電能存儲技術(shù).docx

電能存儲技術(shù)一、 電能儲存技術(shù)為了增進電能的利用效率，使用合適的電能儲存系統(tǒng)可以在不增加電網(wǎng)容量投資的基礎(chǔ)上，滿足負荷高峰時的需求。一個基礎(chǔ)性的問題在于，負荷情況可能因每天，每小時，季節(jié)變化而變化，必須有足夠容量的設備提供高峰時的需求。理論上，發(fā)電和用電應該是相等的。電能發(fā)電設備必須能較快地實現(xiàn)投入和切除，比如，微型燃氣輪機的反應時間較長，抽水蓄能電站的投入時間較短，然而，石化燃料電站及核電站均不適合頻繁起停。此外，這些電站在固定于某個輸出的時候才能達到較高的效率。因此，讓大型電站處于連續(xù)運行狀態(tài)，并通過尋找合適的電源方式以在用電低谷的時候吸收電能，用電高峰的時候發(fā)出電能以平抑需求和供給的差異的方式被認為是經(jīng)濟性和效率較高的一種方式。由于受環(huán)境影響因素較大，很少利用自然資源類型直接作為電能存儲的媒介，比如，太陽能，風能，海浪能，潮汐能，這些類型的能源也必須結(jié)合合適的電能存儲設備才能充分發(fā)揮調(diào)峰的功效。電能的存儲設備通常需要將電能轉(zhuǎn)化為其他類型的能量，在特定時間段內(nèi)，將此種類型的能量再次反轉(zhuǎn)為電能以用于生產(chǎn)生活所需。二、 電能儲存技術(shù)分類全球儲能技術(shù)主要有化學儲能（如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級電容器等）、物理儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）和電磁儲能（如超導電磁儲能等）三大類。目前技術(shù)進步最快的是化學儲能，其中鈉硫、液流及鋰離子電池技術(shù)在安全性、能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟性等方面取得重大突破，產(chǎn)業(yè)化應用的條件日趨成熟。電池儲能電池儲能是運用電氣化學原理，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能，然后通過逆反應將化學能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)。常規(guī)的電氣化學元件是蓄電池。通常來講，蓄電池的存儲容量較小，形成較大的蓄能電站需要較多數(shù)量的電池單元，而且，蓄電池放出的點只有直流，須進行DC/AC轉(zhuǎn)化才能投入使用。鈉硫電池鈉硫電池是美國福特(Ford)公司于1967年首先發(fā)明公布的，至今才40年左右的歷史。電池通常是由正極、負極、電解質(zhì)、隔膜和外殼等幾部分組成。一般常規(guī)二次電池如鉛酸電池、鎘鎳電池等都是由固體電極和液體電解質(zhì)構(gòu)成，而鈉硫電池則與之相反，它是由熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)組成的，構(gòu)成其負極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉，正極的活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽，由于硫是絕緣體，所以硫一般是填充在導電的多孔的炭或石墨氈里，固體電解質(zhì)兼隔膜的是一種專門傳導鈉離子被稱為Al2O3的陶瓷材料，外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。 1、基本原理：鈉硫電池以鈉和硫分別用作陽極和陰極Beta-氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。它的電池形式如下：(一) Na(1)beta一氧化鋁Na2Sx(1)C(+)基本的電池反應是：2N a + xS= Na2Sx2、 鈉硫電池特性 鈉硫電池的理論比能量高達760Whkg，且沒有自放電現(xiàn)象。放電效率幾乎可達100。 鈉硫電池的基本單元為單體電池，用于儲能的單體電池最大容量達到650安時，功率120W 以上。將多個單體電池組合后形成模塊。模塊的功率通常為數(shù)十kW，可直接用于儲能。 鈉硫電池在國外已是發(fā)展相對成熟的儲能電池。其壽命可以達到使用1015年。3、鈉硫電池的缺點 不能處理部分循環(huán)e.g. 風能，SOC只能用平均值計量，所以需要周期性的離線度量； 過度充電時很危險； 高溫350C熔解硫和鈉，因此需要附加供熱設備來維持溫度。意義：鈉硫電池作為新型化學電源家族中的一個新成員出現(xiàn)后，已在世界上許多國家受到極大的重視和發(fā)展。由于鈉硫電池具有高能電池的一系列誘人特點，所以一開始不少國家就首先紛紛致力于發(fā)展其作為電動汽車用的動力電池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但隨著時間的推移表明，鈉硫電池在移動場合下(如電動汽車)使用條件比較苛刻，無論從使用可提供的空間、電池本身的安全等方面均有一定的局限性。所以在80年代末和90年代初開始，國外重點發(fā)展鈉硫電池作為固定場合下(如電站儲能)應用，并越來越顯示其優(yōu)越性。如日本東京電力公司(TEPCO)和NGK公司合作開發(fā)鈉硫電池作為儲能電池，其應用目標瞄準電站負荷調(diào)平(即起削峰平谷作用，將夜晚多余的電存儲在電池里，到白天用電高峰時再從電池中釋放出來)、UPS應急電源及瞬間補償電源等，并于2002年開始進入商品化實施階段，已建成世界上最大規(guī)模(8MW)的儲能鈉硫電池裝置，截止2005年10月統(tǒng)計，年產(chǎn)鈉硫電池電池量已超過100MW，同時開始向海外輸出。鈉硫電池的充電效率已可達到80，能量密度是鉛酸蓄電池的3倍，循環(huán)壽命更長。日本在此項技術(shù)上處于國際領(lǐng)先地位，2004年日本在本國Hitachi自動化工廠安裝了當時世界上最大的鈉硫電池系統(tǒng)，容量是96576?，F(xiàn)階段大容量電池儲能的應用紐約的AES Westover儲能項目是美國首個在公共設施應用的并進行商業(yè)化運營的電池儲能項目。6日，負責該項目運作的AES Energy Storage（AES Energy Storage為AES集團下屬的儲能研發(fā)部門）宣布其前期的8MW儲能電池項目已經(jīng)建成。美國能源部此前為AES儲能項目二期的12MW項目提供1710萬美元貸款擔保。二期項目預計將于2011年終建成，屆時其總?cè)萘繉⑻嵘?0MW。這是美國第一個MW級的儲能項目。該項目將可對電網(wǎng)的瞬間電力調(diào)控進行響應。幫助平衡用電高峰及用電低谷時期的電網(wǎng)負荷。太陽能專家一直以來關(guān)注著大規(guī)模儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽能和風能的間歇性特點決定了儲能技術(shù)的應用價值。AES Energy Storage相關(guān)負責人表示：伴隨這一8MW一期工程項目的建成運營，公司已經(jīng)在全球建設完成了24MW的電網(wǎng)儲能項目。另外100MW的項目正在加速實施中。還有超過500MW的項目在準備實施中。迄今為止最大規(guī)模的儲能電池裝置是日本生產(chǎn)商NGK Ltd.建設的容量為34兆瓦的項目，與一家風電廠相配套。鈉硫電池其他項目舉例：1. 墨西哥 墨西卡利（Mexicali），1GW（1000MW）（2010年宣建）2. 美國 西維吉尼亞 俄亥俄州 25MW （2007年）3. 阿布扎比 50MW4. 紐約 1MW5. 德國 1MW6. 美國 哥倫比亞空軍基地 12MW7. 日本 Hitachi 9.6MW8. 日本 34MW 用于51MW風電場對城市電網(wǎng)而言，鈉硫儲能電池具有容量大、體積小、能量儲存和轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、不受地域限制等優(yōu)點，非常適合電力儲能。經(jīng)綜合分析，鈉硫儲能電池是目前最經(jīng)濟實用的儲能方法之一，是目前大容量儲能電池中的佼佼者。抽水蓄能，需要特殊場地；金屬%空氣電池，充電困難；鋰電池，成本過高；鉛酸電池，壽命太短，誰都比不上鈉硫電池可靠。因此，鈉硫電池的研發(fā)在國際上方興未艾。2006年8月，上海硅酸鹽研究所與上海市電力公司開展了大容量鈉硫單體電池的合作研發(fā)。5個月后，650AH的單體電池試制成功，我國成為繼日本之后世界上第二個掌握大容量鈉硫單體電池核心技術(shù)的國家，2007年8月，雙方共建“上海鈉硫電池研制基地”，不久便攻克了鈉硫電池制備關(guān)鍵技術(shù)，成功研制170余臺套具有自有知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)與性能評價裝備，貫通了年產(chǎn)2兆瓦的鈉硫儲能電池中試線，實現(xiàn)10千瓦儲能系統(tǒng)成功演示。其他電池技術(shù)液流釩電池的基礎(chǔ)材料是釩，該電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100深度放電、壽命長等優(yōu)點，已進入商業(yè)化階段。鋰離子電池的基礎(chǔ)材料是鋰，已開始在電動自行車、電動汽車等領(lǐng)域應用，近年來由于磷酸亞鐵鋰、納米磷酸鐵鋰等新材料的開發(fā)與應用，大大改善了鋰離子電池的安全性能和循環(huán)壽命，大容量鋰電池儲能電站正逐漸興起。抽水蓄能物理儲能中最成熟也是世界應用最普遍的是抽水蓄能，主要用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等。其能量轉(zhuǎn)換效率在7075左右。目前世界范圍內(nèi)抽水蓄能電站總裝機容量9000萬千瓦，約占全球發(fā)電裝機容量的3。日、美、西歐等國家和地區(qū)在20 世紀6070年代進入抽水蓄能電站建設的高峰期，到目前為止，美國和西歐經(jīng)濟發(fā)達國家抽水儲能機組容量占世界抽水蓄能電站總裝機容量55%以上，其中：美國約占3%，日本則超過了10%，中國、韓國和泰國3個國家在建抽水蓄能電站17.530 GW，加上日本后達到24.650 GW 下表為上世紀90年代開始,歐美,日國家新建的主要抽水蓄能電站：熱泵儲能Isentropic 公司設計了一種用于在熱態(tài)中存儲電能的熱泵系統(tǒng)。此系統(tǒng)有兩個砂礫儲存罐組成。電力被用來將壓縮或膨脹空氣分別在兩側(cè)形成500度與零下150度的兩種介質(zhì)溫度，冷熱空氣進入罐中時，將熱量/冷傳導給罐中的砂礫，當發(fā)電時，兩側(cè)的溫差用于驅(qū)動Isentropic公司的發(fā)電熱泵，產(chǎn)生電能。Isentropic公司的熱泵效率達72%-80%，效率較高，造價便宜（$450/kW），且不像抽水蓄能電站那樣對地理環(huán)境需求大，對環(huán)境影響較小，可提供較快的放電時間。飛輪儲能飛輪儲能是指利用電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機械能儲存起來，在需要的時候再用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電的儲能方式。飛輪儲能器中沒有任何化學活性物質(zhì),也沒有任何化學反應發(fā)生。旋轉(zhuǎn)時的飛輪是純粹的機械運動,飛輪在轉(zhuǎn)動時的動能為: E =1/2J2 式中: J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量;為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度. 飛輪轉(zhuǎn)動時動能與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量成正比。而飛輪的轉(zhuǎn)動慣量又正比于飛輪的直徑和飛輪的質(zhì)量,過于龐大、沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時,會受到極大的離心力作用,往往超過飛輪材料的極限強度,很不安全。因此,用增大飛輪轉(zhuǎn)動慣量的方法來增加飛輪的動能是有限的。 飛輪儲能裝置中有一個內(nèi)置電機,它既是電動機也是發(fā)電機。在充電時,它作為電動機給飛輪加速;當放電時,它又作為發(fā)電機給外設供電,此時飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降;而當飛輪空閑運轉(zhuǎn)時,整個裝置則以最小損耗運行。輪儲能具有效率高、建設周期短、壽命長、高儲能、充放電快捷、充放電次數(shù)無限以及無污染等有點。適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障。上圖為美國宇航局使用的一臺41000RPM飛輪儲能裝置國外飛輪儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀美國、德國、日本等發(fā)達國家對飛輪儲能技術(shù)的開發(fā)和應用比較多。日本已經(jīng)制造出在世界上容量最大的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)(容量26.5MVA ,電壓1100V ,轉(zhuǎn)速510690r/min ,轉(zhuǎn)動慣量710tm2) 。美國馬里蘭大學也已研究出用于電力調(diào)峰的24kwh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng)。飛輪重172.8kg, 工作轉(zhuǎn)速范圍11, 61046, 345rpm, 破壞轉(zhuǎn)速為48, 784rpm, 系統(tǒng)輸出恒壓110-240V , 全程效率為81%。經(jīng)濟分析表明, 運行3 年時間可收回全部成本。飛輪儲能技術(shù)在美國發(fā)展得很成熟,他們制造出一種裝置,在空轉(zhuǎn)時的能量損耗達到0. 1 %每小時。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)研究。1、美國宇航局（NASA）Glenn 研究中心及其合作單位NASA飛輪主要應用于航空航天，以及軍用裝甲車輛上，用途主要是：能量儲存；動力和姿態(tài)控制；峰值功率調(diào)節(jié)等。設計儲能量：300-700W3S；儲能密度44wh/kg；轉(zhuǎn)速：60000rpm；線速度：不小于880m/s。目標建立和測試大型飛輪儲能系統(tǒng)，目標：儲能密度大于100wh/kg；線速度不小于1260m/s。工作高低轉(zhuǎn)速比：3：1；放電深度：90%；運行轉(zhuǎn)速內(nèi)無臨界模態(tài)，后期研究控制模態(tài)可能性。2、Bescon Power 公司Bescon Power 公司生產(chǎn)的飛輪電池產(chǎn)品用以滿足迅速增長的可靠的、分布式電源需求。建立為通訊應用提供后備電源的商業(yè)基礎(chǔ)，估計每年擁有10000套飛輪系統(tǒng)需求。為電信/ 電纜設備提供備用電力供應的20C1000飛輪儲能系統(tǒng)為主。飛輪采用采用高強度復合材料輪緣，高速、長壽命、無需維護、低損耗永磁偏置主動/被動磁軸承，直流永磁無刷高效率、低損耗電動/發(fā)電機，正弦波脈寬調(diào)制實現(xiàn)驅(qū)動電壓、電流一體化控制的雙向換流器，真空密封，埋入地下，運行狀況可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行監(jiān)視。 指標：工作轉(zhuǎn)速：30000-100000rpm，最高線速度:700m/s，放電深度:90%，電機效率:96%,輸出可用儲量2000wh；輸出電壓為直流36V、48V 或96V，額定輸出功率1kw；輸入電壓120/240 DC，50/60HZ，最大輸入功率kw；轉(zhuǎn)子重量：68kg,飛輪模塊重量:383kg，電子模塊重量90kg；設計壽命：20年，平均故障間隔時間：10萬小時。3、Active Power 公司公司主要生產(chǎn)作為不間斷電源(UPS) 的飛輪電池系統(tǒng),以取代傳統(tǒng)的鉛- 酸電池,解決當今對于電力品質(zhì)的高要求。公司產(chǎn)品的應用對象主要是廣大工業(yè)用戶,比如:先進的數(shù)據(jù)中心、工業(yè)設備和廣播站等。目前,公司擁有29 項發(fā)明專利,主要產(chǎn)品有Cat UPS 系列和Cleansource DC 系列。ActivePower 的飛輪材料為4340 鍛鐵,其飛輪轉(zhuǎn)子與電動/ 發(fā)電機、磁軸承整合在一起。用磁鐵卸去80 %的重量以延長飛輪軸承的壽命和減小損耗。飛輪的工作轉(zhuǎn)速在70007700rpm。工作維持時間為幾十秒到幾分鐘。目前公司飛輪已經(jīng)產(chǎn)品化出售，并在北京設有辦事處。4、德國Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司德國Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司1997年著手設計5MWh/100MW超導飛輪儲能電站的概念設計。電站由10個飛輪模塊組成，每個模塊儲能0.5MWh，功率10MW，重30t，直徑3.5m、高6.5m，用同步電動/發(fā)電機進行電能輸入輸出。每個模塊包括一個電動/發(fā)電機子模塊、4個碳纖維復合材料制成的轉(zhuǎn)子模塊和6個SMB子模塊。每個飛輪轉(zhuǎn)子儲能125kwh，重3t，能量密度42wh/kg,運行轉(zhuǎn)速為2250-4500rpm，最大外緣線速度600m/s，最大拉應力810Mpa。SMB由YBCO塊材料和稀土鐵棚型高強度永磁材料構(gòu)成，耗用10t的YBCO塊材和5t的永磁材料。系統(tǒng)效率96%。5、日本日本已投資3500 萬美元進行高溫超導磁懸浮軸承飛輪儲能研究, 由三菱、日立、精工等公司和多個研究所、高校組成3 個研究組合作承擔。已研制出3 種試驗模型機, 并進行了儲能8MW.h 容量1000kW 的飛輪儲能機組的概念設計。日本原子能研究所一座大型核融合實驗爐采用了飛輪儲能發(fā)電裝置，其主要參數(shù)為：功率235MVA、電壓18kv、電流6898A、飛輪轉(zhuǎn)速420-600rpm、可釋放能量為020MJ，轉(zhuǎn)子為碳素鋼鍛造的實心圓盤，重1000t。國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀目前國內(nèi)從事與飛輪研究相關(guān)的單位有:清華大學工程物理系飛輪儲能實驗室、華北電力大學、北京飛輪儲能柔性研究所(由中科院電工所、天津核工業(yè)理化工程研究院等組成) 、北京航空航天大學、南京航空航天大學、中國科大、中科院力學所、東南大學、合肥工業(yè)大學等,主要集中在小容量系列，其中，北航針對航天領(lǐng)域研制的“姿控/儲能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國家技術(shù)發(fā)明一等獎。華北電力大學和中國科學院電工研究所、河北省電力局合作, 已經(jīng)開始就電力系統(tǒng)調(diào)峰用飛輪儲能系統(tǒng)的課題進行研究, 預計能夠取得可喜的成果。隨著超導技術(shù)的發(fā)展和高強度復合材料的出現(xiàn)以及電力電子技術(shù)的新進展, 開發(fā)飛輪儲能技術(shù)已經(jīng)成為可能。從經(jīng)濟和技術(shù)角度看, 飛輪儲能機組作為一種重要的調(diào)峰手段分散接入電網(wǎng)是可行的。由于飛輪機組運行控制的靈活性, 可使電力系統(tǒng)的運行可靠性和穩(wěn)定性得到提高。飛輪的發(fā)展方向及研究熱點:1) 超大儲能量、大功率飛輪的研制;2) 進一步降低儲能飛輪系統(tǒng)的功耗;3) 系統(tǒng)的安全性、可靠性分析;4) 機電參數(shù)匹配問題;5) 強力充放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓縮空氣儲能它利用電力系統(tǒng)低容負荷時的多余電能將空氣壓縮儲存在地下洞穴中，需要時再放出，經(jīng)加熱后通過燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，以供尖峰負荷的需要。供給燃氣輪機的能量是壓縮空氣的勢能和用以加熱空氣的燃料化學能的總和。壓縮空氣蓄能電站在一個充壓和釋放的循環(huán)中發(fā)出的電量大于充壓所需的電量。充、放能量之比稱為電量比，一般為0.720.80，它取決于電站的規(guī)模和設計情況。在發(fā)電過程中，燃料消耗大約為4220kJ/kWh。壓縮空氣儲能的能量流如上圖所示，下圖為一個典型的壓縮空氣蓄能電站示意圖1978年聯(lián)邦德國在亨托夫成功地投運了一個 290MW的壓縮空氣蓄能電站，并獲得了優(yōu)異的可利用率和可靠性。美國電力研究協(xié)會(EPRI)已深入細致地研究了一個220MW的壓縮空氣蓄能電站。研究表明,有經(jīng)濟效益的壓縮空氣蓄能電站是用2550MW（或其倍數(shù)）的標準單元組裝而成的，可明顯地減少投資和規(guī)劃工作量。 壓縮空氣蓄