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磷酸鐵鋰電池在光伏發(fā)電中的應(yīng)用
發(fā)表時間:2020-04-01     閱讀次數(shù):     字體:【

磷酸鐵鋰電池在光伏發(fā)電中的應(yīng)用

摘要:高性能的儲能電池對光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)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(huán)壽命長、使用成本低等優(yōu)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(guī)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(tǒng)儲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)電儲能系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:磷酸鐵鋰電池;光伏發(fā)電;存儲效率
中圖分類號:TM 615 文獻(xiàn)標(biāo)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(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,高性能的儲電環(huán)節(jié)對光伏產(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(huán)壽命長、使用成本低等優(yōu)勢。本文就常規(guī)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(tǒng)儲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)電儲能系統(tǒng)。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對儲能環(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),因此對儲能環(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,飛輪儲能和超導(dǎo)儲能在性能上有著化學(xué)電池?zé)o可比擬的優(yōu)勢,必將成為儲能裝置發(fā)展的必然趨勢,但在現(xiàn)階段,由于技術(shù)和價格的原因,化學(xué)電池仍然是太陽能光伏發(fā)電儲能的主要方式。
  將化學(xué)電池用作光伏電源的儲能環(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 各種蓄電池性能對比
電化學(xué)介質(zhì)單元電壓/V評價
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)成熟程度和性價比最高,因此目前光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電的進(jìn)一步發(fā)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(diǎn)對光伏發(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/V3.22.0
質(zhì)量比能量/(Wh·kg-1)9040
體積比能量/(Wh·L-1)19070
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(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,在儲能效率方面,磷酸鐵鋰電池具有明顯的優(yōu)勢。

3 磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)

  配合光伏電站的儲能系統(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鐵鋰電池進(jìn)行充電,再通過逆變器直接對用電設(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 起到對蓄電池進(jìn)行管理的作用,首先對電池組的數(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 光伏電站儲能系統(tǒng)整體架構(gòu)圖
  鋰電池組在系統(tǒng)中起兩個作用,一個是能量的儲存和調(diào)節(jié),另一個是平衡負(fù)載,它將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來,以備供電不足時使用。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 儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
  由圖2可知,儲能子系統(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)對儲能環(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)展對儲能系統(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(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于磷酸鐵鋰電池的光伏發(fā)電儲能系統(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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