■ 阮曉東

隨著可再生能源行業(yè)和智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，儲能技術(shù)發(fā)揮了越來越重要的作用。就在2012年10月初，中央政府出臺了《關(guān)于申報分布式光伏發(fā)電規(guī)?；瘧?yīng)用示范區(qū)通知》；接著在10月末，溫家寶主持召開國務(wù)院常務(wù)會議討論通過《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，規(guī)劃中大力提倡推進(jìn)分布式可再生能源技術(shù)應(yīng)用，兩個綱領(lǐng)性文件為國內(nèi)光伏的分布式應(yīng)用大發(fā)展拉開序幕。

在這兩個文件中，都強調(diào)要求國家電網(wǎng)配合以解決光伏并網(wǎng)問題。一直以來，分布式應(yīng)用發(fā)展驅(qū)動力不足的首要原因便是光伏并網(wǎng)問題。眾所周知，分布式光伏發(fā)電由于受到季節(jié)、氣象和地域條件的限制，發(fā)電連續(xù)性和穩(wěn)定性都不足，特別是由于調(diào)節(jié)性較差，當(dāng)電網(wǎng)接入發(fā)電容量過多時，電網(wǎng)將受到一定沖擊，對電網(wǎng)的安全產(chǎn)生影響。盡管前幾年的“金太陽”工程得到了政府的支持，但真正入網(wǎng)的企業(yè)少之又少，這與國家電網(wǎng)的戰(zhàn)略性安全布局不無關(guān)系。

而從技術(shù)上考慮，首先是光伏電力在2005年左右才開始起步，在2010年以后才開始在西北、內(nèi)蒙古和西南地區(qū)大量出現(xiàn)，可再生能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)接入還缺少統(tǒng)一的規(guī)劃；其次就是當(dāng)時大規(guī)模高效儲能裝置還沒有得到有效應(yīng)用，儲能技術(shù)的安全性也沒有得到徹底解決。雖然高效儲能裝置可解決直接并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，并可調(diào)節(jié)電能品質(zhì)，但市場的出現(xiàn)和技術(shù)的提升總是一個相對跟隨的過程。此次政策將重點強調(diào)解決這一問題，將電網(wǎng)納入監(jiān)管層，計量上網(wǎng)電量，配合項目的運營將直接為分布式光伏的應(yīng)用提供利好刺激。

業(yè)內(nèi)人士很快指出其中的一個關(guān)鍵問題：儲能技術(shù)。

1 國外儲能市場快速崛起

電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)保障之一。電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性和電力質(zhì)量的保證，對新能源的發(fā)展也提出了一系列的要求。目前由于光伏電力的功率等級分散、等效阻抗較大、輸出功率波動劇烈等原因，分布式光伏電站對電網(wǎng)而言是一種沖擊電源。儲能技術(shù)誕生的目的就是在光伏發(fā)電功率大于負(fù)載需要時存儲電能，在它們不能夠滿足負(fù)載需要時提供電能進(jìn)行補足，以最大效率收集利用光伏電力。

存儲和消納已經(jīng)成為行業(yè)主要議題。隨著歐洲上網(wǎng)電價補貼和電價之間差距的擴大，分散儲能系統(tǒng)對于終端客戶來說越來越重要。德國蓄電池專家Matthias Vetter認(rèn)為，對于分布式發(fā)電而言，未來高效儲能技術(shù)及能源管理系統(tǒng)將為商業(yè)及工業(yè)建筑節(jié)省巨大的電力成本。 其中光伏蓄電系統(tǒng)將可能滿足單戶家庭或公寓內(nèi)80%的電力需求。此外，日本東北部特大地震發(fā)生后，日本核電將逐步退出市場，而市場的反應(yīng)是日本家用蓄電系統(tǒng)需求量快速上升。隨著分布式光伏系統(tǒng)、屋頂系統(tǒng)及光伏農(nóng)場的角色越來越重要，從2012年3月30日起，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省對容量1kWh以上的蓄電系統(tǒng)給予1/3的補貼，補助政策將在2013年底或支付額達(dá)到預(yù)算的210億日元時截止。其市場規(guī)模到2020年將達(dá)450億日元，是2010年的563倍。

不得不說，隨著光伏應(yīng)用更加的“親民”，一個明顯的現(xiàn)象是一個新的發(fā)展領(lǐng)域——儲能市場正在快速形成。目前新型儲能技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)帶動了日本整個光伏市場的前進(jìn)。NEC和松下都推出了家用型太陽能蓄電系統(tǒng)；ELIIYPower建立154MWh鋰電池工廠。而德國IBC與韓國LG化學(xué)合作開發(fā)了鋰離子存儲太陽能電力解決方案。瑞士Leclanch?則開設(shè)了自動化存儲系統(tǒng)生產(chǎn)工廠，專門為太陽能解決方案服務(wù)。

2 中國儲能廠商快速跟進(jìn)

我國儲能技術(shù)的真正飛躍式發(fā)展是從2011開始的，這一年發(fā)布的“十二五”規(guī)劃對儲能技術(shù)的必要性作了首次闡述。2011年，國家張北風(fēng)光儲輸示范項目一期工程順利完工，自此拉開了中國儲能技術(shù)應(yīng)用的大幕。同年，儲能正式列入國家《“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，其中“電能利用和電能儲存技術(shù)”已被列為我國電網(wǎng)前瞻性關(guān)鍵技術(shù)之一，以確保提高系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性，保證互聯(lián)大電網(wǎng)安全，改善區(qū)域供電品質(zhì)和綠色能源電力輸出特性。

自此，大規(guī)模儲能技術(shù)作為支撐可再生能源普及的戰(zhàn)略性技術(shù)，得到我國政府和企業(yè)界的高度關(guān)注，同時，其巨大的市場潛力也迅速吸引了風(fēng)投基金的目光。而我國相關(guān)企業(yè)敏銳的市場嗅覺早已認(rèn)識到其中巨大的市場潛力，就在分布式光伏發(fā)電規(guī)?；瘧?yīng)用示范區(qū)通知發(fā)布前的兩個月里，各個儲能廠商的技術(shù)已經(jīng)密集發(fā)布，即使是外國公司都開始緊盯中國國內(nèi)市場這塊巨大的蛋糕。表1即是2012年8月末～10月末主要儲能企業(yè)/科研單位項目信息，從中不難看出，一場沒有硝煙的戰(zhàn)爭早就開始打響，數(shù)十家企業(yè)都在進(jìn)行光伏儲能市場的開拓。

其中比較重要的是磷酸鐵鋰電池、釩電池、鈉硫電池技術(shù)，而這幾種技術(shù)目前也是市場關(guān)注的焦點以及相關(guān)企業(yè)發(fā)展的重點。如2012年10月，實聯(lián)長宜中國控股有限公司在淮安市投資的磷酸鐵鋰電池項目完成簽約，項目總投資9900萬美元，預(yù)計首期投產(chǎn)后，可實現(xiàn)年產(chǎn)能100萬只，銷售額6億元人民幣。2012年10月，由中航鋰電(洛陽)有限公司實施的省重大科技專項“大容量鋰離子動力電池全自動生產(chǎn)線研發(fā)”順利通過驗收，中航鋰電在生產(chǎn)自動化控制、在線監(jiān)測、DCS集散控制、環(huán)境自動檢測等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，實現(xiàn)了大容量鋰電池全過程自動化生產(chǎn)，目前已有4條全自動生產(chǎn)線投入使用，單條生產(chǎn)線的年產(chǎn)能力達(dá)3000萬Ah。于此同時，重慶、青島、鄂爾多斯、寧波、武漢、深圳等地的企業(yè)都在進(jìn)行新型儲能設(shè)備的研發(fā)和新生產(chǎn)線的投產(chǎn)，中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所、大連化學(xué)物理研究所、上海硅酸鹽研究所、青島生物能源與過程研究所以及北京大學(xué)、清華大學(xué)、上海交大等都將新型儲能技術(shù)的研發(fā)列入重點項目，新型成果不斷推出，一場儲能技術(shù)的革命正在如火如荼地展開。

3 儲能技術(shù)的博弈

傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)以鉛酸電池為主，鉛酸電池的技術(shù)最成熟，價格也最低(12V系列目前國內(nèi)約6.0元/Ah)。鉛酸電池目前國家不再進(jìn)行支持發(fā)展，主要是由于其使用壽命較短、易處于欠充狀態(tài)和容易導(dǎo)致環(huán)境污染。但鉛酸電池在部分光伏系統(tǒng)中還有應(yīng)用，目前應(yīng)用的主要是固定型排氣式鉛酸蓄電池、工業(yè)型閥控鉛酸蓄電池以及小型閥控密封鉛酸蓄電池。

鉛酸蓄電池由于放電時生成PbSO4，充電時又恢復(fù)為PbO2，而二者摩爾體積的不同導(dǎo)致電池在充放電過程中體積反復(fù)發(fā)生收縮和膨脹，隨著放電深度的增加，PbO2粒子變得松弛，不斷從板柵上脫落，因此其使用壽命較短。此外，隨著充放電次數(shù)的增加，極柵板上容易形成難于接受充電的PbSO4結(jié)晶，使得蓄電池容量減少，電池長期處于欠充狀態(tài)。目前新型儲能技術(shù)發(fā)展的格局包括鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池、液流電池、鈉鎳電池、超級電容器、鋅溴電池、鋁二次電池、超導(dǎo)儲能、飛輪儲能等。這些新型儲能技術(shù)一方面解決了電池或儲能系統(tǒng)大電流充放電性能的穩(wěn)定性問題，另外在循環(huán)穩(wěn)定性和安全性方面都有所提升。

從目前的技術(shù)進(jìn)展來看，磷酸鐵鋰電池、釩電池、鈉硫電池和飛輪儲能技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)更新也較快。

表1 2012年8月末～10月末儲能企業(yè)/科研單位項目信息整理

(1)磷酸鐵鋰電池

于2002年出現(xiàn)，由于它的性能特別適于作動力方面的應(yīng)用，也稱磷酸鐵鋰動力電池。磷酸鐵鋰電池的優(yōu)點較明顯，可歸納為：極好的循環(huán)壽命，達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時率)使用可達(dá)到2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池為1～2年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用將達(dá)到8～10年。此外，磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題。鈷酸鋰和錳酸鋰在強烈碰撞下會產(chǎn)生爆炸對消費者的生命安全構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰經(jīng)過嚴(yán)格的安全測試，即使在最惡劣的交通事故中也不會產(chǎn)生爆炸。該電池不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬)、無毒(SGS認(rèn)證通過)、無污染、符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對的綠色環(huán)保電池。

磷酸鐵鋰電池項目是國家重點支持和鼓勵發(fā)展的項目，曾列入“十五”期間的“863”國家高科技發(fā)展計劃。目前主要的生產(chǎn)企業(yè)國外有美國Valence(威能)和A123(高博)，國內(nèi)有天津斯特蘭、北大先行、深圳比亞迪公司。由于磷酸鐵鋰材料的專利基本被來自美國的威能和高博公司申請，所以目前國內(nèi)的材料廠家很難擺脫國外專利的限制。

但動力電池巨大的需求依然挑動了各個地方的投資沖動。山東海霸通訊設(shè)備有限公司投資3.3億元人民幣，擬建成國內(nèi)最大的磷酸鐵鋰動力電池生產(chǎn)基地；萬向集團也開發(fā)了磷酸鐵鋰聚合物動力電池項目；2012歐洲Intersolar德國慕尼黑光伏展上，比亞迪光伏在革命性光伏TOP.5技術(shù)基礎(chǔ)上提出了“TOP.5技術(shù)(光伏)+鐵電池(存儲)=電網(wǎng)平價”的新概念。到2012年10月末，比亞迪的存儲解決方案出貨量達(dá)165MW，其中一半應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域，另一半應(yīng)用于其他可再生能源產(chǎn)品。目前磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)已經(jīng)得到了光伏系統(tǒng)的普遍認(rèn)可，2011年3月發(fā)布的《華北電網(wǎng)有限公司國家風(fēng)光儲輸示范工程(一期)儲能設(shè)備采購招標(biāo)公告》以及4月發(fā)布《國家風(fēng)光儲輸示范工程(一期)液流電池系統(tǒng)采購二次招標(biāo)公告》中，五個包之中四個都是磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，分別為：6MW×6h、4MW×4h、3MW×3h和1MW×2h；最后一個包是采購2MW×4h的液流電池系統(tǒng)。最終，比亞迪中標(biāo)了磷酸鐵鋰項目最大的6MW×6h的包，外資企業(yè)ATL中標(biāo)4MW×4h，中航鋰電中標(biāo)3MW×3h，萬向公司中標(biāo)1MW×2h，普能公司中標(biāo)2MW×4h的液流電池系統(tǒng)。

2010年8月25日，南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司南方電網(wǎng)兆瓦級電池儲能站試點工程蓄電池、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采購項目招標(biāo)、評標(biāo)工作結(jié)束，比亞迪是第一中標(biāo)人，中標(biāo)金額4797.23萬元；第二中標(biāo)人是中航鋰電，中標(biāo)金額1886.35萬元。2011年1月25日，南方電網(wǎng)宣布，中航鋰電建造的瓦級電池儲能站成功并網(wǎng)。2012年4月中航鋰電與上海普天工業(yè)園開始共建大容量磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)線。未來磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)將成為整個分布式光伏儲能系統(tǒng)的技術(shù)主流。

(2)釩電池

一般稱為氧化還原液流電池，是一種正在積極研制開發(fā)的新型大容量電化學(xué)儲能裝置，正負(fù)極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池，簡稱釩電池。釩電池在1985年由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的MarriaKacos提出，經(jīng)過多年的研發(fā)，目前釩電池技術(shù)已經(jīng)趨近成熟。作為一種新的蓄電池，釩電池的活性物質(zhì)是電解質(zhì)溶液，具有容量高、使用領(lǐng)域(環(huán)境)廣、循環(huán)使用壽命長、規(guī)模化蓄電等特點，在光伏儲能領(lǐng)域有廣泛利用價值。

目前釩電池成本與鉛酸電池相近，它還可制備兆瓦級電池組，大功率長時間提供電能，因此釩電池在大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有鋰離子電池、鎳氫電池不可比擬的性價比優(yōu)勢。釩電池早在上世紀(jì)90年代就開始在中國發(fā)展，中國公司已掌握了釩電池的關(guān)鍵技術(shù)。中策資本集團在徐州、南陽等地建立了釩電池原材料生產(chǎn)基地，并在國內(nèi)最大的風(fēng)力發(fā)電基地甘肅玉門建立了風(fēng)、光、電儲一體化的國家級示范基地。國內(nèi)大型釩礦企業(yè)如攀鋼集團、川威集團等企業(yè)正在積極尋求資源轉(zhuǎn)化，釩電池已經(jīng)成為他們新的發(fā)展方向。目前的固態(tài)電解質(zhì)釩動力電池已經(jīng)在電功率、充放電、比能量等方面接近鋰電池的水平，而在安全性、使用壽命和成本等方面則比鋰電池和鉛酸電池有相對優(yōu)勢。釩是典型的中國優(yōu)勢資源，中國占全球釩礦的比例為35%，產(chǎn)量占全球的48%，都居全球第一位，所以未來光伏電力存儲領(lǐng)域使用釩電池的幾率也比較大。

2012年10月，中科院大連化物所自主研制的“非氟離子交換膜”材料進(jìn)入小批量試生產(chǎn)，這標(biāo)志著中國全釩/液流/儲能電池技術(shù)實現(xiàn)了新突破，并開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前15套該類型電池352kW單元模塊系統(tǒng)將組合應(yīng)用于國內(nèi)外最大規(guī)模的龍源沈陽法庫臥牛石風(fēng)電場5MW/10MWh全釩液流電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用示范工程。與此同時，承德萬利通集團公司成為國內(nèi)第一家規(guī)模化生產(chǎn)釩電池的企業(yè)，該企業(yè)全釩液流電池研發(fā)20kW單電堆已完成，單堆10kW的釩電池中試車間已順利投入運行。目前釩電池發(fā)展非常迅速，已經(jīng)應(yīng)用于部分地區(qū)的電站調(diào)峰和風(fēng)力、光伏儲能等項目。2012年5月，普能公司宣布，具備電網(wǎng)級規(guī)模循環(huán)儲電的全釩液流電池儲能系統(tǒng)獲得加州愛迪生電力公司的并網(wǎng)運營許可，系統(tǒng)將正式全面運行。目前釩電池的制造技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，其生產(chǎn)工藝簡單、價格經(jīng)濟、電性能優(yōu)異的特點與磷酸鐵鋰電池相比具備了一定的競爭實力。

(3)鈉硫電池

最早由美國福特(Ford)公司于1967年首先發(fā)明公布，至今有40年的歷史。鈉硫電池是由熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)組成的，負(fù)極活性物質(zhì)為熔融金屬鈉，正極活性物質(zhì)為硫和多硫化鈉熔鹽。其中的硫填充在導(dǎo)電的多孔炭或石墨氈里，外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。鈉硫電池充電時間相當(dāng)短暫，一次充電可運行10～11h，經(jīng)熱反應(yīng)后所產(chǎn)生的理論能量密度為786Wh/kg，實際能量密度為300Wh/kg，約是鉛酸電池的10倍，鎳氫電池的4倍，鋰電池的3倍。但鈉硫電池也有不足之處，其工作溫度在300℃～350℃，電池工作時需要一定的加熱保溫。未來鈉硫電池的發(fā)展還有賴技術(shù)的進(jìn)步。

我國的鈉硫電池目前應(yīng)用還較少。2006年8月，上海硅酸鹽研究所與上海市電力公司開展了大容量鈉硫單體電池的合作研發(fā)，2007年3月，成功試制了650Ah的單體電池，我國也成為世界上第二個掌握鈉硫單體電池核心技術(shù)的國家。2007年8月，雙方共建“上海鈉硫電池研制基地”，不久就成功研制170余臺套具有自有知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)與性能評價裝備，完成了年產(chǎn)2MW的鈉硫儲能電池中試線，實現(xiàn)10kW儲能系統(tǒng)成功演示。2008年3月，上海思源電氣公司與上海電力公司正式簽署100kW鈉硫電池儲能系統(tǒng)配套150kVA電網(wǎng)接入系統(tǒng)開發(fā)的合同；2010年，思源電氣公司的鈉硫電池儲能系統(tǒng)在上海世博園示范運行。中國內(nèi)蒙古阿拉善經(jīng)濟開發(fā)區(qū)所屬的蘭太公司是國內(nèi)唯一的核級高純度金屬鈉生產(chǎn)企業(yè)，2011年10月，蕪湖海力實業(yè)有限公司與香港磊鑫國際投資集團公司投資約3.5億元在阿拉善經(jīng)濟開發(fā)區(qū)開始建設(shè)大功率鈉硫電池項目，項目主要利用當(dāng)?shù)靥m太公司生產(chǎn)的金屬鈉。據(jù)估計該項目建成后可年產(chǎn)6kW及500kW的大功率鈉硫電池共10萬臺套。

(4)飛輪儲能

飛輪儲能技術(shù)從概念到實際的應(yīng)用走過了近60年的發(fā)展。飛輪儲能具有諸多優(yōu)點：完全是物理式存儲、儲能密度大、效率高、成本低、壽命長、環(huán)境污染小、不受地理環(huán)境限制等，是目前最有發(fā)展前途的儲能技術(shù)之一。早在20世紀(jì)50年代，瑞士歐瑞康公司就開發(fā)出飛輪儲能巴士，但此后三四十年間，由于高速旋轉(zhuǎn)飛輪驅(qū)動、飛輪軸承摩擦等問題難以解決，飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展非常緩慢。清華大學(xué)1997年首次實現(xiàn)0.3kWh飛輪儲能樣機的充放電實驗。幾年后，該校研究人員完成了0.5kWh飛輪儲能不間斷電源原理樣機，飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到42000 r/min。由北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所完成的“衛(wèi)星新型姿控儲能兩用飛輪技術(shù)”項目獲得2007年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎。但是以不間斷供電備用電源(UPS)為突破點，飛輪儲能設(shè)備從2000年開始實現(xiàn)商業(yè)示范應(yīng)用，其中超導(dǎo)技術(shù)和高強度材料為飛輪儲能提供了支撐。

我國第一批風(fēng)輪儲能設(shè)備樣機的研制由河北英利集團在2010年底推出，功率在20～60kW之間。2012年9月，由英利歷時3年研發(fā)的國內(nèi)單體儲能量最大的20kWh磁懸浮儲能飛輪磁軸承、輪體結(jié)構(gòu)、控制線路改進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)實現(xiàn)突破，飛輪充放電功能得到進(jìn)一步完善，磁軸承耗損大幅降低，已滿足飛輪高速運行的設(shè)計要求。據(jù)介紹，英利研發(fā)20kWh磁懸浮儲能飛輪磁軸承損耗由330W(1000r/min)降至3.3W，降幅達(dá)99%，電機的轉(zhuǎn)矩提高30%。按照英利的市場規(guī)劃，“十二五”期間飛輪儲能設(shè)備將至少生產(chǎn)45萬臺。以英利為代表的大型光伏企業(yè)參與國家級大儲能裝備科研項目技術(shù)攻關(guān)，將推動我國儲能設(shè)備的規(guī)?；a(chǎn)。

飛輪儲能技術(shù)作為區(qū)分于化學(xué)儲能的另外一種儲能技術(shù)，如果技術(shù)發(fā)展成熟，則將成為儲能領(lǐng)域新的經(jīng)濟增長點，也將滿足未來儲能技術(shù)多樣化發(fā)展的需求。

2013年6月，由中國通信學(xué)會主辦的中國(上海)國際儲能、動力電池技術(shù)及設(shè)備展覽會將在上海世博會議中心舉辦，屆時，我們將看到更多儲能技術(shù)、設(shè)備的應(yīng)用，也將見證中國光伏發(fā)展歷史上一個重要時刻的到來。