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文档简介
1、电能存储技术一、电能储存技术为了增进电能的利用效率,使用合适的电能储存系统可以在不增加电网容量投资的 基础上,满足负荷高峰时的需求。一个基础性的问题在于,负荷情况可能因每天,每小 时,季节变化而变化,必须有足够容量的设备提供高峰时的需求。理论上,发电和用电 应该是相等的。电能发电设备必须能较快地实现投入和切除,比如,微型燃气轮机的反 应时间较长,抽水蓄能电站的投入时间较短,然而,石化燃料电站及核电站均不适合频 繁起停。此外,这些电站在固定于某个输出的时候才能达到较高的效率。因此,让大型 电站处于连续运行状态,并通过寻找合适的电源方式以在用电低谷的时候吸收电能,用 电高峰的时候发出电能以平抑需求
2、和供给的差异的方式被认为是经济性和效率较高的 一种方式。由于受环境影响因素较大,很少利用自然资源类型直接作为电能存储的媒介,比如, 太阳能,风能,海浪能,潮汐能,这些类型的能源也必须结合合适的电能存储设备才能 充分发挥调峰的功效。电能的存储设备通常需要将电能转化为其他类型的能量,在特定时间段内,将此种 类型的能量再次反转为电能以用于生产生活所需。二、电能储存技术分类全球储能技术主要有化学储能(如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、 超级电容器等)、物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)和电磁储 能(如超导电磁储能等)三大类。目前技术进步最快的是化学储能,其中钠硫、液 流及锂离子电
3、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,产业 化应用的条件日趋成熟。电池储能电池储能是运用电气化学原理,将电能转变为化学能,然后通过逆反应将化学能转 化为电能的一种技术。常规的电气化学元件是蓄电池。通常来讲,蓄电池的存储容量较 小,形成较大的蓄能电站需要较多数量的电池单元,而且,蓄电池放出的点只有直流, 须进行DC/AC转化才能投入使用。钠硫电池钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的,至今才40年左右的历 史。电池通常是由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。一般常规二次电池 如铅酸电池、镉镍电池等都是由固体电极和液体电解质构成,而钠硫电池则与之相反
4、, 它是由熔融液态电极和固体电解质组成的,构成其负极的活性物质是熔融金属钠,正极 的活性物质是硫和多硫化钠熔盐,由于硫是绝缘体,所以硫一般是填充在导电的多孔的 炭或石墨毡里,固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为A12O3的陶瓷材料, 外壳则一般用不锈钢等金属材料。1、基本原理:钠硫电池以钠和硫分别用作阳极和阴极.Beta-氧化铝陶瓷同时起隔 膜和电解质的双重作用。它的电池形式如下:(一)Na(1) / beta 一氧化铝 / Na2Sx(1) / C(+) 基本的电池反应是:2N a + xS= Na2Sx2、钠硫电池特性 钠硫电池的理论比能量高达760Wh / kg,且没有自放电现象
5、。放电效率几乎可达 100%。 钠硫电池的基本单元为单体电池,用于储能的单体电池最大容量达到650安时,功 率120W以上。将多个单体电池组合后形成模块。模块的功率通常为数十kW,可直接 用于储能。 钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池。其寿命可以达到使用1015年。3、钠硫电池的缺点-不能处理部分循环e.g,风能,SOC只能用平均值计量,所以需要周期性的离线度 量;过度充电时很危险;高温350C熔解硫和钠,因此需要附加供热设备来维持温度。意义:钠硫电池作为新型化学电源家族中的一个新成员出现后,已在世界上许多国 家受到极大的重视和发展。由于钠硫电池具有高能电池的一系列诱人特点,所以一开始
6、不少国家就首先纷纷致力于发展其作为电动汽车用的动力电池,也曾取得了不少令人鼓 舞的成果,但随着时间的推移表明,钠硫电池在移动场合下(如电动汽车)使用条件比较 苛刻,无论从使用可提供的空间、电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年代初开始,国外重点发展钠硫电池作为固定场合下(如电站储能)应用,并 越来越显示其优越性。如日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司合作开发钠硫电池作 为储能电池,其应用目标瞄准电站负荷调平(即起削峰平谷作用,将夜晚多余的电存储 在电池里,到白天用电高峰时再从电池中释放出来)、UPS应急电源及瞬间补偿电源等, 并于2002年开始进入商品化实施阶段
7、,已建成世界上最大规模(8MW)的储能钠硫电池 装置,截止2005年10月统计,年产钠硫电池电池量已超过100MW,同时开始向海外 输出。钠硫电池的充电效率已可达到80%,能量密度是铅酸蓄电池的3倍,循环寿命更长。 日本在此项技术上处于国际领先地位,2004年日本在本国Hitachi自动化工厂安装了当 时世界上最大的钠硫电池系统,容量是9. 6MW/57. 6MWh。现阶段大容量电池储能的应用纽约的AES Westover储能项目是美国首个在公共设施应用的并进行商业化运营的 电池储能项目。6日,负责该项目运作的AES Energy Storage (AES Energy Storage为AES
8、 集团下属的储能研发部门)宣布其前期的8MW储能电池项目已经建成。美国能源部此 前为AES储能项目二期的12MW项目提供1710万美元贷款担保。二期项目预计将于2011 年终建成,届时其总容量将提升到20MW。这是美国第一个MW级的储能项目。该项目 将可对电网的瞬间电力调控进行响应。帮助平衡用电高峰及用电低谷时期的电网负荷。 太阳能专家一直以来关注着大规模储能产业的发展,太阳能和风能的间歇性特点决定了 储能技术的应用价值。AES Energy Storage相关负责人表示:伴随这一 8MW 一期工程项目的建成运营,公 司已经在全球建设完成了 24MW的电网储能项目。另外100MW的项目正在加速
9、实施中。还有超过500MW的项目在准备实施中。迄今为止最大规模的储能电池装置是日本生产商NGK Ltd.建设的容量为34兆瓦的 项目,与一家风电厂相配套。钠硫电池其他项目举例:墨西哥墨西卡利(Mexicali),1GW(1000MW)(2010年宣建)美国 西维吉尼亚 俄亥俄州25MW (2007年)阿布扎比 50MW纽约 1MW德国 1MW美国哥伦比亚空军基地12MW日本 Hitachi 9.6MW日本34MW 用于51MW 风电场对城市电网而言,钠硫储能电池具有容量大、体积小、能量储存和转换效率高、寿 命长、不受地域限制等优点,非常适合电力储能。经综合分析,钠硫储能电池是目前最 经济实用的
10、储能方法之一,是目前大容量储能电池中的佼佼者。抽水蓄能,需要特殊场 地;金属空气电池,充电困难;锂电池,成本过高;铅酸电池,寿命太短,谁都比不 上钠硫电池可靠。因此,钠硫电池的研发在国际上方兴未艾。2006年8月,上海硅酸盐研究所与上 海市电力公司开展了大容量钠硫单体电池的合作研发。5个月后,650AH的单体电池试 制成功,我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家, 2007年8月,双方共建“上海钠硫电池研制基地”,不久便攻克了钠硫电池制备关键技术, 成功研制170余台套具有自有知识产权的生产与性能评价装备,贯通了年产2兆瓦的钠 硫储能电池中试线,实现10千瓦储能系统
11、成功演示。其他电池技术液流钒电池的基础材料是钒,该电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深 度放电、寿命长等优点,已进入商业化阶段。锂离子电池的基础材料是锂,已开始在电动自行车、电动汽车等领域应用,近年来 由于磷酸亚铁锂、纳米磷酸铁锂等新材料的开发与应用,大大改善了锂离子电池的安全 性能和循环寿命,大容量锂电池储能电站正逐渐兴起。抽水蓄能物理储能中最成熟也是世界应用最普遍的是抽水蓄能,主要用于电力系统的调峰、 填谷、调频、调相、紧急事故备用等。其能量转换效率在70%75%左右。目前世界 范围内抽水蓄能电站总装机容量9000万千瓦,约占全球发电装机容量的3%。日、美、西欧等国家和地区在20
12、世纪6070年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期, 到目前为止,美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容 量55%以上,其中:美国约占3%,日本则超过了 10%,中国、韩国和泰国3个国家在 建抽水蓄能电站17.530 GW,加上日本后达到24.650 GW下表为上世纪90年代开始,欧 美,日国家新建的主要抽水蓄能电站:电站10家装机容量.投入年份1落基山史国760199?2阿比舍伊朗1 GOO19963门本6C-019964葛野川日本:1 6001999L23拘.姆它昆泰国1 00。20006金谷铲国1 G60200372S20200?S小-.ill日本:1 2002007
13、热泵储能Isentropic公司设计了一种用于在热态中存储电能的热泵系统。此系统有两个砂砾 储存罐组成。电力被用来将压缩或膨胀空气分别在两侧形成500度与零下150度的两种 介质温度,冷热空气进入罐中时,将热量/冷传导给罐中的砂砾,当发电时,两侧的温 差用于驱动Isentropic公司的发电热泵,产生电能。8 metres6 MW 8 metres6 MW Hom Pumpinsulated Gravel Huat Store at -l&UCInsulat&d GravelHeat Store at+50FCRvetBl 它 Electrmal E n erqy 30 LI WK飞轮储能Co
14、urtesy of Btecan PowrerLoadIsentropic公司的热泵效率达72%-80%,效率较高,造价便宜($450/kW),且不像 抽水蓄能电站那样对地理环境需求大,对环境影响较小,可提供较快的放电时间。飞轮储能Courtesy of Btecan PowrerLoad飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转,将电能转化成机械能储存起来,在需 要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能器中没有任何化学活性物质, 也没有任何化学反应发生。旋转时的飞轮是纯粹的机械运动,飞轮在转动时的动能为:E =1/2JwA2式中:J为飞轮的转动惯量;3为飞轮旋转的角速度.飞轮转动时动能
15、与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量又正比于飞轮的直 径和飞轮的质量,过于庞大、沉重的飞轮在高速旋转时,会受到极大的离心力作用,往往超 过飞轮材料的极限强度,很不安全。因此,用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能 是有限的。飞轮储能装置中有一个内置电机,它既是电动机也是发电机。在充电时,它作 为电动机给飞轮加速;当放电时,它又作为发电机给外设供电,此时飞轮的转速不断下降; 而当飞轮空闲运转时,整个装置则以最小损耗运行。轮储能具有效率高、建设周期短、寿 命长、高储能、充放电快捷、充放电次数无限以及无污染等有点。适用于电网调频和电 能质量保障。上图为美国宇航局使用的一台41000RPM飞轮储
16、能装置国外飞轮储能技术发展现状美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。日本已经制造 出在世界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统(容量26.5MVA,电压1100V,转速 510690r/min,转动惯量710t - m2)。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh 的电磁悬浮飞轮系统。飞轮重172.8kg,工作转速范围11, 610-46, 345rpm,破坏转速为 48, 784rpm,系统输出恒压110-240V ,全程效率为81%。经济分析表明,运行3年时间 可收回全部成本。飞轮储能技术在美国发展得很成熟,他们制造出一种装置,在空转时的 能量损耗达到0. 1
17、 %每小时。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意 大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。1、美国宇航局(NASA) Glenn研究中心及其合作单位NASA飞轮主要应用于航空航天,以及军用装甲车辆上,用途主要是:能量储存; 动力和姿态控制;峰值功率调节等。设计储能量:300-700W3S;储能密度44wh/kg;转 速:60000rpm;线速度:不小于880m/s。目标建立和测试大型飞轮储能系统,目标: 储能密度大于100wh/kg;线速度不小于1260m/s。工作高低转速比:3: 1;放电深度: 90% ;运行转速内无临界模态,后期研究控制模态可能性。2、B
18、escon Power 公司Bescon Power公司生产的飞轮电池产品用以满足迅速增长的可靠的、分布式电源需 求。建立为通讯应用提供后备电源的商业基础,估计每年拥有10000套飞轮系统需求。 为电信/电缆设备提供备用电力供应的20C1000飞轮储能系统为主。飞轮采用采用高强 度复合材料轮缘,高速、长寿命、无需维护、低损耗永磁偏置主动/被动磁轴承,直流 永磁无刷高效率、低损耗电动/发电机,正弦波脉宽调制实现驱动电压、电流一体化控 制的双向换流器,真空密封,埋入地下,运行状况可以通过互联网进行监视。指标:工作转速:30000-100000rpm,最高线速度:700m/s,放电深度:90%,电机
19、 效率:96%,输出可用储量2000wh;输出电压为直流36V、48V或96V,额定输出功率1kw; 输入电压120/240 DC,50/60HZ,最大输入功率kw;转子重量:68kg,飞轮模块重量:383kg, 电子模块重量90kg;设计寿命:20年,平均故障间隔时间:10万小时。3、Active Power 公司公司主要生产作为不间断电源(UPS)的飞轮电池系统,以取代传统的铅-酸电池,解 决当今对于电力品质的高要求。公司产品的应用对象主要是广大工业用户,比如:先进的 数据中心、工业设备和广播站等。目前,公司拥有29项发明专利,主要产品有Cat UPS系 列和Cleansource DC系
20、列。ActivePower的飞轮材料为4340锻铁,其飞轮转子与电动/ 发电机、磁轴承整合在一起。用磁铁卸去80 %的重量以延长飞轮轴承的寿命和减小损 耗。飞轮的工作转速在70007700rpm。工作维持时间为几十秒到几分钟。目前公司飞 轮已经产品化出售,并在北京设有办事处。4、德国 Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司德国 Forschungszentrum karlsruhe Gmbh 公司 1997 年着手设计 5MWh/100MW 超导飞轮 储能电站的概念设计。电站由10个飞轮模块组成,每个模块储能0.5MWh,功率10MW, 重30t,直径3.5m、
21、高6.5m,用同步电动/发电机进行电能输入输出。每个模块包括一 个电动/发电机子模块、4个碳纤维复合材料制成的转子模块和6个SMB子模块。每个 飞轮转子储能125kwh,重3t,能量密度42wh/kg,运行转速为2250-4500rpm,最大外缘 线速度600m/s,最大拉应力810Mpa。SMB由YBCO块材料和稀土铁棚型高强度永磁 材料构成,耗用10t的YBCO块材和5t的永磁材料。系统效率96%。5、日本日本已投资3500万美元进行高温超导磁悬浮轴承飞轮储能研究,由三菱、日立、 精工等公司和多个研究所、高校组成3个研究组合作承担。已研制出3种试验模型机, 并进行了储能8MW.h容量100
22、0kW的飞轮储能机组的概念设计。日本原子能研究所一座 大型核融合实验炉采用了飞轮储能发电装置,其主要参数为:功率235MVA、电压18kv、 电流6898A、飞轮转速420-600rpm、可释放能量为020MJ,转子为碳素钢锻造的实心圆 盘,重 1000t。国内飞轮储能技术的发展现状目前国内从事与飞轮研究相关的单位有:清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华 北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所(由中科院电工所、天津核工业理化工程研究院 等组成)、北京航空航天大学、南京航空航天大学、中国科大、中科院力学所、东南大 学、合肥工业大学等,主要集中在小容量系列,其中,北航针对航天领域研制的“姿扭 储能两用
23、磁悬浮飞轮”已获得2007年国家技术发明一等奖。华北电力大学和中国科学 院电工研究所、河北省电力局合作,已经开始就电力系统调峰用飞轮储能系统的课题进 行研究,预计能够取得可喜的成果。随着超导技术的发展和高强度复合材料的出现以及电力电子技术的新进展,开发 飞轮储能技术已经成为可能。从经济和技术角度看,飞轮储能机组作为一种重要的调峰 手段分散接入电网是可行的。由于飞轮机组运行控制的灵活性,可使电力系统的运行可 靠性和稳定性得到提高。飞轮的发展方向及研究热点:1)超大储能量、大功率飞轮的研制;2)进一步降低储能飞轮系统的功耗;3)系统的安全性、可靠性分析;4)机电参数匹配问题;5)强力充放电系统的稳
24、定性。压缩空气储能它利用电力系统低容负荷时的多余电能将空气压缩储存在地下洞穴中,需要时再放 出,经加热后通过燃气轮机发电机组发电,以供尖峰负荷的需要。供给燃气轮机的能量 是压缩空气的势能和用以加热空气的燃料化学能的总和。压缩空气蓄能电站在一个充压 和释放的循环中发出的电量大于充压所需的电量。充、放能量之比称为电量比,一般为 0.720.80,它取决于电站的规模和设计情况。在发电过程中,燃料消耗大约为 4220kJ/kWh。压缩空气储能的能量流如上图所示,下图为一个典型的压缩空气蓄能电站示意图1978年联邦德国在亨托夫成功地投运了一个290MW的压缩空气蓄能电站,并获 得了优异的可利用率和可靠性。美国电力研究协会(EPRI)已深入细致地研究了一个220MW的压缩空气蓄能电站。研究表明,有经济效益的压缩空气蓄能电站是用25 50MW (或
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