储能技术综述

* Ø 储能装置快速的功率调节能力使其突破了传统电力系 统主要依赖继电保护和自动装置的被动致稳框架，彻 底改变传统电力系统中缺乏快速补偿不平衡功率的手 段的状况，形成崭新的主动致稳新思想。 Ø 在目前所提出的各种超导电力装置中，储能装置具有较 大的技术可行性和经济价值，因此随着高温超导和电力电 子技术的不断进步，开展储能装置的研制工作对各国电力 事业具有深远的意义，而且也是各国经济战略发展的需要 。 * 储能技术在电力系统中的应用 Ø 电网调峰 Ø 系统备用容量 Ø 调节电网中的过负荷冲击 Ø 提高电力系统稳定性 Ø 静止无功补偿 Ø 改善电能品质 Ø 分布式电源和可再生能源的功率平滑装置 * 到目前为止，人们已经探索和开发了多种形式的电 能储能方式，主要可分为： 机械储能、化学储能和电磁 储能 等。 主要储能技术 * 机械储能： 抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能 化学储能： 铅酸电池、氧化还原液流电池、钠流电池、 锂离子电池 电磁储能： 超导储能、超级电容器储能 主要储能技术 * 机械储能－抽水蓄能 广泛采用的大规模、集中式储能手段。 利用自然界里数量最大的液体－水的势能进行储能。需要 配备上、下游两个水库。 在 负荷低谷时段 ，抽水蓄能设备工作在 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 ，工作在 发电机状态 ，利用储存在上游水库中 的发电。 一些高坝水电站具有储水容量，可以将其用作抽水蓄能电 站进行电力调度。 * 机械储能－抽水蓄能 发展现状： 19世纪 90年代于意大利和瑞士得到应用，据统计目前全世界 共有超过 90GW的抽水蓄能机组投入运行。 日、美、西欧等国 20世纪 60～ 70年代出现抽水蓄能电站的 建设高峰。其中日本是世界上机组水平最高的国家，在技术方面 引领世界潮流。 我国上世纪 90年代开始发展，有广州抽水蓄能 1期，十三陵， 浙江天荒坪等抽水蓄能电站。资料统计，已装机 5.7GW，占全国装 机容量的 1.8%。 * 机械储能－抽水蓄能 优点： 技术上成熟可靠，容量可以做的很大，受水库库容限制。 缺点： 建造受地理条件限制，需合适落差的高低水库，远离负荷中 心； 抽水和发电中有相当数量的能量被损失，储能密度较差； 建设周期长，投资大； * 机械储能－飞轮储能 Flywheel Energy Storage 将能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮中。由高强度合 金和复合材料的转子、高速轴承、双馈电机，电力转换器和真 空安全罩组成。 电能驱动飞轮高速旋转，电能变飞轮动能储存，需要时， 飞轮减速，电动机做发电机运行，飞轮的加速和减速实现了充 电和放电。 * 机械储能－飞轮储能 特点： 储能密度高、充放电速度快、效率高、寿命长、无污染、应 用范围广、适应性强等特点。 目前用于调峰、风力发电，太阳能储能、电动汽车、 UPS、低 轨道卫星、电磁炮、鱼雷。 国内相关单位：清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华科 大、华北电大、中科院电工所。 2009年 8月 5日，国内最先进和可 靠的两台 250kVA移动式飞轮发电车落户北京电力公司，执行供电 保障和应急供电任务。 * 机械储能－压缩空气储能 上世纪 50年代提出，目的是削峰填谷。 两个循环构成其储能过程：一是充气压缩循环；二是排气 膨胀循环。 压缩时，双馈电机做电动机工作，利用谷荷时的多余电力 驱动压缩机，将高压空气压入地下储气洞；峰荷时，双馈电机 做发电机工作，储存压缩空气先经过回热器预热，再使用燃料 在燃烧室内燃烧，进入膨胀系统中做工（如驱动燃汽轮机）发 电。 德国、美国、日本和以色列建成过示范性电站。 * 化学储能－铅酸电池 它是以二氧化碳和海绵状金属铅分别为正、负极活性物质 ，硫酸溶液为电解质的一种蓄电池，距今 140年历史。 优点： 自放电小， 25℃ 下自放电率小于 2%/月；结构紧凑，密封好 ，抗振动，大电流性能好；工作温度范围宽， -40℃ ～ 50℃ ； 价格低廉；制造维护成本低；无记忆效应（浅循环工作时容量 损失）。 目前，世界各地已建立了许多基于铅酸电池的储能系统。 例如：德国柏林 BEWAG的 8.8MW/8.5MWh的蓄电池储能系统，用于 调峰和调频。 * 化学储能－铅酸电池 工程地点 建 设时间 额 定容量 (MWh) 额 定功率 (MW) Crescent 美国加州 1987 0.5 0.5 Prepa波多黎 各 1994 14 20 Vernon 美国加州 1995 4.5 3 Herne- Sodingen 德国 Late 1990s 1.2 1.2 * 化学储能－铅酸电池 中国加入 WTO后，由于看好中国蓄电池市场巨大潜力以及 发达国家对蓄电池行业的限制政策，越来越多国外大型电池制 造商选择在中国建厂和生产，目前我国铅酸电池产量占世界的 1/3，生产研发技术与国际先进说平差距不明显。保定风帆、哈 尔滨光宇，江苏双登、湖北骆驼等，都是主要电池制造企业。 * 化学储能－钠流电池、液流电池、钠/氯化镍电池 钠流电池是一种新型蓄电池。采用熔融液态电极和固体电 解质，其中，负极的活性物质是熔融金属钠，正极活性物质是 硫和多硫化钠熔盐。 液流电池或称氧化还原液流电池，是正负极活性物质均为 液态流体氧化还原电对的一种电池。最早由美国航空航天局（ NASA）资助设计， 1974年申请了专利。目前主流是全钒电池群 雄并起，铁铬电池陷于停顿、多硫化钠 /溴电池刚刚兴起。 钠 /氯化镍电池是一种在钠流电池的基础上发展起来的新型 储能电池，具有较高的能量密度和功率密度，具备可过充电、 无自放电，运行维护简单等优势。 * 化学储能－锂离子电池 优势是储能密度高、储能效率高、循环寿命长等。鉴于上 述优点，近年来得到了快速发展，随着制造技术和制造成本的 不断降低，将锂离子电池用于储能非常具有应用前景。 目前，单体电池标准循环寿命已经超过 1000次，仅从电池 单体的角度来看，锂离子电池的比能量和循环寿命已基本满足 储能应用需求，但在锂离子电池组应用时，循环寿命只有 400～ 600次，甚至更低，严重制约了锂离子电池储能应用。 锂离子电池在电力系统的应用方面，美国走在前面。 2009 年的储能项目研究规划中，拟开展锂离子电池用于分布式储能 的研究和开发。 * 电磁储能－超导储能 超导磁储能（ SMES）单元是由一个置于低温环境的超导线 圈组成，低温是由包含液氮或者液氦容器的深冷设备提供。功 率变换 /调节系统将 SMES单元与交流电力系统想念，并且可以根 据电力系统的需要对储能线圈进行充放电。通常使用两种功率 变换系统将储能线圈和与交流电力系统相连：一种是电流源型 变流器；另一种是电压源型变流器。 * 电磁储能－超级电容器储能 超级电容器（ SC）是近几十年来，国里外发展起来的一种 介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件。它具备 传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储能电荷的能力。 与传统电容相比，具备达到法拉级别的超大电容量、较高的能 量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，充放电循环次数 达到十万次以上，且不用维护；与化学电池相比，具备较高的 比功率，且对环境无污染。 综上， SC是一种高效、实用、环保的能量存储装置，它优 越的性能得到各方的总是，目前发展十分迅速。 * 各种储能技术特点总结 各种储能技术在其能量密度和功率密度方面均有不同的表 现，而同时电力系统也对储能系统不同应用提出了不同的技术 要求，很少有一种出储能技术可以完全胜任电力系统中的各种 应用，因此，必须兼顾双方需求，选择匹配的储能方式与电力 应用。 * 各种储能技术特点总结 根据各种储能技术的特点，抽水储能、压缩空气储能和电 化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源接 入等大规模、大容量的应用场合，而超导、飞轮及超级电容器 储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂 降和瞬时停电、提高用户的用电质量，抑制电力系统低频振荡 、提高系统稳定性等。 * 各种储能技术特点总结 抽水蓄能电站在电网中可承担调峰填谷、调频、调相、紧 急事故备用和黑启动等多种任务，抽水蓄能电站的建设对优化 电源结构、提高电网的安全、稳定、经济运行水平、促进电网 节能降耗、改善电能质量和供电可靠性等具有不可替代的作用 。特别是随着大核电、大水电和大风电的建设，抽水蓄能电站 的作用日趋明显。而当前我国的抽水蓄能电站装机容量比重相 对较低，远不能满足电网长期安全稳定运行的需要。 * 各种储能技术特点总结 铅酸电池尽管目前仍是世界上产量和用量最大的一种蓄电 池，但从长远发展看，他尚不能满足今后电力系统大规模高效 储能的要求，而钠硫电池具有的一系列特点是他们成为未来大 规模电化学储能的两种方式，特别是液流电池，它有望在未来 的 10~20年内逐步取代铅酸电池。而锂电池在电动汽车的推动下 也有望成为后起之秀。 * 各种储能技术特点总结 储能类型 典型额定功率 额定容量 特点 应用场合 机 械 储 能 抽水储能 100~2000MW 4~10小时 适用于大规模，技术 成熟。响应慢，需要 地理资源 日负荷调节，频 率控制和系统备 用 压缩空气 10~300MW 1~20小时 适用于大规模。响应 慢，需要地理资源。 调峰、调频、系 统备用、风电储 备 飞轮储能 5Kw~10MW 1秒 ~30分钟 比功率较大。成本高 ，噪音大。 调峰、频率控制 、 UPS和电能质量 电 磁 储 能 超导储能 10Kw~50MW 2秒 ~5分 响应快，比功率高。 成本高，维护困难。 输配电稳定、抑 制振荡 高能电容 1~10MW 1~10秒 响应快，比功率高。 比能量低。 输电系统稳定、 电能质量控制 超级电容 10kW~1MW 1~30秒 响应快，比功率高。 成本高、出能量低。 可应用于定制电 力及 FACTS * 各种储能技术特点总结 储能类型 典型额定功率 额定容量 特点 应用场合 电 化 学 储 能 铅酸电池 kW~50MW 分钟 ~小时 技术成熟，成本低 。寿命短，环保问 题。 电能质量、电站 备用、黑启动 液流电池 5kW~100MW 1~20小时 寿命长，可深放， 适于组合，效率高 ，环保性好。但能 量密度稍低 电能质量、备用 电源、调峰填谷 、能量管理、可 再生储能、 EPS 钠硫电池 100kW~100M W 数小时 比能量和比功率较 高。高温条件、运 行安全问题有待改 进。 电能质量、备用 电源、调峰填谷 、能量管理、可 再生储能、 EPS 锂电池 kW~MW 分钟 ~小时 比能量高。成组寿 命、安全问题有待 改进。 电能质量、备用 电源、 UPS * * 超导体 （ superconductor） 超导体是指当某种导体在一定温度下 ，可使 电阻 为零的导体 。 零 电阻 和 抗磁性 是超导体的两个重要特性 ，也称为超导现象 。使超 导体电阻为零的温度，叫 超导 临界温度 。 * 1.1 超导的发现 1.超导技术导言 荷兰物理学家 昂纳斯 (Heike Kamerlingh Onnes) Ø 低温物理学家 Ø 1853年 9月 21日生于荷兰 的格罗宁根， 1926年 2月 21日卒于荷兰的莱顿．因 制成液氦和发现超导现象 象 1913年获诺贝尔物理学 奖． * 1908年年 7月月 10日日 ,卡末林卡末林 -昂纳斯和他的同事在精心准备昂纳斯和他的同事在精心准备 之后，集体攻关，终于使氦液化。这次卡末林之后，集体攻关，终于使氦液化。这次卡末林 -昂纳斯共获昂纳斯共获 得了得了 60cc的液氦，达到了的液氦，达到了 4.3K的低温。他们又经过多次实的低温。他们又经过多次实 验，第二年达到验，第二年达到 1.38-1.04K。。 它标志着所有物质都可以存它标志着所有物质都可以存 在于气液固状态。在于气液固状态。 “永久气体 ”氦气液化成功 1.超导技术导言 1.1 超导的发现 *1.超导技术导言 1.1 超导的发现 低温冷却介质地成功获取，使昂纳斯研究各种金属导体 在低温状态下特性成为了可能。 昂纳斯试着利用液态氦对汞进行冷却，终于使汞的温度 冷却到接近绝对 零度。当他将电流通过汞线，测量汞线 的 电阻随温度变化时，一个奇异的现象出现了：当温度降到 4.2K时，电阻突然消失了。 1911年 12月 28日昂纳斯宣布了这一发现。但此时他还没 有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现 象。