NAS電池儲能裝置及其應(yīng)用

文/廖文俊，黃建民，曾樂才，蘇青 上海電氣集團股份有限公司中央研究院 (200070)

近30年來，新能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場化進程逐年提高。截至2007年底，全世界風(fēng)電累計裝機總?cè)萘窟_到93849MW，太陽能電池累計產(chǎn)量達到12000MW，為人類提供了大量清潔電力。然而，限于資源的影響，風(fēng)能和太陽能發(fā)出的電力具有不穩(wěn)定性和不連續(xù)性，不利于大規(guī)模發(fā)展。所以，可以將不穩(wěn)定的電力收集起來并在適當?shù)臅r候?qū)⑵淦椒€(wěn)釋放的儲能裝置，在新能源利用的廣大領(lǐng)域具有不可替代的作用，顯示出非常良好的發(fā)展前景。

儲能技術(shù)已被視為電網(wǎng)運行過程中“采-發(fā)-輸-配-用-儲”六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。系統(tǒng)中引入儲能環(huán)節(jié)后，可以有效地實現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負荷，不僅可以更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以促進可再生能源的應(yīng)用，也可作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段。儲能技術(shù)的應(yīng)用必將在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計、規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來重大變革。

表1 儲能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

一、儲能技術(shù)分類比較

目前儲能方式主要分為四類:機械儲能（抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能）、化學(xué)儲能（鈉硫、液流、鉛酸、鎳氫、鋰離子、鎳鎘電池等）、電磁儲能（超導(dǎo)電磁儲能、超級電容器）和相變儲能（冰蓄冷）。

在各種儲能技術(shù)中，抽水蓄能和壓縮空氣儲能比較適用于電網(wǎng)調(diào)峰；電池儲能和相變儲能比較適用于中小規(guī)模儲能和用戶需求側(cè)管理；超導(dǎo)電磁儲能和飛輪儲能比較適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障；超級電容器儲能比較適用于電動汽車儲能和混合儲能。不同儲能技術(shù)在技術(shù)成熟度、應(yīng)用領(lǐng)域、產(chǎn)業(yè)化進程等方面存在差異。近年技術(shù)進步最快的是電化學(xué)儲能，其中鈉硫、液流及鋰離子電池技術(shù)在安全性、能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟性等方面取得重大突破。

鈉硫電池具有高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、溫度穩(wěn)定性以及無自放電等方面的突出優(yōu)勢，使得鈉硫電池成為目前最具市場活力和應(yīng)用前景的儲能電池。表2比較了各種儲能技術(shù)的優(yōu)劣勢及其適用的范圍（數(shù)據(jù)來自美國能源部網(wǎng)站）。

表2 各種儲能電池的比較

二、NAS儲能系統(tǒng)的應(yīng)用目的和意義

儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的目的主要有以下幾方面:（1）為新能源的大規(guī)模開發(fā)并網(wǎng)應(yīng)用提供保障；（2）電力調(diào)峰的作用；（3）提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性；（4）提高供電質(zhì)量。

三、鈉硫電池（NAS）的原理和特性

1.鈉硫電池工作基本原理

NAS電池是當前開發(fā)的一種高能蓄電池，它所貯存的能量為常用鉛蓄電池的5倍（按相同質(zhì)量計），且具有運行無聲、無污染、價廉、安全、使用壽命長以及維修費低廉等優(yōu)點。常用的電池是由一個液體電解質(zhì)將兩個固體電極隔開，而NAS電池正相反，它是由固體電解質(zhì)將兩個液體電極隔開:一個由Na－β－Al2O3固體電解質(zhì)做成的中心管，將內(nèi)室的熔融鈉（熔點98℃）和外室的熔融硫（熔點119℃）隔開，并允許Na＋離子通過。整個裝置密封于不銹鋼容器內(nèi)，此容器又兼作硫電極的集流器。在電池內(nèi)部，Na＋離子穿過固體電解質(zhì)和硫反應(yīng)從而傳遞電流。

它的電池形式如下:

圖1 鈉硫電池的結(jié)構(gòu)

圖2 鈉硫電池模塊示意

鈉硫電池的理論比容量可達760Wh/kg，實際已達到300Wh/kg，且充電持續(xù)里程長，循環(huán)壽命長。

2.鈉硫電池特性

鈉硫電池具有許多特色之處是其他電池難以比擬的:

(1)比能量高:鈉硫電池的理論比能量（即電池單位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能量）為760Wh/kg，實際已大于300Wh/kg，是鉛酸電池的3～4倍。

(2)可大電流、高功率放電:其放電電流密度一般可達200～300mA·cm2,并瞬時間可放出其3倍的固有能量。

(3)充放電效率高:由于采用固體電解質(zhì)，所以沒有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應(yīng)，充放電電流效率幾乎100%。

(4)大容量，結(jié)構(gòu)緊湊:單體電池，串并聯(lián)即成不同容量的模塊，空間和重量是鉛酸電池的1/3～1/4。

(5)長壽命和高安全性:2500次循環(huán), 使用壽命長達15年，安全性過關(guān)。

(6)環(huán)境友好:全密封，無污染釋放, 無振動,無噪聲。

3.鈉硫電池的不足之處

安全問題:鈉硫電池僅只在達到320?C左右的溫度，即僅當鈉和硫都處于液態(tài)的高溫下才能運行。而如果陶瓷電介質(zhì)一旦破損形成短路，高溫的液態(tài)鈉和硫就會直接接觸，發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)。這種反應(yīng)雖然不會產(chǎn)生氣體發(fā)生爆炸，但會產(chǎn)生高達2000?C的高溫，相當危險。過度充電時也很危險。

保溫與耗能問題:在高溫下運行的另一個問題是保溫耗能的問題。鈉硫電池在300?C下才能啟動，電池工作時需要一定的加熱保溫，因此需要附加供熱設(shè)備來維持溫度等。而在鈉硫電池生產(chǎn)過程中，涉及到陶瓷管的煅燒，耗能較大。

4.鈉硫電池生產(chǎn)工藝

圖3 鈉硫電池生產(chǎn)技術(shù)路線

四、國內(nèi)外NAS電池技術(shù)發(fā)展概況

1.國外鈉硫電池發(fā)展情況

鈉硫電池最早發(fā)明于20世紀60年代中期，早期的研究主要針對電動汽車的應(yīng)用目標，美國的福特、日本的YUASA、英國的BBC以及鐵路實驗室、德國的ABB、美國的Mink公司等先后組裝了鈉硫電池電動汽車,并進行了長期的路試。但長期的研究發(fā)現(xiàn)，鈉硫電池作為儲能電池更具有優(yōu)勢，而用作電動汽車或其他移動器具的電源時，不能顯示其優(yōu)越性。且早期的研究并沒有完全解決鈉硫電池的安全可靠性問題，因此鈉硫電池在車用能源方面的應(yīng)用最終被人們放棄。

(1) 日本鈉硫儲能電池應(yīng)用情況

日本NGK公司是國際上鈉硫儲能電池研制、發(fā)展和應(yīng)用的標志性機構(gòu)。20世紀80年代中期，NGK公司開始與日本東京電力公司合作開發(fā)儲能鈉硫電池，1992年第一個鈉硫電池儲能系統(tǒng)開始在日本示范運行，至2002年已有超過50座鈉硫電池儲能站在日本示范運行中。2002年NGK公司開始了鈉硫電池的商業(yè)化生產(chǎn)和供應(yīng)。2002年9月，在美國AEP主持下，由NGK提供的鈉硫電池儲能站在美國示范運行。2003年4月開始，NGK開始了儲能鈉硫電池的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)量達到30MW，2005年達到48MW（960個模塊），2008年達到90MW的規(guī)模（1800個模塊）。2004年7月9.6MW/57.6MWh 的NAS儲能站在日本正式投入運行。目前NGK已建成34MW的用于風(fēng)力發(fā)電廠的鈉硫儲能站。NGK公司2010年的發(fā)展計劃是年產(chǎn)150MW。目前，NGK已有100余座鈉硫電池儲能站在全球運行中。

按應(yīng)用類型分類，鈉硫電池可用于負荷平衡、應(yīng)急電源以及不間斷電源等。目前鈉硫電池主要應(yīng)用于負荷平衡，表3是幾種應(yīng)用的分布情況。

表3 鈉硫電池的儲能應(yīng)用分布情況

表4 鈉硫電池的應(yīng)用行業(yè)分布情況

在上述鈉硫電池的應(yīng)用中，作為應(yīng)急電源和UPS使用的鈉硫電池約占37%。若按現(xiàn)有的生產(chǎn)能力計算，相應(yīng)的電池容量超過50MW。

截至2004年7月初，TEPCO裝配的商業(yè)NAS電池系統(tǒng)運行在27個場所，累計容量超過40MW/300MWh，這些商業(yè)系統(tǒng)見表5。

表5 TEPCO公司安裝的商業(yè)NAS系統(tǒng)

(2) 美國鈉硫電池應(yīng)用情況

美國電力公司（AEP）投資2700萬美元購買固定鈉硫電池系統(tǒng)，布置在西弗吉尼亞州和俄亥俄州服務(wù)地區(qū)，以增加供電可靠性和儲藏容量。在西弗吉尼亞州的查爾斯頓市安裝了美國歷史上第一套基于鈉硫電池的儲能系統(tǒng)。該1.2MW（7.2MW·h）鈉硫電池儲能系統(tǒng)于2006年6月26日實現(xiàn)商業(yè)運行，短期目標是減輕當?shù)仉娏θ萘匡柡偷膲毫吞岣吖╇姷目煽啃浴?/p>

目前AEP已向日本NGK公司訂購三套新電池系統(tǒng)(日本該公司與東京電力公司共同開發(fā)和制造產(chǎn)品)。工程完成后AEP公司系統(tǒng)將增加6MW儲藏能力。該公司目標是到本世紀前10年底完成布置25MW的目標。未來10年將有1000MW先進儲藏系統(tǒng)加入公司系統(tǒng)。在西弗吉尼亞和俄亥俄州1MW電力可供800戶人家使用。AEP在明尼蘇達州的盧溫建造1MW的風(fēng)力發(fā)電用鈉硫儲能系統(tǒng)。AEP公司計劃在西弗吉尼亞增加2MW電池容量，俄亥俄州也增加相等數(shù)量。

2.國內(nèi)狀況

中科院上海硅酸鹽研究所長期從事二次電池的研究工作，“七五”及“八五”期間獲得了中國科學(xué)院重大項目、國家863等項目的大力支持，研制成功了基于30Ah單體電池的6kW車載鈉硫儲能電池。2006年8月，上海市電力公司與上海硅酸鹽研究所合作開展了鈉硫單體電池的攻關(guān)項目，于2007年1月試制成功大容量650Ah的鈉硫單體電池，使我國成為繼日本之后世界上第二個掌握大容量鈉硫單體電池核心技術(shù)的國家。上海市電力公司和上海硅酸鹽所于2007年8月投資共建了“上海鈉硫電池研制基地”，從事大容量城網(wǎng)儲能電池模塊、電網(wǎng)接入系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的研制，研制基地目前承擔了國家科技支撐、上海市科委重大項目以及國家電網(wǎng)、中國科學(xué)院的鈉硫儲能電池科研項目。2009年2月貫通了鈉硫儲能電池中試線，形成了年產(chǎn)2MW鈉硫儲能電池的生產(chǎn)能力；已成功研制了功率為10kW的子模塊并穩(wěn)定運行；2010年上海世博會已展示100kW級的鈉硫電池儲能系統(tǒng)。計劃在未來幾年形成幾十MW的生產(chǎn)能力。

圖4 β－Al2O3陶瓷管

圖5 鈉硫電池單體

蕪湖海力實業(yè)有限公司已與清華大學(xué)合作，開發(fā)生產(chǎn)大功率鈉硫電，逐步建立研發(fā)中心和生產(chǎn)基地。海力公司從20世紀80年代初就開始研究鈉硫電池，于2007年4月申請并獲得了大功率鈉硫動力電池的國家發(fā)明專利。為加快大功率鈉硫電池生產(chǎn)步伐，海力公司投資2000萬元與清華大學(xué)達成長期合作協(xié)議，依托清華大學(xué)強大的科研力量和先進的儀器設(shè)備，在蕪湖機械工業(yè)開發(fā)區(qū)建立國內(nèi)一流的大功率鈉硫電池生產(chǎn)線，從而打造全國鈉硫電池生產(chǎn)基地。

3.行業(yè)動向

其他公司正在嘗試用新的技術(shù)撼動NGK Insulators 的地位。例如，通用電氣公司（General Electric Co.）已投資約1億美元，在紐約州Niskayuna建立電池研發(fā)機構(gòu)，目標就是鈉硫電池。

風(fēng)險投資者也在開始涉足儲能領(lǐng)域，現(xiàn)在有三家最大的美國風(fēng)險投資公司正在投資北美和中國的電池項目。Draper Fisher Jurvetson投資于總部位于中國的Prudent Energy Inc.，英特爾投資部（Intel Capital）已投資于中國電力公司Net Power Tech Co.，而Vantage Point Venture Partners已投資于北美電池生產(chǎn)商Premium Power Corp。

五、NAS電池儲能系統(tǒng)運行與控制

NAS電池儲能系統(tǒng)根據(jù)不同應(yīng)用場合及用戶需要，可設(shè)定有多種運行模式?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)該根據(jù)預(yù)設(shè)的運行模式以及電池和電網(wǎng)側(cè)的情況，決定PCS 傳遞功率的方向與大小，產(chǎn)生有功和無功輸出指令。

NAS系統(tǒng)可以實現(xiàn)的運行模式以及控制策略分析如下:

1.儲能削峰模式

(Peak Shaving或Load Leveling）

在電力需求的增長逐年增加情況下，較大負荷中心配電網(wǎng)中普遍存在負荷因數(shù)（Load Factor）偏低問題。例如在一天當中，白天與夜晚之間其對電力的需要存在很大差異。新建能支持負荷用電峰值需要的發(fā)電廠和輸電系統(tǒng)，無論從成本上還是運行效率的角度上講均不理想。利用高能量密度和高效率的NAS電池組的電能儲存系統(tǒng)，可削減這種隨時間變化的能量需求波動，從而提高電站的運行效率、減少運行成本以及實現(xiàn)能量儲存。

PCS 通過控制NAS 電池儲能系統(tǒng)的工作模式，使之能夠像一座分布式發(fā)電站那樣，在夜晚用電低谷時將電能吸收入電池內(nèi)部并在白天用電高峰時將電能釋放，以減弱對電網(wǎng)的功率要求，應(yīng)用于用戶側(cè)也可節(jié)省用戶電費，根據(jù)電池對負荷提供能量水平，可分為 LL（Load Leveling ）方式以及PS（Peak Shaving）方式。

2.儲能削峰+ 電能質(zhì)量模式（PS+PQ）

在配電系統(tǒng)中存在的另一大類問題是包括有電壓跌落、浪涌電壓、電壓諧波、電壓閃變、供電中斷等在內(nèi)的電能質(zhì)量（PQ）問題，對敏感負荷用戶往往造成不可避免的損失。根據(jù)美國電力公司（AEP）的統(tǒng)計，大約有90%以上的電能質(zhì)量問題持續(xù)時間均不超過30s，因此在發(fā)生短期電能質(zhì)量問題時，利用NAS 電池儲能系統(tǒng)為負荷提供脈沖功率來應(yīng)對電能質(zhì)量問題是切實可行的。NAS電池組具有優(yōu)良的輸出特性，在較短時間內(nèi)可以輸出5倍于額定功率的瞬時功率。

同時實現(xiàn)削峰（Peak Shaving）和電能質(zhì)量（Power Quality）控制模式的基本思想是:利用NAS電池優(yōu)良的輸出特性，在實現(xiàn)對配電網(wǎng)削峰調(diào)節(jié)即PS工作模式同時，處理出現(xiàn)的PQ問題，如圖6 所示。電網(wǎng)電壓正常情況下，與單一的PS工作模式相同，PCS控制NAS電池系統(tǒng)按照本地或遠程的設(shè)定進程工作，當中包括電池充電、電池放電（PS）和備用階段共三個狀態(tài)，期間由雙向可導(dǎo)通SCR 實現(xiàn)的電子開關(guān)始終閉合。

3.NAS系統(tǒng)在新能源發(fā)電中的運行模式

研究開發(fā)風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等新型清潔可再生能源具有十分重要的商業(yè)及社會價值。其中太陽能利用的光伏發(fā)電研究內(nèi)容主要包括變換器設(shè)計、最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT）。由于風(fēng)能和太陽能的變化是隨機的，當容量較大的此類發(fā)電裝置直接并網(wǎng)運行會對現(xiàn)有電網(wǎng)帶來穩(wěn)定干擾等問題，利用電池儲能裝置與新能源發(fā)電裝置聯(lián)合運行，對其進行穩(wěn)定干預(yù)，可使隨機變化輸出的能量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出的能量而解決上述問題。

如圖7所示，NAS電池組安裝在風(fēng)力發(fā)電機WT（Wind Turbine）接入電網(wǎng)節(jié)點的附近，通過吸收該發(fā)電機輸出功率的變化量來抑制輸出的波動。由于風(fēng)力發(fā)電機輸出功率波動包括短期波動和長期波動（可從s級到h級），因此PCS應(yīng)控制電池系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，使之能同時處理長期和短期波動。

六、鈉硫電池（NAS）應(yīng)用前景

鈉硫電池項目在未來的儲能調(diào)峰、穩(wěn)定風(fēng)能等新能源輸出、特種領(lǐng)域應(yīng)用等方面有著極其重要的作用。

據(jù)專家測算:1kW功率的儲能電池可節(jié)省電網(wǎng)投資1.3萬元，通過“削峰填谷”，可使每噸標準煤所發(fā)的電多利用100kW·h，可帶來經(jīng)濟效益480元。預(yù)計到2015年，上海電網(wǎng)峰谷差可達16000MW，即使只將20%的“谷電”存儲起來，用于高峰時段，其經(jīng)濟效益就超過70億元——而建設(shè)儲能電站的投資，僅需20億元左右。

此外，由于使用了分散式儲能電池，可以完全避免突發(fā)停電事故可能造成的巨大經(jīng)濟損失。實現(xiàn)鈉硫儲能系統(tǒng)的商業(yè)化，其經(jīng)濟效益和社會效益將十分顯著。

上海市2004～2006年最高用電負荷和用電高峰的時間統(tǒng)計如下:

統(tǒng)計數(shù)據(jù)年份最高用電負荷(MW)大于90%最高用電負荷出現(xiàn)天數(shù)大于90%最高用電負荷持續(xù)小時數(shù)2004 15006 29 1812005 16935 30 1832006 19543 19 83.25

上海電網(wǎng)發(fā)展面臨的問題:增長需求大，建設(shè)困難大；最高負荷每年10%以上高增長，變電站、線路走廊用地困難；投資量巨大，利用效率低；每年電網(wǎng)投資200億，僅用來滿足高峰負荷短時應(yīng)用。在此情況下，建設(shè)大容量鈉硫電池儲能基地，對于上海市電力行業(yè)的填谷削峰將起到十分現(xiàn)實的意義。

此外，中小型的鈉硫電池儲能系統(tǒng)可以與太陽能電池發(fā)電站、風(fēng)能發(fā)電站匹配，解決我國老、少、邊、窮的不發(fā)達地區(qū)居民及邊防哨所供電質(zhì)量和供電安全性。同時中小型的鈉硫電池儲能系統(tǒng)還可以用于城市居民小區(qū)的應(yīng)急電源。