IFBF：電池儲能系統，使高效可再生能源成為可能

特普生科技特普生科技 2023-06-16 12 359

本文來源于國際液流電池論壇 (IFBF) ，目的在了解電池儲能系統。鳴謝自主研制NTC芯片的特普生儲能CCS集成溫度采集母排，對本文的大力支持，感謝特普生海外技術翻譯官林博女士！

國際液流電池論壇(IFBF)將液流電池作為電能存儲領域的一項關鍵技術加以推廣。電力存儲技術正在吸引越來越多的興趣，不僅來自世界電力系統管理人員，還來自投資制造、廠房和設備、項目開發和資產運營的人員。終端消費者也想知道他們的電力是如何生產的以及如何管理的。

利用風能和太陽能等可再生能源，已經出現了一種滿足世界能源需求的清潔和可持續的方法。然而，可再生能源在提供穩定可靠的電力供應方面面臨著獨特的困難，因為它們容易波動。因此，現在需要能夠存儲高發電量時產生的多余能量并在需求高時釋放的儲能設備。

近年來，電池儲能系統 (BESS) 變得非常流行。事實上，他們可以通過儲存大量能量并在需要時釋放它來解決可再生能源的間歇性問題。通常，BESS 解決方案由與太陽能和風電場等可再生能源耦合的電池組組成。這些電池保留在高發電量時產生的額外能量，并在高需求時放電。當可再生能源不能產生足夠的電力時，家庭、企業和工業可以通過這些電池中存儲的能量來供電。

BESS的好處

可擴展性是 BESS 技術的主要優勢之一。BESS 非常適合小型和大型能源項目，因為它們可以根據用戶的能源需求進行放大或縮小。BESS 技術還在電網連接受限的偏遠地區提供可靠和可持續的能源。

此外，現在還有環保型 BESS 解決方案。它們通過減少對化石燃料發電廠的需求來幫助緩解氣候變化，而化石燃料發電廠是溫室氣體排放的一個來源。

BESS 解決方案確保電網穩定性的潛力是另一個好處。由于其間歇性，風能和太陽能等可再生能源會使系統不穩定。然而，當可再生能源無法生產足夠的能源時，BESS 解決方案可以通過提供可靠的能源來幫助克服這一困難。

近年來，電池的成本一直在下降，使 BESS 變得更實惠、更容易獲得。這導致 BESS 在可再生能源應用中的使用增加，預計它們將在向更可持續的能源未來過渡中發揮關鍵作用。

儲能系統框圖

BESS 的內部結構如圖 1 所示。太陽能電池板或風力渦輪機等可再生能源為 BESS 提供直流電源輸入。然后，直流電由電力電子模塊處理，該模塊由逆變器、充電器、DC/DC 轉換器和電池管理系統 (BMS) 組成。

圖 1：BESS 框圖（來源：Stefano Lovati）

逆變器將直流電轉換為交流電，可直接供負載使用或注入電網，而充電器則在有多余能量時為電池充電。DC/DC轉換器用于調整（升壓或降壓）直流電源輸入的電壓，以匹配電池或逆變器的要求。

BMS 負責監控電池的狀態，包括其充電狀態、溫度和健康狀態。它還管理電池的充電和放電，以確保最佳性能和安全性。

能量管理系統負責管理BESS的整體運行，包括電力電子和輔助設備的控制，如冷卻系統和其他控制系統。BESS 的內部結構旨在儲存和釋放可再生能源的能量，最大限度地提高效率，同時確保最佳性能和安全性。

適用于可再生能源的 BESS

有幾種類型的 BESS 適用于可再生能源。BESS的選擇取決于多種因素，例如應用、系統規模、儲能容量和成本。以下是適用于可再生能源的主要 BESS類別：

· 鋰離子 (Li-ion) 電池：
鋰離子電池是可再生能源應用中最常用的 BESS。它們重量輕、結構緊湊且能量密度高，是中小型應用的理想選擇。鋰離子電池還具有很高的往返效率，這意味著它們可以有效地儲存和釋放能量。它們通常用于住宅和商業應用以及電動汽車。

· 液流電池：

液流電池是一種 BESS，它使用兩個液體電解質罐來儲存能量。“流經”電池系統的液體電解質為液流電池命名；每個類別都有不同的方法。與鋰離子電池一樣，液流電池在每個類別內部和之間具有多種化學成分，包括最流行的釩和不太流行的鋅-溴、多硫化物-溴、鐵-鉻和鐵-鐵。它們以壽命長、能量密度高和可擴展性著稱。由于其高存儲容量和可擴展性，液流電池還可用于大規模可再生能源應用，例如電網規模存儲。

· 鈉硫電池：

鈉硫電池是另一種適用于可再生能源應用的 BESS。它們具有高能量密度，可以儲存大量能量，是電網規模應用的理想選擇。鈉硫電池的使用壽命也很長，可以承受極端溫度，適合在偏遠地區使用。

· 鉛酸電池：

鉛酸電池是一種更傳統的 BESS 形式，已經使用了幾十年。它們相對便宜且循環壽命長，適合中小型可再生能源應用。然而，鉛酸電池確實具有低能量密度，并且它們的性能會隨著時間的推移而降低。

· 鎳鎘電池：

鎳鎘電池已經使用了幾十年。它們以高循環壽命、可靠性和耐極端溫度而著稱。然而，與鉛酸電池一樣，鎳鎘電池的能量密度較低，效率不如較新的 BESS 技術。

歸根結底，鋰離子電池是中小型應用中常用的 BESS，而液流電池和鈉硫電池則適用于大規模電網應用。

BESS 在可再生應用中的挑戰

雖然 BESS 在可再生能源應用方面具有多項優勢，但也存在一些需要解決的挑戰。以下是 BESS 在可再生能源應用中面臨的一些主要挑戰：

· 成本：

BESS 的最大挑戰之一是它們的成本。雖然近年來電池的成本一直在下降，但與其他形式的能量存儲相比，它們仍然相對昂貴。這可能導致難以證明對 BESS 的投資是合理的，尤其是對于大型可再生能源項目。

· 安全：

如果未正確設計和安裝，BESS 可能會帶來安全風險。如果電池損壞或過度充電，可能會著火或爆炸。這種風險可以通過適當的設計、安裝和維護來減輕，但這仍然是一個需要解決的挑戰。

· 效率：

BESS 的效率會因使用的電池類型和工作條件而異。有些電池比其他電池效率更高，效率會受到多種因素的影響，例如溫度、充電/放電速率和循環壽命。提高 BESS 的效率有助于降低成本并提高性能。

· 耐久性：

BESS 必須經久耐用，能夠承受各種環境條件。電池會隨著時間的推移而退化，尤其是在極端溫度或高強度使用的情況下。提高 BESS 的耐用性有助于降低維護成本并延長其使用壽命。

· 與電網集成：

BESS 必須與電網集成才能有效。這可能是一個挑戰，尤其是對于大型可再生能源項目而言。集成過程需要仔細規劃和管理，以確保 BESS 有效運行并且不會中斷電網。

高效儲能系統

BESS 的效率可能因多種因素而異，例如所用電池的類型、工作條件和具體應用。通常，鋰離子電池被認為是 BESS 應用中最高效的電池類型。這是由于以下關鍵因素：

· 鋰離子電池具有很高的往返效率，這意味著可以從電池中釋放的能量幾乎等于充電過程中電池中存儲的能量。這是因為鋰離子電池具有低內阻，這使得它們能夠快速有效地釋放能量。

· 鋰離子電池具有高能量密度，這意味著它們可以在相對較小的空間內存儲大量能量。這使得它們非常適合空間通常受限的 BESS 應用。

· 鋰離子電池可以在高電壓下工作，從而減少充電和放電過程中的功率損耗。這是因為功率損耗與電流的平方 (I 2 R) 成正比，因此更高的電壓可以減少提供給定功率所需的電流量。

然而，需要強調的是，BESS 的效率不僅取決于電池技術，還取決于整個系統的設計和運行。

WBG材料在BESS es中的作用

寬帶隙 (WBG) 材料在 BESS 中起著至關重要的作用，因為它們提高了系統中使用的電力電子設備的效率和性能。

電力電子用于控制電池和電網之間的能量流動，將電池的直流電轉換為交流電，然后供電網使用。這些電力電子設備由多個組件組成，例如功率晶體管、二極管和電容器，通常由硅基半導體制成。

然而，硅基半導體在高溫和高頻下的工作能力方面存在局限性。這會導致電力電子設備性能低下和受限，從而降低 BESS 的整體效率和可靠性。

WBG 材料，例如碳化硅(SiC) 和氮化鎵(GaN)，與傳統的硅基半導體相比具有多項優勢。這些材料具有更寬的帶隙，這使它們能夠在更高的溫度和更高的頻率下以更低的損耗運行。

這為 BESS 應用帶來了多項優勢，包括更高的效率、更高的功率密度和更高的開關頻率。這有助于減小電力電子設備的尺寸、重量和成本，同時提高其可靠性和性能。通過使電力電子能夠在更高的溫度和更高的頻率下以更低的損耗運行，WBG 材料有助于提高 BESS 的整體效率和可靠性，使其成為可再生能源應用的更可行的解決方案。

特普生，成立于2011年，是國家高新技術、專精特新企業。主要研制NTC芯片、熱敏電阻、溫度傳感器、儲能線束、儲能CCS集成采集母排、儲能模組鋁巴等溫度采集產品系列。一體化研制、一致性品質的特普生，競爭力優勢明顯：自主研制NTC芯片核心技術及實現醫用0.3%精度；專利百項，保留不公開技術2項；為全球新能源產品、大消費品與工業品提供了定制化的溫度采集技術。

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