新能源中的能源存储技术

新能源中的能源存储技术1储能的意义和前景新能源和分布式电力是未来第三次工业革命的核心。储能是多元化能源结构（即大力发展分散式可再生能源）的关键支撑技术。

储能技术的应用领域涵盖机械、化工、电力、电子、交通等。典型地，例如：电网调峰、分布式发电、微电网、电动汽车等。

储能在各国的能源策略中均占据核心地位，通过政策法规鼓励和推动储能技术的发展。《可再生能源发展“十二五”规划》《国家能源科技“十二五”规划》储能技术应用现状

到2010年底，全球储能总装机12552万千瓦，占电力装机总量的3%。我国1634万千瓦，占全球13%。

抽水蓄能在目前全球储能项目中占绝对主导地位（98.3%），但是对地理条件的要求比较苛刻：需要有一定的地势差需要有一定规模的水资源亟需大力发展相变（蓄热）储能

压缩空气储能

电池电容储能飞轮储能和其它形式储能除抽水蓄能外其它储能技术比重21%47%21%11%储能技术一：抽水蓄能原理：又称为蓄能式水电站。电网负荷低时电能抽水，电网高峰时防水发电供能。发展现状和趋势：2009年我国抽水蓄能装机1455万千瓦，近年发展趋势变缓，十二五规划目标为4000万千瓦，但预计只能完成不到3000万千瓦。主要问题：建设成本高（几十亿），建设周期长（约8-10年）土地成本高，占地面积大对地理条件（地形、地质、水源）要求苛刻，特别是对水的需求量大需认真评估其对生态环境的影响储能技术二：熔融盐储能原理：与太阳能光热发电系统结合，以熔融眼为传热介质，白天在太阳照射下使固态盐熔化吸收热量，夜晚熔融盐释放能量。发展现状和趋势：到2010年底，全球高温熔盐储能容量1572MW，其中西班牙占绝对主导地位（1500MW），美国32MW，意大利40MW。随着太阳能热发电技术的不断完善和市场扩大，高温熔盐储能将有更迅猛的发展。主要问题：相变材料需兼顾腐蚀和导热率熔盐的属性缺陷在于凝固点较高，易造成集热管路堵塞储能技术三：压缩空气储能原理：在低容负荷时多余电能将空气压缩存储于储气室（地下洞穴和废弃矿井等），将电能转化为空气内能；在需要时释放，经加热后通过燃气轮机发电。储能容量大，规模仅次于抽水蓄能，一般为百兆瓦级。发展现状和趋势：在德国和美国有两座大型压缩空气储能电站商业运行。目前其它国家如中国，日本，俄罗斯，瑞士等国也在积极发展压缩空气储能电站。主要问题：配套设施复杂，不能独立运行只能与燃气轮机电站配套使用，不适用于燃煤电厂储气室要求高，需寻找和建设洞穴，盐洞和矿井等储能技术四：电池储能（1）铅酸蓄电池原理：以二氧化铅为正极活性材料，多孔性铅为负极活性材料，电解质硫酸参与电池反应，将电能转化为化学能进行储存，再转化为电能输出。发展现状和趋势：铅酸蓄电池是第一代电池储能设备，目前应用最为广泛，但是由于性能不足以及环境问题严重，逐渐被其它电化学储能设备所取代。主要问题：能量密度较低循环寿命短（500次左右）铅污染严重容量恢复能力差，倍率性能低下储能技术四：电池储能（2）碱性蓄电池原理：采用金属镉作负极活性物质，氢氧化镍作正极活性物质，以氢氧化钾等碱性水溶液作为电解液，将电能转化为化学能进行储存，再转化为电能输出。发展现状和趋势：碱性蓄电池是第二代电池储能设备，主要包括镍氢电池和镍铬电池等，由于废弃镉镍电池对环境的污染，逐渐被镍氢电池取代。主要问题：主要原材料金属镍非常昂贵倍率性能较低，对高电流输入耐受性较差“记忆效益”明显，漏电较为严重循环寿命高于铅酸电池，但仍然不足储能技术四：电池储能（3）锂离子电池原理：一般采用碳材料为负极，过度金属氧化物为正极，锂离子在正负极之间脱出和嵌入，将电能转化为化学能进行储存，再转化为电能输出。发展现状和趋势：相比于前两代电池，锂离子电池具有储能密度高的特点（可采用有机电解液系统），目前在便携式电子产品领域占有约50%的市场。主要问题：安全可靠性不足，易发生爆炸功率密度不足，过充和过放性能较差易过热，需配合良好的散热结构循环寿命虽较前两代电池有所改善，但仍在数千次水平储能技术四：电池储能（4）全钒液流电池原理：液流电池的活性物质是具有流动性的液体电解质溶液，在充放电过程中电解液的活性物质粒子在惰性电机表面发生价态变化，将电能转化为化学能进行储存，再转化为电能输出。发展现状和趋势：具有转换效率高，蓄电容量达，安全环保等优点，是具有大规模储能应用潜力的技术，2013年50兆瓦风电场配套5兆瓦/10兆瓦时全钒液流电池储能电站与辽宁电网实现并网充放电，整体目前处于研发阶段。主要问题：占地面积大，系统固化成本高、系统稳定性有待完善储能技术五：超级电容储能原理：超级电容器是一种基于界面双电池理论的静电物理储能装置，通过物理静电吸附，实现大表面积电极对离子的快速吸附，实现快速储能。发展现状和趋势：超级电容器储能装置的主流是基于碳材料的双电层电容器，随电解液不同可调整工作电压（水系：1V，有机系：2.7V，离子电解液：4V），循环寿命超长，安全可靠，目前在电力汽车、不间断电、通讯、航空、军事领域体现出巨大应用潜力。主要问题：能量密度有待提高电池电容储能性能比较铅酸电池锂离子电池全钒液流电池超级电容器工作电压（V）23.61.41~4工作温度（oC）-5~40-30-600~45-40~70功率密度（W/kg）75~300150~315120~1505000~10000能量密度（Wh/kg）30~5075~20010~302~5循环寿命（次）500~1000~3000~10000~500000充电时间分钟~小时分钟~小时分钟~小时秒安全性较安全易爆炸较安全安全环保毒性无毒毒性无毒红色标出为对比最优项目部分数据引自<新能源分布式发电系统储能电池综述>电容&超级电容电容C=eA/d

e介电常数A吸附面积d间距

d=1nm

法拉电容dd短时间高功率输出高功率密度

充放电循环寿命很长

充电时间短

储存寿命长高可靠性超级电容储能的优势应用1：消费品电子领域应用2：并网发电大型储能系统主要用作电力网的可调节发电电源，对电力网进行控制和调节，如频率控制、备用容量控制、动态快速响应、削峰填谷调平负荷以及防止系统解列和瓦解等。中型储能系统主要用于大功率远距离输变电系统，其主要功能有提高输电稳定性、维持电压稳定、抑制谐波、调节负荷等。小型储能系统主要用于调节电能质量和提高供电可靠性，其主要功能有电压控制、抑制电压波动与闪变、抑制电压下跌、瞬时断电供电等。应用3：分布式储能电动汽车对动力电源的性能指标要求如下：体积小、重量轻、贮存能量密度高，使电动汽车的一次充电续驶里程长；功率密度高，使电动汽车的加速性能和爬坡性能好；能够快速启动和运行，可靠性高；循环次数高，使用寿命长；环境适应性强，能在一定湿度下正常工作，抗振动冲击性能好；环保性能好，无二次污染，并有可再生利用性；维修方便，保养费用低；安全性好，能够有效防止因泄露或短路引起的起火或爆炸；价格低，经济性好；燃料储存、处理和输送方便，能够利用现有的燃油加油系统。应用4：电力汽车电池和超级电容器在混联式混合动力车的作用以及超级电容器的合适使用范围适用：频繁启动停车的车型，如公交车优点：(1)环保；(2)节油；(3)保护发动机挑战：电池充电完全（并联式）或部分（混联式）依赖于停油制动时的动能，但是停车时间很短（10s），要在如此短时间条件下大电流充电，对电池的功率密度有很大挑战，因此考虑采用超级电容器进行替代，同时超级电容器的适用寿命和循环次数高出几十到几百倍，更安全，并且能在更低的温度下适用超级电容器适合在此段替代蓄电池应用5：军工以往的电梯采用机械制动的方法，将这部分能量以热的形式散发掉，这不但浪费，而且多余热量使机房温度升高，增加散热的负担和成本。通过分析电梯系统的运动特性，我们可以发现节能的方向：电梯在升降过程结束时，经常会有制动刹车，产生巨大的制动电流，这是可以回收的另外，在建筑高层，电梯和电梯使用者都具有很大的势能，也可以进行回收。应用6：节能超级电容发展历史超级电容分类超级电容储能原理回顾现有超级电容主要厂家典型产品超级电容核心参数：电容超级电容核心参数：能量密度超级电容核心参数：功率密度超级电容性能提升关键：电极材料传统的超级电容材料先进能源材料：石墨烯2010年诺贝尔物理学奖获奖材料极其优异的导电和导热性能，机械强度超过钢100倍最薄的材料：厚度仅一个碳原子巨大的比表面积：2630m2/g，所有碳材料中最高…挑战万能？万不能？盲目追求大型制备是一个误区不同应用对石墨烯有何不同的要求如何指导并实现设计和构筑？典型案例：石墨烯超级电容储能充电快：超级电容器的充电时间速度可以快100倍功率密度高：超级电容器可在5～10倍以上的电流下充电循环寿命长：是电池循环次数的100～500倍左右工作温度范围宽：可在-40～70摄氏度下工作电力汽车、分布式能源、UPS备用电源、新能源发电等电容C=eA/d

e介电常数A吸附面积d间距

d=1nm

法拉电容dd传统的储能用石墨烯制备方法剥离法化学法：目前最常用的超级电容电极制备方法A.

Geim

andK.NovoselovHighpurityLowefficiency水平堆叠石墨烯是否适用？显著团聚低纯度有效比表面积水平堆叠导电性石墨烯超级电容储能本质纳米尺度纳米尺度纳米尺度限定空间内的流动纳米尺度限定空间内的物质输运纳米尺度界面的电荷输运相关科学本质的基础研究新型垂直取向石墨烯储能:

让石墨烯站起来3D石墨烯结构优异性能内阻是常规石墨烯超级电容的1/10功率密度24.1kW/kg允许超大电流充电，充电电流从1A/g增加到100A/g时，电容衰减仅为10%，常规石墨烯超级电容衰减60%与国际领先水平的横向比对西班牙Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出了首例石墨烯聚合材料电池。8分钟充满，行驶1000公里（充电时间0.48秒，行驶1公里）。中小型轿车1公里需~0.1-0.2kWh电力。我们的数据：充电功率2252kW，充电1公里（0.1-0.2kWh）需要时间约0.16秒，行驶1000公里，需要充电2.6分钟。应用示范

依托国家自然科学基金、教育部博