鈦酸鋰電池在風電行業的技術應用案例

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鈦酸鋰電池在風電行業的技術應用案例風力發電機組變槳系統通過控制葉片的角度來控制風輪的轉速，進而控制風機的輸出功率，並能夠通過空氣動力制動的方式使風機安全停機。

一、背景

風力發電機組變槳系統通過控制葉片的角度來控制風輪的轉速，進而控制風機的輸出功率，並能夠通過空氣動力制動的方式使風機安全停機。在風機正常運行期間，當風速超過機組額定風速時，為了控制功率輸出變槳角度限定在0度到90度之間（變槳角度根據風速的變化進行自動調整），通過控制葉片的角度使風輪的轉速保持恆定；在風機因突發故障停機時，變槳系統需要調整葉片到安全位置，以保證整個風機安全。如果在風機故障狀態下，葉片無法回到安全位置，可能會導致風機發生飛車事故，甚至會導致風機的倒塔。

電動變槳已經成為風電變槳系統技術的主流。電動變槳在正常工作時，由電網供電。在一些故障下，風電變槳系統會和電網脫離，而無法依靠電網工作。所以風電變槳系統會配備備用電源，保證系統在電網相關的故障或其他重大故障下，仍可以將葉片順槳到安全位置。

在電動變槳早期應用時，使用蓄電池作為備用電源。在使用過程中，逐漸發現蓄電池有一些難以克服的缺點：蓄電池的充放電特性不好，充電時間長，充電、放電電流不能太大；蓄電池需要維護，而變槳系統安裝在100米高的風機上，維護成本太大；蓄電池的低溫特性不好，在寒冷季節容量會衰減；蓄電池的循環壽命短，可靠性不強。 尤其在2010年後，出現過因為蓄電池的故障，導致風機飛車的事故。

早期安裝的風機，隨着風機使用年限的增加，採用蓄電池作為備用電源的變槳系統正承受着越來越高的安全風險、維護成本及維護人員工作量的增加。同時，不斷增多的電池類故障和停電檢修後過長的電池充電時間，一再給風電場帶來大額的電量損失。目前主流的解決方法是將鉛酸蓄電池替換為超級電容，但是其過高的更換成本，使大多數風電業主難以接受。

使用鈦酸鋰電池作為變槳系統後備電源，可以用更低的成本，幫助提高風機機組的安全，減少現場人員的維護工作量，減少風電場電量損失，實現後備電源系統免維護。

二、應用案例

目前鈦酸鋰電池已經在12個風電項目中進行應用，風電機組應用案例達到259台；例如：華能貴州某風電場安裝有南車機組66台1.5mw機組，使用鉛酸蓄電池作為變槳後備電源，每年因鉛酸電池問題導致的費用及損失高達100萬元以上。風電場於2020年將33台南車機組鉛酸電池變槳後備電源更換為鈦酸鋰電池，更換後再未發生因電池問題導致的經濟損失。2020年11月份，風電場進行為期7天的年度風場線路檢修工作後重新送電，更換鈦酸鋰電池的33台南車機組於第一時間完成啟動，並實現併網，並無任何電池故障。另外33台鉛酸電池機組的南車機組均不能正常啟動風機，需要進行6-8小時的充電工作，並且有超過10台的機組即使充電8小時也不能啟動風機， 需要更換新的鉛酸電池。僅此一次停送電，33颱風機平均停機時間最低不少於12小時，按照滿發半功率750KW/時計算，僅一次停機風機就損失發電量29.7萬千瓦每小時。直接經濟損失超過15萬元。間接損失包括人力的投入，物資的投入、車輛的投入，電網的併網要求未能按時完成，以及企業的形象社會形象均無法估量。

三、技術要點

鈦酸鋰電池是以鈦酸鋰作為負極的鋰離子電池。鈦酸鋰的高安全性、高穩定性、長壽命和綠色環保的特點，已被廣泛應用於新能源汽車等行業。

三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池一般使用石墨作為負極，在穿刺、切割、過充等情況下，鋰離子會於石墨負極內析出，並與電解液反應，出現起火爆炸等危險。而鈦酸鋰電池使用鈦酸鋰作為負極，對鋰離子的束縛能力極強，具有不起火、不爆炸的安全性能，因而極其適用於風電行業使用。

鈦酸鋰電池單芯電壓一般為2.3V，充放電次數超過20000次，於風電行業使用可以實現後備電源免維護，其主要特點是，充放電能力強、安全性能好、循環性能好、高低溫性能好、自保持能力強，缺點是能量密度低，價格較高。但於風電行業使用，其能量密度高於鉛酸電池，足夠後備電源使用。同時其價格遠低於超級電容，是實現變槳後備電源系統免維護，避免風場因電池問題導致電量損失的高性價比產品。

鈦酸鋰變槳後備電源模組具備以下性能：

在6C充放電，100%深度放電的條件下，鈦酸鋰單體電池的循環壽命超過20000次，剩餘容量超過80%。

鋰電池安全性好，風力發電機後備電源最重要的一點就是需要高安全性，鈦酸鋰由於其平衡電位高，不會在負極形成鋰枝晶，而具有很好的安全性。

鈦酸鋰電池循環性能好，由於其是「零應變」材料，而不會在充放電過程中發生結構的變化，具有非常優越的循環性能。

可以快速充放電，鋰離子在鈦酸鋰晶體中的擴散係數是2×10^（-8）cm²/s，比石墨負極多一個數量級，可以快速充放電，快速充放電能力是考察電池於風機上使用的一個重要指標。

工作溫度範圍寬-30℃-60℃，低溫下鋰的嵌入及脫出能力都會下降，尤其是嵌入能力，鈦酸鋰負極在-30℃下充電也不會出現導致短路或使負極惡化的鋰枝晶出現，這是石墨負極無法做到的，在廣泛的環境下能夠快速充電和放電，適用於風力發電機組使用。

自放電小，通過實驗數據得知，鈦酸鋰電池60℃存儲28天容量剩餘率88%，容量恢復率95%以上。