儲能技術研究進展.doc

.儲能技術研究進展能源短缺和環(huán)境惡化是全球性問題，開發(fā)可再生能源，實現(xiàn)能源優(yōu)化配置，發(fā)展低碳經(jīng)濟，是世界各國的共同選擇。但是，可再生能源受天氣及時間段的影響較大，具有明顯的不穩(wěn)定、不連續(xù)和不可控性。需要開發(fā)配套的電能儲存裝置，來保證發(fā)電、供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。國外有關研究表明，如果風電裝機占裝機總量的比例在10%以內(nèi)，依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)技術以及增加水電、燃氣機組等手段基本可以保證電網(wǎng)安全。但如果所占比例達到20%甚至更高，電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運行將面臨巨大挑戰(zhàn)。儲能技術在很大程度上解決了新能源發(fā)電的隨機性、波動性問題，可以實現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出，能有效調(diào)節(jié)新能源發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，使大規(guī)模風電及太陽能發(fā)電方便可靠地并人常規(guī)電網(wǎng)?，F(xiàn)有的儲能技術主要包括物理儲能、電化學儲能、電磁儲能、氫儲能、相變儲能和熱化學儲能等類型。其中，物理儲能、電化學儲能、電磁儲能和氫儲能主要儲存電能，物理儲能包括抽水儲能、壓縮空氣儲能級飛輪儲能等；電化學儲能包括鉛酸、鋰離子、鎳鎘、液流和鈉硫等電池儲能；電磁儲能包括超導儲能和超級電容儲能；為了實現(xiàn)氫儲能完整的轉換鏈，就要從氫氣的制取、儲存、發(fā)電等方面整體規(guī)劃，在關鍵技術上進一步突破。而相變儲能和熱化學儲能主要儲存熱能或由電能轉化的熱能，相變儲能按材料的組成成分可分為無機類、有機類（包括高分子類）以及復合類儲能材料；熱化學儲能基于熱化學反應，而熱化學反應體系主要包括金屬氫化物體系、氧化還原體系、有機體系、無機氫氧化物體系以及氨分解體系。1. 物理儲能物理儲能一般用于大規(guī)模儲能領域，主要包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等，其中抽水儲能是主要的儲能方式。物理儲能是利用天然的資源來實現(xiàn)的一種儲能方式，因此更加環(huán)保、綠色，而且具有規(guī)模大、循環(huán)奉命長和運行費用低等優(yōu)點。缺點是建設局限性較大，其儲能實施的地理條件和場地有特殊要求。而且因為其一次性投資較高，一般不適用于小規(guī)模且較小功率的離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。1.1 抽水儲能目前在電力系統(tǒng)中應用最廣泛的一種物理儲能技術，即為抽水儲能。它是一種間接的儲能方式，用來解決電網(wǎng)高峰與低谷之間的供需矛盾。水庫中的水被下半夜過剩的電力驅動水從下水庫抽到上水庫儲存起來，然后在第二天白天和前半夜將水閘打開，放出的水用來發(fā)電，并流入到下水庫。即使在轉化間會有一部分能量因此而流失，但在低谷時壓荷、停機等情況下，使用抽水儲能電站仍然比增建煤電發(fā)電設備來滿足高峰用電而來得便宜，具有更佳的效果。除此以外，抽水儲能電站還可以作為電網(wǎng)運行管理的重要工具，不但能擔負調(diào)頻、調(diào)相還可以做事故備用等動態(tài)功能。5圖1 抽水儲能示意圖1.2 壓縮空氣儲能“壓縮空氣能源儲備”的功能類似于一個大容量的蓄電池。在非用電高峰期，空氣通過采用電機帶動壓縮機被壓縮進一個特定的地下空間存儲。然后，在用電高峰期，地下的壓縮空氣是通過一種特殊構造的燃氣渦輪機，將其釋放進行發(fā)電。雖然燃氣渦輪機的運行仍然需要天然氣或其他石化燃料作為動力，但是利用這種發(fā)電方法，將比正常的發(fā)電技術節(jié)省一半的能源燃料。找到一個適合空氣壓縮存儲的地質(zhì)空間是建設壓縮空氣發(fā)電廠的必要條件之一。最終確定合適的空氣存儲空間需要經(jīng)歷一些過程：在廠址附近地區(qū)，嚴密的地震檢測是必要環(huán)節(jié)；然后進行反復計算，用計算機模擬周圍環(huán)境；并參考其他壓縮空氣發(fā)電廠相關數(shù)據(jù)，進行聯(lián)合分析，最終確定合適的廠址。針對在準備相關設施時產(chǎn)生的費用較高這一現(xiàn)象，專家未置否認態(tài)度，但是從長遠看來，專家一致認為這種形式的儲存模式仍然要比制造電池便宜得多。圖2 壓縮空氣儲能示意圖1.3 飛輪儲能飛輪儲能突破了傳統(tǒng)化學電池的局限，是一種用物理方法實現(xiàn)的儲能方式。當飛輪以一定角速度旋轉時，即就具有一定的動能，飛輪電池正是以其動能形式轉換成電能的，且高技術型的飛輪用于儲存電能，可以看作是標準電池。飛輪電池中有一個復合電機（電動機/發(fā)電機），充電時該電機作為電動機運轉，在外界電源的驅動下，電機帶動飛輪進行高速旋轉，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉速從而增大其功能進行能量存儲；放電時，電機作為發(fā)電機運轉，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電能的轉換過程。當飛輪電池發(fā)出電能時，飛輪電池的飛輪在真空環(huán)境下轉速逐漸下降。飛輪儲能裝置擁有傳統(tǒng)化學電池無可比擬的優(yōu)勢，并且它的理論論證已經(jīng)比較成熟，而且它的技術特點非常符合未來能源儲存技術的發(fā)展方向，因此該技術已經(jīng)逐漸被人們所認同。目前，航天航空設備和其它的一些領域中不斷地有飛輪技術出現(xiàn)的身影，而且人們也正在不斷地開發(fā)應用于更多領域的飛輪儲能裝置，飛輪儲能裝置的應用正在逐漸豐富我們的生活，可以預見，未來幾年，飛輪儲能裝置將會占據(jù)很大一部分的儲能裝置市場。飛輪儲能裝置的能量密度甚至與超級電容與電池等儲能裝置比都要大。同時，由于飛輪儲能是純物理儲能，具有穩(wěn)定可靠，對使用環(huán)境(溫度、壓力等)的要求低的優(yōu)勢，相比于不具備環(huán)保優(yōu)勢的化學儲能方式，具有明顯的優(yōu)勢。圖3 飛輪儲能示意圖2 電化學儲能電化學儲能無疑是使用最多最廣的一種儲能方式，具有使用方便、環(huán)境污染小，并且能量不受卡諾循環(huán)限制及具有很高的轉化效率等優(yōu)點。其原理是利用電化學反應轉化電能的裝置/系統(tǒng)，是一種直接的儲能方式。除鉛酸、鎳氫等常規(guī)電池技術外，還包括液流、鈉硫、鋰離子電池等大容量蓄電池儲能技術，并在安全性、轉換效率和經(jīng)濟性等方面取得重大突破，生產(chǎn)水平顯著提高，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速。2.1 鉛酸電池鉛酸電池的工作原理是放電時，正極的二氧化鉛與硫酸反應生成硫酸鉛和水，負極的鉛與硫酸反應生成硫酸鉛；充電時，正極的硫酸鉛轉化為二氧化鉛，負極的硫酸鉛轉化為鉛。圖4 鉛酸電池示意圖2.2 鎳氫電池鎳氫電池的關鍵材料包括氫氧化鎳正極活性材料和少量添加劑。負極活性材料為貯氫合金，電解液為氫氧化鉀溶液。儲氫合金是一種能與氫反應生成金屬氫化物的物質(zhì)，但是它與一般金屬氫化物有明顯的差異。即儲氫合金必須具備高度的反應可逆性，而且，此可逆循環(huán)的次數(shù)必須足夠多，循環(huán)次數(shù)超過5000次。實際上，它必須是能夠在適當?shù)臏囟取毫ο麓罅靠赡娴奈蘸歪尫艢涞牟牧稀?.3 鋰電池鋰電池的工作原理是在充電時鋰原子變成鋰離子，通過電解質(zhì)向碳極遷移，在碳極與外部電子結合后作為鋰原子儲存；放電時整個過程逆轉。圖5 鋰電池示意圖2.4 液流電池液流電池內(nèi)的正、負極電解液由離子交換膜隔開，電池工作時，電解液中的活性物質(zhì)離子在惰性電極表面發(fā)生價態(tài)的變化，進而完成充放電。圖6 液流電池示意圖2.5 鈉硫電池鈉硫電池放電時鈉離子通過電解質(zhì)，而電子通過外部電路流動產(chǎn)生電壓；充電時整個過程逆轉，多硫化鈉釋放正鈉離子，反向通過電解質(zhì)重新結合為鈉。圖7 鈉硫電池示意圖3 電磁儲能電磁儲能是直接以電磁能的方式存儲電能的技術，主要包括超導儲能、超級電容儲能等。3.1 超導儲能超導儲能是將電流導入環(huán)形電感線圈，由于該環(huán)形電感線圈由超導材料制成，因此電流在線圈內(nèi)可以無損失地不斷循環(huán)，直到導出為止，進而達到儲能的目的。圖8 超導儲能示意圖3.2 超級電容儲能超級電容是基于多孔炭電極/電解液界面的雙電層電容，或者基于金屬氧化物或導電聚合物表面快速、可逆的法拉第反應產(chǎn)生的準電容來實現(xiàn)能量的儲存。圖9 超級電容儲能示意圖4 氫儲能氫儲能系統(tǒng)利用清潔能源電力電解技術得到氫氣，將氫氣存儲于高效儲氫裝置中，再利用燃料電池技術，將存儲的能量回饋到電網(wǎng)，或者將存儲的高純度氫氣送入氫產(chǎn)業(yè)鏈直接利用。氫能綠色無污染、能量密度高、運行維護成本低、可長時間存儲，不存在類似蓄電池的自放電現(xiàn)象，被認為是極具潛力的新型大規(guī)模儲能技術。利用清潔能源電力電解技術得到氫氣，將氫氣存儲于高效儲氫裝置中，再利用燃料電池技術，將存儲的能量回饋到電網(wǎng)，或者將存儲的高純度氫氣送入氫產(chǎn)業(yè)鏈直接利用。為了實現(xiàn)這一完整的能量轉換鏈，就要從氫氣的制取、儲存、發(fā)電等方面整體規(guī)劃，在關鍵技術上進一步突破。4.1 制氫技術電解水制氫是一種完全清潔的制氫方式，技術工藝過程簡單、產(chǎn)品純度高。根據(jù)電解槽生產(chǎn)技術的不同，電解水制氫方法可以分為堿性電解、固體高分子電解質(zhì)電解和高溫固體氧化物電解 3 種。4.2 儲氫技術與其它燃料相比，氫的質(zhì)量能量密度大，但體積能量密度低（汽油的1/3000），因此構建氫儲能系統(tǒng)的一大前提條件就是在較高體積能量密度下儲運氫氣。尤其當氫氣應用到交通領域時，還要求有較高的質(zhì)量密度。此外，以氫的燃燒值為基準，將氫的儲存運輸所消耗的能量控制在氫燃燒熱的10%內(nèi)設為理想狀態(tài)。目前氫氣的儲存可分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和金屬固態(tài)儲氫。對儲氫技術的要求是安全、大容量、低成本和取用方便。4.3 氫發(fā)電技術與傳統(tǒng)化石燃料一樣，氫氣也可以用于氫內(nèi)燃機（ICE）發(fā)電。但由于燃料電池能將氫的化學能直接轉化為電能，沒有像普通火力發(fā)電機那樣通過鍋爐、汽輪機、發(fā)電機的能量形態(tài)變化，可以避免中間轉換的損失，達到很高的發(fā)電效率，而且更高效環(huán)保，所以更具實用性。燃料電池按其工作溫度不同，把堿性燃料電池（AFC，100 ）、固體高分子型質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC，100 以內(nèi)）和磷酸型燃料電池（PAFC， 200 ）稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，650 ）和固體氧化型燃料電池（SOFC，1000）稱為高溫燃料電池。5 相變儲能相變儲能是利用材料在相變時吸熱或放熱來儲能或釋能的，具有儲能密度高、體積小巧、相變溫度選擇范圍寬、易于控制等優(yōu)點。相變儲能復合材料是相變儲能技術的核心，它既能有效克服相變材料單獨使用時易泄漏等缺點，又可以改善材料的應用效果以拓展其應用范圍，在航空航天、采暖和空調(diào)、醫(yī)學工程、軍事工程、蓄熱建筑和極端環(huán)境服裝等眾多領域具有重要的應用價值和廣闊的前景。變儲能材料的種類很多，存在形式也多種多樣。按相變溫度的范圍分為：高溫（250）、中溫（100250）和低溫（180LiNO3 / NH4NO3 / NaNO325 / 65 / 1080.5113LiNO3 / NH4NO3 / KNO326.4 / 58.7 / 14.981.5116LiNO3 / NH4NO3 / NH4Cl27 / 68 / 581.6108CaCl2 / NaCl / KCl / H2O48 / 4.3 / 0.4 / 47.326.81885.2 有機相變材料常用有機類相變材料有：高級脂肪烴類、脂肪酸或其酯或鹽類、醇類、芳香烴類、芳香酮類、酰胺類、氟利昂類和多羥基碳酸類。另外，高分子類有：聚烯烴類、聚多元醇類、聚烯醇類、聚烯酸類、聚酰胺類以及其它一些高分子。有機相變材料的優(yōu)點是固體成型好、不易發(fā)生相分離及過冷現(xiàn)象、腐蝕性較小、毒性小、成本低、性能較穩(wěn)定，其缺點是導熱系數(shù)小、密度小、易揮發(fā)、易老化和相變時體積變化大等。為了解決導熱系數(shù)小的問題，可以加入導熱系數(shù)高的金屬粉末，但是如果用膨脹石墨作為支撐載體就不需考慮此問題，因為膨脹石墨的導熱系數(shù)較高。5.3 有機-無機復合相變材料利用有機物相變材料與無機物相變材料制作混合材料，既可彌補單純有機物材料的潛熱低的遺憾，又能彌補單純無機物材料的過冷度大的缺點，這是值得注意的相變儲能材料發(fā)展的一個重要方向。6 熱化學儲能熱化學反應儲能的本質(zhì)源于反應體系的正逆反應，反應體系的優(yōu)劣是影響儲能系統(tǒng)整體性能的關鍵。多數(shù)化學反應都伴隨著大量的熱效應，而選擇作為儲能系統(tǒng)的反應體系則需要滿足6個要求：反應具有較高的焓值和較大的儲能密度；反應發(fā)生的溫度和壓力要在設備條件允許的范圍之內(nèi)，且操作條件要溫和；反應在動力學上能夠快速進行，具有較高的儲放熱速率及儲能效率；反應過程可逆性好，無副產(chǎn)物；反應物和產(chǎn)物在常溫下穩(wěn)定、無污染、無腐蝕性，便于長時間儲存和運輸；反應材料來源豐富，價格便宜以降低反應成本。當前典型的熱化學儲能體系根據(jù)反應物的不同，可分為如圖10所示的6個體系，相比而言碳酸鹽體系的研究進展較少。圖10 熱化學儲能體系6.1 金屬氫化物體系多數(shù)金屬或合金在一定的溫度和壓力下與氫氣接觸時可將氫分子離析成氫離子，反應生成金屬氫化物 MHn，并伴隨著顯著的熱效應。利用該反應可實現(xiàn)氫氣的儲存和能量的釋放，相應的可以通過其逆反應將低位熱能儲存于固態(tài)金屬中。6.2 氧化還原體系氧化還原體系是利用較活潑的金屬與其氧化物之間或是不同價態(tài)的金屬氧化物之間的互相轉換來實現(xiàn)儲能的，部分生成的金屬產(chǎn)物和金屬氧化物與水反應生成氫氣，將儲存的熱能進一步轉化為氫能，也是現(xiàn)今研究較多的熱化學循環(huán)分解水制氫技術。6.3 有機體系有機體系儲能是通過對有機物進行高溫裂解、重整以及氣化的方式達到能量存儲的目的，多應用于氫氣的制備和化石能源的高效利用。甲烷作為化工次產(chǎn)品的基礎性原料，來源豐富，其重整體系反應熱效應很大，能實現(xiàn)溫室氣體的循環(huán)利用，是目前工業(yè)上應用最廣泛、技術最成熟的儲能制氫方法，已成功實現(xiàn)規(guī)模化（1000 M3/h）。根據(jù)反應物的不同可分為甲烷水蒸氣重整儲能、甲烷二氧化碳重整儲能以及甲烷水蒸氣/二氧化碳混合重整儲能。6.4 無機氫氧化物體系無機氫氧化物的分解伴隨著大量的反應熱，反應溫度一般為523873 K，適合中溫儲能，其反應過程為M(OH)y