摘要：高性能的儲能電池對光伏產業的發展至關重要。相比于鉛酸電池，磷酸鐵鋰電池具有比能量高、儲能效率高、循環壽命長、使用成本低等優勢。利用該類型鋰電池作為儲能裝置，可把能源效率提高至90%左右，因此非常適合用作新能源儲能裝置。就常規性能、儲能特性等方面將鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池作了對比。在分析了將磷酸鐵鋰電池用作光伏系統儲能裝置的可行性的基礎上，設計了相應的光伏發電儲能系統。
關鍵詞：磷酸鐵鋰電池；光伏發電；存儲效率
中圖分類號：TM 615 文獻標識碼：A 文章編號：1002-087 X(2014)08-1487-02
在諸多的可再生能源中，太陽能以其綠色、環保、取之不盡、用之不竭等特性成為最具發展潛力的能源形式，具有巨大的市場前景。我國有著非常豐富的太陽能資源，發展光伏產業對我國欠發達地區和偏遠地區的用電改善具有重要意義。但是，光伏發電具有非連續性和不穩定性，發電性能隨外界環境的變化而變化，因此，高性能的儲電環節對光伏產業的發展至關重要。
目前，大部分光伏系統都采用鉛酸電池作為儲能裝置。相比于鉛酸電池，磷酸鋰鐵電池具有比能量高、儲能效率高、循環壽命長、使用成本低等優勢。本文就常規性能、儲能特性等方面將鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池作了對比。在分析了將磷酸鐵鋰電池用作光伏系統儲能裝置的可行性的基礎上，設計了相應的光伏發電儲能系統。
1 太陽能光伏發電系統對儲能環節的基本要求
太陽能發電系統成本高、轉化效率低、隨環境變化性強，因此對儲能環節的要求較高。太陽能光伏發電系統的使用壽命一般是20 年，要求與之配套的儲能環節具有使用壽命長、性能穩定、能量效率較高、適應環境能力強等特征。
目前，用于光伏發電系統的儲能技術主要分為電化學電池、飛輪、超導線圈等。相比較而言，飛輪儲能和超導儲能在性能上有著化學電池無可比擬的優勢，必將成為儲能裝置發展的必然趨勢，但在現階段，由于技術和價格的原因，化學電池仍然是太陽能光伏發電儲能的主要方式。
將化學電池用作光伏電源的儲能環節，就是把化學反應中氧化還原所釋放出來的能量直接轉變為直流電能供負載使用。目前，可用作太陽能儲能單元的電化學介質主要有6種，如表1 所示[1]。
表1 各種蓄電池性能對比
| 電化學介質 | 單元電壓/V | 評價 |
| 鉛酸 | 2.0 | 最低成本 |
| 鎳鎘 | 1.2 | 有記憶效應 |
| 金屬氰化鎳 | 1.2 | 對溫度敏感 |
| 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，但其技術成熟程度和性價比最高，因此目前光伏發電系統的儲能單元主要采用閥控密封式鉛酸蓄電池組。但是，隨著光伏發電的進一步發展，對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對光伏發電的不利影響日益突出。因此，急需一種高效能的化學電池來擔當相應的儲能環節。
2 磷酸鐵鋰電池性能分析
磷酸鐵鋰電池是近幾年發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、免維護、擁有2000 次的充放電使用壽命、安全以及綠色環保等特點，正在成為化學電池的主角[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有機溶劑，充放電的基本原理是鋰離子在正負極之間的嵌入和脫出。
磷酸鐵鋰電池的電壓平臺為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電系統，可以大大縮小電池所占空間，降低維護工作量，兩種電池常規性能如表2 所示。
圖2 磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池常規性能表
| 項目 | 磷酸鐵鋰電池 | 鉛酸電池 |
| 標稱電壓/V | 3.2 | 2.0 |
| 質量比能量/（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。同時磷酸鐵鋰電池的倍率特性為5 C～15 C，轉換效率大于95%，而鉛酸電池的倍率特性為0.1C～1C，轉換效率大于80%。因此，在儲能效率方面，磷酸鐵鋰電池具有明顯的優勢。
3 磷酸鐵鋰電池儲能系統的開發設計
配合光伏電站的儲能系統的基本架構如圖1 所示，光伏組件陣列利用太陽電池板的光伏效應將光能轉換為電能，并通過光伏控制器對鐵鋰電池進行充電，再通過逆變器直接對用電設備進行供電或通過并網逆變器將電能引入電網。圖1中的電池管理系統BMS 起到對蓄電池進行管理的作用，首先對電池組的數據進行采集，并根據所采集的數據對電池的運行狀態進行診斷，從而起到監測電池組過壓、欠壓、過溫、過充、過放、過流、剩余容量(SOC)及單體電池健康狀態(SOH)的作用。
圖1 光伏電站儲能系統整體架構圖
鋰電池組在系統中起兩個作用，一個是能量的儲存和調節，另一個是平衡負載，它將光伏發電系統輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。本系統中的鋰電池組采用磷酸鐵鋰電池來擔任，基本結構如圖2 所示。
圖2 儲能系統結構圖
由圖2可知，儲能子系統由直流匯流環節、磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統BMS、本地控制中心、遠程控制中心等環節組成，直流匯流環節將太陽能電流匯集起來，并送入蓄電池中存儲起來，蓄電池與電池管理系統相連接，并通過短距離通信方式與本地監控中心進行信息的聯系，而本地監控中心通過公共通信網與遠程監控中心相連接，從而實現對儲能環節有效監控的目的。
4 結語
太陽能光伏發電系統的快速發展對儲能系統提出了更高的要求。鉛酸電池由于其自身不耐高溫、不耐過充過放、維護工作量大以及壽命短等缺陷，阻礙著光伏發電的進一步發展。而磷酸鐵鋰電池的儲能效率高、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能用電源。本文在分析了將磷酸鐵鋰電池用作光伏儲能裝置可行性的基礎上，設計了基于磷酸鐵鋰電池的光伏發電儲能系統。研究表明，該系統能源效率高，充放電使用壽命長，運行穩定可靠，應用前景良好。
