太阳能光伏储能技术

7.3储能装置

1.发展背景2.储能装置分类2.1.机械储能2.2.电磁储能2.3.化学储能3.结语2021/5/911.发展背景1.太阳能光伏技术的自身局限性。以太阳能光伏发电为代表的新能源的利用受到自然条件的显著影响和限制，包括天气、季节，时间、地域、地形地貌等各种因素。它不像传统化石资源那样稳定、持续地提供能源，输出功率波动显著，对电网而言是一种冲击性的电源。在同一地区，并网的光伏发电输出功率的波动可能是同步的，但随着光伏发电技术和市场的不断扩展，装机容量越来越大，潜在的冲击力随之越来越大。因此，发展储能技术已成为目前电力和新能源领域全球关注和支持的焦点，许多国家都将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术。2021/5/921.发展背景2.太阳能光伏技术的发展。可再生能源正在由辅助能源逐渐转为主要的甚至是主导能源。当不稳定的可再生能源利用率到如此高的程度时，对它们的输出进行稳定是必要的。2021/5/931.发展背景3.储能装置的作用。

储能就是对来自太阳能电池板发出的电能进行储存，利用储能环节在可再生能源的发电功率大于负载需要时储存电能，在他们不能够满足负载需要时提供电能的补充，以最大效率收集和利用可再生能源，这对于可再生能源分布式发电系统来说是必须的，是建立稳定的本地供电的基础，对电网接入的发电系统来说，储能是一种灵活的可调度手段，可以最大限度地利用新能源，降低对电网的冲击和依赖，具有迫切的需求。2021/5/942.储能装置分类

抽水储能

机械能

压缩空气储能

物理形式

飞轮储能

超导线圈储能

电磁能

储能装置

双电层电容储能

法拉第电容储能

化学形式

蓄电池储能

制氢储能2021/5/952.1机械储能装置2.1.1.抽水储能2021/5/962.1.1.抽水储能2.1.1.抽水储能一.原理与分类：1.原理：

抽水蓄能是集抽水与发电于一体的一种蓄能方式，实现的是势能与电能的转换。在满足地质和水文等条件的前提下，分别在上下游设置水库；在电力负荷低谷时，将低地势的下水库的水抽到高地势的上水库中，将电能转换为势能；在用电高峰时，再将上水库的水释放，驱动水轮机发电机组发电，将势能转换为电能。2021/5/97

2021/5/982.1.1.抽水储能2.抽水蓄能电站的类型：按开发方式可分为：纯抽水蓄能电站、

混合式抽水蓄能电站、调水式抽水蓄能电站；按调节周期分为：日调节、周调节和季调节等；按水头分为：高水头和中低水头；按机组类型分为：四机分置式、

三机串联式、

二机可逆式；按布置特点分为：地面式、地下式、和特殊布置形式（人工地下水库）2021/5/992.1.1.抽水储能3.抽水蓄能的特点及应用：优点：抽水蓄能技术比较成熟，储存能量巨大，设备的使用寿命较长（一般可达30--40年），综合效率高（一般

可达70%--85%）。不足：抽水蓄能工程量较大而且受到地理环境的限制。应用：抽水蓄能已广泛应用于电力系统中调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动以及为系统提供备用容量等方面，是电网安全、经济运行的有效调控手段2021/5/9102.1.1.抽水储能二、抽水蓄能技术的发展历史与现状2021/5/9112021/5/9122021/5/9132021/5/9142.1.1.抽水储能三、抽水蓄能的发展趋势抽水蓄能作为一种技术较为成熟，且市场应用较成功的大容量储能技术，受到了世界各国的高度重视，但每个国家都有不同的环境，并面临不同的现实情况，需要有针对性地制订发展计划，解决发展过程中遇到的各种问题。在我国，抽水蓄能站址资源较为丰富，能够满足各地区电网自身发展的需要。经初步经济分析，抽水蓄能电站前期选址总量可达1.5亿KW以上，这些这些抽水蓄能站址主要分布在南方电网、华东电网、华中电网、和华北电网内，占据已知全国抽水蓄能站址容量的80%。2021/5/9152.1机械储能装置2.1.2.压缩空气储能2021/5/9162.1.2.压缩空气储能

一.压缩空气储能的原理特点及分类1.原理：压缩空气储能一般包括5个主要部件：压气机、燃烧室及换热器、涡轮（透平）机、储气装置、电动机/发电机。在储能时：压缩空气储能系统耗用电能将空气压缩并

存于储气室中；在释能时：高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃

烧室同燃料一起燃烧后，驱动涡轮机带动

发电机输出电能。

2021/5/9172021/5/9182.1.2.压缩空气储能2.特点（1）规模上仅次于抽水蓄能，适合建造大型电站。压缩空气储能

系统工作时间长，可以持续数小时乃至数天。（2）建造成本和运行成本较低，低于钠硫电池和液流电池，也低于抽水蓄能电站，具有很好的经济性。其次由于使用高性能绝热材料，仅使用少量或不使用天然气或石油等燃料即可实

现对压缩空气的加热，从而降低燃料成本占比。（3）场地限制少。（4）寿命长，通常维护可以达到40—50年，并且其效率可以达到60%左右，接近抽水蓄能电站。（5）安全性和可靠性高。压缩空气储能使用的原料是空气，不会

燃烧，不产生任何有毒有害气体，也没有爆炸的危险。2021/5/9192.1.2.压缩空气储能3.分类：（1）根据热源不同分为：燃烧燃料的、带储热的和无热

源的压缩空气储能系统；（2）根据规模不同可分为：大型（单台机组规模为100MW级）、小型（10MW）和微型（100KW级）；（3）根据能否和其他热力循环系统耦合可分为：

传统压缩空气储能系统、

压缩空气储能—燃气轮机耦合系统、

压缩空气储能—燃气蒸汽联合循环耦合系统、

压缩空气储能—内燃机耦合系统、

压缩空气储能—制冷循环耦合系统、

压缩空气储能—可再生能源耦合系统。2021/5/9202.1.2.压缩空气储能

压缩空气储能可以实现大容量和长时间电能储存的电力储能系统，是指将低谷、风电、太阳能等不易储藏的电力用于压缩空气，将压缩后的高压空气密封在储气设施中，在需要需要释放压缩空气推动透平发电的储能方式。目前，地下储气站可采用报废矿井、沉降在海底的储气罐、山洞、过期油气井和新建储气井等多种模式，其中最理想的水封恒压储气站，能保持输出恒压气体。地上储气站采用高压的储气罐模式。压缩空气储能具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环多等优点。2021/5/9212.1.2.压缩空气储能二。发展现状及应用情况：

压缩空气储能发电已有成熟的运行经验，最早投运的机组已安全运行30多年。压缩空气储能是一项灵活而可靠的技术，可迅速满足各种变负荷要求，具有快速起动能力，有良好的负荷跟踪和频率控制特性，能实现远距离自动控制。压缩空气储能系统具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环多等优点，但目前还存在传统压缩空气储能需要燃烧化石能源、小型系统的效率不高和大型系统需要特定的地理条件建造储气室等缺点。压缩空气蓄能电站正在向大型化联合循环和微型化方向发展，联合循环以及热、电、冷多联供都可以大幅度提高能源利用效率，在世界范围内受到了广泛的关注，未来将成为除抽水蓄能之外最具发展潜力的大规模储能系统。2021/5/9222.1.3飞轮储能一.飞轮储能的原理特点及分类1.原理：将能量从外界输入后，电动机将在电子电力输入设备的驱动下带动飞轮高速旋转，这一过程相当于给飞轮储能系统充电；

当飞轮转子达到一定工作转速时，电力电子输入设备停止驱动电动机，系统完成充电；

当外界需要能量输出时，高速旋转的飞轮转子降低转速，通过发电机的发电功能将动能转化成电能释放，通过给负载提供能量，完成系统的放电过程。2021/5/9232.1.3飞轮储能2.结构组成

飞轮、

轴承、

电机、真空容器

电力电子装置2021/5/9242021/5/9252021/5/9262.1.3飞轮储能一.飞轮储能的工程应用：（1）智能电网的应用（2）交通运输的应用（3）UPS电源的应用（4）新能源电力的储存2021/5/9272021/5/9282021/5/9292.2.电磁储能技术--超导储能一、超导储能的原理与特点1.原理：超导体：许多金属和合金都具有低温下失去电阻的特性，这种特殊的导电性能被称为“超导态”，处于超导态的导体称之为“超导体”。零电阻效应：超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称为“零电阻效应”。用超导体导线制成螺旋形线圈，线圈通电产生磁场，其所储能量与电流的平方和电感的乘积成正比。若线圈导体有电阻，能量会以焦耳热的形式消耗，而超导体在深冷状态下电阻为零，不存在焦耳热损耗，将螺旋线管两端短接，磁能可被永久储存。需要时将线圈两端外接负载，即可将储存于线圈内的磁能转化为电能，随时取出。2021/5/9302021/5/9312.2.电磁储能2.特点（1）可长期无损耗地储存能量，转换效率超过90%。（2）可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电

网的连接，响应速度快（毫秒级）。（3）由于其储存能量与功率调节系统的容量可独立地在大范围内选取，因此可将超导储能系统建

成所需

的大功率和大能量系统。（4）除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿

命长。（5）建造时不受地点限制，维护简单，污染小。2021/5/9322.2.电磁储能二发展现状

目前，国际上在在超导储能系统的研究开发方面投入了大量的人力物力，主要是开发微型超导储能装置的实际应用。美国、德国和日本等提出了开发100kWh等级的微型超导储能装置的建议，如用于磁悬浮列车、计算机大楼和高层建筑等用的超导储能系统；美国IGC和AMSC公司的微型超导储能装置（1~10MJ）已经商品化，AMSC公司目前正在开发一种新的配电SMES（D-SMES）用于功率调节。2021/5/9332.2.电磁储能三、面临的问题（1）超导材料的临界温度有待提高；（2）超导材料的价格比较高，有的比常规材料

高几十倍甚至上百倍；（3）超导技术所应用的低温制冷系统的制备还比较复杂，且制冷机的免维护寿命较短。（4）超导装备的低温高电压绝缘技术，实时监测技术，集成技术以及与常规系统的匹配协调运行等也需要进一步研究。2021/5/9342.2.电磁储能四、研究方向1.降低成本。2.开发高温超导线材。3.研究变流器。4.研究控制策略。5.降低损耗和提高稳定性。6.研究失超保护技术。2021/5/9352.3化学储能2.3.1.钠硫电池储能2.3.2锂离子电池储能2.3.3.液流电池储能2.3.4超级电容储能2.3.5制氢储能2021/5/936

2.3.1.钠硫电池储能

一、钠硫电池的原理与特点1.原理钠硫电池（NAS）以钠和硫分别作阳极和阴极，氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的双从作用。电池形式：(-)Na(液)|氧化铝|Na2SX,S(液)(+)2021/5/937

基本的电池反应：

负极反应：2Na2Na++2e-正极反应：2Na++xS

+2e-Na2Sx总反应：2Na+xS

Na2Sx2021/5/9382.结构

2021/5/9393.特点（1）比能量高。理论比能量为760Wh/kg,是铅酸

电池的3-4倍；（2）功率大。单体电池功率可达到120W以上，

形成模块后功率可达数十千瓦，可直接用于储能；（3）库伦效率高。由于采用固体电解质，几乎

无自放电现象，充放电效率几乎为100%；（4）运行无污染。采用全密封结构，运行中无

振动无噪声，没有气体放出，预期寿命长。（5）制造便利、成本低、结构简单、维护方便。2021/5/940二、钠硫电池发展现状2021/5/9412021/5/9422.3.2锂离子电池储能

一、锂离子电池工作原理及结构1.原理锂离子电池俗称“摇椅电池”，是由可脱嵌Li+

为正、负级的二次电池，由正极、负极、电解液及隔膜，外加正负引线、电池壳、安全装置等组成。正极材料一般为锂的化合物；负极材料一般为碳材料等，目前硅等合金类负极也有部分应用；电解液一般由有机溶剂和电解质（锂盐）组成。2021/5/943

以C负极、LiCoO2

正极为例的电化学表达式为(-)C6|1mol·L-1LiPF6–EC+DEC|LiCoO2(+)正极反应：LiCoO2放电

Li1-xCoO2+xLi++xe-

充电

负极反应：xLi++C6+xe-放电C6

Lix

充电

2021/5/9442021/5/945常见锂离子电池结构参数电池结构外形容量/mAh圆柱形Φ18mm，高65mm2200~3000方形长50mm、

宽34mm、

高4-8mm1000~3000聚合物可定制，

薄（0.1mm）、大50~10000扣式Φ20mm,高2.5mm<2002021/5/9462021/5/947二、锂离子电池储能系统应用

由于锂离子电池能量密度大、自放电小，无记忆效应、工作温度范围宽、可快速充放电、使用寿命长、无环境污染等优点，不仅可以满足储能系统的电力调峰的需要，而且具备向电力系统提供频率控制、快速功率响应等辅助服务的能力。锂离子动力电池现已广泛应用于移动储存设备、电动汽车等领域，产业链和技术已经比较成熟，属于目前效率很高的储能方式。许多国家已建或在建锂离子电池储能示范工程，我国风光储示范工程中的锂离子电池储能系统也是目前很有影响力的展示成果。2021/5/9482021/5/9492021/5/9502.3.3.液流电池储能

1.液流电池的基本特征：

液流电池是一种电化学储能技术，它由电堆单元、电解质溶液及电解质溶液储供单元、控制管理单元等部分组成。液流电池系统的核心是由电堆和实现充、放电过程的单电池按特定要求串联而成的，结构与燃料电池电堆相似。电堆储能系统的成本、功率、循环寿命、效率、维护等性能有很大影响。电堆是提供电化学反应的场所，是实现储能系统电能和化学能相互转换的场所，是钒电池系统的核心部分。2021/5/951液流电池原理图及电堆结构示意图2021/5/9522021/5/9532.电极反应全钒液流电池（VFB）正极电对为：VO2+/VO+2,负极为V2+/V3+.电解质在电池中循环。全钒液流电池充电时，电极反应为：正极：VO2++H2O-e-VO+2+2H+负极：V3++e-V2+

总反应：VO2++H2O+V3+V2++VO+2+2H+全钒液流电池的标准电动势为1.26V，实际使用中，由于电解液浓度、电极性能、隔膜电导率等因素的影响，开路电压可达到1.5~1.6V.2021/5/9543.全钒液流电池特点优点：（1）输出功率与储能容量可控。（2）安全性高。（3）启动速度快。（4）电池倍率性能好。（5）电池寿命长。（6）电池自放电可控。（7）制造和安置便利。（8）电池材料回收和再利用容易。2021/5/955不足：（1）全钒液流电池的能量密度偏低。（2）钒迁移与水扩散造成的物流失衡及容量

衰减。（3）液流电池运行的电流密度低。（4）电池系统成本高。2021/5/9564.液流电池应用

1.普能公司全钒液流电池布置2021/5/9572021/5/9582021/5/9592021/5/960

2.3.4超级电容储能

一、基本原理与分类：超级电容器是以多孔性材料为电极，由正负电荷层形成的可实现可逆充放电的高静电容量电容器，与普通电容器相比，它具有更高的介电常数，更大的耐压能力和更大的存储容量，有保持了传统电容器释放能量快的特点，逐渐在储能领域中被接受。根据工作原理不同分为双电层电容器和赝电容器两种。2021/5/9611.双电层电容器（EDLC）工作原理图2021/5/9622021/5/9632021/5/9642.赝电容器（也称法拉第电容）原理：电极表面发生了氧化还原反应反应方程式：NiO+OH-NiOOH+e-

与电池中的电化学反应不同，赝电容中的电荷转移反应只发生在电极材料的表面，其充放电过程要远快于普通电池。2021/5/9653.特点优点：（1）在很小的体积下达到法拉级的电容量；（2）无须特别的充电电路和控制放电电路；（3）和电池相比，过充、过放都不对其寿命构成负

面影响。（4）超级电容可焊接，不存在像电池接触不牢固等问题。不足：（5）使用不当会造成电解质泄露等现象。（6）和铝电解质相比，内阻较大，因而不可以用于

交流电路（7）储能密度不如蓄电池2021/5/966二、研究与发展现状2021/5/9672021/5/9682021/5/9692021/5/970

2.3.5制氢储能

可再生能源包括太阳能、风能、潮汐能、地热能等，值得注意的是，这些能源均有同样的载体，即氢。在所有的能源中，氢能被认为是最环保的能源。如使用燃料电池技术，将其与氧气反应将化学能转化为电能过程中，仅有水生成，没有任何污染物有害气体排除；另一方面，当将其进行储存时，利用电能或则太阳能将水分解制氢或则高压储氢均不会产生其他有害的气体或污染物。2021/5/9712021/5/972一、电能及热能向氢能的转化1.电解水制氢（电能-氢能系统）原理：阴极反应：4e-+4H2O=2H2+4OH-

阳极反应：4OH-=O2+2H2O+4e-2021/5/9732021/5/9742021/5/975二、热和光化学制氢（太阳能-氢能系统）利用太阳能制氢的方式有以下几种：太阳能电解水制氢、热化学制氢、热解水制氢、光催化制氢以及光合作用制氢等。太阳能电解水制氢包括两种工作模式：一种是将太阳能基于光伏效应先转化成电能，再将电能用于电解水制氢，称为间接电解水制氢；另一种是将太阳能直接电解制氢，主要是基于光化学电池和半导体光催化法，它的特别之处是阳极与传统电极不同，多为光电半导体材