傳統(tǒng)化石能源的短缺以及溫室氣體的排放成為人類社會未來發(fā)展需要解決的最重要的問題之一。能源多樣化，尤其是風能、太陽能和海洋能等可再生能源的有效利用逐漸為人們所關注。然而，這些可再生能源發(fā)電受季節(jié)、氣象、時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)電的出力波動較大，可調(diào)節(jié)性差，結果導致發(fā)電機組安裝后無法并網(wǎng)，有的即使接上了網(wǎng)，也因為當?shù)仉娋W(wǎng)無法消納而被迫停機。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)。推進可再生能源發(fā)電技術的普及應用，建立包括高效儲能技術在內(nèi)的智能電網(wǎng)，提高對可再生能源發(fā)電的兼容量和能源利用效率是解決我國能源安全、實現(xiàn)節(jié)能減排目標的重要途徑，是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大需求。

鈉硫電池是一種最典型的鈉電池，1968年福特公司公開了鈉硫電池的發(fā)明專利。典型的設計為管式結構，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、負極活性物質(zhì)的腐蝕性強，電池對固體電解質(zhì)、電池結構和運行條件的要求苛刻，因此鈉硫電池仍然需要進一步開發(fā)與提升，降低成本，提高電池系統(tǒng)的安全性，這也促使人們對鈉硫電池技術加快研發(fā)，從根本上改善電池的安全性。同時，中溫平板式和常溫鈉硫電池已列為部分研發(fā)機構的關注內(nèi)容之一。

鈉硫（ＮａＳ）電池是一種負極用鈉、正極用硫磺、電解質(zhì)用陶瓷氧化鋁類材料組成的充電電池。其具有儲能密度大、效率高、運行費用低、維護較容易、不污染環(huán)境、使用壽命長等優(yōu)點。ＮａＳ電池儲能系統(tǒng)自２００２年實現(xiàn)商業(yè)化運作以來，在負荷調(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用。

ＮａＳ電池結構

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

ＮａＳ電池的應用

ＮａＳ電池作為二次電池中最成熟、最具有潛力的一種儲能電池，其應用可以分為移動應用和固定應用兩類。

移動應用

大功率ＮａＳ電池主要應用于特種和航天等領域，如特種、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、使用壽命長等特點，故其可在特種、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、降低維護成本；減輕特種的自身載重，提高速度和機動性，同時節(jié)省出大量的空間，保證艇員的生活供給物品、武器及彈藥的儲存，提高特種的特種能力。ＮａＳ電池特有的瞬間大電流特點更可以應用到特種、火箭、大炮等的發(fā)射裝置上，它能使彈頭出膛速度達到３～５０ｋｍ／ｓ，實現(xiàn)超高速運行，且性能穩(wěn)定，可控性好；同樣該項技術也可用于航天等領域。總之，大功率ＮａＳ電池為特種、航天設備提供燃料能源，將提高特種設備的特種能力，提升特種設備的能量供給能力，對于特種實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，如電動車上，可提高一次性充電行駛里程，極大地減少各類交通工具上石油燃料的使用，同時還可大大降低汽車排放廢氣對人們生存環(huán)境的污染。

固定應用

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

當前我國電力消耗的晝夜峰谷差日益擴大，要解決這種電力使用嚴重不對稱造成的電力緊張現(xiàn)象，利用大功率ＮａＳ電池儲能是最有效的途徑。當用電需求小于發(fā)電量時，使用ＮａＳ電池將多余的電能儲存起來；當需求大于供給時，則用以補充電能。通過這種儲能手段進行削峰填谷，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，中國新能源發(fā)展較快，但風力發(fā)電、太陽能發(fā)電均存在著難以克服的瓶頸，即并網(wǎng)問題。統(tǒng)計顯示，我國目前完成的風電裝機總量只有不到２０％的比例實現(xiàn)了發(fā)電并網(wǎng)。許多風力發(fā)電場經(jīng)常發(fā)生“棄風”、“停機”現(xiàn)象，造成了大量的投資浪費。許多業(yè)內(nèi)人士認為，缺乏大容量電池儲能系統(tǒng)是風能并網(wǎng)的瓶頸所在，我國應加快相關技術的研發(fā)，以便更好地服務于我國可再生能源的發(fā)展。由于可再生能源的電力輸出隨著風、光照等的強度同步變化和波動，而目前我國傳統(tǒng)的電力網(wǎng)絡沒有能力接納這些不穩(wěn)定的電力來源，故無法直接向電網(wǎng)輸出或向用戶出售，需要經(jīng)過穩(wěn)定后方可與電網(wǎng)安全對接輸出。大功率ＮａＳ電池作為一種先進的儲能電池，其使用壽命長、充電快速等特性，可從根本上解決風能、太陽能輸出電力不穩(wěn)定的問題，提高電能質(zhì)量，使其能成為與風能、太陽能等發(fā)電方式配套的一種理想的儲能電池。

大容量ＮａＳ電池可用于電網(wǎng)調(diào)峰、照明、應急、高耗能企業(yè)、分布電站、電信通訊基站、國家重要部門的備用電站等大型儲能領域。

鈉硫電池在微電網(wǎng)中的應用

談到電網(wǎng)，大家都知道從上到下有四個方面，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)被證實在每個環(huán)節(jié)都有與之相適應的作用。在發(fā)電側包括可再生能源穩(wěn)定、調(diào)峰調(diào)頻、輸電側、配電側、輔助服務、投資延期。用電側可能能動性沒有那么大，削峰填谷，備用電源彈性應用，存儲本地電能發(fā)電，它也是必不可少的一個重要部分。鈉硫電池可以吸收可再生能源波動。比如說在太陽能發(fā)電和風力發(fā)電的非高峰時段，鈉硫電池可以提供6-8小時長期穩(wěn)定的電池供應。

因為一個鈉硫電池系統(tǒng)可以提供額外的6-8小時的穩(wěn)定電力供應，所以對于一個化石峰值的電場起到了綠色環(huán)保的作用。同一套鈉硫電池系統(tǒng)還可以起到高峰時段和非高峰時段錯峰的速率。在輸電側和配電側，我們都知道供需不平衡可以導致頻率的波動，鈉硫電池可以通過高速響應性，可以最大程度的減小波動。鈉硫電池還可以起到延期或者是消除輸電和配電升級的需求。

安放在負荷側附近的鈉硫電池，在負荷輕的時候，鈉硫電池可以通過充電把電能引入到輸電受限制的區(qū)域。在負荷高的情況下，鈉硫電池可以通過放電可以為滿負荷的電網(wǎng)提供額外的容量。用電側鈉硫電池可以通過簡單的設置峰值和臨近值的程度，避免減少客戶在高峰使用，用戶通過這樣可以減少需求的費用。同時如果發(fā)生電網(wǎng)的斷電，鈉硫電池對于關鍵的負荷可以提供長期穩(wěn)定的6-8小時的供電，起到電網(wǎng)安全的作用。隨著太陽能成本的不斷下降，用戶對太陽能進行廣泛的部署。

鈉硫電池可以通過時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對電網(wǎng)電能的需求，不是通過太陽能發(fā)電、調(diào)頻還是減少費用需求，都是可以最大程度減少用戶的用電成本。對于微電網(wǎng)的一個遙遠電網(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。接下來介紹一下光伏過剩發(fā)電削峰填谷的項目。

項目業(yè)主是日本的九州電力公司，這個項目也是被日本資源和能源廳評為大規(guī)模儲能電池改善供需的穩(wěn)定性示范工程。項目的輸出功率是50MW，容量是300MWH。在高部署的光伏發(fā)電中午的時候，把中午的電存起來晚上使用，同時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作用?？梢詮膱D中看出，電站大概占14200平方米，由252個集裝箱電池組成。

電力位置靠近海邊，可以說鈉硫電池的穩(wěn)定性和安全性對于潮濕惡劣的海島環(huán)境基本無事。這個項目為物阿聯(lián)酋阿布扎比，業(yè)主是阿布扎比水電局，業(yè)主也是因為這個項目獲得了2015年安全能源獎。這個項目一共是108MW，鈉硫電池系統(tǒng)分布在各個子變電站中，統(tǒng)一接入管理系統(tǒng)中，既起到了電網(wǎng)級規(guī)模的需求側管理作用。