电池的开发应用意义重大。为了更好地调峰填谷，解决光伏发电、风电并网影响电网稳定性的问题，需要开发应用各种储能电池。我们对我国光伏电站储能电池的发展现状及趋势进行了梳理和研究，对比了铅酸电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池、全钒液流电池、钠硫电池、超级电容器等不同光伏电站储能电池。 对储能电池的工作原理、应用场景、典型项目及性能进行了介绍和比较，并对未来我国光伏电站储能电池的发展进行了展望。
关键词：碳达峰；碳中和；光伏电站；储能电池；可再生能源
中国提出2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的目标，对中国经济社会绿色发展和世界低碳发展具有重要意义。碳达峰和碳中和目标将逐步推动中国能源结构转型，随着新能源发展和新能源发电的变革，以风电、光伏发电为主的二次能源将逐步占据中国能源体系的主导地位，以煤炭、石油、天然气为主的一次能源消费将逐步减少，碳氢能源地位将明显提升。目前，中国低碳发展已取得一定成效，但在实现碳达峰和碳中和目标过程中，仍然面临低碳技术发展不足、建筑能耗高、碳交易体系不完善等多重挑战[1]。 我国碳达峰及碳中和目标面临经济与能源结构调整巨大压力、制造成本高、光伏、风电并网电力电能质量不稳定、煤电退出困难、关键金属供应隐患等；但同时也面临油气依赖程度逐步降低、光伏发电和风电设备竞争力强、低碳绿色转型加速等市场机遇[2]。在此背景下，光伏电站储能电池的研发与应用意义重大。
光伏电站用储能电池及储能设备是离网光伏电站和并网型“光伏+储能”电站的重要组成部分，其主要作用是储存电能，为连续阴雨天、夜晚及应急情况下的负载供电，或利用并网系统中储存的电能进行调峰填谷，减少对电网的冲击。储能的方式有很多种，其中一种主要的方式就是利用各种储能电池及储能设备来完成储能任务。在光伏发电系统中，常用的储能电池及储能设备有铅酸电池、锂离子电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池，以及目前最前沿的全钒液流电池、钠硫电池、超级电容器等，应用于光伏发电的不同场景和产品中[3]。
为了更好地调峰填谷，解决光伏、风电并网影响电网稳定性的问题，需要对各类储能电池的发展应用进行梳理和研究。综述了我国光伏电站储能电池的现状和应用前景，分析了我国光伏电站储能电池的发展现状和趋势。对不同光伏电站储能电池的工作原理、应用地点、典型项目和性能进行介绍和比较，并对我国光伏电站储能电池的未来发展进行了展望。
1、我国光伏电站储能电池发展现状及趋势
据机电报发布的数据显示，2020年，尽管受到新冠疫情影响，我国光伏发电装机容量仍保持快速增长，保持并延续了多项世界第一。总装机容量达到48.2吉瓦，连续八年位居全球第一；累计装机容量达到253吉瓦，连续六年位居全球第一[4]。成本方面，2020年我国光伏组件及系统价格持续下降，全年光伏组件平均价格约为1.57元/瓦，较2019年下降10.3%；全年系统平均价格约为3.99元/瓦，较2019年下降12.3%。2020年光伏发电项目中标电价也创下新低价记录。 青海省海南藏族自治州某光伏发电项目中标电价为0.2427元/千瓦时（约合3.46分钱/千瓦时），低于2019年创下的0.2427元/千瓦时的历史最高价。拉特旗65万千瓦“风光共建”风电光伏项目创下了0.26元/千瓦时的电价最高纪录。此外，全球多个国家的光伏发电系统中标电价也打破了此前的最低纪录，光伏发电已成为极具竞争力的电源产品。
据中关村储能产业技术联盟（CNESA）全球储能数据库不完全统计，截至2020年底，中国“光伏+储能”项目累计装机规模已达883.0MW，占中国电化学储能投资的2.3%。已投运电化学储能项目装机规模占总装机规模的27.0%，年增长率达132.3%[5]，如图1所示。2018年新增投运电化学储能项目规模达1559.6MW，同比增长145%，其中一半新增投运规模全部来自可再生能源发电；长期来看，“新能源+储能”市场发展空间巨大。
2 中国典型光伏电站储能电池
2.1 铅酸电池
铅酸电池充电时将电能转化为化学能，放电时将化学能转化为电能。正极材料为二氧化铅（PbO2），负极材料为铅（Pb），电解液为硫酸（H2SO4）。铅酸电池具有能量转换效率高、循环寿命长、端电压高、安全性强、性价比高、安装维护简单等特点，是目前各类储能、应急电源、电源启动装置中应用最为广泛的电化学电池。未来随着国家清洁能源产业的推动，以及国外电池厂商在华投资的增加，我国铅酸电池行业将快速发展。根据工信部发布的数据，2020年我国铅酸电池市场规模为1659亿元，随着国际市场需求的逐步增加，我国铅酸电池市场规模持续稳步增长，我国已成为全球最大的铅酸电池生产国、出口国和消费国。 国家。
铅酸电池的反应原理如图2所示，双极硫酸化理论最能体现铅酸电池的充放电过程，铅酸电池放电时，正负极处的活性物质均转化为硫酸铅（PbSO4），充电后，正极转化为二氧化铅，负极转化为海绵状铅，铅酸电池又恢复到原来的状态[6]。
铅酸蓄电池电化学反应过程如公式（1）、（2）所示。其中，放电过程为：
充电过程为：
随着铅酸蓄电池技术的发展，阀控铅酸蓄电池的应用越来越多，在铅酸蓄电池充电后期，正极板会产生氧气，负极板会产生氢气，并发生水的电解，为了抑制氢气的释放量，提高氢气释放电位，降低自放电率，阀控铅酸蓄电池的正极常采用铅钙合金板栅代替，负极采用含有活性物质的海绵状铅代替。与氧气反应迅速的特点是负极吸收更多的氧气，从而抑制了水的还原。阀控铅酸蓄电池的电池盖上装有单向排气阀（安全阀），当电池内压超过一定值时，单向排气阀（安全阀）排气阀自动打开排出气体后自动关闭，防止外界空气进入电池。 因此，这种类型的电池被称为阀控铅酸电池[7]。
2.2 磷酸铁锂电池
磷酸铁锂电池是以磷酸铁锂为正极材料的一种新型锂离子电池，与铅酸电池相比，具有比能量高、重量轻、体积小、环保无污染、免维护、寿命长、高低温适应性好、无记忆效应、安全性高等优点，磷酸铁锂电池标称电压为3.2V，具有良好的电化学性能，有非常稳定的充放电性能，可以大倍率放电，并能以可接受的电流快速充电[8]。
磷酸铁锂电池在80%放电深度下的循环寿命达2000次以上（能量型磷酸铁锂电池循环寿命可达6000次），说明该类型电池在深度放电状态下依然能够提供高功率输出，完全满足现代动力电池和储能电池的发展需求。目前磷酸铁锂电池已广泛应用于电动自行车、电动汽车、电动工具、汽车启动器、UPS电源、通信基站、新能源储能、智能微电网等。未来随着磷酸铁锂电池技术的不断成熟，相较于国内另一种常用的三元锂电池，磷酸铁锂电池凭借其优异的安全性能和成本优势，必将成为未来市场的主流产品。
虽然磷酸铁锂电池的制造成本高于铅酸电池，但磷酸铁锂电池的性能却优于铅酸电池，磷酸铁锂电池的质量约为同容量铅酸电池的1/3，循环寿命是铅酸电池的5倍以上，而且安装简便，施工维护成本低，长期使用综合效益显著。磷酸铁锂电池与铅酸电池性能对比如表1所示。
2.3 镍氢电池
镍氢电池的正极为氢氧化镍（Ni(OH)2），负极为储氢合金，电解质为碱性氧化物。镍氢电池的结构包括隔膜纸、电解液、钢壳、顶盖、密封件。生产时，可用隔膜纸将正负极分开，然后卷在一起密封在钢壳内，制成圆形电池；也可用隔膜纸将正负极分开，叠成层，密封在钢壳内。镍氢电池的优点是功率高、重量轻、寿命长、无污染，它的能量密度是镍镉电池的两倍，工作电压与同类型的镍镉电池相同，与镍氢电池的工作电压相同。镍氢电池的过充过放性能好，基本消除记忆效应；缺点是自放电性能差，很多镍氢电池充满电放置2个月后，剩余电量就下降了。 至低于原容量的50%，过高的环境温度也会加速其自放电。
镍氢电池主要应用在太阳能储能、电动工具、医疗设备和消费数码产品，如太阳能灯、高温灯、汽车T-BOX、汽车OBD及E-CALL系统、电动工具、医疗设备、游戏机控制器、吸尘器、剃须刀、电动牙刷、电动玩具等。镍氢电池性能稳定、技术成熟、已实现产业化，未来5年将逐步成为我国新能源储能的重点发展方向。
镍氢电池反应原理如图3所示，镍氢电池充电时，正极处氢氧化镍失去1个电子与电解液中离子化的氢氧离子（OH-）结合生成羟基氧化镍（NiOOH），负极处氢合金（M）获得1个电子与电解液中离子化的氢离子（H+）结合生成储氢合金吸附氢（MHab）；放电过程与充电过程相反[9]。
镍氢电池反应方程如式（3）至式（5）所示。其中，正极反应方程为：
2.4 超级电容器
超级电容器性能介于电解电容器与电池之间，是一种新型储能装置，由隔膜、电解液、集流体和电极材料组成，其中电极材料主要有碳材料、金属氧化物、水合物材料（MxOy）、导电聚合物，通过极化电解质储存能量。
超级电容器根据不同的分类标准可以分为不同的类型。1）根据电解质溶液的不同，超级电容器可分为水系电解质超级电容器、有机电解质超级电容器和固体电解质超级电容器；2）根据电极的组成和电极上发生的反应类型，超级电容器可分为对称超级电容器和非对称超级电容器；3）超级电容器可分为双层超级电容器、赝电容器超级电容器和混合超级电容器[10]。
双层超级电容器通过电解质与电极的相互融合，形成界面双层来储存能量，其结构原理图如图4所示。
赝电容超级电容器利用电极表面的电活性物质，通过欠电位沉积、氧化还原反应和化学吸附/解吸来储存电能。
超级电容器具有结构简单、充放电能力强、功率密度高、容量大、循环寿命长、免维护、工作温度低、经济环保等优点，通常应用于汽车电源、电力储能、铁路、航空航天、通讯、国防等领域，具有广阔的发展前景。
超级电容、电解电容、铅酸电池三种储能装置的性能对比如表2所示。以某小区太阳能路灯为例，此太阳能路灯采用超级电容作为储能装置，计算其工作所需的超级电容容量，太阳能路灯平均每天工作时间为3h(即工作时间t为)，工作电流I为0.025A，正常工作电压U1为3.7V，截止时间1.0s电压U0为1.8V。超级电容容量计算公式为：
将参数值代入公式（6）可得超级电容的容量为142F。据此结果太阳能路灯可选用耐压5.5V，容量为140～160F的超级电容。
2.5 全钒液流电池和钠硫电池
2.5.1 全钒液流电池
全钒液流电池（flow，VFB）全称为全钒液流电池（all- redox flow ，VRFB），是一种活性物质处于循环液态的氧化还原电池。全钒液流电池具有寿命长、能量效率高、绿色环保、安全性高、运行维护成本低等特点，成为极具发展潜力的大容量储能装置，可用于提高电能质量、可靠性、备用电源、能源管理等领域，应用于电网调峰、应急发电设备、电动汽车电源等领域，新能源发电的储能环节也是全钒液流电池的主要应用场景，通常用于“光伏+储能”项目中的储能。 但由于全钒液流电池中钒电解液成本约占电池成本的60%，因此采用全钒液流电池的大中型储能电站初期投资门槛较高[11]。
2020年，中科院大连化学物理研究所李先锋、张华民研究员团队设计了以可焊接全钒液流电池为核心的8kW/80kWh和15kW/80kWh示范储能项目，均在陕西省投资建设。示范储能项目额定容量为80kWh，额定输出功率分别为8kW和15kW，由储能电池模块、电解液循环模块、远程控制系统和电源控制模块组成。现场机房等重要负载的备用电源全部采用全钒液流电池及光伏发电配套装置，保障负载可靠供电。
2021年5月，攀钢集团研究院有限公司在全钒液流电池领域取得技术突破，降低了全钒液流电池电极材料成本，与传统燃料电池相比，全钒液流电池新一代燃料电池堆总成本降低了40%，提高了整个储能电池系统的稳定性和经济性。
未来随着导电膜、电解液等低成本开发项目的启动，全钒液流电池成本有望进一步降低，而从规划设计到回收利用各个环节的标准规范也将逐步建立完善，商业模式也将更加灵活，也将逐步多元化。
2.5.2 钠硫电池
钠硫电池正极由硫和多硫化钠熔盐等活性物质组成，负极由熔融的金属钠组成，固体电解质隔膜为专门传导钠离子的氧化铝（Al2O3）陶瓷材料，外壳一般采用不锈钢金属材料。常见的铅酸电池、镍镉电池等由固体电极结合液体电解质组成，而钠硫电池则由熔融的液体电极材料和固体电解质组成，硫填充在导电的多孔碳或石墨毡中。在固定的工作温度下，钠离子穿过电解质膜与硫发生反应，储存和释放能量[12]。
钠硫电池是一种新型化学电源，早在1966年，美国的Ford和Weber首先提出了钠硫电池体系。钠硫电池循环寿命长，优质钠硫电池循环寿命一般可达2万次以上。钠硫电池还具有能量高、功率密度高、无自放电、充放电转换效率达80%以上、现场安装方便、材料来源易得、价格合理等优点，在储能领域得到了广泛的应用。目前，钠硫电池产业化应用条件日趋成熟，我国储能用钠硫电池已进入产业化前期准备阶段。
铅酸电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池、全钒液流电池、钠硫电池五种储能电池主要特性对比如表3所示。
3 结论
本文综述了光伏电站储能电池的研究现状和不同光伏电站储能电池在光伏发电系统中的应用前景，并朝着低成本应用、环境友好的方向发展。光伏发电与储能技术的结合将大大提高光伏发电系统的能源利用率和经济性，为助力我国实现碳达峰和碳中和提供技术支持。
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作者 | 高翔
单位 | 酒泉职业技术学院
来源 | 《太阳能杂志》，2022 年第 9 期，第 15-21 页
DOI: 10.19911/j.1003-0417..03