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分布式发电各种储能技术比较


适用于分布式发电的储能技术比较 分布式发电, 一般指为满足用户特定的需要、 支持现存配电网的经济运行或同时满足这 两方面的要求,且在用户现场或靠近用户现场配置功率为数千瓦到 50 MW 的小型且与环境兼 容的发电机组;从更广泛的定义来看,分布式发电指的是任何安装在用户附近的发电设施, 包含热电联产、 冷热电联产以及各种蓄能技术等, 而不论这种发电形式的规模大小和一次能 源的使用类

型[1]。 分布式发电技术有多种分类方式, 按发电能源是否可以再生分为两大类: 一类利用可再 生能源,主要包括风力发电、太阳能光伏、小水电、地热能、生物质能、海洋能等发电形式; 另一类利用不可再生能源,主要包括热电联产、微型燃气轮机、燃料电池等发电形式。其中 的风力发电和太阳能光伏技术,具有的波动性、随机性、间歇性成为制约新能源并网的关键 问题,而储能技术则是解决这一问题的有效手段。 目前储能技术在全球范围得到关注, 取得了迅速的发展, 储能在分布式发电中起的作用 可概括为三个方面[3]: 对系统起稳定的作用;适量的储能可以在分布式发电单元不能正常运 行的情况下起过渡作用;储能使得不可调度的分布式发电单元能够作为可调度机组单元运行, 实现与大电网的并网运行,提供削峰、紧急功率支持等服务。 1 适用于分布式发电的储能技术 储能技术具有极高的战略地位, 长期以来世界各国都在一直不断支持储能技术研究和应 用,并给予大力的财政资助。可用于分布式发电的储能方式主要有电池储能、抽水蓄能、飞 轮储能、压缩空气储能、超导储能。超导储能目前受制于技术的进步,短期内看不到大规模 应用的前景;飞轮储能转换效率较低, 大功率飞轮实现难度大;压缩空气储能对安全要求较高, 实现存在一定难度。国内主要倡导的是抽水蓄能和电池储能。抽水蓄能电站技术成熟、存储 容量大、运行寿命长,适宜于电力系统的大容量储能,但是受水资源和地理条件的限制。因 此,电池储能的技术研究是目前分布式发电领域研究热点之一。 1.1 钠硫电池 钠硫电池由美国福特(Ford)公司于 1967 年首先发明,至今已有 40 多年的历史。然而, 受困于电池的性能提升、安全可靠性保障技术、成本以及规模化生产的工艺和装备技术,尤 其是核心部件氧化铝陶瓷管(在电池中起隔膜作用)的制造及保持电池一致性的批量化生产 工艺,使世界上多家曾经涉足过钠硫电池研发的公司陆续退出。 1.2 液流电池 液流电池全称为全钒离子氧化还原液流电池,液流电池中的两个氧化-还原电对的活性 物质,分别装在两个大储液罐中的溶液中,各用一个泵,使溶液流经电池,并在离子交换膜 两侧的电极上分别发生还原和氧化反应。 单电池通过双极板串联成堆。 钒液流电池作为储能 电源,主要用于电厂(电站) 调峰电源系统、大规模的光电转换系统、风能发电的储能电源 以及边远地区储能系统、不间断电源或应急电源系统等。 1.3 镍氢电池 作为碱性电池的镍氢电池与铅酸电池比较,具有容量大、结构坚固、充放循环次数多的 特点,但价格也高一些。镍氢电池是新型环保的二次碱性电池,正极材料为羟基氧化镍,负

极材料为储氢合金粉,不含铅、铬、汞等有毒物质。镍氢电池是密封免维护电池,正常使用 过程中也不会产生任何有害物质。 1.4 锂离子电池 锂离子电池是新型绿色环保蓄电池,主要结构分为正极、负极、电解液、隔膜。当放电 时,锂离子从负极释放出进入正极,充电时,锂离子从正极释放进入负极。锂离子电池按正 极材料分类主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸亚铁锂等。各种系列锂电池特 性比较如下:磷酸亚铁锂,因为高放电功率、成本低、可快速充电且循环寿命长(1000 次以 上),在高温高热环境下的稳定 性高(300℃高温以上才有安全隐患),在大容量、高功率、安全性方面表现出最佳的性 能;三元材料是钴锰镍混合材料,所表现出的电化学性能兼备了钴锰镍三者的优点,弥补了 各自的不足,具有高比容量、成本较低、循环性能稳定、安全性能较好等特点,多在小型功 率型电池设计中采用;锰酸锂安全性比钴酸锂高, 但高温环境的循环寿命较差(500 次);钴酸 锂容量较高,最大的问题是安全性差、成本高、循环寿命短。 2 各种电池储能优缺点及应用现状 2.1 钠硫电池 钠硫电池最早发明于 20 世纪 60 年代中期,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。 钠硫电池优点:比能量高;可大电流、高功率放电; 充放电效率高。缺点:工作温度较 高(300~350 ℃); 充电状态只能用平均值计量, 需要周期性的离线度量;由于硫具有腐蚀性, 电池壳体需经过严格耐腐处理;技术受国外垄断。 目前, 全球只有日本 NGK 拥有成熟的钠硫电池生产和研发体系, 在市场上也有成熟的应 用业绩。我国在大容量钠硫电池关键技术和小批量制备(年产 2MW)上也取得了突破,但在生 产工艺、重大装备、成本控制和满足市场需求等方面仍存在明显不足。上海市电力公司与上 海硅酸盐所联合开发储能钠硫电池,已建立了钠硫电池的 2 MW 中试线,并制备了 650Ah 的 钠硫单体电池样品,但是在循环寿命、充放倍率、生产成本等关键性能指标上距离 NGK 仍 然有较大的差距。 2.2 液流电池 液流电池优点:电池的功率和储能容量可以独立设计,电池系统组装设计灵活;电池系 统可高功率输出;电池系统易于维护, 安全稳定;环境友好;可超深度放电 (100%)而不引起电 池的不可逆损伤;响应速度快。缺点是:需要额外的动力电源维持电池的正常运行,降低了 其整体的能量效率;电解液易泄露, 需事故预防;液流电池的造价较高, 与铁锂电池相比性价 比差。 液流电池最早由美国航空航天局(NASA)资助研发,澳大利亚的 Pinnacle VRB Ltd 公司 及加拿大的 VRB Power Systems 公司在大型液流电池储能系统(VRBESS)的开发上走在世界前 列。我国研究始于 20 世纪 90 年代,中国科学院大连物化所、中国工程物理研究院电子工程 研究所、中国科学院金属研究所和中南大学等先后加入到 VRB 的研究中来。2006 年,中国 科学院大连物化研制成功 10kW 级 VRB 系统, 但钒电解液和隔膜的高成本阻碍其商业化推广。 2.3 镍氢电池

镍氢电池优点:具有较高的容量、结构坚固、充放循环次数多的特点;镍氢电池是密封 免维护电池,不含铅、铬、汞等有毒物质,正常使用过程中也不会产生任何有害物质,镍氢 电池具有较好的低温放电特性, 自放电率很小, 可深度放电, 价格相对便宜且普及。 缺点是: 有记忆效应,能量密度低,充电速度较慢,原材料制造成本较高。 1982 年美国 Ovonic 公司申请储氢合金用于电池制造的专利, 1985 年荷兰的飞利浦公司 突破了储氢合金在充放电过程中容量衰减的问题,使镍氢电池广泛应用。在美国和日本,镍 氢电池技术主要应用于混合动力汽车领域。 日本松下电池公司是从事电动车用镍氢电池开发 的主要代表性厂家,不但开发了纯电池电动车用的 EV 型电池组,还开发了供汽油机—电池 混合动力源的 HEV 用的高功率型镍氢电池。 在国家 863 计划的推动下, 国内镍氢电池产业得到了较大的发展, 目前单体电池的技术 指标与国外的相差不大, 但一致性和循环寿命与国外有一定差距, 特别是集成大规模电池组 后各项指标相差较大。 北京有色金属总院进行了电动车用方形镍氢电池的研究试验, 共涉及 10、44、 80 和 100Ah 四种单体电池,比能量分别为 55、58、60、67 Wh/kg。由镍氢电池整 合而成的电池电源系统已在国内一汽、二汽、上海汽车工业集团、上海磁悬浮样车的备用电 源上广泛使用,包括北京 2008 年奥运会中标企业在内的国内混合电动车企业大都采用镍氢 蓄电池作为电源。 目前, 国内已在上海市电力公司建设的 100 kW 储能试验园区内建立了 100 kW×1.5 h 的镍氢电池储能系统,整个系统含 100kW×1.5h 镍氢电池、120kVAPCS 和专门开 发的储能用监控系统组成。 由于使用大量有色金属镍和稀土元素, 镍氢电池制造成本相对较高, 与锂离子电池相比, 比能量较低,正逐渐被锂离子电池所替代。 2.4 锂离子电池 锂离子电池不仅具备高比能量、高比功率、高能量转换效率等优点,而且兼具长循环寿 命。锂离子动力电池是电动技术产业兴起的关键,现已广泛应用于电动自行车、电动汽车等 领域,成本也在逐年下降,磷酸亚铁锂、钛酸 RURAL ELECTRIFICATION 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和循环寿命, 从而可能将锂离子电池用于更大规模 的储能。目前饱受困扰的则是有 的体系安全性稍差,价格还较高。相对于其他体系锂电池,磷酸亚铁锂电池是最有希望 的储能电池。磷酸亚铁锂材料的单位价格不高,其成本在几种电池材料中是最低的,而且对 环境无污染。磷酸亚铁锂比其他材料的体积要大,成本低,适合大型储能系统。 目前, 高功率锂离子电池储能技术日益成熟, 逐步取代镍氢电池在动力车应用的部分市 场。美国能源部 DOE 和 USABC 已支持了 3 代动力锂离子电池的研发。USABC 在 2007 年 2 月 发布了油电混合动力(PHEV)研究目标,计划开发高比功率/能量型(比功率为 500W/kg,比能 量为 56.7Wh/kg)和高比能/功率型(比能量为 96.7Wh/kg,比功率为 208.3 W/kg)两类锂离子 电池组,两类电池寿命均要求 15 年/30 万次,同时对价格、高低温性能提出要求。 3 结论 储能技术的不断发展,会促使分布式发电系统更快地发展。同时,分布式发电与储能技 术的结合大大提高了系统的能源利用率,改善系统的稳定性、可靠性以及经济性。该文在简 单分析了各种可用于分布式发电的各种储能技术之后,重点对比研究了各种电池储能技术,

认为锂离子电池储能系统是目前最有发展前景、 最有应用优势的储能方式, 随着锂离子电池 技术的完善和成本下降,锂离子电池储能系统的应用优势将更为明显。


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