在光伏发电系统中，常用的储能电池及储能装置包括铅酸蓄电池、锂离子电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池，以及当前具有前沿性的全钒液流电池、钠硫电池、超级电容器等，它们分别应用于光伏发电的不同场景和产品中。
为了更好地调峰填谷，解决光伏、风电并网影响电网稳定的问题，需要对各类储能电池的发展和应用进行梳理和研究。
根据《机电商报》发布的数据显示，2020年，在新冠疫情冲击下，中国的光伏发电装机容量依然快速增长，保持并延续了多项世界第一。2020年，中国光伏发电新增装机容量为48.2GW，连续8年位居全球首位；累计装机容量达到253GW，连续6年位居全球首位。
在成本层面，2020年中国光伏组件及系统价格继续降低，光伏组件全年平均价格约为1.57元/W，较2019年下降了10.3%；系统全年平均价格约为3.99元/W，较2019年下降了12.3%。
2020年的光伏发电项目中标电价也出现了新的低价纪录，青海省海南藏族自治州某光伏发电竞价项目的中标电价为0.2427元/kWh(约为3.46美分/kWh)，低于2019年达拉特旗65万kW“风光同场”风电光伏项目0.26元/kWh的电价纪录。
根据中关村储能产业技术联盟(CNESA)的全球储能数据库的不完全统计，截至2020年底，中国已投运的“光伏+储能”项目累计装机容量达883.0MW，占中国电化学储能投运项目总装机容量的27.0%，年增长率达到了132.3%，具体如图1所示。
图1 中国已投运的“光伏+储能”项目情况
全年新增电化学储能投运规模达1559.6MW，同比增长145%，其中一半的新增投运规模均来自新能源发电；长期来看，“新能源+储能”市场的发展空间巨大。
铅酸蓄电池在充电时将电能转换成化学能，放电时再将化学能转换成电能，正极材料为二氧化铅(PbO2)，负极材料为铅(Pb)，电解液为硫酸(H2SO4)。
铅酸蓄电池具有电能转换效率高、循环使用寿命长、端电压高、安全性强、性价比高、安装维护简单等特点，是目前各类储能、应急供电和电力启动等装置中应用最多的电化学电池。
根据工信部发布的数据，2020年中国铅酸蓄电池的市场规模为1659亿元，同比增长4.67%，年均复合增长速度为3.62%。
最能反映铅酸蓄电池充、放电过程的是双极硫酸盐化理论。铅酸蓄电池在放电时正、负极的活性物质均变成硫酸铅(PbSO4)，充电后正极转变成二氧化铅，负极转变成海绵状铅，铅酸蓄电池又还原到原来的状态。
铅酸蓄电池的电化学反应过程如式(1)、式(2)所示。其中，放电过程为：
随着铅酸蓄电池技术的发展，阀控式铅酸蓄电池的应用越来越广泛。
磷酸铁锂电池是一种以磷酸铁锂为正极材料的新型锂离子电池，与铅酸蓄电池相比，其具有能量高、重量轻、体积小、环保、无污染、免维护、寿命长、高低温适应性能好、无记忆效应、安全性高等优点，磷酸铁锂电池的标称电压为3.2V，具有良好的电化学性能，充电、放电性能均十分平稳，可高倍率放电，可接受大电流快速充电。
磷酸铁锂电池在80%放电深度条件下，循环使用寿命大于2000次(能量型的磷酸铁锂电池循环使用寿命可以达到6000次)，表明该类电池在深度放电状态下仍能提供高功率输出，完全符合现代动力电池和储能电池的发展需要。
未来，随着磷酸铁锂电池技术的不断成熟，与另一种国内常用的三元锂电池相比，磷酸铁锂电池因出色的安全性能和成本优势，必定会成为未来市场的主流产品。
尽管在制造成本上，磷酸铁锂电池高于铅酸蓄电池，但磷酸铁锂电池的性能优于铅酸蓄电池。磷酸铁锂电池质量为同容量铅酸蓄电池质量的1/3左右，循环使用寿命是铅酸蓄电池的5倍以上，且安装方便、施工和维护成本低，长期使用的综合效益显著。磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的性能对比如表1所示。
表1 磷酸铁锂电池和铅酸蓄电池的性能对比
镍氢电池的正极为氢氧化镍(Ni(OH)2)，负极为储氢合金，电解液为碱性氧化物。镍氢电池的结构包括隔膜纸、电解液、钢壳、顶盖、密封圈等组成部分，制作时可以用隔膜纸将正、负极分开后卷绕在一起密封于钢壳中，制作成圆形电池；也可以用隔膜纸将正、负极分开后叠成层状密封于钢壳中，制作成方形电池。
镍氢电池的优点是功率大、重量轻、寿命长、无污染，其能量密度比镍镉电池的能量密度大2倍，工作电压与同类型的镍镉电池的工作电压相同。
镍氢电池具有良好的过充电和过放电性能，且基本消除了记忆效应；缺点是自放电性能较差，在充满电放置2个月后，许多镍氢电池的剩余电量减少到原有容量的50%以下，过高的环境温度也会加速其自放电。
镍氢电池的性能稳定、技术成熟，且已实现产业化，未来5年将逐步成为中国新能源储能的重点发展方向。
镍氢电池充电时，正极的氢氧化镍失去1个电子并与电解液中电离的氢氧根离子(OH-)结合，生成羟基氧化镍(NiOOH)，负极的氢合金(M)得到1个电子并与电解液中电离的氢离子(H+)结合，生成储氢合金吸附氢(MHab)；放电过程与充电过程相反。
镍氢电池的反应式如式(3)～式(5)所示。其中，正极的反应式为：
超级电容器的性能介于电解电容器和蓄电池之间，是一种新型储能装置，由隔膜、电解液、集流体和电极材料等组成。其中，电极材料主要有碳材料、金属氧化物及水合物材料(MxOy)、导电聚合物，通过极化电解质来储能。
按照不同的划分标准，可将超级电容器划分为不同类型。
1)按照电解质溶液的不同，可以将超级电容器划分为水系电解液超级电容器、有机电解液超级电容器、固态电解液超级电容器；
2)按照超级电容器电极的构成及在电极上发生反应类型的不同，可以将其划分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器；
3)按照电极的储能机理及制备原料的不同，可以将超级电容器划分为双电层超级电容器、赝电容超级电容器和混合型超级电容器。
双电层超级电容器通过电解质与电极之间的相互融合形成界面双电层来储存能量，其结构原理图如图4所示。
赝电容超级电容器利用电极表面的电活性物质，通过欠电位沉积，发生氧化还原反应和化学吸附/脱附，从而储存电能。
超级电容器的构造简单，具有充放电能力强、功率密度大、容量大、循环使用寿命长、免维护、工作温度低、经济环保等优点，通常应用在汽车电源、电力储能、铁路、航空航天、通信、国防等领域，拥有广阔的发展前景。
超级电容器与电解电容器及铅酸蓄电池3种储能装置的性能对比如表2所示。
表 2 3种储能装置的性能对比
以某住宅小区内的1个太阳能路灯为例。该太阳能路灯选用超级电容器作为储能装置，对其正常工作时需要配备的超级电容器的容量进行计算。该太阳能路灯的平均工作时间为每日3h(即工作时间t为10800s)，工作电流I为0.025A，正常工作电压U1为3.7V，截止工作电压U0为1.8V。
将参数值代入式(6)，可以得出超级电容器的容量为142F。根据这一结果，该太阳能路灯选择耐压值为5.5V、容量为140～160F的超级电容器即可。
全钒液流电池(VFB)全称为全钒氧化还原液流电池(VRFB)，是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。
全钒液流电池因长寿命、高能效、绿色环保、安全性高、运行维护费用低等特点，成为极具发展潜力的大容量储能装置，可用于电能质量改善、可靠性提高、备用电源与能量管理等方面。
全钒液流电池可应用于电网调峰、应急发电装置、电动车车用电源等领域，新能源发电的储能环节也是全钒液流电池的主要应用场景，其通常应用于“光伏+储能”项目的储能环节。
但由于全钒液流电池中的钒电解液成本约占该电池成本的60%，导致采用全钒液流电池的大中型储能电站的初始投资门槛较高。
未来，随着传导膜、电解液等低成本开发项目的启动，全钒液流电池的成本有望进一步降低，且其从规划设计至回收利用的各个环节的标准规范将逐步建立与完善，商业模式也将逐步多样化。
钠硫电池的正极由硫和多硫化钠熔盐等活性物质组成，负极由熔融金属钠组成，固体电解质隔膜是一种专门传导钠离子的氧化铝(Al2O3)陶瓷材料，壳体一般为不锈钢金属材料。
常见的铅酸蓄电池、镍镉电池等都是固体电极与液体电解质结合组成，而钠硫电池则是由熔融的液体电极材料和固体电解质组成，硫填充在导电多孔碳或石墨毡中。在固定的工作温度下，钠离子透过电解质膜与硫发生反应，进行能量储存和释放。
铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池、全钒液流电池和钠硫电池5种储能电池的主要特性对比如表3所示。
表3 5种储能电池的主要特性对比
随着储能技术朝储能方式混合化、转换高效化、能量高密度化、应用低成本化、环境友好的方向发展，光伏发电与储能技术的结合将大幅提高光伏发电系统的能源利用率和经济性，为助力中国实现碳达峰、碳中和提供技术保障。
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：光伏电站用储能电池的发展现状及应用前景
