新能源发电技术

新能源发电技术太阳能发电技术风力发电与并网技术大规模储能技术太阳能发电技术主要内容一、开发利用太阳能的战略意义二、太阳能光伏发电太阳能电池离网光伏系统并网光伏系统三、太阳能热力发电槽式热力发电装置塔式热力发电装置碟式热力发电装置一、开发利用太阳能的战略意义化石燃料的储量有限，全球石油还可开采约45年，天然气大约61年，煤炭可开采约230年，铀大约71年。如果再考虑到现在世界石油消费量大约每年增长2%，这样每隔35年，消费量将增加一倍。目前主要依靠化石燃料提供能量。化石燃料储量与日递减，面临化石能源枯竭的危机。优点:

太阳能取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类消耗的能量大6000倍。只要在美国阳光丰富的西南部沙漠地区，建立一个面积为100哩×100哩的巨型光伏电站，所发的电力可以满足全美国的用电需要。太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了输电线路等损失。太阳能不用燃料，运行成本很低。太阳能发电没有运动部件，不易损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用。太阳能发电不产生任何废弃物，没有污染，无噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。太阳能发电系统建设周期短，方便灵活。而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，避免了浪费。二、太阳能光伏发电太阳能电池组太阳能控制器蓄电池逆变器光伏发电系统组成：图1光伏发电系统示意图2.1太阳能电池

过去30多年（1980年开始）始终是晶体硅光伏技术为主单晶硅硅电池多晶硅硅电池非晶硅硅电池太阳能电池类型1.单晶硅电池单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为16-18%（目前20%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。单晶硅电池图4单晶硅太阳电池代表性生产厂家：荷兰ShellSolar、西班牙Iso-foton，印度Microsol等厂家。太阳能电池类型2.多晶硅电池多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池。其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为15-16%（目前，为18%）多晶硅薄膜电池已经在太阳能电池市场上占据主导地位.多晶硅太阳能电池板太阳能电池类型3.非晶硅电池非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。非晶硅太阳能电池板光伏电池等效电路

当负载RL从0变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能电池输出特性曲线。调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，其对应的工作电压和工作电流之积最大，即Pm=Im*Vm，将此M点定义为最大功率输出点（MPP）。光伏电池的输出特性图光伏组件发电功率受环境的影响光照强度：电压基本不变电流线性影响温度：电流影响较小（正温度系数）电压影响较大（负温度系数）

在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。MPPT就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在峰值功率点附近。常用的MPPT控制算法1、定电压跟踪法：先求得或设置某一中心电压，通过控制使光伏阵列的输出电压一直保持该电压，从而使光伏系统输出功率达到或接近最大功率输出值。2、扰动观察法：3、增量电导法根据光伏阵列的P/U曲线，当输出功率为P最大时，即Pmax处的斜率为零。

2.2离网光伏系统

太阳能电池发电，蓄电池贮能，独立为负载供电，不联接公网。广泛应用于太阳能建筑、微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路等。也可用于无电山区、村庄、海岛。太阳能供电系统的特点不必拉设电线，不必挖开马路，安装使用方便；一次性投资，可保证二十年不间断供电（蓄电池一般为5年需更换）；免维护，无污染。系统可分为：

直流供电系统和交直流供电系统两种。直流供电系统控制器作用：控制蓄电池组的放电、充电过程，防止过冲和过放；最优化能量管理（最佳工作点跟踪、温度补偿等）；光伏系统工作状态显示；光伏系统信息存储等。图5直流供电系统交直流供电系统

图6交直流供电系统太阳能广告牌太阳能交通灯太阳能车站太阳能飞机2.3并网光伏系统并网光伏电站投资巨大、建设期长，需要复杂的控制和配电设备，占用大片土地，目前其发电成本远高于目前市场电价。住宅并网光伏系统，特别是与建筑结合的住宅屋顶并网光伏系统，投资小，有诸多优越性，在发达国家备受青睐，发展迅速。住宅并网光伏系统的主要特点，是所发的电能可直接分配到负载上，多余或不足的电力通过联接电网来调节。根据系统是否允许向电网馈电，可分为可逆流与不可逆流并网光伏发电系统根据是否有储能装置，分为有储能系统和无储能系统。有储能系统主动性强，在电网掉电、停电情况下可正常供电。图8（b）

无储能系统图8（a）

有储能（带蓄电池）系统徐州光伏电站三、太阳能热力发电太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。目前主要热力发电装置：槽式塔式碟（盘）式3.1槽式太阳能热电系统抛物柱面槽式反射器将阳光聚焦到管状的接收器上，将管内的传热工质加热，产生高温水蒸气，推动汽轮发电机发电。图9槽式太阳能热电系统原理图槽式太阳能热电厂

产能64兆瓦，可为14000个家庭提供足够的电能。

由西班牙阿希奥纳集团负责建造，占地面积250英亩，拥有18.2万块凹面镜。

图10“内华达太阳能一号”槽式太阳能热电厂，位于美国内华达州柏德市。槽式太阳能热电厂图11加利福尼亚州KramerJunctionSEGSIII太阳能热发电项目3.2塔式太阳能热电系统塔式太阳能热发电系统的基本型式是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温，进而产生水蒸气或高温气体，推动汽轮发电机发电。图12塔式太阳能热电系统原理塔式太阳能热电厂塔式太阳能热电厂

2009年4月，西班牙在安达卢西亚（Andalucian）沙漠中建成当时全球最大太阳能电站。3.3碟（盘）式太阳能热电系统碟式系统由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收器在抛物面的焦点上，通过加热接收器内的传热工质，驱动电机发电。图14碟式太阳能热电系统原理碟式太阳能热电装置碟式太阳能热电装置三种发电装置比较表1塔式、槽式、盘式发电装置比较风力发电与并网技术

随着全球化石能源枯竭、供应紧张、气候变化形势严峻，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，并对风电发展高度重视，世界风电产业得到迅速发展。自1996年以后，全球风电装机年均增长率保持在25%以上，风能成为世界上增长最快的清洁能源。绪论国内外风力发电的发展现状风力发电的基本原理及结构风电并网技术风电的发展趋势目录1.世界风电的发展自1990年以来,风力发电一直是世界上增长最快的可再生新能源。从1996年起，全球累计风电装机连续11年增速超过20％，平均增速达到28.35％。2008年虽然经历了历史罕见的金融危机，但风电依然成为最具吸引力的发电投资，已经成为各个国家替代能源的首选。一国内外风力发电的发展现状2010年底，全球风电总装机容量达199,520兆瓦，发电量超过4099亿千瓦时，占世界电力总发电量的1.92%。2008年和2009年全球年装机容量分别增加42%和35%，而2010年年度装机增长率仅为3%。受金融危机的影响，2010年年度装机增长率仅为3%。2010年美国风电装机新增下滑最厉害，欧洲保持平稳增长。中国、印度等新兴市场显示出强大的生命力。经过2010年的转折，最大风电国家市场的排名发生了变化：中国以18,928兆瓦的新增装机容量稳居第一位，并且创造了单个国家年度新增装机容量的世界纪录；美国以5,115兆瓦的新增装机容量位列第二；第三名是印度，新增装机容量2,139兆瓦。在欧洲，德国、英国和西班牙成为排名前三的欧洲国家，每个国家的新增装机容量大约是1,500兆瓦。2013年全球风电新增装机前十大国家2013年中国风电新增机容量为16.1GW,占全球新增装机总量的45.4%；德国风电新增装机容量为3238MW，占比为9.1%；英国风电新增装机容量为1883MW，占比为5.3%；2.我国风电的发展我国的风电自2003年进入高速发展时期。从2005年开始，中国的风电总装机连续5年实现翻番。2009年，中国以2580万千瓦的总累计装机容量超过德国，成为世界第二，但与排名第一的美国仍有近1000万千瓦的差距。截至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。《中国风电发展报告2010》预测：2020年，中国风电累计装机可以达到2.3亿千瓦，相当于13个三峡电站；总发电量可以达到4649亿千瓦时，相当于取代200个火电厂。一国内外风力发电的发展现状我国风能资源分布中国陆地上10m高度层上可开发的风能储量为2.52亿千瓦近海可开发风能资源是陆地的3倍多风电总装机容量快速增长，风电比重不断加大；单个风电场装机容量不断增加，已有多个10万千瓦级风电场投运，正建千万千瓦级大型风电基地；风电场接入系统的电压等级由低到高(110kV)；风电机组的种类不断增多，从早期的定速风电机组（1MW以下），到双馈感应风力发电和直驱同步风力发电（1MW以上）我国风电发展特点2.风力发电的基本原理及结构

2.1风力发电机组的基本原理及结构

工作原理风以一定的速度和攻角流过桨叶，使风轮获得旋转力矩而转动，风轮通过主轴联接齿轮箱，经齿轮箱增速后带动发电机发电2.风力发电的基本原理及结构2.2风力机的类型

2.风力发电的基本原理及结构2.2风力机的类型

2.风力发电的基本原理及结构风力机基础理论贝茨（Betz）理论假定风轮是理想的，没有轮毂，叶片无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。纯粹的能量转换器。

根据该理论可以计算风轮获取的风能和功率。叶素理论把叶片分割成无限多个微元，每个微元都是叶片的一部分，每个微元的长度无限小。用于分析微元的空气动力学特征。

动量理论应用该理论去研究风力发电机组各部件的运动规律及运动状态的理论。

2.风力发电的基本原理及结构2.风力发电的基本原理及结构2.3分类恒速恒桨变速变桨2.3.1.恒速恒桨技术

原理：恒速恒桨一般采用鼠笼式异步发电机，风力机桨距固定，其运行完全靠叶片气动特性控制，当风机带动发电机达到或接近同步速时并入电网，此后电机转速基本保持恒定，系统送入电网的电压频率恒定。恒速恒桨风力发电技术的特点电气系统简单，可适合于在野外缺少维护的环境下工作。转速不变，无法根据风速变化调节转速追踪最大风能利用系数，效率较低；强阵风来时，转速不变，机械承受应力大，要求坚固，所以又称“刚性”风力发电。

适用于中小功率风电系统，通常不大于1000kW2.3.2.变速变桨技术分类采用DFIG（双馈感应发电机）采用普通同步发电机（全功率变换型）采用多极永磁同步发电机（全功率变换直驱型）

按照风轮结构及其在气流中的位置：水平轴风力机:叶片围绕一个水平轴旋转，旋转平按风轮结构划分按功率调节方式划分定桨距风力机变桨距风力机主动失速型风力机面与风向垂直。

垂直轴风力机:风轮围绕一个垂直轴进行旋转。

当风速超过额定风速时，为了保证发电机的输出功率维持在额定功率附近，需要对风轮叶片吸收的气动功率进行控制。对于确定的叶片翼型，在风作用下产生的升力和阻力主要取决于风速和攻角，在风速发生变化时，通过调整攻角，可以改变叶片的升力和阻力比例，实现功率控制。2.其他分类

定桨距风力机:叶片固定在轮毂上，桨距角不变，风力机的功率调节完全依靠叶片的失速性能。当风速超过额定风速时，在叶片后端将形成边界层分离，使升力系数下降，阻力系数增加，从而限制了机组功率的进一步增加。

优点:结构简单。

缺点:不能保证超过额定风速区段的输出功率恒定，并且由于轴向压力增大,导致叶片和塔架等部件承受的载荷相应增大。此外，由于桨距角不能调整，没有气动制动功能，因此定桨距叶片在叶尖部位需要设计专门的制动机构。

P130-69

变桨距风力机：叶片和轮毂不是固定连接，叶片桨距角可调。在超过额定风速范围时，通过增大叶片桨距角，使攻角减小，以改变叶片升力与阻力的比例，达到限制风轮功率的目的，使机组能够在额定功率附近输出电能。

优点：高于额定风速区域可以获得稳定的功率输出。

缺点：需要变桨距调节机构，设备结构复杂，可靠性降低。

目前的大型兆瓦级风电机组普遍采用变桨距控制技术。

主动失速型风力机：工作原理相当于以上两种形式的组合。利用叶片的失速特性实现功率调节，叶片与轮毂不是固定连接，叶片可以相对轮毂转动，实现桨距角调节。当机组达到额定功率后，使叶片向桨距角向减小的方向转过一个角度，增大来风攻角，使叶片主动进入失速状态，从而限制功率。

优点：改善了被动失速机组功率调节的不稳定性。

缺点：增加了桨距调节机构，使设备变得复杂。3.大规模风电并网对调峰调频能力的影响对无功功率平衡与电压水平的影响风电对电网的影响对电能质量的影响对稳定性的影响同步发电机组并网技术同步发电机在运行中,既能输出有功功率,又能提供无功功率,且周波稳定,电能质量高,已被电力系统广泛采用.然而,将其移植到风力发电机组上使用时却不很理想.这是因为风速时大时小,随机变化,作用在转子上的转矩极不稳定,并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度.并网后若不进行有效的控制,常会发生无功振荡与失步问题,在重载下尤为严重.异步风力发电机组并网技术异步风力发电机投入运行时,由于靠转差率来调整负荷,因此对机组的调速精度要求不高,不需要同步设备和整步操作,只要转速接近同步转速时,就可并网.显然,风力发电机组配用异步发电机不仅控制装置简单,而且并网后也不会产生振荡和失步,运行非常稳定.异步风力发电机并网也存在一些特殊问题,如直接并网时产生的过大冲击电流会造成电压大幅度下降,对系统安全运行构成威胁;本身不发无功功率,需要无功补偿;过高的系统电压会使其磁路饱和,无功激磁电流大量增加,定子电流过载,功率因数大大下降;不稳定系统的频率过于上升,会因同步转速上升而引起异步发电机从发电状态变成电动状态,不稳定系统的频率过大下降,又会使异步发电机电流剧增而过载等.风电并网存在的相关问题1、并网运行问题（1）调峰问题风电出力具有随机性、间歇性，反调节特性明显，增加系统调峰难度。负荷曲线风电出力曲线我国调峰性能好的油、气电源比重较小，水电中径流式电站占较大比例，核电基本不参与调峰，电力系统调峰主要依靠煤电。由于受煤电启停不灵活和最小技术出力的限制，系统调峰手段十分有限。我国风电集中的“三北”地区以煤电为主，大规模风电接入后，调峰能力严重不足。当风电出力较大，火电机组达到最小技术出力后，就会出现弃风现象。波动性风电与调节欠灵活的火电增加了电力系统平衡难度，如何协调风电消纳与电网安全运行是风电优化调度的难点问题。欧美风电大国灵活调节电源容量均大于风电容量，如西班牙电源结构中燃油燃气及抽水蓄能等灵活调节电源所占比例为34.3%，约为风电的1.7倍。2010年11月9日3:35，西班牙主网风电出力占负荷比例的瞬时值达到54%，当时系统负荷为23.08GW，风电装机19.81GW，出力12.34GW，其他新能源（含太阳能、地热、生物质能等）装机13.8GW，出力4.09GW。为满足新能源发电消纳需求，其他常规电源最大限度停运或降出力运行，灵活电源发挥了尤其重要的作用。（2）电压控制问题我国风电接入地区大多处于电网末端，风电功率的大幅度变化，导致电网运行电压调整十分困难，影响系统电压稳定。由于风电出力快速增长，导致白城电网同发风电场母线电压最低下降到213kV，并大幅波动。（3）安全稳定问题风电大规模并网后，电网稳定运行的风险增加。系统潮流多变，断面运行控制困难；系统惯量下降，动态稳定水平降低；故障后风电无法重新建立机端电压，导致电压失稳；风电机组没有低电压穿越能力，在系统扰动造成电压的瞬间跌落时，风机自行脱网对系统造成冲击。2011年2月24日，甘肃酒泉某风电场由于场内35kv电缆单相短路故障引起该地区598台风电机组脱网，损失风电出力840MW，系统频率从故障前的50.03Hz降低至49.85Hz。（4）电能质量问题风电出力的随机波动会引起电压波动和闪变，风机中的电力电子设备会给电网带来一定的谐波污染，导致电能质量下降。风电场多次发生电压波动和电压闪变超标现象。风电场出力大幅波动，引起附近35千伏母线电压越限。1.大功率中压变流器。为了能更好地提高风能的转换效率并降低成本，需要研发大功率中压变流器以提高风力发电机的标称容量。2.用于风电场的储能技术。风电场储能技术可以在经济和技术两方面显著增加风力发电的吸引力，储能系统在维持电压、频率稳定方面作用十分明显。

蓄电池储能系统应用最为广泛，尤其是锂电池、镍电池和铅酸蓄电池三种储能系统。4.风力发电技术发展方向

3.海上风力发电。

离岸安装海上风力发电设备将是风力发电机技术的主要发展趋势。海上具备足够的风能资源，可以在海水较浅的区域安装风力发电机，离岸风力发电机与安装在附近岸上的风力发电机相比，前者所产生的电能会多出近1倍。英国海上风场瑞典海上风场海上风电场优势：风能资源稳定丰富不占用土地空间技术难题：海上风资源评估，气象参数难测定海上风电机组设计注重可靠性海上风电送出问题海上风电面临台风危害在风电并网技术方面，未来电力系统的技术水平和资源配置能力将需要从管理模式、技术手段等方面做出调整才能够适应大规模新能源集中接入、远距离输送、大范围消纳，分布式接入就地消纳的需要，实现新能源的综合高效利用以及大规模新能源接入后电力系统的安全经济运行。4.风电并网技术的发展趋势大规模新能源发电及并网技术——大规模储能技术智能电网技术和储能技术是太阳能、风能发电成为主力能源需要解决的关键技术。美国储能电池发展趋势•

在美国“电网2030”计划中，把用于调峰的储

能、用于暂态限制的储能列为2010年发展

目标区域互联电网发展目标，把高压直流

储能列为2020年区域互联电网发展目标，

大容量储能技术列为优先级最高的目标技

术。在地区配电网发展规划中也把开发大

规模储能列为优先级最高的技术，包括储

能电池、超级电容器、功率变换器、控制

器、储能与电能质量相结合的设备开发等。欧洲储能电池发展趋势•

欧洲电网技术发展趋势主要是面向可再生

能源系统和未来的电力系统，在电网的近

期、中期及长期的研究计划中，将能量储

存和电能质量的保证放在重要研究地位。

如在英国科学基金和国家项目中，有关英

国电网的大部分支撑技术都是储能技术。

欧共体同样关注储能技术的发展，它是解

决可再生能源的有效利用问题的关键。日本能量储存系统的市场机遇上世纪80年代：–采用飞轮、超级电容器和可充电电池作为电站调峰目的的储能系统曾经得到发展，但没有取得实用价值21世纪始：–伴随风力发电与光伏发电规模增大，蓄电池作为储能系统被考虑用于稳定它们的输出，因为它们受到气候的影响–光伏储能系统–风力发电及大型太阳电站储能装置（ESS)我国已将储能电池技术列为关键技术•

“电能利用和电能储存技术”已被列为我国

电网前瞻性关键技术之一，以确保互联大

电网安全，提高系统动态稳定性，改善区

域供电品质和绿色能源电力输出特性。大规模储能蓄电的作用用于调节可再生能源发电系统供电的连续性和稳定性用于电网的“削峰填谷”用于用电大户的“谷电”蓄电用于重要部门和重要设施的应急电源及备用电源用于“非并网”风电光伏直接利用中的调节电源电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储，按照其具体方式可分为物理、电磁、电化学等类型物理储能抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能电磁储能电化学储能超导储能超级电容储能铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能储能技术的分类1.

机械储能)抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能配备上、下游两个水库，负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电原理抽水蓄能上水库有无天然径流汇入纯抽水

蓄能电站混合抽水

蓄能电站调水式抽水

蓄能电站按一定容量建设，储存能量的释放时间可以从几小时到几天，综合效率在70%~85%之间抽水蓄能的分类

抽水储能可以实现从几小时到几天的储能，储能效率在70%～85%之间。储能量仅与水库容量和落差有关，可提供最大能量和最长时间的储能。抽水储能电站技术成熟，已经得到广泛应用，一般工业国家抽水储能电站可达总装机容量的10%左右。主要用于移峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、备用容量和黑启动等。抽水蓄能的特点功率、容量大响应迅速抽水储能的缺点是：只能建在符合条件的山区，距主要用电高峰的人口稠密的平原地区和城区距离远，输变电成本高。日、美、西欧等国家和地区在20世纪60~70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%，日本超过10%；中国、韩国和泰国3个国家在建抽水蓄能电站17.53GW，加上日本的在建量达24.65GW。近年国外投入运行的8大抽水蓄能电站：电站国家装机容量/MW投入年份落基山美国7601995锡亚比舍伊朗10001996奥清津Ⅱ日本6001996葛野川日本16001999拉姆它昆泰国10002000金谷德国10602003神流川日本28202005小丸川日本12002007抽水蓄能的应用压缩空气储能电站（compressedairenergystorage,CAES）是一种调峰用燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型压力7.5MPa的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。压缩空气蓄能在燃气轮机发电过程中，燃料的2/3用于空气压缩，其燃料消耗可以减少2/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少70%，同时可以降低投资费用、减少排放。CAES建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制。地下储气站有多种模式，其中最理想的是水封恒压储气站，能保持输出恒压气体，保障燃气轮机稳定运行。压缩空气蓄能的特点CAES储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调节、分布式储能和发电系统备用。100MW级燃气轮机技术成熟，利用渠氏超导热管技术可使系统换能效率达到90%。大容量化和复合发电化将进一步降低成本。随着分布式能量系统的发展以及减小储气库容积和提高储气压力至10~14MPa的需要，8~12MW微型压缩空气蓄能系统（micro-CAES）已成为人们关注的热点。应用发展方向压缩空气蓄能飞轮储能装置主要包括3个核心部分：飞轮、电机和电力电子装置。他将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，要求空闲运转时候损耗非常小。飞轮储能飞轮储能特点

优势效率：70%-90%；能量密度：最高130Wh/kg；输出功率：kW-MW，由电动/发电机和电力变换装置决定；响应速度：5-25ms，5-15s达到额定输出；寿命：大于20年；工作温度：-40℃～50℃低维护、环境友好

限制系统复杂；有高速转动部件；轴承待机损耗问题无噪音、无污染、维护简单，主要用于不间断电源(UPS)/应急电源(EPS)、电网调峰和频率控制。应用发展

方向飞轮储能飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展:一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。年份研发机构基本参数技术特点作用不详日本四国综合研究所8MWh，储能放电各4h，待机16h高温超导磁浮立式轴承，储能效率84%平滑负荷不详日本原子力研究所215MW/8GJ输出电压18kV，输出电流6896A，储能效率85%UPS不详美国Vista公司277kWh引入风力发电系统全程调峰1991美国马里兰大学24kWh，转速11610~46345rad/min电磁悬浮轴承,输出恒压110V/240V，全程效率81%电力调峰1996德国5MW/100MWh，转速2250~4500rad/min超导磁浮轴承,储能效率96%储能电站2004巴西额定转速30000rad/min超导与永磁悬浮轴承电压补偿世界范围内飞轮储能典型的应用案例2电磁储能超导储能（SMES）超级电容储能超导储能（SMES）超导储能是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载。

SMES一般由超导线圈及低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统组成。SMES可以分为低温超导储能与高温超导储能两种。

超导线圈在通过直流电流时没有焦耳损耗。因此，超导储能适用于直流系统。它可传输的平均电流密度比一般常规线圈要高１－２个数量级；可以达到很高的能量密度，约为108J／m3。

它与其他的储能方式如蓄电池储能、压缩空气蓄能、抽水储能及飞轮储能相比，具有转换效率高（可达９５％），响应速度快(毫秒级)，功率密度和能量密度大，寿命长、污染小等优点。缺点是成本高，包括装置成本和运行成本。

超导磁储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性。此外，它还可用于无功和功率因数的调节以改善系统的稳定性。超级电容储能（SCES）

超级电容器是一种具有超级储电能力，可提供强大的脉冲功率的物理二次电源。它是根据电化学双电层理论研制而成的，所以又称双电层电容器。

超级电容器的问世实现了电容量由微法级向法拉级的飞跃，彻底改变了人们对电容器的传统印象。目前，超级电容器已形成系列产品，实现电容量

0.5-1000F

，工作电压

12-400V

，最大放电电流

400-2000A

。

优点：循环寿命若干万次，比功率高；缺点：比容量小；单位能量投资高；关键：开拓毫秒-秒级的应用、降低成本超级电容工作原理：

性能特点：

1.

具有法拉级的超大电容量；

2.

比脉冲功率比蓄电池高近十倍；

3.

充放电循环寿命在十万次以上；

4.

能在

-40oC-60oC

的环境温度中正常使用；

5.

有超强的荷电保持能力，漏电源非常小；

6.

充电迅速，使用便捷，充电电路简单，无记忆效应；

7.

无污染，真正免维护。多孔化电极采用活性炭粉、活性碳和活性炭纤维，电解液采用有机电解质。多孔性的活性碳有极大的表面积，在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量，并可以存储很大的静电能量。 双电层

超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。超级电容的应用：1.

配合蓄电池应用于各种内燃发动机的电启动系统，如：

汽车、坦克、铁路内燃机车等，能有效保护蓄电池，延

长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池亏

电的情况下，确保可靠启动。2.

用作高压开关设备的直流操作电源。3.

用作电动车辆起步，加速及制动能量的回收，提高加速

度，有效保护蓄电池，延长蓄电池使用寿命，节能。4.

代替蓄电池用于短距离移动工具（车辆），其优势是充电时间非常短。5.

用于重要用户的不间断供电系统。6.

用于风力及太阳能发电系统。7.

应用电脉冲技术设备，如：点焊机、轨道电路光焊机、充磁机、

X

光机等。3.电化学储能铅酸蓄电池钠硫电池液流电池锂离子电池电能化学能电池种类铅酸镍镉镍氢锂离子钠硫全钒液流单体标称电压/V2.01.0~1.31.0~1.33.72.081.4研发机构主要电池厂家主要电池厂家主要电池厂家主要电池厂家东京电力公司、NGK、上海电力公司VRB、V-FuelPty、住友电工、关西电力公司、中国电力科学研究院电力储能系统可利用的主要电池3.电化学储能磷酸铁锂电池(LiFePO4)2002年出现，由于它的性能特别适于作动力方面的应用，也称磷酸铁锂动力电池。锂离子电池优点：高比能量；高比功率；高能量转换效率；长循环寿命不足：有的体系安全性较差；价格还不够低锂离子动力电池，是电动汽车产业兴起的关键磷酸亚铁锂、钛酸锂等新材料的开发和应用，大大改善了锂离子电池的安全性能和循环寿命，从而可能将锂离子电池用于更大规模的储能LiFePO4电池的特点：1.

高效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10s）可达20C；2.

高温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃，

电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好；3.

即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安全性最好；4.

极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%；5.

过放电到零伏也无损坏；6.

可快速充电；7.

低成本；8.

对环境无污染。技术成熟度技术经济比较从技术成熟度角度看，铅酸电池技术最为成熟，飞轮、磷酸铁锂电池、钠硫电池次之，微型压缩空气技术成熟度最低。各项储能技术比较经济性技术经济比较从系统每千瓦时的造价来看，铅酸电池成本最低。飞轮储能，超级电容储能的单位功率成本都不高，但单位容量成本却非常高，达到每千瓦时七十万元左右，远远超出其他储能方式。性能特色技术经济比较铅酸电

池磷酸铁锂电池钠硫电

池全钒液流电池超级电

容飞轮压缩空气储能持续发电时间秒~小时秒~小时秒~小时秒~小时毫秒~分

钟毫秒~分

钟毫秒~分

钟