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储能技术种类和特点


储能技术种类和特点
储能技术是通过装置或物理介质将能量储存起来以便以后需要时利用的技术。 储 能技术按照储存介质进行分类,可以分为机械类储能、电气类储能、电化学类储 能、热储能和化学类储能。

一机械类储能
机械类储能的应用形式只要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。

1.1 抽水蓄能
(1)基本原理 电网低

谷时利用过剩电力将作为液态能量媒体的水从低标高的水库抽到高标高 的水库,电网峰荷时高标高水库中的水回流到下水库推动水轮机发电机发电。

(2)特点
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属于大规模、集中式能量储存,技术相当成熟,可用于电网的能量管理和 调峰; 效率一般约为 65%~75% ,最高可达 80%~85%; 负荷响应速度快(10%负荷变化需 10 秒钟),从全停到满载发电约 5 分钟, 从全停到满载抽水约 1 分钟; 具有日调节能力,适合于配合核电站、大规模风力发电、超大规模太阳能 光伏发电。

(3)缺点
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需要上池和下池; 厂址的选择依赖地理条件,有一定的难度和局限性; 与负荷中心有一定距离,需长距离输电。

(4)应用 目前,抽水蓄能机组在一个国家总装机容量中所占比重的世界平均水平为 3%左 右。截至 2012 年底,全世界储能装置总容量为 128GW,其中抽水蓄能为 127GW, 占 99%。截至 2012 年年底,我国共有抽水蓄能电站 34 座,其中,投运 26 座, 投运容量 2064.5 万千瓦约占全国总装机容量 11.4 亿千瓦的 1.8% 。(另在建 8 座,在建容量 894 万千瓦)

1.2 飞轮储能
(1)基本原理 在一个飞轮储能系统中, 电能用于将一个放在真空外壳内的转子即一个大质量的 由固体材料制成的圆柱体加速(达几万转/分钟),从而将电能以动能形式储存 起来 (利用大转轮所储存的惯性能量)。

(2)优点
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寿命长(15~30 年); 效率高(90%); 少维护、稳定性好; 较高的功率密度; 响应速度快(毫秒级)。

(3)缺点
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能量密度低,只可持续几秒至几分钟; 由于轴承的磨损和空气的阻力,具有一定的自放电。

(4)应用 飞轮储能多用于工业和 UPS 中, 适用于配电系统运行,以进行频率调节, 可用作 一个不带蓄电池的 UPS,当供电电源故障时,快速转移电源,维持小系统的短时 间频率稳定,以保证电能质量 (供电中断、电压波动等)。 在我国刚刚开始在配电系统中安装使用。电科院电力电子研究所曾为北京 306 医院安装了一套容量为 250kVA, 磁悬浮轴承的飞轮储能系统, 能运行 15 秒, 2008 年投运。

1.3 压缩空气储能
(1)基本原理 压缩空气储能采用空气作为能量的载体, 大型的压缩空气储能利用过剩电力将空 气压缩并储存在一个地下的结构(如地下洞穴),当需要时再将压缩空气与天然 气混合,燃烧膨胀以推动燃气轮机发电。

(2)优点
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有调峰功能, 适合用于大规模风场,因为风能产生的机械功可以直接驱动 压缩机旋转,减少了中间转换成电的环节,从而提高效率。

(3)缺点
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需要大的洞穴以存储压缩空气, 与地理条件密切相关, 适合地点非常有限; 需要燃气轮机配合,并要一定量的燃气作燃料,适合于用作能量管理、负 荷调平和削峰; 以往开发的是一种非绝热(diabatic)的压缩空气储能技术。空气在压缩 时所释放的热,并没有储存起来,通过冷却消散了,而压缩的空气在进入 透平前还需要再加热。因此全过程效率较低,通常低于 50%。

(4)应用 至今, 只有德国和美国有投运的压缩空气储能站。 德国 Hundorf 站于 1978 年投 运, 压缩功率 60MW,发电功率 290MW(后经改造提高到 321MW), 压缩时间/发 电时间=4,2 小时连续运行,启动过上万次,启动可靠率达 97%。此外,德国正 在建造绝热型压缩空气储能电站, 尚未投运美国 Mcintosh, Alabama 阿拉巴马州, 1991 年投运, 110MW,压缩时间/发电时间=1.6,如连续输出 100MW 可维持 26 小 时,曾因地质不稳定而发生过坍塌事故。此外,美国正在建设几座大型的压缩空 气储能电站,尚未投运。 近来压缩空气储能的研究和开发热度在不断上升,国家电网公司已立项研究 10MW 压缩空气储能,项目负责人清华大学卢强院士。

二电气类储能
电气类储能的应用形式只要有超级电容器储能和超导储能。

2.1 超级电容器储能
(1)基本原理 根据电化学双电层理论研制而成的,又称双电层电容器,两电荷层的距离非常小 (一般 0.5mm 以下),采用特殊电极结构,使电极表面积成万倍的增加,从而产 生极大的电容量。

(2)优点
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长寿命、循环次数多; 充放电时间快、响应速度快; 效率高;

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少维护、无旋转部件; 运行温度范围广,环境友好等。

(3)缺点
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超级电容器的电介质耐压很低,制成的电容器一般耐压仅有几伏,储能水 平受到耐压的限制,因而储存的能量不大; 能量密度低; 投资成本高; 有一定的自放电率。

(4)应用 超级电容器储能开发已有 50 多年的历史,近二十年来技术进步很快,使它的电 容量与传统电容相比大大增加, 达到几千法拉的量级,而且比功率密度可达到传 统电容的十倍。超级电容器储能将电能直接储存在电场中,无能量形式转换,充 放电时间快,适合用于改善电能质量。由于能量密度较低,适合与其他储能手段 联合使用。

2.2 超导储能
(1)基本原理 超导储能系统是由一个用超导材料制成的、放在一个低温容器(cryogenic vessel) (杜瓦 Dewar )中的线圈、功率调节系统(PCS)和低温制冷系统等 组成。能量以超导线圈中循环流动的直流电流方式储存在磁场中。

(2)优点
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由于直接将电能储存在磁场中,并无能量形式转换,能量的充放电非常快 (几毫秒至几十毫秒),功率密度很高; 极快的响应速度,可改善配电网的电能质量。

(3)缺点
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超导材料价格昂贵; 维持低温制冷运行需要大量能量; 能量密度低(只能维持秒级); 虽然已有商业性的低温和高温超导储能产品可用, 但因价格昂贵和维护复 杂,在电网中应用很少,大多是试验性的。

(4)应用 超导储能适合用于提高电能质量,增加系统阻尼,改善系统稳定性能,特别是用 于抑制低频功率振荡。 但是由于其格昂贵和维护复杂,虽然已有商业性的低温和 高温超导储能产品可用,在电网中应用很少,大多是试验性的。SMES 在电力系 统中的应用取决于超导技术的发展 (特别是材料、低成本、制冷、电力电子等方 面技术的发展)。

三电化学类储能
电化学类储能主要包括各种二次电池,有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液 流电池等,这些电池多数技术上比较成熟,近年来成为关注的重点,并且还获得 许多实际应用。

3.1 铅酸电池
(1)基本原理 铅酸电池是世界上应用最广泛的电池之一。 铅酸电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb) 浸到电解液(稀硫酸)中,两极间会产生 2V 的电势,这就是铅酸电池的原理。经 由充放电,则阴阳极及电解液即会发生如下的变化: (阳极) (电解液) (阴极) PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (放电反应)

(过氧化铅) (硫酸) (海绵状铅) (阳极) (电解液) (阴极) PbSO4 + 2H2O + PbSO4---> PbO2+ 2H2SO4+ Pb (充电反应) (硫酸铅) (水) (硫酸铅)

(2)优点
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技术很成熟,结构简单、价格低廉、维护方便; 循环寿命可达 1000 次左右; 效率可达 80%至 90%,性价比高。

(3)缺点
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深度、快速、大功率放电时,可用容量下降; 能量密度较低,寿命较短。

(4)应用 铅酸电池常常用于电力系统的事故电源或备用电源, 以往大多数独立型光伏发电 系统配备此类电池。目前有逐渐被其他电池(如锂离子电池)替代的趋势。

3.2 锂离子电池
(1)基本原理 锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池, 正负电极由两种不同的锂离子嵌入化 合物构。充电时,Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极,此时负极处于富锂态, 正极处于贫锂态;放电时则相反,Li+从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极,正极 处于富锂态,负极处于贫锂态。

(2)优点
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锂离子电池的效率可达 95%以上; 放电时间可达数小时; 循环次数可达 5000 次或更多,响应快速; 锂离子电池是电池中比能量最高的实用型电池, 有多种材料可用于它的正 极和负极 (钴酸锂锂离子电池、 锰酸锂锂离子电池、 磷酸铁锂锂离子电池、 钛酸锂锂离子电池等)。

(3)缺点
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锂离子电池的价格依然偏高; 有时会因过充电而导致发热、燃烧等安全问题,有一定的风险,所以需要 通过过充电保护来解决。

(4)应用 由于锂离子电池在电动汽车、计算机、手机等便携式和移动设备上的应用,所以 它目前几乎已成为世界上应用最为广泛的电池。 锂离子电池的能量密度和功率密 度都较高,这是它能得到广泛应用和关注的主要原因。它的技术发展很快,近年 来, 大规模生产和多场合应用使其价格急速下降,因而在电力系统中的应用也越 来越多。 锂离子电池技术仍然在不断地开发中,目前的研究集中在进一步提高它 的使用寿命和安全性,降低成本、以及新的正、负极材料的开发上。

3.3 钠硫电池
(1)基本原理 钠硫电池的阳极由液态的硫组成,阴极由液态的钠组成,中间隔有陶瓷材料的贝 塔铝管。电池的运行温度需保持在 300℃以上,以使电极处于熔融状态。

(2)优点
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循环周期可达 4500 次; 放电时间可达 6 至 7 小时; 周期往返效率约为 75%; 它的能量密度高,响应时间快(毫秒级)。

(3)缺点
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由于它使用了金属钠,是一种易燃物,又运行在高温下,所以存在一定的 风险。

(4)应用 日本的 NGK 公司是世界上唯一能制造出高性能的钠硫电池的厂家。 目前采用 50kW 的模块,可由多个 50kW 的模块组成 MW 级的大容量的电池组件。在日本、德国、 法国、美国等地已建有约 200 多处此类储能电站,主要用于负荷调平、移峰、改 善电能质量和可再生能源发电,电池价格仍然较高。

3.4 全钒液流电池
(1)基本原理 在液流电池中, 能量储存在溶解于液态电解质的电活性物种中,而液态电解质储 存在电池外部的罐中, 用泵将储存在罐中的电解质打入电池堆栈,并通过电极和 薄膜,将电能转化为化学能,或将化学能转化为电能。

(2)缺点
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能量密度和功率密度与其他电池相比,如锂离子电池,要低; 响应时间也不很快。

(3)优点
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全钒液流电池技术已比较成熟; 寿命长,循环次数可超过 10000 次以上。

(4)应用 液流电池有多个体系,其中全钒氧化还原液流电池(vanadium redox flow battery, VRFB)最受关注。这种电池技术最早为澳大利亚新南威尔士大学发明, 后技术转让给加拿大的 VRB 公司。在 2010 年以后被中国的普能公司收购,中国 的普能公司的产品在国内外一些试点工程项目中获得了应用。 电池的功率和能量 是不相关的, 储存的能量取决于储存罐的大小,因而可以储存长达数小时至数天 的能量,容量也可达 MW 级,适合于应用在电力系统中。

四热储能
(1)基本原理
在一个热储能系统中, 热能被储存在隔热容器的媒质中,以后需要时可以被转化 回电能,也可直接利用而不再转化回电能。 热储能有许多不同的技术,可进一步分为显热储存(sensible heat storage)和 潜热储存(latent heat storage)等。显热储存方式中,用于储热的媒质可以是 液态的水,热水可直接使用,也可用于房间的取暖等,运行中热水的温度是有变 化的。而潜热储存是通过相变材料( Phase Change Materials, PCMs)来完成的, 该相变材料即为储存热能的媒质。

(2)缺点
n 热储能要各种高温化学热工质,应用场合比较受限。

(3)应用
由于热储能储存的热量可以很大, 所以在可再生能源发电的利用上会有一定的作 用。熔融盐常常作为一种相变材料,用于集热式太阳能热发电站中。此外,还有 许多其他种类的储热技术正在开发中,它们有许多不同的作用。

五化学类储能
化学类储能主要是指利用氢或合成天然气作为二次能源的载体。

(1)基本原理
利用待弃掉的风电制氢,通过电解水,将水分解为氢气和氧气,从而获得氢。以 后可直接用氢作为能量的载体,再将氢与二氧化碳反应成为合成天然气(甲烷), 以合成天然气作为另一种二次能量载体。

(2)优点
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采用这两种物质作能量载体的好处是储存的能量很大,可达 TWh 级; 储存的时间也很长,可达几个月;

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另外氢和合成天然气除了可用于发电外, 还可有其他利用方式, 如交通等。

(3)缺点
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全周期效率较低, 制氢效率只有 70%左右, 而制合成天然气的效率 60-65%, 从发电到用电的全周期效率更低,只有 30%-40%

(4)应用
将氢与二氧化碳合成为甲烷的过程也被称作为 P2G 技术(power to gas)。 德国 热衷于推动此项技术, 已有示范项目在德国投入运行。以天然气为燃料的热电联 产或冷、热、电联产系统已成为分布式发电和微电网的重要组成部分,在智能配 电网中发挥着重要的作用,氢和合成天然气为分布式发电提供了充足的燃料。

六各种储能技术的性能比较和应用选择
储能技术种类繁多,他们的特点各异。实际应用时,要根据各种储能技术的特点 以及对优缺点进行综合比较来选择适当的技术。供选择的主要特征包括:①能量 密度 (kWh or MWh);②功率密度 (kW or MW);③响应时间(-ms, -s, -minute); ④储能效率 (充放电效率);⑤设备寿命 (年)或充放电次数;⑥技术成熟度;⑦ 经济因素 (投资成本、运行和维护费用);⑧安全和环境方面的考虑。 在实际工程项目中,要根据储能技术的上述特征,应用的目的和需求,来选择其 种类、安装地点、容量以及各种技术的配合,还要考虑用户的经济承受能力。

6.1 放电时间对比
储能技术性能如果按放电时间划分,可分为 ①短放电时间(秒至分钟级),如超级电容器、超导储能、飞轮储能, ②中等放电时间(分钟至小时级),如飞轮储能、各种电池等, ③较长放电时间(小时至天级),如各类电池、抽水蓄能、压缩空气等, ④特长放电时间(天至月级),如氢和合成天然气。 上述放电时间短的,常常是功率型的,一般可用作 UPS 和提高电能质量。中等放 电时间的,可用于电源转接。较长或特长时间的,一般是能量型的,可用于系统 的能量管理。 目前应用最广泛的大型抽水蓄能可以解决天级的储能要求,要满足 周和月级的储能需求要依靠其他种类储能手段,如氢和合成天然气。

不同储能技术的储能容量能量和放电时间的比较示于图, 可以看出不同的储能技 术处于图中不同的位置。

6.2 功率对比
大规模、永久储能的应用可分为三类: ① 电能质量要求:在该应用中,储存能量仅用于在几秒钟或更少的时间,以确 保传输电能的品质。 ② 应急能量要求:在这些应用中,贮存的能量可用几秒到几分钟,从一个电源 切换到另一个电源时,以保证电能的连续性。 ③ 系统能量管理要求:在这些应用中,储能系统用于发电和消耗之间的去耦及 同步。典型的应用是负载平衡,这意味着在非高峰时储存能量(能量成本低), 并在高峰时段使用存储的能量(能量较高的成本)。

6.3 效率对比
储能的效率和寿命(循环的最大数)是两个重要参数,因为它们影响到存储的成 本。下图给出不同存储技术相对于效率和寿命的特点。

6.4 投资对比
投资成本是一个重要的经济参数,影响能源生产的总成本。每个循环的成本可能 是评估能量存储系统成本的最佳方式。下图给出投资的主要组分,考虑到耐用性 和效率。

6.5 密度对比
存储系统的体积很重要,首先,它可能被安装在一个受限制的或昂贵的空间,例 如在城市地区。其次,体积增加,则需要更多的材料和更大的施工现场,从而增 加了系统的总成本。

参考资料
Ibrahim H. Energy storage systems-characteristics and comparisons [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008,12(5)1221-1250


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