卡特蓄电池如何将可再生能源储存在电池中

太阳能：经济学家预测，使用电池的微电网技术将实现快速增长。注重环保的德国、日本、澳大利亚等国多年来一直利用太阳能电池板来降低能源成本。在非洲部分地区，由于交流电网发展尚不完善，无法满足所有家庭活动的需求，因此必须使用配备电池备用电源的太阳能电池板。

个人能源生产正向美国阳光地带转移；更便宜的太阳能电池板和更耐用的电池使其更具吸引力。电池在发电高峰期储存过剩的能源，以弥补夜间免费能源停歇或风力停止时的缺口。当电网因用电高峰而承受巨大压力时，电池将有助于调节峰值消耗。

可再生能源在经济上是可行的，但成本较高。西方世界大部分地区都依赖交流电网提供廉价且可靠的电力，每千瓦时成本低至加拿大部分地区的大约0.06美元，许多城市为0.15美元，部分欧洲国家则高达0.40美元。太阳能电池板产生的电力成本约为每千瓦时0.20美元。若计入周边费用，全球大部分地区的太阳能发电成本高于从公用事业公司购电，而作为粗略参考，储能会将成本翻倍。

尽管表面看来成本较高，但在房屋上安装太阳能电池板正成为一种时尚。硬件价格正在下降，安装费用也随之降低。最常见的光伏（PV）太阳能电池是晶体硅类型，其效率约为20%。相比之下，用于便携式设备的柔性电池板效率仅为约10%。使用固定式电池板产生1瓦电力的硬件成本为2.00至2.50美元，且成本呈下降趋势。

在太阳能资源丰富且电价昂贵的国家，太阳能电池板产生的电力正被反馈回交流电网。这会导致电表倒转，抵消之前消耗的电量，但也可能引发一个问题。发电量不能超过用电量。向电网注入的电量超过消耗量会使系统不稳定，导致电压波动，进而使电路过载并引发电压骤降。

可再生能源在高层既有朋友也有敌人。一方面，政府发放补贴以鼓励安装可再生能源系统；另一方面，公用事业公司则竭力通过减少激励措施和增加费用，来遏制家庭发电的趋势。公用事业公司辩称，家庭自发的能源生产使控制变得复杂，并削减了其收入来源。他们认为，这种方式在供应充足时造成过剩，而在需求高企但可再生能源贡献不足时又导致短缺，从而制造了“丰年”与“荒年”的局面。

这种冲突可以理解，因为公用事业公司需要时刻保障稳定的能源供应，而独立发电商却无法消除人们对电网老化导致停电的担忧——用电高峰期时，老旧的电网总是发出不堪重负的呻吟。无论对错，利用可再生资源生产清洁能源都不应受到限制，尤其是在能源可以储存的情况下。太阳能企业正通过监管机构、立法者和法庭展开格斗反击。

抽水蓄能：储存电能并非新鲜事。大型水电站最有效的储能介质之一是，在电力需求低谷时将水抽回水库，以便在用电高峰时使用。抽水蓄能的效率为70%至85%，比通过调整发电机来满足波动的电力需求更容易管理。飞轮也可作为储能装置。当有剩余电能时，大型电动机会驱动一吨重的飞轮旋转，以填补短暂的能源缺口并稳定电网。将压缩空气泵入大型地下空腔是另一种储能方式，但对于中小型装置而言，电池是最佳选择。（参见BU-1001：工业电池)

飞轮可作为电池的替代储能装置。当存在多余能量时，大型电动机会驱动重达一吨的飞轮旋转，以填补短暂的能量缺口并稳定电网。高速飞轮通常在真空室的磁轴承上以30000-50000转/分钟的速度旋转。带有永磁体的电动机/发电机可按需充放电动能。

飞轮提供高功率密度而非过多能量。现代锂离子电池的比能量为250Wh/kg，而飞轮仅为5Wh/kg左右，但其比功率高达2500W/kg，是锂离子电池的10倍。

在功率输出方面，飞轮与超级电容器具有相似的特性。具体如下：BU-209：超级电容器的工作原理是什么？一位飞轮制造商表示："对于功率需求低于20-30千瓦的应用，超级电容器更为适用；超过这一功率范围，飞轮则展现出优势。"在寿命方面，飞轮可完成数百万次完整循环，而超级电容器的循环寿命约为50万次。飞轮的缺点在于机械轴承的磨损问题。

压缩空气将压缩空气泵入大型地下洞穴是另一种储能方式。这类系统可为大型设施提供能源，替代电池使用（参见BU-1001：工业电池）。压缩空气储能尚未普及应用，它需要依赖大型水体资源，且气球状洞穴结构存在破裂风险。

地下洞穴压缩空气储能是一项未达预期的探索性尝试。湍流损耗、洞穴泄漏等低效问题，加之系统建设成本高昂，阻碍了这一创新方案的实施。资金与技术实力并非能解决所有难题。

其他机械储能系统包括在塔中提升重物、建造铁路拉动载重车辆沿轨道上升，以及释放能量作为储能方式。潮汐涡轮机也被应用，但成功率各不相同。

电池化学：储能电池主要为铅酸电池，用户抱怨其使用寿命短。这在一定程度上是由于电池在白天充电、夜间放电导致的过度充放电循环造成的。铅酸电池的循环次数有限，并且容易出现硫化现象当未定期完全充满电时。完全饱和充电需要16小时，而任何太阳能系统都无法持续提供这么久的能量。此外，随着时间的推移，电力消耗往往会增加，而太阳能电池板由于积尘和老化，输出功率会下降。这通常会导致铅酸电池充电不足。

改用锂离子电池在一定程度上解决了这个问题。锂离子电池比铅酸电池更耐循环充放电，且无需完全充满电；事实上，部分充电反而更好，因为它能减轻电池压力。但就系统采购成本而言，锂离子电池的价格仍是铅酸电池的两倍或三倍。

特斯拉Powerwall提供7kWh和10kWh两种电池，足以为家庭供电数小时。两种电池组的电芯数量相同；7kWh电池采用广泛应用于工业领域的坚固NMC电芯，而10kWh电池则采用为特斯拉S系列车型提供动力的NCA电芯。NCA具有高能量密度和短充电时间，而NMC则能在较低容量下提供高循环次数。(参见BU-205：锂离子电池类型)

NCA和NMC都是不喜欢重载的电池单元。Powerwall的功率限制在2kW。这足以运行冰箱、烤面包和可能熨烫衬衫，但功率太低，无法在电炉上烹饪、运行电烘干机或让空调持续运行；高耗能电器的功率需求超过2kW。为了填补这一缺口，交流电网会在家庭用电高峰期无缝介入。一个10kWh、峰值功率2kW的电池无法让家庭脱离电网，但它能将电费降低三分之一到一半。

要在5小时的最佳日照时间内为10千瓦时的电池充满电，需要一个输出功率为5-12千瓦的太阳能系统。按每瓦2美元的估算成本计算，10千瓦的太阳能硬件成本为20,000美元。安装费用以及将太阳能直流电转换为兼容交流电并同步到电网的直流-交流逆变器可能会使成本翻倍。电池的费用也是额外的。

另一个常被忽视的隐性成本是使用寿命。太阳能电池板的使用寿命为25年，而电池通常保修10年。按5%的资金成本和20年摊销计算，一套25,000美元的系统每年可能给业主带来2,500美元的成本。能源节省额必须大于这个数字，否则这项投资可能会被认为是不划算的。通过减少个人出行或缩小这种交通工具的尺寸和功率，可以实现更大的能源节省。