储能技术与新能源及世界的未来

1、储能技术与新能源及世界的未来 王利伟 2013.8 储能技术，是指将易散失的能量转变成为其他较稳定形式的能量并 储存起来，并在需要的时候能随时使用。 回望人类历史，储能技术的发展水平直接决定人类文明的发展高度。 a少量自然储能的利用对应原始社会； b利用农业进行储能对应封建社会； c对化石能源（地球数十亿年的自然储能）大规模开发对应工业文 明； d新能源替代传统化石能源的过程中，现代储能系统的大量应用对 应的是我们所正在追求的高效低碳的理想绿色生活。 e关于未来，激光储能技术以及反物质储能技术对应的是人类的太 空时代。 储能技术 现代储能技术即储能系统（ESS）技术，主要有以下三类： a物理储

2、能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等） b化学储能（如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、锂电 池、超级电容器等） c电磁储能（如超导电磁储能等） 近年来发展最快的是化学储能，其中钠硫、液流及锂离子电池技术 在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破，已经有了 很多示范案例。伴随着国家以及民间投资的进入，锂电池产业得到 迅速发展，应用最为广泛，产业化的条件日趋成熟，虽然目标价格 仍偏高，但未来仍有下降空间。 储能技术的发展概况 储能技术的发展概况 各类型储能技术性能比较 各类型储能技术性能比较 新能源 ET时代时代 新能源新能源 核核 能能 风风 能能 氢氢 能能 生生 物物 能

3、能 海海 洋洋 能能 低碳经济低碳经济 太太 阳阳 太太 阳阳 能能 新能源 定义 ：新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形 式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳 能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。 分类 ：新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球 内部伸出所产生的热能。包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、 水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的 能量。也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。相对于传统 能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界 严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题

4、具有重要 意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战 争也有着重要意义。 可以断言，随着人类社会发展，石油、煤碳等资源将加速减少，新 能源逐步将成为主要能源。 新能源的特点 新能源由于受太阳和地球活动直接影响，因此，具有以下特点： 1)资源丰富，普遍具备可再生特性，可供人类永续利用。比如，陆 上估计可开发利用的风力资源为253GW, 而截止到2012年陆上和海 上有282GW风能被开发利用，装机正逐步接近饱和；到达地球表 面的太阳能为800000GW，目前世界年能源消费的总和只相当于太 阳在40分钟内照射到地球表面的能量，而世界光伏装机容量到目前 只略大于100GW，约占其总储

5、量的1/8000，仍有极大开发空间。 2)能量密度低，开发利用需要较大空间； 3)无碳排放或碳排放很少，对环境影响小； 4)分布广，有利于小规模分散利用； 5)间断式供应，波动性大，对持续供能不利； 6)除水电外，可再生能源的开发利用成本较化石能源高。 其中第5点是阻碍新能源快速发展的最大问题。 世界一次能源结构未来100年内发展趋势 地表太阳能资源分布图 储能系统与新能源产业 由于有着间断式供应、输出波动极大的缺点，导致新能源的推广遇 到很大阻力，目前，能够解决这个问题的办法就是发展配套的储能 系统，从而解决由于这个缺点而导致的系列关键问题，如：新能源 电站电力调峰、电力平滑、无功补偿等方面

6、。 储能是智能电网、新能源接入、分布式发电、微网以及电动汽车发 展必不可少的支撑技术，具体有5大类17小类应用，储能系统的应 用贯穿了电力系统的发电、输配电、用电、可再生能源的接入和辅 助服务多个环节。 可以说，目前情况下，没有储能系统的支撑，新能源推广只能是一 个空想，产业就很难发展壮大，更不用说成为主要的能源供应。 储能系统在新能源产业中的应用 福建安溪县感德镇智能电网储能电站项目 国内首个接入配网末端移动式储能电站，能够以125千瓦的最大功 率持续放电2小时。该储能电站的投运，有效缓解安溪春茶制作产 生的用电高峰，提高配电网末端供电能力。在安溪，每年春、暑、 秋三季制茶时期电网负荷猛增，

7、最大负荷是平时的12倍，形成罕见 的尖峰负荷，导致局部区域、局部时段出现低电压现象；而在非制 茶季节，用电仅为普通照明用电，变压器几近空载运行，用电负载 率低，农网设备利用率低，空载损耗高，供电效率低。 该储能电站建成之后，能对电网进行局部错峰调谷，均衡用电负荷。 在制茶用电高峰期，这种储能电站可以同时满足1015户制茶用 户高峰时期的供电，用电低谷时电网对储能系统进行充电，发挥了 很好的作用。 储能系统在新能源产业中的应用 风光互补储能电站示意图 储能系统在新能源产业中的应用 风光互补电动汽车储能示意图 国家风光储输示范一期工程 风电 100MW 光伏发电 40MW 储能系统 20MW 其中

8、：4 套磷酸铁锂电池储能系统 （14MW/63MWh） 1 套全钒液流电池储能系统 （ 2MW/8MWh ） 1 套钠硫电池储能系统 （ 4MW/24MWh） 国家风光储输示范一期工程 我国首个也是目前世界上规模最大的，集风力发电、太阳能光伏 发电、储能和智能输电“四位一体”的新能源综合利用工程，有 望破解我国大规模发展新能源过程中面临的发电上网难题。依托 储能技术，通过对电站削峰、调谷，解决了新能源电站并网的世 界级技术难题，最终在风光储联合发电控制下，实现了发电利用 率提高5%10%。 这一新能源并网技术基地的建成，将能够推动光伏发电、储能电 池等新能源技术的发展。 国家风光储输示范一期工

9、程 磷酸铁锂电池储能系统14MW（共 63MWh）分布于占地8869的三座厂 房内，共分为九个储能单元。整套磷酸 铁锂储能装置共安装电池单体27.4568 万节,最大功率可至23MW。 液流电池储能系统2MW（8MWh） 钠硫电池储能系统4MW（24MWh） 国家风光储输示范一期工程国家风光储输示范一期工程功率平滑试验 实时功率曲线：风浅蓝色，光紫色，储红色，联合发电功率黄色 国家风光储输示范一期工程跟踪调度出力试验 出力即输出功率，电力术语。 出力曲线:储能装置对应红色曲线,风光联合出力为绿色曲线，黄色 为调度计划出力。可以看到储能系统有效弥补了风光发电出力与 发电计划值的偏差。 国家风光储

10、输示范一期工程削峰填谷测试 实际运行中储能系统的作用及待解决的问题 从以上实际运行数据可以看到，储能系统各项功能均能够实现， 极大地改善了新能源电站的电力质量，只要配套高品质的储能系 统，新能源电站能够全负荷发电并全部并入电网，使得发电利用 率提高510%。实际中，没有配套储能系统的风电场或光伏电站， 不但有很大一部分20%左右不能并网，而且由于输出不稳定给电 网配送造成很大困难，因此综合来看，储能系统发挥了极大的作 用。目前储能系统推广的最大阻力是由于电池价格昂贵，系统建 设成本很高。 因此，性价比更高的电池是储能系统发展的关键，目前主要在以 下几方面开展工作： a长寿命、低成本的电池 b彻

11、底消除安全隐患（电解液隔膜） c提高电池比体积能量 d电池管理系统的配置优化，一致性、 均衡技术和热管理技术，状态监测和评估方案。 储能系统与新能源的发展 随着风电、光伏装机容量的不断增长，相应储能系统的投资也相 应加大，但略显滞后。最主要的原因是目前储能系统价格昂贵， 一次性投资逼近发电设备的总体投资，而且电源管理系统庞大复 杂，需要专业人员维护，成本令电场运营商望而却步，但如果将 储能的任务完全交给国家电网，那国家电网也难以承担国内众多 风电光伏电站的配套储能项目建设。 不过可以相信，一方面随着国家政策的导向作用，使得资本不断 向战略新兴产业流动，使得产业发展提速，当整个产业发展到一 定规

12、模，自然储能系统的价格水平就会下降。另外，随着科研的 不断深入，从技术上实现更低成本更高性能的突破的可能性也很 大。 以锂电池的发展看储能系统的发展 以锂电池的发展看储能系统的发展 2008-2012国内锂电池产量走势 以锂电池的发展看储能系统的发展 2009-2018锂电池需求预测图 以锂电池的发展看储能系统的发展 a锂电池原材料产量增长迅猛 b锂电池产量增长迅猛 c锂电池需求保持快速增长 日本NEDO提出Li-ion 能量密度目标： 2015年将达到500Wh/kg, 2030年将达到700Wh/kg。通过优化 工艺路线和采用新的电池结构将可以达到。 2009年美国政府宣布投资24亿美元用

13、于Li-Ion研发。德国紧 随其后。日本未来5年将投资220亿日元研究动力电池。 现在锂电池的产业化成果，是过去一、二十年基础研究的 收获。未来随着整个产业的不断发展，技术不断成熟，电池价 格有望持续下降，届时储能系统将能够得到更加广泛的应用， 新能源推广也将因此受益。 储能系统技术成熟时的新能源产业 在可预见的不久的将来，由于储能系统的性价比显著提升，新 能源电站都能够配套储能系统，实现全部并网发电，新能源最 终成为整个社会的主要能源,人类社会实现第四次工业革命 清洁高效低碳的新能源革命。人类活动对环境的破坏降低到自 工业革命以来的最低点，生活质量得到大幅提高。 新能源以及世界未来 轻松一下

14、，以著名的LOL为例说明未来可能采用的一种能源方案： 能量传输介质，激光。能量来源：空间电站，激光传送。能量 接受与储存装置：激光晶体。基地，充当能量储存系统的作用； 兵营，相当于激光能量接受端；防御塔，将储存的能量转换为 高能激光攻击来犯之敌，相当于用户端。 新能源以及世界未来 该方案涉及到的技术有： a电能无线传输技术，采用激光或者微波长距离传输电能； b微波接收转换技术，地面站的天线阵列将接收传输回的微波， 并转换成为电力输出，原理与收音机相同； c大型激光晶体储能技术，只在关于亚特兰蒂斯的传说中提到 过类似装置，现实中有小型激光发射器； d能量的来源太空地球同步轨道太阳能电站技术。 以

15、上技术理论上完全可行，且现阶段已有应用。 a电能无线传输技术，采用激光或者微波长距离传输电能 1891年，尼古拉特斯拉发明了“放大发射机”，现在叫做大 功率高频传输线共振变压器，用于无线输电试验。特斯拉把地 球作为内导体，地球电离层作为外导体，通过他的放大发射机， 使用这种放大发射机特有的径向电磁波振荡模式，电磁波在地 球表面与地球电离层之间不断反射且不被吸收，在这之间建立 起大约8赫兹的低频共振利用环绕地球的表面电磁波来传输能 量。当没有电力接收端的时候，发射机只与天地谐振腔交换无 功能量，整个系统只有很少的有功损耗。这种方案将能够实现 地球上随时随地可以用电，不仅可行，而且效率极高，对生态

16、 安全，并且不会干扰无线电通信。 应用的最大阻碍来自经济问题，难以统计客户端的用电量，难 以实现盈利，目前看来仅适用于公益项目。 新能源以及世界未来 新能源以及世界未来 尼古拉特斯拉 介绍 尼古拉特斯拉 尼古拉特斯拉（Nikola Tesla，1856年1943年），1856 年7月10日出生在克罗地亚，是一位世界知名的发明家、物理 学家、机械工程师和电机工程师。19世纪末20世纪初，他对电 力学和磁力学做出了杰出贡献。他的专利和理论工作依据现代 交变电流电力系统，包括多相电力分配系统和交流电发电机， 帮助了他带起了第二次工业革命。最具影响力的成就是1882年， 他继爱迪生发现直流电（DC）后

17、不久，发现了交流电（AC）， 并制造出世界上第一台交流发电机，并创立了多相电力传输技 术，这就是第二次工业革命（开启人类的电气时代）的基础。 他是一个绝世天才，也是一位被世界遗忘的伟人。 其他的主要贡献还有X射线研究、无线能量传输、无线电 的发展、交流电专利权的永久公开。其晚年的一些研究论述如 引力的动态理论被美国政府视为绝对机密至今仍未公开。 b长距离大功率无线电能接收转换技术 （1）特斯拉的无线能量传输方案。电能接收系统与无线电通 信的接收技术并无本质区别，只不过前者注重功率，后者注重 信号。若能够建设足够多的发射塔，此方案能够实现在全球地 表至电离层之间任意一点都能够无线获得电能。此方法

18、至今仍 未能推广进行民用的原因是政治经济因素，军事方面已有广泛 应用，但应用只达到特斯拉的全球电力输送计划（Worldwide transmission of electricity）所构想的1%水平。 （2）定向微波电能传输方案。从太空使用穿过大气层衰减最 少的特定波段（2.45或5.8GH）的微波，在空中形成一道无形 的微波柱直达地面，直径大约为一英里或两三公里。地面上有 依网格化排列的椭圆形网格天线，占地面积与微波柱相当，专 门接受微波能，转换后即可送往传统输电网，从而实现太空电 站的能量输送。微波柱不会危害经过其中的生物。 新能源以及世界未来 c大型激光晶体储能技术，或者称作大型激光能

19、量传输系统 因在激光晶体内能量密度很高，故也可看作一种储能系统。通过对 激光的精确控制，可以实现超长距离的精确能量传输，可民用（对 方有接收器）也可军用（对方无接收器）。这一技术可以用在航天 器激光推进、电能传输或者用于防范小天体对地球的撞击。据英国 新科学家杂志报道，采用激光推进技术发射近地轨道卫星可使 发射成本降至火箭发射成本的五十分之一。 新能源以及世界未来 d太空地球同步轨道太阳能电站技术 在地球同步轨道建立太阳能电站，使太阳能电池阵始终对太阳定 向，并且发射天线的微波束指向地面的接收天线。电站上需带有 少量推进剂，以便克服轨道漂移。不过当空间太阳能电站绕地球 运动时，总有一部分时间内被地球遮挡住阳光，但由于远离地球 的静止轨道上，每年有277天是全日照，仅每年的春分、秋分前后 各有45天时间，轨道上的发电设施才出现地球阴影（亦称星食 期），最长的停电时间也只不过75分钟，而停电时间又是可以正 确预测的，照此算来，空间太阳能电站平均每天有99%的时间， 可向地上接收设备输电。在外层空间，太阳能的利用绝不会受到 天气、尘埃和有害气体的影响，再加上日照时间长，因此空间太 阳能电站与同一规模的地面太阳能电站相比，接收的太阳能要高 出615倍，且输出稳定。 新能源以及世界未来 目前地球同步轨道太阳能发电站最大的问题在于发射成本过高。 如何将构建电站所需