鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:1391次 | 2020年04月09日
太陽(yáng)能可充電電池:優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)與機(jī)遇
【引言】
能源問(wèn)題是當(dāng)今世界永恒的話題,它促成了電子設(shè)備、新能源汽車(chē)以及智能電網(wǎng)的發(fā)展。太陽(yáng)能作為一種清潔可持續(xù)發(fā)展能源可以彌補(bǔ)電池的不足,而電池又能彌補(bǔ)太陽(yáng)能間歇性的問(wèn)題。如何將太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池有機(jī)的結(jié)合起來(lái)?近日,來(lái)自美國(guó)南達(dá)科他州立大學(xué)的QiquanQiao(喬啟全)教授(通訊作者)等人對(duì)設(shè)計(jì)“太陽(yáng)能電池-儲(chǔ)能電池”集成系統(tǒng)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)、討論和展望。其中對(duì)“太陽(yáng)能電池-儲(chǔ)能電池”集成系統(tǒng)中三個(gè)重要的參數(shù):能量密度、效率和穩(wěn)定性分別進(jìn)行一一解讀。
1.集成太陽(yáng)能電池-儲(chǔ)能電池的必要性
當(dāng)今的大眾消費(fèi)者嚴(yán)重依賴能源技術(shù)及其發(fā)展。當(dāng)前能源相關(guān)的三大關(guān)鍵技術(shù)為智能電子產(chǎn)品,電動(dòng)汽車(chē)和智能電網(wǎng)。智能電子產(chǎn)品依賴于容量有限的電池,要使用有線連接頻繁地對(duì)電子器件進(jìn)行充電。太陽(yáng)能或光伏為電池充電供應(yīng)了可能的便利,因?yàn)樵趹敉怅?yáng)光下,太陽(yáng)能的能量密度可達(dá)100mWcm-2。目前另一個(gè)欣欣向榮的市場(chǎng)為電動(dòng)汽車(chē)行業(yè),雖然電動(dòng)汽車(chē)不生產(chǎn)碳排放量,但是汽車(chē)所使用的電力大部分來(lái)自礦物燃料驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)。除非車(chē)輛使用的電力來(lái)自可再生能源,否則電動(dòng)汽車(chē)的可持續(xù)性意義不大。另外,充電站的分布也限制了其實(shí)際應(yīng)用。像光伏發(fā)電這樣的分布式發(fā)電是最合適電動(dòng)汽車(chē)的充電方式。另一個(gè)前景應(yīng)用是電網(wǎng)??稍偕茉吹膽?yīng)用正在穩(wěn)步擴(kuò)大,使用光伏能源的最大問(wèn)題是夜間或陰天缺乏陽(yáng)光,造成使用過(guò)程中的間歇性供電。這種間歇性會(huì)導(dǎo)致功率波動(dòng)輸出,這是電網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。因此,電力公司將光伏電力集成到電網(wǎng)中的功率進(jìn)行限制。這樣一來(lái)并未充分利用光伏發(fā)電的潛力。儲(chǔ)能電池可以解決這些問(wèn)題,電池白天可以充電,晚上可以放電,為實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電接入電網(wǎng)供應(yīng)了可能性。
2.傳統(tǒng)和先進(jìn)“太陽(yáng)能電池-儲(chǔ)能電池”系統(tǒng)的比較
使用太陽(yáng)能電池給電池充電的傳統(tǒng)方法是兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)(圖1A),其涉及的太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池作為兩個(gè)獨(dú)立單元的通過(guò)電線連接。這樣的系統(tǒng)往往比較昂貴、笨重而且不靈活,還要比較大空間,另外外部的電線會(huì)導(dǎo)致電能損失。
有機(jī)的將產(chǎn)量和儲(chǔ)能合并為一個(gè)單元實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)將會(huì)有效的解決太陽(yáng)能電池和電池的能量密度問(wèn)題。這種設(shè)計(jì)具有小型化的特點(diǎn),進(jìn)而會(huì)減少成本,新增了光伏系統(tǒng)的實(shí)用性。盡管有很多優(yōu)點(diǎn),但是其在效率,容量和穩(wěn)定性等方面還存在很大的挑戰(zhàn)。目前在該方面的研究仍處于初級(jí)階段,研究的重心重要集中在材料和裝置的設(shè)計(jì)上。
集成光伏電池系統(tǒng)可以通過(guò)兩種不同的配置來(lái)實(shí)現(xiàn):三電極(圖1B和1C)和雙電極(圖1D)。其中三電極設(shè)計(jì)中,一個(gè)電極被用作公用電極作為光伏器件和電池之間的陰極或陽(yáng)極。在雙電極配置中,正極和負(fù)極同時(shí)執(zhí)行光轉(zhuǎn)換功能和儲(chǔ)能功能。
圖1傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池獨(dú)立設(shè)計(jì)(A),三電極設(shè)計(jì)(B和C)和兩電極設(shè)計(jì)(D)
3.二元分離式“太陽(yáng)能電池—儲(chǔ)能電池”的設(shè)計(jì)
本部分對(duì)前人分離式“太陽(yáng)能電池—儲(chǔ)能電池”設(shè)計(jì)的工作進(jìn)行了總結(jié),硅太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池以及染料敏化太陽(yáng)能電池都能以不同的形式與鋰離子電池相結(jié)合,其中圖2A和B顯示了四個(gè)串聯(lián)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池對(duì)鋰離子電池充電,效率達(dá)到7.36%。本文通訊作者喬啟全團(tuán)隊(duì)利用變壓器和最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)現(xiàn)了使用單節(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池對(duì)鋰離子電池充電,其效率達(dá)到了9.36%,該項(xiàng)研究成果發(fā)表在AdvanceEnergyMaterials上(圖2C和D)。
圖2分離式光伏電池系統(tǒng)
(A,B)利用四塊鈣鈦礦太陽(yáng)能電池為L(zhǎng)i4Ti5O12/LiFePO4鋰離子電池充電
(C,D)利用單節(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在直流-直流轉(zhuǎn)換器的幫助下為L(zhǎng)i4Ti5O12/LiCoO2鋰離子電池充電
4.一元集成式“太陽(yáng)能電池—儲(chǔ)能電池”的設(shè)計(jì)
大多數(shù)有關(guān)一元集成式“太陽(yáng)能電池—儲(chǔ)能電池”的設(shè)計(jì)工作集中于將太陽(yáng)能電池和電容式儲(chǔ)能相結(jié)合而不是與電池。集成系統(tǒng)可分為三種類型的設(shè)計(jì):(1)直接集成,(2)光輔助集成和(3)氧化還原液流電池集成。直接集成包括將太陽(yáng)能電池和電池堆疊在一起(不包括氧化還原液流電池)。光輔助集成使用太陽(yáng)能為電池充電只供應(yīng)一部分的能量。氧化還原液流集成涉及使用具有太陽(yáng)能充電的氧化還原液流電池。文章分別對(duì)這三種形式前人的工作進(jìn)行了詳細(xì)的概括總結(jié),圖3、4和5分別為它們的典型代表。