钠硫电池最新应用

传统化石能源的短缺以及温室气体的排放成为人类社会未来发展需要解决的最重要的问题之一。能源多样化，尤其是风能、太阳能和海洋能等可再生能源的有效利用逐渐为人们所关注。然而，这些可再生能源发电受季节、气象、时间和地域条件的影响具有明显的不连续、不稳定性。发电的出力波动较大，可调节性差，结果导致发电机组安装后无法并网，有的即使接上了网，也因为当地电网无法消纳而被迫停机。随着可再生能源快速发展，电网接入能力将面临巨大挑战。推进可再生能源发电技术的普及应用，建立包括高效储能技术在内的智能电网，提高对可再生能源发电的兼容量和能源利用效率是解决我国能源安全、实现节能减排目标的重要途径，是国民经济可持续发展的重大需求。

钠硫电池是一种最典型的钠电池，1968年福特公司公开了钠硫电池的发明专利。典型的设计为管式结构，如图1所示，电池由作为固体电解质和隔膜的beta-氧化铝陶瓷管、钠负极、硫正极、集流体以及密封组件组成。管式钠硫电池的工作温度为300～350℃，典型的充放电反应为

电池在350℃下的工作电压为1.78～2.076V。虽然目前大容量管式钠硫电池已由日本NGK公司商业化，但由于钠硫电池的制造成本较高，正、负极活性物质的腐蚀性强，电池对固体电解质、电池结构和运行条件的要求苛刻，因此钠硫电池仍然需要进一步开发与提升，降低成本，提高电池系统的安全性，这也促使人们对钠硫电池技术加快研发，从根本上改善电池的安全性。同时，中温平板式和常温钠硫电池已列为部分研发机构的关注内容之一。

钠硫（ＮａＳ）电池是一种负极用钠、正极用硫磺、电解质用陶瓷氧化铝类材料组成的充电电池。其具有储能密度大、效率高、运行费用低、维护较容易、不污染环境、使用寿命长等优点。ＮａＳ电池储能系统自２００２年实现商业化运作以来，在负荷调控、功率稳定、电能质量、直流后备电源等方面已得到广泛应用。

ＮａＳ电池结构

典型的ＮａＳ电池结构如图１所示。一个ＮａＳ电池单体主要包括钠（Ｎａ）负极、硫（Ｓ）正极、固体电解质陶瓷隔膜、电池壳体等多个部件以及连接这些部件的各个界面组成。数个单体电池可以组成模块，通过模块的组合最终形成储能电池堆或储能站。在一定工作温度下（约３００℃［１１］），钠离子（Ｎａ＋）透过电解质隔膜与Ｓ之间发生可逆反应，形成能量的释放和储存。

ＮａＳ电池的应用

ＮａＳ电池作为二次电池中最成熟、最具有潜力的一种储能电池，其应用可以分为移动应用和固定应用两类。

移动应用

大功率ＮａＳ电池主要应用于特种和航天等领域，如特种、坦克、卫星等。由于大功率ＮａＳ电池具有能量密度大、充电速度快、使用寿命长等特点，故其可在特种、军舰等上取代现有的锂离子电池和铅酸电池，提高行驶里程、降低维护成本；减轻特种的自身载重，提高速度和机动性，同时节省出大量的空间，保证艇员的生活供给物品、武器及弹药的储存，提高特种的特种能力。ＮａＳ电池特有的瞬间大电流特点更可以应用到特种、火箭、大炮等的发射装置上，它能使弹头出膛速度达到３～５０ｋｍ／ｓ，实现超高速运行，且性能稳定，可控性好；同样该项技术也可用于航天等领域。总之，大功率ＮａＳ电池为特种、航天设备提供燃料能源，将提高特种设备的特种能力，提升特种设备的能量供给能力，对于特种实力的提高有着重要的意义。

大功率ＮａＳ电池也可用于交通工具，如电动车上，可提高一次性充电行驶里程，极大地减少各类交通工具上石油燃料的使用，同时还可大大降低汽车排放废气对人们生存环境的污染。

固定应用

大功率ＮａＳ电池主要用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出，以提高电能质量。

当前我国电力消耗的昼夜峰谷差日益扩大，要解决这种电力使用严重不对称造成的电力紧张现象，利用大功率ＮａＳ电池储能是最有效的途径。当用电需求小于发电量时，使用ＮａＳ电池将多余的电能储存起来；当需求大于供给时，则用以补充电能。通过这种储能手段进行削峰填谷，能使现有发电站的资源消耗量减少约５０％，相应地这些有限的不可再生资源的使用年限可增加１００％。

目前，中国新能源发展较快，但风力发电、太阳能发电均存在着难以克服的瓶颈，即并网问题。统计显示，我国目前完成的风电装机总量只有不到２０％的比例实现了发电并网。许多风力发电场经常发生“弃风”、“停机”现象，造成了大量的投资浪费。许多业内人士认为，缺乏大容量电池储能系统是风能并网的瓶颈所在，我国应加快相关技术的研发，以便更好地服务于我国可再生能源的发展。由于可再生能源的电力输出随着风、光照等的强度同步变化和波动，而目前我国传统的电力网络没有能力接纳这些不稳定的电力来源，故无法直接向电网输出或向用户出售，需要经过稳定后方可与电网安全对接输出。大功率ＮａＳ电池作为一种先进的储能电池，其使用寿命长、充电快速等特性，可从根本上解决风能、太阳能输出电力不稳定的问题，提高电能质量，使其能成为与风能、太阳能等发电方式配套的一种理想的储能电池。

大容量ＮａＳ电池可用于电网调峰、照明、应急、高耗能企业、分布电站、电信通讯基站、国家重要部门的备用电站等大型储能领域。

钠硫电池在微电网中的应用

谈到电网，大家都知道从上到下有四个方面，发电、输电、配电、用电，再加上（离岛）电网和微电网。钠硫电池已经被证实在每个环节都有与之相适应的作用。在发电侧包括可再生能源稳定、调峰调频、输电侧、配电侧、辅助服务、投资延期。用电侧可能能动性没有那么大，削峰填谷，备用电源弹性应用，存储本地电能发电，它也是必不可少的一个重要部分。钠硫电池可以吸收可再生能源波动。比如说在太阳能发电和风力发电的非高峰时段，钠硫电池可以提供6-8小时长期稳定的电池供应。

因为一个钠硫电池系统可以提供额外的6-8小时的稳定电力供应，所以对于一个化石峰值的电场起到了绿色环保的作用。同一套钠硫电池系统还可以起到高峰时段和非高峰时段错峰的速率。在输电侧和配电侧，我们都知道供需不平衡可以导致频率的波动，钠硫电池可以通过高速响应性，可以最大程度的减小波动。钠硫电池还可以起到延期或者是消除输电和配电升级的需求。

安放在负荷侧附近的钠硫电池，在负荷轻的时候，钠硫电池可以通过充电把电能引入到输电受限制的区域。在负荷高的情况下，钠硫电池可以通过放电可以为满负荷的电网提供额外的容量。用电侧钠硫电池可以通过简单的设置峰值和临近值的程度，避免减少客户在高峰使用，用户通过这样可以减少需求的费用。同时如果发生电网的断电，钠硫电池对于关键的负荷可以提供长期稳定的6-8小时的供电，起到电网安全的作用。随着太阳能成本的不断下降，用户对太阳能进行广泛的部署。

钠硫电池可以通过时间平移把白天富庶的电量移到晚上使用，可以很大程度的减少用户对电网电能的需求，不是通过太阳能发电、调频还是减少费用需求，都是可以最大程度减少用户的用电成本。对于微电网的一个遥远电网，钠硫电池可以起到电网所有功能的作用，这些功能包括支持高水平的可再生能源发电、时间平移、稳定可再生能源发电、调节频率，防止以外事故发生的频率，基本上电网所起的功能钠硫电池都可以起到。接下来介绍一下光伏过剩发电削峰填谷的项目。

项目业主是日本的九州电力公司，这个项目也是被日本资源和能源厅评为大规模储能电池改善供需的稳定性示范工程。项目的输出功率是50MW，容量是300MWH。在高部署的光伏发电中午的时候，把中午的电存起来晚上使用，同时可以提供多样的支持，起到平滑可再生能源间歇性的这样一个作用。可以从图中看出，电站大概占14200平方米，由252个集装箱电池组成。

电力位置靠近海边，可以说钠硫电池的稳定性和安全性对于潮湿恶劣的海岛环境基本无事。这个项目为物阿联酋阿布扎比，业主是阿布扎比水电局，业主也是因为这个项目获得了2015年安全能源奖。这个项目一共是108MW，钠硫电池系统分布在各个子变电站中，统一接入管理系统中，既起到了电网级规模的需求侧管理作用。