傳統(tǒng)化石能源的短缺以及溫室氣體的排放成為人類(lèi)社會(huì)未來(lái)發(fā)展需要解決的最重要的問(wèn)題之一。能源多樣化，尤其是風(fēng)能、太陽(yáng)能和海洋能等可再生能源的有效利用逐漸為人們所關(guān)注。然而，這些可再生能源發(fā)電受季節(jié)、氣象、時(shí)間和地域條件的影響具有明顯的不連續(xù)、不穩(wěn)定性。發(fā)電的出力波動(dòng)較大，可調(diào)節(jié)性差，結(jié)果導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組安裝后無(wú)法并網(wǎng)，有的即使接上了網(wǎng)，也因?yàn)楫?dāng)?shù)仉娋W(wǎng)無(wú)法消納而被迫停機(jī)。隨著可再生能源快速發(fā)展，電網(wǎng)接入能力將面臨巨大挑戰(zhàn)。推進(jìn)可再生能源發(fā)電技術(shù)的普及應(yīng)用，建立包括高效儲(chǔ)能技術(shù)在內(nèi)的智能電網(wǎng)，提高對(duì)可再生能源發(fā)電的兼容量和能源利用效率是解決我國(guó)能源安全、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要途徑，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大需求。

鈉硫電池

鈉硫電池是一種最典型的鈉電池，1968年福特公司公開(kāi)了鈉硫電池的發(fā)明專(zhuān)利。典型的設(shè)計(jì)為管式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，電池由作為固體電解質(zhì)和隔膜的beta-氧化鋁陶瓷管、鈉負(fù)極、硫正極、集流體以及密封組件組成。管式鈉硫電池的工作溫度為300～350℃，典型的充放電反應(yīng)為

電池在350℃下的工作電壓為1.78～2.076V。雖然目前大容量管式鈉硫電池已由日本NGK公司商業(yè)化，但由于鈉硫電池的制造成本較高，正、負(fù)極活性物質(zhì)的腐蝕性強(qiáng)，電池對(duì)固體電解質(zhì)、電池結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件的要求苛刻，因此鈉硫電池仍然需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與提升，降低成本，提高電池系統(tǒng)的安全性，這也促使人們對(duì)鈉硫電池技術(shù)加快研發(fā)，從根本上改善電池的安全性。同時(shí)，中溫平板式和常溫鈉硫電池已列為部分研發(fā)機(jī)構(gòu)的關(guān)注內(nèi)容之一。

鈉硫（ＮａＳ）電池是一種負(fù)極用鈉、正極用硫磺、電解質(zhì)用陶瓷氧化鋁類(lèi)材料組成的充電電池。其具有儲(chǔ)能密度大、效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)較容易、不污染環(huán)境、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。ＮａＳ電池儲(chǔ)能系統(tǒng)自２００２年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作以來(lái)，在負(fù)荷調(diào)控、功率穩(wěn)定、電能質(zhì)量、直流后備電源等方面已得到廣泛應(yīng)用。

ＮａＳ電池結(jié)構(gòu)

典型的ＮａＳ電池結(jié)構(gòu)如圖１所示。一個(gè)ＮａＳ電池單體主要包括鈉（Ｎａ）負(fù)極、硫（Ｓ）正極、固體電解質(zhì)陶瓷隔膜、電池殼體等多個(gè)部件以及連接這些部件的各個(gè)界面組成。數(shù)個(gè)單體電池可以組成模塊，通過(guò)模塊的組合最終形成儲(chǔ)能電池堆或儲(chǔ)能站。在一定工作溫度下（約３００℃［１１］），鈉離子（Ｎａ＋）透過(guò)電解質(zhì)隔膜與Ｓ之間發(fā)生可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲(chǔ)存。

ＮａＳ電池的應(yīng)用

ＮａＳ電池作為二次電池中最成熟、最具有潛力的一種儲(chǔ)能電池，其應(yīng)用可以分為移動(dòng)應(yīng)用和固定應(yīng)用兩類(lèi)。

移動(dòng)應(yīng)用

大功率ＮａＳ電池主要應(yīng)用于軍事和航天等領(lǐng)域，如潛艇、坦克、衛(wèi)星等。由于大功率ＮａＳ電池具有能量密度大、充電速度快、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，故其可在潛艇、軍艦等上取代現(xiàn)有的鋰離子電池和鉛酸電池，提高行駛里程、降低維護(hù)成本；減輕潛艇的自身載重，提高速度和機(jī)動(dòng)性，同時(shí)節(jié)省出大量的空間，保證艇員的生活供給物品、武器及彈藥的儲(chǔ)存，提高潛艇的作戰(zhàn)能力。ＮａＳ電池特有的瞬間大電流特點(diǎn)更可以應(yīng)用到導(dǎo)彈、火箭、大炮等的發(fā)射裝置上，它能使彈頭出膛速度達(dá)到３～５０ｋｍ／ｓ，實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)行，且性能穩(wěn)定，可控性好；同樣該項(xiàng)技術(shù)也可用于航天等領(lǐng)域?？傊?，大功率ＮａＳ電池為軍用、航天設(shè)備提供燃料能源，將提高軍用設(shè)備的作戰(zhàn)能力，提升航空設(shè)備的能量供給能力，對(duì)于國(guó)防實(shí)力的提高有著重要的意義。

大功率ＮａＳ電池也可用于交通工具，如電動(dòng)車(chē)上，可提高一次性充電行駛里程，極大地減少各類(lèi)交通工具上石油燃料的使用，同時(shí)還可大大降低汽車(chē)排放廢氣對(duì)人們生存環(huán)境的污染。

固定應(yīng)用

大功率ＮａＳ電池主要用于削峰填谷、應(yīng)急電源、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的穩(wěn)定輸出，以提高電能質(zhì)量。

當(dāng)前我國(guó)電力消耗的晝夜峰谷差日益擴(kuò)大，要解決這種電力使用嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)造成的電力緊張現(xiàn)象，利用大功率ＮａＳ電池儲(chǔ)能是最有效的途徑。當(dāng)用電需求小于發(fā)電量時(shí)，使用ＮａＳ電池將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)需求大于供給時(shí)，則用以補(bǔ)充電能。通過(guò)這種儲(chǔ)能手段進(jìn)行削峰填谷，能使現(xiàn)有發(fā)電站的資源消耗量減少約５０％，相應(yīng)地這些有限的不可再生資源的使用年限可增加１００％。

目前，中國(guó)新能源發(fā)展較快，但風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電均存在著難以克服的瓶頸，即并網(wǎng)問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)目前完成的風(fēng)電裝機(jī)總量只有不到２０％的比例實(shí)現(xiàn)了發(fā)電并網(wǎng)。許多風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)經(jīng)常發(fā)生“棄風(fēng)”、“停機(jī)”現(xiàn)象，造成了大量的投資浪費(fèi)。許多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，缺乏大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是風(fēng)能并網(wǎng)的瓶頸所在，我國(guó)應(yīng)加快相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，以便更好地服務(wù)于我國(guó)可再生能源的發(fā)展。由于可再生能源的電力輸出隨著風(fēng)、光照等的強(qiáng)度同步變化和波動(dòng)，而目前我國(guó)傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有能力接納這些不穩(wěn)定的電力來(lái)源，故無(wú)法直接向電網(wǎng)輸出或向用戶(hù)出售，需要經(jīng)過(guò)穩(wěn)定后方可與電網(wǎng)安全對(duì)接輸出。大功率ＮａＳ電池作為一種先進(jìn)的儲(chǔ)能電池，其使用壽命長(zhǎng)、充電快速等特性，可從根本上解決風(fēng)能、太陽(yáng)能輸出電力不穩(wěn)定的問(wèn)題，提高電能質(zhì)量，使其能成為與風(fēng)能、太陽(yáng)能等發(fā)電方式配套的一種理想的儲(chǔ)能電池。

大容量ＮａＳ電池可用于電網(wǎng)調(diào)峰、照明、應(yīng)急、高耗能企業(yè)、分布電站、電信通訊基站、國(guó)家重要部門(mén)的備用電站等大型儲(chǔ)能領(lǐng)域。

鈉硫電池在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

談到電網(wǎng)，大家都知道從上到下有四個(gè)方面，發(fā)電、輸電、配電、用電，再加上（離島）電網(wǎng)和微電網(wǎng)。鈉硫電池已經(jīng)被證實(shí)在每個(gè)環(huán)節(jié)都有與之相適應(yīng)的作用。在發(fā)電側(cè)包括可再生能源穩(wěn)定、調(diào)峰調(diào)頻、輸電側(cè)、配電側(cè)、輔助服務(wù)、投資延期。用電側(cè)可能能動(dòng)性沒(méi)有那么大，削峰填谷，備用電源彈性應(yīng)用，存儲(chǔ)本地電能發(fā)電，它也是必不可少的一個(gè)重要部分。鈉硫電池可以吸收可再生能源波動(dòng)。比如說(shuō)在太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的非高峰時(shí)段，鈉硫電池可以提供6-8小時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定的電池供應(yīng)。

因?yàn)橐粋€(gè)鈉硫電池系統(tǒng)可以提供額外的6-8小時(shí)的穩(wěn)定電力供應(yīng)，所以對(duì)于一個(gè)化石峰值的電場(chǎng)起到了綠色環(huán)保的作用。同一套鈉硫電池系統(tǒng)還可以起到高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段錯(cuò)峰的速率。在輸電側(cè)和配電側(cè)，我們都知道供需不平衡可以導(dǎo)致頻率的波動(dòng)，鈉硫電池可以通過(guò)高速響應(yīng)性，可以最大程度的減小波動(dòng)。鈉硫電池還可以起到延期或者是消除輸電和配電升級(jí)的需求。

安放在負(fù)荷側(cè)附近的鈉硫電池，在負(fù)荷輕的時(shí)候，鈉硫電池可以通過(guò)充電把電能引入到輸電受限制的區(qū)域。在負(fù)荷高的情況下，鈉硫電池可以通過(guò)放電可以為滿(mǎn)負(fù)荷的電網(wǎng)提供額外的容量。用電側(cè)鈉硫電池可以通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置峰值和臨近值的程度，避免減少客戶(hù)在高峰使用，用戶(hù)通過(guò)這樣可以減少需求的費(fèi)用。同時(shí)如果發(fā)生電網(wǎng)的斷電，鈉硫電池對(duì)于關(guān)鍵的負(fù)荷可以提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的6-8小時(shí)的供電，起到電網(wǎng)安全的作用。隨著太陽(yáng)能成本的不斷下降，用戶(hù)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行廣泛的部署。

鈉硫電池可以通過(guò)時(shí)間平移把白天富庶的電量移到晚上使用，可以很大程度的減少用戶(hù)對(duì)電網(wǎng)電能的需求，不是通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電、調(diào)頻還是減少費(fèi)用需求，都是可以最大程度減少用戶(hù)的用電成本。對(duì)于微電網(wǎng)的一個(gè)遙遠(yuǎn)電網(wǎng)，鈉硫電池可以起到電網(wǎng)所有功能的作用，這些功能包括支持高水平的可再生能源發(fā)電、時(shí)間平移、穩(wěn)定可再生能源發(fā)電、調(diào)節(jié)頻率，防止以外事故發(fā)生的頻率，基本上電網(wǎng)所起的功能鈉硫電池都可以起到。接下來(lái)介紹一下光伏過(guò)剩發(fā)電削峰填谷的項(xiàng)目。

項(xiàng)目業(yè)主是日本的九州電力公司，這個(gè)項(xiàng)目也是被日本資源和能源廳評(píng)為大規(guī)模儲(chǔ)能電池改善供需的穩(wěn)定性示范工程。項(xiàng)目的輸出功率是50MW，容量是300MWH。在高部署的光伏發(fā)電中午的時(shí)候，把中午的電存起來(lái)晚上使用，同時(shí)可以提供多樣的支持，起到平滑可再生能源間歇性的這樣一個(gè)作用?？梢詮膱D中看出，電站大概占14200平方米，由252個(gè)集裝箱電池組成。

電力位置靠近海邊，可以說(shuō)鈉硫電池的穩(wěn)定性和安全性對(duì)于潮濕惡劣的海島環(huán)境基本無(wú)事。這個(gè)項(xiàng)目為物阿聯(lián)酋阿布扎比，業(yè)主是阿布扎比水電局，業(yè)主也是因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目獲得了2015年安全能源獎(jiǎng)。這個(gè)項(xiàng)目一共是108MW，鈉硫電池系統(tǒng)分布在各個(gè)子變電站中，統(tǒng)一接入管理系統(tǒng)中，既起到了電網(wǎng)級(jí)規(guī)模的需求側(cè)管理作用。