关键词：磷酸铁锂电池；光伏发电；存储效率
中图分类号：TM 615 文献标识码：A 文章编号：1002-087 X(2014)08-1487-02
在诸多的可再生能源中，太阳能以其绿色、环保、取之不尽、用之不竭等特性成为最具发展潜力的能源形式，具有巨大的市场前景。我国有着非常丰富的太阳能资源，发展光伏产业对我国欠发达地区和偏远地区的用电改善具有重要意义。但是，光伏发电具有非连续性和不稳定性，发电性能随外界环境的变化而变化，因此，高性能的储电环节对光伏产业的发展至关重要。
目前，大部分光伏系统都采用铅酸电池作为储能装置。相比于铅酸电池，磷酸锂铁电池具有比能量高、储能效率高、循环寿命长、使用成本低等优势。本文就常规性能、储能特性等方面将铅酸电池和磷酸铁锂电池作了对比。在分析了将磷酸铁锂电池用作光伏系统储能装置的可行性的基础上，设计了相应的光伏发电储能系统。
1 太阳能光伏发电系统对储能环节的基本要求
太阳能发电系统成本高、转化效率低、随环境变化性强，因此对储能环节的要求较高。太阳能光伏发电系统的使用寿命一般是20 年，要求与之配套的储能环节具有使用寿命长、性能稳定、能量效率较高、适应环境能力强等特征。
目前，用于光伏发电系统的储能技术主要分为电化学电池、飞轮、超导线圈等。相比较而言，飞轮储能和超导储能在性能上有着化学电池无可比拟的优势，必将成为储能装置发展的必然趋势，但在现阶段，由于技术和价格的原因，化学电池仍然是太阳能光伏发电储能的主要方式。
将化学电池用作光伏电源的储能环节，就是把化学反应中氧化还原所释放出来的能量直接转变为直流电能供负载使用。目前，可用作太阳能储能单元的电化学介质主要有6种，如表1 所示[1]。
表1 各种蓄电池性能对比
| 电化学介质 | 单元电压/V | 评价 |
| 铅酸 | 2.0 | 最低成本 |
| 镍镉 | 1.2 | 有记忆效应 |
| 金属氰化镍 | 1.2 | 对温度敏感 |
| 锂离子 | 3.6 | 安全，不含金属性锂 |
| 锂聚合物 | 3.0 | 含金属性锂 |
| 锌-空气 | 1.2 | 要求良好的空气管理以限制自放电速率 |
在以上6 种蓄电池中，铅酸蓄电池的能量密度较低，但其技术成熟程度和性价比最高，因此目前光伏发电系统的储能单元主要采用阀控密封式铅酸蓄电池组。但是，随着光伏发电的进一步发展，对电池的性能和安全性提出了更高的要求，铅酸电池自身性能的弱点对光伏发电的不利影响日益突出。因此，急需一种高效能的化学电池来担当相应的储能环节。
2 磷酸铁锂电池性能分析
磷酸铁锂电池是近几年发展起来的新型二次电源，具有输入输出功率大、工作温度范围宽、无记忆效应、免维护、拥有2000 次的充放电使用寿命、安全以及绿色环保等特点，正在成为化学电池的主角[2]。
磷酸铁锂电池的主要材料为碳，正极主要材料为磷酸亚铁锂LiFePO4，电解液采用LiPF6有机溶剂，充放电的基本原理是锂离子在正负极之间的嵌入和脱出。
磷酸铁锂电池的电压平台为3.2V，比能量也是铅酸电池的2倍多，而体积比能量是铅酸电池的4～5倍，如果利用磷酸铁锂电池代替铅酸电池用于光伏发电系统，可以大大缩小电池所占空间，降低维护工作量，两种电池常规性能如表2 所示。
图2 磷酸铁锂电池和铅酸电池常规性能表
| 项目 | 磷酸铁锂电池 | 铅酸电池 |
| 标称电压/V | 3.2 | 2.0 |
| 质量比能量/（Wh·kg-1） | 90 | 40 |
| 体积比能量/（Wh·L-1） | 190 | 70 |
| 自放电（28天）/% | ≤10 | ≤10 |
| 工作温度范围/℃ | -20～55 | -10～45 |
| 最佳工作温度范围/℃ | 5～50 | ～25 |
磷酸铁锂电池可以选择功率型或能量型，适用范围广泛，安全性也较铅酸电池有了较大的改善。同时磷酸铁锂电池的倍率特性为5 C～15 C，转换效率大于95%，而铅酸电池的倍率特性为0.1C～1C，转换效率大于80%。因此，在储能效率方面，磷酸铁锂电池具有明显的优势。
3 磷酸铁锂电池储能系统的开发设计
配合光伏电站的储能系统的基本架构如图1 所示，光伏组件阵列利用太阳电池板的光伏效应将光能转换为电能，并通过光伏控制器对铁锂电池进行充电，再通过逆变器直接对用电设备进行供电或通过并网逆变器将电能引入电网。图1中的电池管理系统BMS 起到对蓄电池进行管理的作用，首先对电池组的数据进行采集，并根据所采集的数据对电池的运行状态进行诊断，从而起到监测电池组过压、欠压、过温、过充、过放、过流、剩余容量(SOC)及单体电池健康状态(SOH)的作用。
图1 光伏电站储能系统整体架构图
锂电池组在系统中起两个作用，一个是能量的储存和调节，另一个是平衡负载，它将光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。本系统中的锂电池组采用磷酸铁锂电池来担任，基本结构如图2 所示。
图2 储能系统结构图
由图2可知，储能子系统由直流汇流环节、磷酸铁锂电池组、电池管理系统BMS、本地控制中心、远程控制中心等环节组成，直流汇流环节将太阳能电流汇集起来，并送入蓄电池中存储起来，蓄电池与电池管理系统相连接，并通过短距离通信方式与本地监控中心进行信息的联系，而本地监控中心通过公共通信网与远程监控中心相连接，从而实现对储能环节有效监控的目的。
4 结语
太阳能光伏发电系统的快速发展对储能系统提出了更高的要求。铅酸电池由于其自身不耐高温、不耐过充过放、维护工作量大以及寿命短等缺陷，阻碍着光伏发电的进一步发展。而磷酸铁锂电池的储能效率高、寿命长、充放电性能好等特性决定其非常适合于作为新能源储能用电源。本文在分析了将磷酸铁锂电池用作光伏储能装置可行性的基础上，设计了基于磷酸铁锂电池的光伏发电储能系统。研究表明，该系统能源效率高，充放电使用寿命长，运行稳定可靠，应用前景良好。