德博士•深“胶”浅谈：储能电池——光伏系统的能量守护者

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欢迎回到《德博士•深“胶“浅谈》专栏！在前两期文章中，我们深入探讨了光伏组件和逆变器的技术细节。今天，德博士将带领大家探索光伏系统中的另一项关键技术——储能电池。作为光伏系统的重要组成部分，储能电池能够储存白天的多余电能，并在夜间或光照不足时释放电力，确保系统的稳定供电。本文，德博士将向您介绍储能电池的关键技术、工作原理、类型及其未来发展趋势。

储能电池在光伏系统中的作用

在光伏系统中，储能电池主要用于解决太阳能发电间断性及不稳定性问题。由于太阳能发电系统受天气和昼夜变化的影响，光伏系统的输出功率并不稳定。且电力即发即用，是无法直接储存的能源形态，而储能电池可以在光照充足时以化学能的方式储存多余电能，并在需要时转换为电能，保证电力供应的连续性和稳定性。

储能电池的工作原理

储能电池的基本工作原理可以分为两个主要过程：

充电过程：

当光伏系统产生的电能超过用电需求时，多余的电能会通过DC/DC变流器转换为稳定的直流电（DC）以化学能的方式储存在电池中。这一过程将电能转换为化学能存储在电池内。

放电过程：

在光照不足或夜间，光伏系统无法产生稳定的电能时，储能电池会将之前储存的化学能释放做功，生成直流电（DC）并通过DC/AC逆变器将直流电（DC）转换为交流电（AC），供家庭或企业使用。这一过程将化学能转换为电能。

储能电池的主要类型

储能电池根据不同的材料和技术分为以下几种主要类型：

铅酸电池：

铅酸电池和铅炭电池都属于铅蓄电池。铅酸电池是一种以铅化合物和金属铅分别作为正极和负极材料，硫酸溶液作为电解液的蓄电池。

应用场景：早期的光伏系统、通信、交通等领域。

优点：制造工艺成熟、价格低廉、性能安全可靠。

缺点：能量密度低、寿命短，且环保性较差。

锂离子电池：

锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，锂离子在两个电极之间往返进行嵌入和脱嵌。充电时，锂离子从正极脱离这个过程称为脱嵌，经过电解质移动到负极并嵌入，负极处于富锂状态，放电时则相反。

应用场景：按照使用场景可分为3C电池、动力电池和储能电池。3C电池一般为小型圆柱或方形卷绕结构；动力电池一般用于电动汽车等大功率要求场合；储能电池一般用于通信基站、电网、微电网等场合。

优点：高比能量、高比功率、寿命长、环保性好。

缺点：安全性差、成本高，对温度较敏感。

钠硫电池：

通常情况下，钠硫电池由正极、负极、电解质、隔膜和外壳组成，与一般二次电池（铅酸电池、镍镉电池等）不同，钠硫电池是由熔融电极和固体电解质组成，负极的活性物质为熔融金属钠，正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐。

应用场景：大规模储能系统。

优点：适合长时间、大容量储能，能量密度高，循环寿命长。

缺点：工作温度高，需特殊的安全措施，成本高。

液流电池：

液流电池主要由电堆和两个电解液储罐构成。通常，电解液经由特殊的泵从储罐泵送到电堆内部，流经电极发生氧化还原反应，在这里化学能做功而被转换成电能（放电），反之亦然（充电）。液流电池可分为全铁液流电池、锌碘液流电池、碱性有机液流电池、锌铁液流电池、全液体有机液流电池。

应用场景：城市储能电站和储能调频等场景。

优点：具备能量效率高、循环寿命长、安全性好，可模块化设计、功率密度高等特性。

缺点：技术尚在开发中，商业化进程较慢，成本高。

固态电池：

全固态电池是构成电池的所有部件均是“固态”的电池。该类型电池通过使用固态电解质替代电解液后不再需要隔膜。全固态电池电解质主要包括聚合物、氧化物和硫化物三种类型。

应用场景：未来光伏储能电池、动力电池等。

优点：使用固态电解质，能量密度高、安全性好、体积小、温度影响小。

缺点：技术尚在开发中，商业化进程较慢，成本高。

储能电池的关键技术

储能电池的性能和寿命取决于多项关键技术的应用：

电池管理系统（BMS-Battery Management System）：

指用于管理电池储能系统的子系统。区别于电动车的 BMS，储能 BMS 相对更加庞大，一个完整的储能系统 BMS 是由 BMS 从控单元、电池主控单元及 BMS 总控单元组成。

应用：BMS在所有类型的储能电池中都有应用，如电动汽车、储能系统、无人机、电动工具等。

功能：电池充电、放电、电压等参数监测、SOC（State of Charge）、 SOH（State of Health）估算以及保护措施等，BMS可以提高储能系统的使用寿命和可靠性，降低维护成本和操作风险，并提供更灵活、可靠的储能解决方案。

能源管理系统（EMS-Energy Management System）：

将储能系统内各子系统的信息汇总，全方位的掌控整套系统的运行情况，并作出相关决策，保证系统安全运行

应用：用户的运维人员可通过EMS实时的查看储能系统的运行情况，做到实施监管。

功能：检测并采集信息、数据分析优化、能源调度控制、故障检测与安全保护。

双向储能变流器（PCS- Power Conversion System）：

PCS充当了太阳能光伏组件与电网之间的桥梁，一方面将电网端的交流电（AC）转化为直流电（DC）为储能电池充电，另一方面将太阳能光伏组件产生的的直流电（DC）转换为交流电（AC）回馈给电网。

应用：并网储能或微网储能等交联耦合等储能系统中，连接蓄电池与电网（负载），实现电能双向转换的装置。

功能：实现电流双向转换。

热管理技术：

热管理是指根据具体对象（如电池系统、基站、IDC、新能源汽车）的需求，通过加热或冷却等手段对其温度或温差进行调节和控制的过程。 

应用：在锂离子电池和钠硫电池中广泛应用。

功能：电池的散热、电池的预热、温度均衡、能源储存与调度、热能循环利用。

电池材料技术：

可充电电池将电能存储在化学物质中，并根据用户的需求释放。电池的综合性能、环境影响、制造成本都是决定成功与否的关键因素。电池的创新在很大程度上依赖于材料的创新。

应用：固态电池和全钒液流电池中。

功能：开发新型电极材料和电解质，发展高能量密度、高安全性、长寿命和低成本。

快速充放电技术：

具有高能量密度的储能电池在高倍率充电时引发的机械效应和放热等一系列问题会导致电池容量和功率的衰减。

应用：光伏储能电池和新能源汽车。

功能：提高电池的充电速度和放电效率，降低快速充电产生的发热及电池容量的影响。

储能电池的未来发展趋势是怎样的？

储能电池技术正处于快速发展之中，未来可能会向以下几个方向演进：

高能量密度：随着新材料的应用，储能电池的能量密度将不断提升，从而降低系统体积和成本。

长寿命与高安全性：未来的储能电池将在提升循环寿命的同时，进一步提高安全性，降低火灾等风险。

智能化管理：通过AI和物联网技术，储能电池将实现更智能的管理，包括预测性维护和优化充放电策略，提高系统效率和可靠性。

降低成本：随着技术进步和规模化生产，储能电池的成本将逐步下降，使其在更多领域得到应用。

绿色环保：可回收、低环境影响的电池技术将成为未来的发展方向，推动储能电池的可持续发展。