摘　要：2021 年“兩會”上，碳達(dá)峰、碳中和被首次寫入《政府工作報告》，新能源發(fā)電備受關(guān)注。以風(fēng)電、光伏發(fā)電為主要形式的非化石能源將逐漸占據(jù)電力系統(tǒng)的主體地位，光伏電站用儲能電池的發(fā)展和應(yīng)用意義重大。為了更好地調(diào)峰填谷，解決光伏發(fā)電、風(fēng)電并網(wǎng)影響電網(wǎng)穩(wěn)定的問題，需要對各類儲能電池的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行梳理和研究，分析了中國光伏電站用儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，對鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池、全釩液流電池、鈉硫電池、超級電容器等不同光伏電站用儲能電池的工作原理和應(yīng)用場景、典型項目、性能進(jìn)行了介紹和對比，并對未來光伏電站用儲能電池在中國的發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　中國提出 2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和這一目標(biāo)對國家實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會綠色發(fā)展及世界低碳發(fā)展具有重要意義。碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)將逐步推動中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的進(jìn)程和新能源發(fā)電改革，以風(fēng)電和光伏發(fā)電為主要形式的二次能源將逐步占據(jù)中國能源體系的主導(dǎo)地位，以煤炭、石油和天然氣為主的一次能源的消費(fèi)量將逐步下降，新型電力系統(tǒng)和氫能的地位將明顯改善。當(dāng)前，中國低碳發(fā)展取得了一定成效，但在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程中，仍然面臨著低碳技術(shù)發(fā)展不足、建筑能耗趨高、碳交易體系不完善等多重挑戰(zhàn) [1]。中國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)面臨著經(jīng)濟(jì)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整壓力大、制造成本高、光伏發(fā)電及風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量不穩(wěn)定、煤電退出困難、關(guān)鍵金屬供應(yīng)量存在隱患等多方面的挑戰(zhàn)；但與此同時也面臨著油氣依存度逐步降低、光伏發(fā)電及風(fēng)電設(shè)備競爭力強(qiáng)、低碳綠色轉(zhuǎn)型加快等市場機(jī)遇 [2]。在此背景下，光伏電站用儲能電池的發(fā)展和應(yīng)用意義重大。

　　光伏電站用儲能電池與儲能裝置是離網(wǎng)型光伏電站及并網(wǎng)型“光伏 + 儲能”電站的重要組成部分，其主要作用是存儲電能，在連續(xù)陰雨天、夜晚及應(yīng)急狀態(tài)下為負(fù)載供電，或在并網(wǎng)系統(tǒng)中利用存儲的電能調(diào)峰填谷，以減少對電網(wǎng)的沖擊等。儲存電能的方式有很多，主要方式之一是利用各類儲能電池和儲能裝置來完成儲能的任務(wù)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常用的儲能電池及儲能裝置包括鉛酸蓄電池、鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池，以及當(dāng)前具有前沿性的全釩液流電池、鈉硫電池、超級電容器等，它們分別應(yīng)用于光伏發(fā)電的不同場景和產(chǎn)品中 [3]。

　　為了更好地調(diào)峰填谷，解決光伏、風(fēng)電并網(wǎng)影響電網(wǎng)穩(wěn)定的問題，需要對各類儲能電池的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行梳理和研究?；诖?，本文對光伏電站用儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景展開綜述，主要分析了中國光伏電站用儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，對鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池、全釩液流電池、鈉硫電池、超級電容器等不同光伏電站用儲能電池的工作原理和應(yīng)用場所、典型項目、性能進(jìn)行了介紹及對比，并對未來光伏電站用儲能電池在中國的發(fā)展情況進(jìn)行了展望。

1 中國光伏電站用儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　根據(jù)《機(jī)電商報》發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020 年，在新冠疫情沖擊下，中國的光伏發(fā)電裝機(jī)容量依然快速增長，保持并延續(xù)了多項世界第一。2020年，中國光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量為 48.2 GW，連續(xù) 8 年位居全球首位；累計裝機(jī)容量達(dá)到 253GW，連續(xù) 6 年位居全球首位 [4]。在成本層面，2020 年中國光伏組件及系統(tǒng)價格繼續(xù)降低，光伏組件全年平均價格約為 1.57 元 /W，較 2019年下降了 10.3%；系統(tǒng)全年平均價格約為 3.99元 /W，較 2019 年下降了 12.3%。2020 年的光伏發(fā)電項目中標(biāo)電價也出現(xiàn)了新的低價紀(jì)錄，青海省海南藏族自治州某光伏發(fā)電競價項目的中標(biāo)電價為 0.2427 元 /kWh( 約為 3.46 美分 /kWh)，低于 2019 年達(dá)拉特旗 65 萬 kW“風(fēng)光同場”風(fēng)電光伏項目 0.26 元 /kWh 的電價紀(jì)錄。此外，世界多國的光伏發(fā)電系統(tǒng)中標(biāo)電價也打破了原來的最低紀(jì)錄，光伏發(fā)電已成為極具競爭力的電力產(chǎn)品。

　　根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟 (CNESA) 的全球儲能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計，截至 2020 年底，中國已投運(yùn)的“光伏 + 儲能”項目累計裝機(jī)容量達(dá) 883.0 MW，占中國電化學(xué)儲能投運(yùn)項目總裝機(jī)容量的 27.0%，年增長率達(dá)到了 132.3%[5]，具體如圖 1 所示。全年新增電化學(xué)儲能投運(yùn)規(guī)模達(dá)1559.6 MW，同比增長 145%，其中一半的新增投運(yùn)規(guī)模均來自新能源發(fā)電；長期來看，“新能源 + 儲能”市場的發(fā)展空間巨大。

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2 中國典型光伏電站用儲能電池

2.1 鉛酸蓄電池

　　鉛酸蓄電池在充電時將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，放電時再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，正極材料為二氧化鉛 (PbO2)，負(fù)極材料為鉛 (Pb)，電解液為硫酸(H2SO4)。鉛酸蓄電池具有電能轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)使用壽命長、端電壓高、安全性強(qiáng)、性價比高、安裝維護(hù)簡單等特點(diǎn)，是目前各類儲能、應(yīng)急供電和電力啟動等裝置中應(yīng)用最多的電化學(xué)電池。未來，隨著國家清潔能源產(chǎn)業(yè)的拉動及國外電池生產(chǎn)企業(yè)在華投資的增多，中國鉛酸蓄電池產(chǎn)業(yè)將飛速發(fā)展。根據(jù)工信部發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020 年中國鉛酸蓄電池的市場規(guī)模為 1659 億元，同比增長 4.67%，年均復(fù)合增長速度為 3.62%。隨著國際市場需求的逐漸增長，中國鉛酸蓄電池市場規(guī)模持續(xù)穩(wěn)定增長，已成為世界最大的鉛酸蓄電池生產(chǎn)國、出口國和消費(fèi)國。

　　鉛酸蓄電池的反應(yīng)原理如圖 2 所示。最能反映鉛酸蓄電池充、放電過程的是雙極硫酸鹽化理論。鉛酸蓄電池在放電時正、負(fù)極的活性物質(zhì)均變成硫酸鉛 (PbSO4)，充電后正極轉(zhuǎn)變成二氧化鉛，負(fù)極轉(zhuǎn)變成海綿狀鉛，鉛酸蓄電池又還原到原來的狀態(tài)[6]。

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　　鉛酸蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)過程如式(1)、式(2)所示。其中，放電過程為：

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　　充電過程為：

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　　隨著鉛酸蓄電池技術(shù)的發(fā)展，閥控式鉛酸蓄電池的應(yīng)用越來越廣泛。由于鉛酸蓄電池充電后期會出現(xiàn)正極板產(chǎn)生氧氣、負(fù)極板產(chǎn)生氫氣及水的電解等問題，工程上為了抑制氫氣的產(chǎn)生，減少氣體釋放量，提高釋放氫氣的電位，降低自放電率，常將閥控式鉛酸蓄電池正極改用鉛鈣合金柵板，負(fù)極改用具有活性物質(zhì)的海綿狀鉛，利用其與氧氣快速反應(yīng)的特點(diǎn)，負(fù)極吸氧增多，抑制了水的減少。閥控式鉛酸蓄電池的電池蓋上設(shè)有單向排氣閥 ( 安全閥 )，當(dāng)蓄電池內(nèi)部氣壓超過一定值時，單向排氣閥會自動開啟排出氣體，隨后自動關(guān)閉阻止外界空氣進(jìn)入蓄電池內(nèi)部。因此，此類蓄電池被稱為閥控式鉛酸蓄電池 [7]。

2.2 磷酸鐵鋰電池

　　磷酸鐵鋰電池是一種以磷酸鐵鋰為正極材料的新型鋰離子電池，與鉛酸蓄電池相比，其具有比能量高、重量輕、體積小、環(huán)保、無污染、免維護(hù)、壽命長、高低溫適應(yīng)性能好、無記憶效應(yīng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，磷酸鐵鋰電池的標(biāo)稱電壓為 3.2 V，具有良好的電化學(xué)性能，充電、放電性能均十分平穩(wěn)，可高倍率放電，可接受大電流快速充電 [8]。

　　磷酸鐵鋰電池在 80% 放電深度條件下，循環(huán)使用壽命大于 2000 次 ( 能量型的磷酸鐵鋰電池循環(huán)使用壽命可以達(dá)到 6000 次 )，表明該類電池在深度放電狀態(tài)下仍能提供高功率輸出，完全符合現(xiàn)代動力電池和儲能電池的發(fā)展需要。目前，磷酸鐵鋰電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動自行車、電動汽車、電動工具、汽車啟動、UPS 電源、通信基站、新能源儲能、智能微電網(wǎng)等領(lǐng)域。未來，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的不斷成熟，與另一種國內(nèi)常用的三元鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池因出色的安全性能和成本優(yōu)勢，必定會成為未來市場的主流產(chǎn)品。

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　　盡管在制造成本上，磷酸鐵鋰電池高于鉛酸蓄電池，但磷酸鐵鋰電池的性能優(yōu)于鉛酸蓄電池。磷酸鐵鋰電池質(zhì)量為同容量鉛酸蓄電池質(zhì)量的 1/3 左右，循環(huán)使用壽命是鉛酸蓄電池的5 倍以上，且安裝方便、施工和維護(hù)成本低，長期使用的綜合效益顯著。磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的性能對比如表 1 所示。

2.3 鎳氫電池

　　鎳氫電池的正極為氫氧化鎳 (Ni(OH)2)，負(fù)極為儲氫合金，電解液為堿性氧化物。鎳氫電池的結(jié)構(gòu)包括隔膜紙、電解液、鋼殼、頂蓋、密封圈等組成部分，制作時可以用隔膜紙將正、負(fù)極分開后卷繞在一起密封于鋼殼中，制作成圓形電池；也可以用隔膜紙將正、負(fù)極分開后疊成層狀密封于鋼殼中，制作成方形電池。鎳氫電池的優(yōu)點(diǎn)是功率大、重量輕、壽命長、無污染，其能量密度比鎳鎘電池的能量密度大 2 倍，工作電壓與同類型的鎳鎘電池的工作電壓相同。鎳氫電池具有良好的過充電和過放電性能，且基本消除了記憶效應(yīng)；缺點(diǎn)是自放電性能較差，在充滿電放置2 個月后，許多鎳氫電池的剩余電量減少到原有容量的 50% 以下，過高的環(huán)境溫度也會加速其自放電。

　　鎳氫電池主要應(yīng)用在太陽能儲能、電動工具、醫(yī)療器械和消費(fèi)數(shù)碼產(chǎn)品中，比如太陽能燈、高溫?zé)艟?、車載 T-BOX、汽車 OBD 和 E-CALL系統(tǒng)、電動工具、醫(yī)療器械、游戲機(jī)手柄、吸塵器、剃須刀、電動牙刷、電動玩具的電池等。鎳氫電池的性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟，且已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，未來 5 年將逐步成為中國新能源儲能的重點(diǎn)發(fā)展方向。

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　　鎳氫電池的反應(yīng)原理如圖 3 所示。鎳氫電池充電時，正極的氫氧化鎳失去 1 個電子并與電解液中電離的氫氧根離子 (OH- ) 結(jié)合，生成羥基氧化鎳 (NiOOH)，負(fù)極的氫合金 (M) 得到 1 個電子并與電解液中電離的氫離子 (H+ ) 結(jié)合，生成儲氫合金吸附氫 (MHab)；放電過程與充電過程相反 [9]。

　　　鎳氫電池的反應(yīng)式如式 (3)～式 (5) 所示。其中，正極的反應(yīng)式為：

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2.4 超級電容器

　　超級電容器的性能介于電解電容器和蓄電池之間，是一種新型儲能裝置，由隔膜、電解液、集流體和電極材料等組成。其中，電極材料主要有碳材料、金屬氧化物及水合物材料 (MxOy)、導(dǎo)電聚合物，通過極化電解質(zhì)來儲能。

　　按照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)，可將超級電容器劃分為不同類型。1) 按照電解質(zhì)溶液的不同，可以將超級電容器劃分為水系電解液超級電容器、有機(jī)電解液超級電容器、固態(tài)電解液超級電容器；2) 按照超級電容器電極的構(gòu)成及在電極上發(fā)生反應(yīng)類型的不同，可以將其劃分為對稱型超級電容器和非對稱型超級電容器；3) 按照電極的儲能機(jī)理及制備原料的不同，可以將超級電容器劃分為雙電層超級電容器、贗電容超級電容器和混合型超級電容器 [10]。

　　雙電層超級電容器通過電解質(zhì)與電極之間的相互融合形成界面雙電層來儲存能量，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 4 所示。

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　　贗電容超級電容器利用電極表面的電活性物質(zhì)，通過欠電位沉積，發(fā)生氧化還原反應(yīng)和化學(xué)吸附 / 脫附，從而儲存電能。

　　超級電容器的構(gòu)造簡單，具有充放電能力強(qiáng)、功率密度大、容量大、循環(huán)使用壽命長、免維護(hù)、工作溫度低、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，通常應(yīng)用在汽車電源、電力儲能、鐵路、航空航天、通信、國防等領(lǐng)域，擁有廣闊的發(fā)展前景。

　　超級電容器與電解電容器及鉛酸蓄電池 3 種儲能裝置的性能對比如表 2 所示。以某住宅小區(qū)內(nèi)的 1 個太陽能路燈為例。該太陽能路燈選用超級電容器作為儲能裝置，對其正常工作時需要配備的超級電容器的容量進(jìn)行計算。該太陽能路燈的平均工作時間為每日 3h(即工作時間t為10800 s)，工作電流I為0.025 A，正常工作電壓 U1 為 3.7 V，截止工作電壓 U0 為1.8 V。超級電容器容量的計算式為：

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　　將參數(shù)值代入式 (6)，可以得出超級電容器的容量為 142 F。根據(jù)這一結(jié)果，該太陽能路燈選擇耐壓值為 5.5 V、容量為 140～160 F 的超級電容器即可。

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2.5 全釩液流電池與鈉硫電池

2.5.1 全釩液流電池

　　全釩液流電池 (vanadium flow battery，VFB)全稱為全釩氧化還原液流電池 (vanadium redoxflow battery，VRFB)，是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動液態(tài)的氧化還原電池。全釩液流電池因長壽命、高能效、綠色環(huán)保、安全性高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，成為極具發(fā)展?jié)摿Φ拇笕萘績δ苎b置，可用于電能質(zhì)量改善、可靠性提高、備用電源與能量管理等方面。全釩液流電池可應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰、應(yīng)急發(fā)電裝置、電動車車用電源等領(lǐng)域，新能源發(fā)電的儲能環(huán)節(jié)也是全釩液流電池的主要應(yīng)用場景，其通常應(yīng)用于“光伏 + 儲能”項目的儲能環(huán)節(jié)。但由于全釩液流電池中的釩電解液成本約占該電池成本的 60%，導(dǎo)致采用全釩液流電池的大中型儲能電站的初始投資門檻較高 [11]。

　　2020 年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李先鋒、張華民帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊設(shè)計了以可焊接全釩液流電池為核心的 8kW/80kWh 和15kW/80kWh 示范儲能項目，并均在陜西省投入運(yùn)行。示范儲能項目的額定容量均為 80 kWh，額定輸出功率分別為 8 kW 和 15 kW，由儲能電池模塊、電解液循環(huán)模塊、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及力控模塊等組成。示范儲能項目現(xiàn)場機(jī)房等重要負(fù)載的備用電源全部采用全釩液流電池和光伏發(fā)電配套裝置，以確保為負(fù)載可靠供電。

　　2021 年5 月，攀鋼集團(tuán)研究院有限公司在全釩液流電池領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，降低了全釩液流電池用電極材料的成本。與傳統(tǒng)電堆相比，采用全釩液流電池的新一代電堆的總成本降低了 40%，提升了整個儲能電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

　　未來，隨著傳導(dǎo)膜、電解液等低成本開發(fā)項目的啟動，全釩液流電池的成本有望進(jìn)一步降低，且其從規(guī)劃設(shè)計至回收利用的各個環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將逐步建立與完善，商業(yè)模式也將逐步多樣化。

2.5.2 鈉硫電池

　　鈉硫電池的正極由硫和多硫化鈉熔鹽等活性物質(zhì)組成，負(fù)極由熔融金屬鈉組成，固體電解質(zhì)隔膜是一種專門傳導(dǎo)鈉離子的氧化鋁(Al2O3) 陶瓷材料，殼體一般為不銹鋼金屬材料。常見的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池等都是固體電極與液體電解質(zhì)結(jié)合組成，而鈉硫電池則是由熔融的液體電極材料和固體電解質(zhì)組成，硫填充在導(dǎo)電多孔碳或石墨氈中。在固定的工作溫度下，鈉離子透過電解質(zhì)膜與硫發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)行能量儲存和釋放 [12]。

　　鈉硫電池是一種新型化學(xué)電源。早在 1966年，美國福特公司的 Kumner 和 Weber 就首次提出了鈉硫電池系統(tǒng)。鈉硫電池具有很長的循環(huán)使用壽命，高質(zhì)量鈉硫電池的循環(huán)使用壽命一般能達(dá)到 20000 次以上。鈉硫電池還具有高能量、高功率密度、無自放電現(xiàn)象、80% 以上的充放電轉(zhuǎn)換效率、便于現(xiàn)場安裝、材料來源容易獲得、價格適當(dāng)?shù)葍?yōu)勢，在大容量儲能領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。目前，鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件日趨成熟，中國儲能用鈉硫電池已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的前期準(zhǔn)備階段。

　　鉛酸蓄電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池、全釩液流電池和鈉硫電池 5 種儲能電池的主要特性對比如表 3 所示。

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3 結(jié)論

　　本文綜述了光伏電站用儲能電池的研究現(xiàn)狀，以及不同光伏電站用儲能電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。隨著儲能技術(shù)朝儲能方式混合化、轉(zhuǎn)換高效化、能量高密度化、應(yīng)用低成本化、環(huán)境友好的方向發(fā)展，光伏發(fā)電與儲能技術(shù)的結(jié)合將大幅提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的能源利用率和經(jīng)濟(jì)性，為助力中國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和提供技術(shù)保障。