鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：2662次 | 2021年12月09日
最適合大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)？鈉硫電池的應(yīng)用前景在哪？
在電力系統(tǒng)中，為了調(diào)頻、調(diào)峰和穩(wěn)定電網(wǎng)，經(jīng)常要引入電力儲(chǔ)能裝置。儲(chǔ)能系統(tǒng)按原理可以分為抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能和蓄電池儲(chǔ)能。
近些年，由于大功率動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)的不斷成熟，蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。滿足大規(guī)模儲(chǔ)能要求的蓄電池重要有4種，分別是鈉硫電池(NaS)、鉛酸電池(LA)、氧化還原礬電池(VRB)和鋅溴電池(ZnBr)。
從功率供應(yīng)能力、能量效率、安裝成本、額定功率放電能力、安裝場(chǎng)地要求、維護(hù)要求等多因素綜合考慮，鈉硫電池的總體特性最適合大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用。
1NaS電池的原理與特性
鈉硫電池是美國(guó)福特(Ford)公司于1967年首先發(fā)明公布的，發(fā)明的初衷是用于電動(dòng)汽車。鈉硫電池采用管式設(shè)計(jì)，以中心負(fù)極為主。單體容量650Ah的電池重量約為8～9kg，如圖1所示，內(nèi)管為β-Al2O3陶瓷材料，管內(nèi)盛放的金屬鈉為負(fù)極材料；外管為合成材料或不銹鋼金屬材料，管內(nèi)盛放的非金屬硫(石墨氈作導(dǎo)電載體)為正極材料。鈉硫電池正常工作要加熱到290℃以上，溫度穩(wěn)定后才能進(jìn)行充放電。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由于β-Al2O3同時(shí)充當(dāng)電解質(zhì)和隔膜，由于它只傳導(dǎo)鈉離子，所以鈉硫電池充放電過(guò)程中沒有副反應(yīng)發(fā)生；另外，由于充放電過(guò)程中電池化學(xué)反應(yīng)相應(yīng)的吸熱和放熱用途，要響應(yīng)速度快、高穩(wěn)定性的溫控系統(tǒng)。
鈉硫電池單體的比能量高，可大電流、高功率放電，無(wú)放電污染、無(wú)振動(dòng)、低噪聲，利于環(huán)境保護(hù)；鈉硫電池的理論比能量高達(dá)760Wh/kg，沒有自放電現(xiàn)象，放電效率幾乎可達(dá)100%；單體的額定電壓為2V，我國(guó)目前設(shè)計(jì)容量達(dá)到650Ah，功率120W以上；將多個(gè)單體電池組合后形成模塊。模塊的功率通常為幾十千瓦，通過(guò)模塊串聯(lián)可以很容易達(dá)到兆瓦級(jí)，直接用于大型儲(chǔ)能；循環(huán)充放電次數(shù)按300次/a(90%DOD)計(jì)算，其壽命可以達(dá)到15a左右；另外，其重量和體積僅為鉛酸電池的1/5～1/3。與其他蓄電池不同的是，鈉硫電池的工作溫度為290～360℃，要通過(guò)保溫箱進(jìn)行模塊封裝和集成。溫控系統(tǒng)的好壞直接影響到鈉硫電池的工作狀態(tài)和壽命。
2NaS電池的儲(chǔ)能應(yīng)用現(xiàn)狀
NGK公司和日本東京電力公司(TEPCO)1983年起合作開發(fā)鈉硫電池，并于2002年開始進(jìn)入商品化執(zhí)行階段。作為全球唯一一家鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化公司，NGK公司將NaS電池定位于儲(chǔ)能應(yīng)用，其目標(biāo)瞄準(zhǔn)負(fù)荷平定(LL，LoadLeveling)、不間斷電源(UPS，UninterruptedPowerSupply)、應(yīng)急電源(EPS，EmergencyPowerSupply)等應(yīng)用。鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)按應(yīng)用類型分重要有3種：
第一種是用于變電站負(fù)荷平定(包括削峰填谷)；
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
第二種是用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，重要是平抑間歇式能源對(duì)電網(wǎng)的沖擊，起到穩(wěn)定電網(wǎng)的用途；
第三種是輔助備用，起到旋轉(zhuǎn)備用和應(yīng)急備用的功能。
另外鈉硫電池在輸配電系統(tǒng)的有功、無(wú)功支持及多功能電能儲(chǔ)存系統(tǒng)中也有良好的應(yīng)用前景。1992年～2007年，全球鈉硫電池儲(chǔ)能應(yīng)用共計(jì)196個(gè)項(xiàng)目，安裝容量270MW。其中，各種應(yīng)用所占的比例如圖2所示，用于LL的安裝容量最大，有接近120MW。用于LL+EPS和LL+UPS模式的總安裝容量有100MW左右。用于新能源領(lǐng)域的不到40MW。用于科研和其他應(yīng)用的只有一小部分。
截止到2009年初，全球已經(jīng)建成了超過(guò)200個(gè)項(xiàng)目，總計(jì)超過(guò)300MW，2000MWh。其中絕大部分項(xiàng)目在日本，少部分在美國(guó)和德國(guó)。美國(guó)有9MW已經(jīng)投入運(yùn)行，另外有10MW的項(xiàng)目由于時(shí)間調(diào)整推遲6到12個(gè)月。2006年，美國(guó)第一個(gè)兆瓦級(jí)的儲(chǔ)能項(xiàng)目(1MW)由美國(guó)電力公司(AEP)主持完成；2008年，最大規(guī)模的風(fēng)電儲(chǔ)能電站(34MW)在日本建成；另外法國(guó)留尼汪島(1MW)和阿聯(lián)酋(共50MW)用于負(fù)荷平定的項(xiàng)目也在計(jì)劃建設(shè)中。
2002年，美國(guó)從NGK公司購(gòu)買了鈉硫電池，在俄亥俄州建成了第一個(gè)100kW/500kVA的示范電站。因此AEP獲得了幾年內(nèi)以低價(jià)格購(gòu)買鈉硫電池的優(yōu)惠權(quán)。2006年，西弗吉尼亞州的查爾斯頓建成了美國(guó)第一個(gè)兆瓦級(jí)的鈉硫儲(chǔ)能電站。項(xiàng)目中采用的鈉硫電池參數(shù)如表1所示，額定功率是1MW，峰值功率是1.2MW，能供應(yīng)的最大能量為7.2MWh，可以為500～600個(gè)家庭供應(yīng)6～7h的電能。電池在夜間用電低谷期充電，在白天用電高峰期放電。這樣可以在一定程度上保證查爾斯頓周邊地區(qū)的夏季用電供應(yīng)。同時(shí)將電力設(shè)備更新的時(shí)間推遲了6～7a。
美國(guó)NaS電池項(xiàng)目中的價(jià)格組成如圖3所示，其中鈉硫電池的成本占到了總成本的45%。
為了延長(zhǎng)電池壽命只用了電池能量(7.2MWh)的83%～90%。在前11個(gè)月的運(yùn)行中，按當(dāng)?shù)氐碾娰M(fèi)計(jì)算，共節(jié)約S57000。其中最多的一個(gè)月(2006年八月)是S11300，最少的一個(gè)月(2006年九月)是S2400。
美國(guó)建成的另一個(gè)額定功率2MW的公交車天然氣補(bǔ)給站儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于低谷儲(chǔ)電、高峰放電，降低220輛公交車燃料補(bǔ)給費(fèi)用。通過(guò)合理的控制，該儲(chǔ)能電站每年可節(jié)約S246500。
中科院硅酸鹽所于2006年與上海市電力公司合作，在國(guó)家“七五”到“十五”期間車用小容量鈉硫電池研發(fā)的基礎(chǔ)上，開發(fā)650Ah大容量鈉硫儲(chǔ)能電池。目前開發(fā)的電池正在模塊成組測(cè)試過(guò)程中反復(fù)進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)已建成2MW大容量鈉硫單體電池中試生產(chǎn)示范線；2009年九月，10MW儲(chǔ)能系統(tǒng)演示成功；2010年上海世博會(huì)期間，100kW/800kWhNaS儲(chǔ)能系統(tǒng)已作為上海世博園智能電網(wǎng)綜合示范工程的一部分在上海硅酸鹽所嘉定南門產(chǎn)業(yè)化基地啟動(dòng)運(yùn)行。
世界首富比爾·蓋茨在2016年四月，向?qū)ｉT研制鈉電池的初創(chuàng)公司AquionEnergy的C輪融資投了3500萬(wàn)美元。而在去年一月，該公司宣布C輪融資金額由3500萬(wàn)美元上調(diào)至5500萬(wàn)美元，在新增的2000萬(wàn)美元的股東名單中，位列第一的又是比爾·蓋茨。
3NaS電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)
典型儲(chǔ)能系統(tǒng)由變電站系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS，PowerConversionSystem)、儲(chǔ)能電池及電池管理系統(tǒng)(BMS，BatteryManagementSystem)以及監(jiān)控系統(tǒng)組成。有3個(gè)直流支路的儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
其中，BMS重要功能是監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，估算電池荷電狀態(tài)(SOC，StateofCharge)和健康狀態(tài)(SOH，StateofHealth)，根據(jù)電池特性實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前允許的充放電電流允許值，實(shí)時(shí)進(jìn)行故障診斷和數(shù)據(jù)上傳，同時(shí)在極端情況下直接切斷支路接觸器，確保系統(tǒng)安全。
溫控系統(tǒng)接收到BMS的溫度信息，實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度控制，確保電池在合理的溫度范圍內(nèi)工作。
PCS重要實(shí)現(xiàn)電池的充放電控制、信息指示、故障判斷與上傳及保護(hù)功能(交直流異常保護(hù)、短路保護(hù)、功率器件過(guò)溫保護(hù)和防雷擊保護(hù)等)。鈉硫電池單體在充放電過(guò)程中，電壓在1.5V～2.4V之間波動(dòng)，支路電壓的變化非常大。這就給傳遞功率的控制帶來(lái)困難。因此，PCS系統(tǒng)要設(shè)計(jì)兩級(jí)：先通過(guò)雙向DC-DC斬波器得到穩(wěn)定的直流電壓，降低電流紋波；再通過(guò)DC-AC變流器接入交流電網(wǎng)。
監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)與BMS通信監(jiān)視鈉硫電池組的運(yùn)行參數(shù)，記錄BMS運(yùn)行的數(shù)據(jù)；通過(guò)與PCS通信監(jiān)視電池組充放電情況，并能夠?qū)⑹孪仍O(shè)置好的或者自含義的充放電策略下發(fā)到PCS。此外，變電站原有的遠(yuǎn)端測(cè)控單元(RTU，RemoteTerminalUnit)信息(儲(chǔ)能系統(tǒng)所用站內(nèi)二次設(shè)備)、技防系統(tǒng)及變壓器側(cè)電度表讀數(shù)(記錄充、放電過(guò)程中釋放、消耗的電量)等也要一并連入儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)。
4結(jié)束語(yǔ)
鈉硫電池能量高、壽命長(zhǎng)，是大型可再生能源儲(chǔ)能、電網(wǎng)負(fù)荷平定和大功率應(yīng)急電源的首選電池。目前，國(guó)內(nèi)還沒有建成鈉硫儲(chǔ)能電站。中科院硅酸鹽所和上海電力公司合作開發(fā)的大容量?jī)?chǔ)能鈉硫電池還處于示范階段，另外保溫箱控制、模塊集成、BMS和PCS技術(shù)成熟度在進(jìn)一步提高中。
國(guó)內(nèi)電力儲(chǔ)能市場(chǎng)巨大。按2010年國(guó)家電網(wǎng)對(duì)清潔能源做出的預(yù)計(jì)，到2020年，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)將分別達(dá)到1.5億kW和2000萬(wàn)kW，按20%的容量配置儲(chǔ)能，僅可再生能源發(fā)電領(lǐng)域就有3400萬(wàn)kW的儲(chǔ)能市場(chǎng)需求。假如1000萬(wàn)kW采用鈉硫電池，按15元/W估算，產(chǎn)值可以達(dá)到1500億元。隨著國(guó)內(nèi)鈉硫電池本體性能和保溫箱模塊集成技術(shù)的不斷提高，一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，則大型電力儲(chǔ)能項(xiàng)目會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速新增。
（來(lái)源：北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院）
