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最全面的儲能技術種類及特點分析

鉅大LARGE  |  點擊量:665次  |  2019年01月22日  

摘要
儲能技術是通過裝置或物理介質將能量儲存起來以便以后需要時利用的技術。儲能技術按照儲存介質進行分類,可以分為機械類儲能、電氣類儲能、電化學類儲能、熱儲能和化學類儲能。

儲能技術是通過裝置或物理介質將能量儲存起來以便以后需要時利用的技術。儲能技術按照儲存介質進行分類,可以分為機械類儲能、電氣類儲能、電化學類儲能、熱儲能和化學類儲能。


一、機械類儲能


機械類儲能的應用形式只要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能。


1.1抽水蓄能


(1)基本原理


電網低谷時利用過剩電力將作為液態能量媒體的水從低標高的水庫抽到高標高的水庫,電網峰荷時高標高水庫中的水回流到下水庫推動水輪機發電機發電。


(2)特點


屬于大規模、集中式能量儲存,技術相當成熟,可用于電網的能量管理和調峰;


效率一般約為65%~75%,最高可達80%~85%;


負荷響應速度快(10%負荷變化需10秒鐘),從全停到滿載發電約5分鐘,從全停到滿載抽水約1分鐘;


具有日調節能力,適合于配合核電站、大規模風力發電、超大規模太陽能光伏發電。


(3)缺點


需要上池和下池;


廠址的選擇依賴地理條件,有一定的難度和局限性;


與負荷中心有一定距離,需長距離輸電。


(4)應用


目前,抽水蓄能機組在一個國家總裝機容量中所占比重的世界平均水平為3%左右。截至2012年底,全世界儲能裝置總容量為128GW,其中抽水蓄能為127GW,占99%。截至2012年年底,我國共有抽水蓄能電站34座,其中,投運26座,投運容量2064.5萬千瓦約占全國總裝機容量11.4億千瓦的1.8%。(另在建8座,在建容量894萬千瓦)


1.2飛輪儲能


(1)基本原理


在一個飛輪儲能系統中,電能用于將一個放在真空外殼內的轉子即一個大質量的由固體材料制成的圓柱體加速(達幾萬轉/分鐘),從而將電能以動能形式儲存起來(利用大轉輪所儲存的慣性能量)。


(2)優點


壽命長(15~30年);


效率高(90%);


少維護、穩定性好;


較高的功率密度;


響應速度快(毫秒級)


(3)缺點


能量密度低,只可持續幾秒至幾分鐘;


由于軸承的磨損和空氣的阻力,具有一定的自放電。


(4)應用


飛輪儲能多用于工業和UPS中,適用于配電系統運行,以進行頻率調節,可用作一個不帶蓄電池的UPS,當供電電源故障時,快速轉移電源,維持小系統的短時間頻率穩定,以保證電能質量(供電中斷、電壓波動等)。


在我國剛剛開始在配電系統中安裝使用。電科院電力電子研究所曾為北京306醫院安裝了一套容量為250kVA,磁懸浮軸承的飛輪儲能系統,能運行15秒,2008年投運。


1.3壓縮空氣儲能


(1)基本原理


壓縮空氣儲能采用空氣作為能量的載體,大型的壓縮空氣儲能利用過剩電力將空氣壓縮并儲存在一個地下的結構(如地下洞穴),當需要時再將壓縮空氣與天然氣混合,燃燒膨脹以推動燃氣輪機發電。


(2)優點


有調峰功能,適合用于大規模風場,因為風能產生的機械功可以直接驅動壓縮機旋轉,減少了中間轉換成電的環節,從而提高效率。


(3)缺點


需要大的洞穴以存儲壓縮空氣,與地理條件密切相關,適合地點非常有限;


需要燃氣輪機配合,并要一定量的燃氣作燃料,適合于用作能量管理、負荷調平和削峰;


以往開發的是一種非絕熱(diabatic)的壓縮空氣儲能技術??諝庠趬嚎s時所釋放的熱,并沒有儲存起來,通過冷卻消散了,而壓縮的空氣在進入透平前還需要再加熱。因此全過程效率較低,通常低于50%。


(4)應用


至今,只有德國和美國有投運的壓縮空氣儲能站。德國Hundorf站于1978年投運,壓縮功率60MW,發電功率290MW(后經改造提高到321MW),壓縮時間/發電時間=4,2小時連續運行,啟動過上萬次,啟動可靠率達97%。此外,德國正在建造絕熱型壓縮空氣儲能電站,尚未投運美國Mcintosh,Alabama阿拉巴馬州,1991年投運,110MW,壓縮時間/發電時間=1.6,如連續輸出100MW可維持26小時,曾因地質不穩定而發生過坍塌事故。此外,美國正在建設幾座大型的壓縮空氣儲能電站,尚未投運。


近來壓縮空氣儲能的研究和開發熱度在不斷上升,國家電網公司已立項研究10MW壓縮空氣儲能,項目負責人清華大學盧強院士。


二、電氣類儲能


電氣類儲能的應用形式只要有超級電容器儲能和超導儲能。


2.1超級電容器儲能


(1)基本原理


根據電化學雙電層理論研制而成的,又稱雙電層電容器,兩電荷層的距離非常?。ㄒ话?.5mm以下),采用特殊電極結構,使電極表面積成萬倍的增加,從而產生極大的電容量。


(2)優點


長壽命、循環次數多;


充放電時間快、響應速度快;


效率高;


少維護、無旋轉部件;


運行溫度范圍廣,環境友好等。


(3)缺點


超級電容器的電介質耐壓很低,制成的電容器一般耐壓僅有幾伏,儲能水平受到耐壓的限制,因而儲存的能量不大;


能量密度低;


投資成本高;


有一定的自放電率。


(4)應用


超級電容器儲能開發已有50多年的歷史,近二十年來技術進步很快,使它的電容量與傳統電容相比大大增加,達到幾千法拉的量級,而且比功率密度可達到傳統電容的十倍。超級電容器儲能將電能直接儲存在電場中,無能量形式轉換,充放電時間快,適合用于改善電能質量。由于能量密度較低,適合與其他儲能手段聯合使用。


2.2超導儲能


(1)基本原理


超導儲能系統是由一個用超導材料制成的、放在一個低溫容器(cryogenicvessel)(杜瓦Dewar)中的線圈、功率調節系統(PCS)和低溫制冷系統等組成。能量以超導線圈中循環流動的直流電流方式儲存在磁場中。


(2)優點


由于直接將電能儲存在磁場中,并無能量形式轉換,能量的充放電非??欤◣缀撩胫翈资撩耄?,功率密度很高;


極快的響應速度,可改善配電網的電能質量。


(3)缺點


超導材料價格昂貴;


維持低溫制冷運行需要大量能量;


能量密度低(只能維持秒級);


雖然已有商業性的低溫和高溫超導儲能產品可用,但因價格昂貴和維護復雜,在電網中應用很少,大多是試驗性的。


(4)應用


超導儲能適合用于提高電能質量,增加系統阻尼,改善系統穩定性能,特別是用于抑制低頻功率振蕩。但是由于其格昂貴和維護復雜,雖然已有商業性的低溫和高溫超導儲能產品可用,在電網中應用很少,大多是試驗性的。SMES在電力系統中的應用取決于超導技術的發展(特別是材料、低成本、制冷、電力電子等方面技術的發展)。


三、電化學類儲能


電化學類儲能主要包括各種二次電池,有鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池等,這些電池多數技術上比較成熟,近年來成為關注的重點,并且還獲得許多實際應用。


3.1鉛酸電池


(1)基本原理


鉛酸電池是世界上應用最廣泛的電池之一。鉛酸電池內的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中,兩極間會產生2V的電勢,這就是鉛酸電池的原理。經由充放電,則陰陽極及電解液即會發生如下的變化:


(陽極)(電解液)(陰極)


PbO2+2H2SO4+Pb—>PbSO4+2H2O+PbSO4(放電反應)


(過氧化鉛)(硫酸)(海綿狀鉛)


(陽極)(電解液)(陰極)


PbSO4+2H2O+PbSO4—>PbO2+2H2SO4+Pb(充電反應)


(硫酸鉛)(水)(硫酸鉛)


(2)優點


技術很成熟,結構簡單、價格低廉、維護方便;


循環壽命可達1000次左右;


效率可達80%至90%,性價比高。


(3)缺點


深度、快速、大功率放電時,可用容量下降;


能量密度較低,壽命較短。


(4)應用


鉛酸電池常常用于電力系統的事故電源或備用電源,以往大多數獨立型光伏發電系統配備此類電池。目前有逐漸被其他電池(如鋰離子電池)替代的趨勢。


3.2鋰離子電池


(1)基本原理


鋰離子電池實際上是一個鋰離子濃差電池,正負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物構。充電時,Li+從正極脫嵌經過電解質嵌入負極,此時負極處于富鋰態,正極處于貧鋰態;放電時則相反,Li+從負極脫嵌,經過電解質嵌入正極,正極處于富鋰態,負極處于貧鋰態。


(2)優點


鋰離子電池的效率可達95%以上;


放電時間可達數小時;


循環次數可達5000次或更多,響應快速;


鋰離子電池是電池中比能量最高的實用型電池,有多種材料可用于它的正極和負極(鈷酸鋰鋰離子電池、錳酸鋰鋰離子電池、磷酸鐵鋰鋰離子電池、鈦酸鋰鋰離子電池等)。


(3)缺點


鋰離子電池的價格依然偏高;


有時會因過充電而導致發熱、燃燒等安全問題,有一定的風險,所以需要通過過充電保護來解決。


(4)應用


由于鋰離子電池在電動汽車、計算機、手機等便攜式和移動設備上的應用,所以它目前幾乎已成為世界上應用最為廣泛的電池。鋰離子電池的能量密度和功率密度都較高,這是它能得到廣泛應用和關注的主要原因。它的技術發展很快,近年來,大規模生產和多場合應用使其價格急速下降,因而在電力系統中的應用也越來越多。鋰離子電池技術仍然在不斷地開發中,目前的研究集中在進一步提高它的使用壽命和安全性,降低成本、以及新的正、負極材料的開發上。


3.3鈉硫電池


(1)基本原理


鈉硫電池的陽極由液態的硫組成,陰極由液態的鈉組成,中間隔有陶瓷材料的貝塔鋁管。電池的運行溫度需保持在300℃以上,以使電極處于熔融狀態。


(2)優點


循環周期可達4500次;


放電時間可達6至7小時;


周期往返效率約為75%;


它的能量密度高,響應時間快(毫秒級)。


(3)缺點


由于它使用了金屬鈉,是一種易燃物,又運行在高溫下,所以存在一定的風險。


(4)應用


日本的NGK公司是世界上唯一能制造出高性能的鈉硫電池的廠家。目前采用50kW的模塊,可由多個50kW的模塊組成MW級的大容量的電池組件。在日本、德國、法國、美國等地已建有約200多處此類儲能電站,主要用于負荷調平、移峰、改善電能質量和可再生能源發電,電池價格仍然較高。


3.4全釩液流電池


(1)基本原理


在液流電池中,能量儲存在溶解于液態電解質的電活性物種中,而液態電解質儲存在電池外部的罐中,用泵將儲存在罐中的電解質打入電池堆棧,并通過電極和薄膜,將電能轉化為化學能,或將化學能轉化為電能。


(2)缺點


能量密度和功率密度與其他電池相比,如鋰離子電池,要低;


響應時間也不很快。


(3)優點


全釩液流電池技術已比較成熟;


壽命長,循環次數可超過10000次以上。


(4)應用


液流電池有多個體系,其中全釩氧化還原液流電池(vanadiumredoxflowbattery,VRFB)最受關注。這種電池技術最早為澳大利亞新南威爾士大學發明,后技術轉讓給加拿大的VRB公司。在2010年以后被中國的普能公司收購,中國的普能公司的產品在國內外一些試點工程項目中獲得了應用。電池的功率和能量是不相關的,儲存的能量取決于儲存罐的大小,因而可以儲存長達數小時至數天的能量,容量也可達MW級,適合于應用在電力系統中。


四、熱儲能


(1)基本原理


在一個熱儲能系統中,熱能被儲存在隔熱容器的媒質中,以后需要時可以被轉化回電能,也可直接利用而不再轉化回電能。


熱儲能有許多不同的技術,可進一步分為顯熱儲存(sensibleheatstorage)和潛熱儲存(latentheatstorage)等。顯熱儲存方式中,用于儲熱的媒質可以是液態的水,熱水可直接使用,也可用于房間的取暖等,運行中熱水的溫度是有變化的。而潛熱儲存是通過相變材料(PhaseChangeMaterials,PCMs)來完成的,該相變材料即為儲存熱能的媒質。


(2)缺點


n熱儲能要各種高溫化學熱工質,應用場合比較受限。


(3)應用


由于熱儲能儲存的熱量可以很大,所以在可再生能源發電的利用上會有一定的作用。熔融鹽常常作為一種相變材料,用于集熱式太陽能熱發電站中。此外,還有許多其他種類的儲熱技術正在開發中,它們有許多不同的作用。


五、化學類儲能


化學類儲能主要是指利用氫或合成天然氣作為二次能源的載體。


(1)基本原理


利用待棄掉的風電制氫,通過電解水,將水分解為氫氣和氧氣,從而獲得氫。以后可直接用氫作為能量的載體,再將氫與二氧化碳反應成為合成天然氣(甲烷),以合成天然氣作為另一種二次能量載體。


(2)優點


采用這兩種物質作能量載體的好處是儲存的能量很大,可達TWh級;


儲存的時間也很長,可達幾個月;


另外氫和合成天然氣除了可用于發電外,還可有其他利用方式,如交通等。


(3)缺點


全周期效率較低,制氫效率只有70%左右,而制合成天然氣的效率60-65%,從發電到用電的全周期效率更低,只有30%-40%;


(4)應用


將氫與二氧化碳合成為甲烷的過程也被稱作為P2G技術(powertogas)。德國熱衷于推動此項技術,已有示范項目在德國投入運行。以天然氣為燃料的熱電聯產或冷、熱、電聯產系統已成為分布式發電和微電網的重要組成部分,在智能配電網中發揮著重要的作用,氫和合成天然氣為分布式發電提供了充足的燃料。


六、各種儲能技術的性能比較和應用選擇


儲能技術種類繁多,他們的特點各異。實際應用時,要根據各種儲能技術的特點以及對優缺點進行綜合比較來選擇適當的技術。供選擇的主要特征包括:①能量密度(kWhorMWh);②功率密度(kWorMW);③響應時間(-ms,-s,-minute);④儲能效率(充放電效率);⑤設備壽命(年)或充放電次數;⑥技術成熟度;⑦經濟因素(投資成本、運行和維護費用);⑧安全和環境方面的考慮。


在實際工程項目中,要根據儲能技術的上述特征,應用的目的和需求,來選擇其種類、安裝地點、容量以及各種技術的配合,還要考慮用戶的經濟承受能力。


6.1放電時間對比


儲能技術性能如果按放電時間劃分,可分為


①短放電時間(秒至分鐘級),如超級電容器、超導儲能、飛輪儲能,


②中等放電時間(分鐘至小時級),如飛輪儲能、各種電池等,


③較長放電時間(小時至天級),如各類電池、抽水蓄能、壓縮空氣等,


④特長放電時間(天至月級),如氫和合成天然氣。


上述放電時間短的,常常是功率型的,一般可用作UPS和提高電能質量。中等放電時間的,可用于電源轉接。較長或特長時間的,一般是能量型的,可用于系統的能量管理。目前應用最廣泛的大型抽水蓄能可以解決天級的儲能要求,要滿足周和月級的儲能需求要依靠其他種類儲能手段,如氫和合成天然氣。


不同儲能技術的儲能容量能量和放電時間的比較示于圖,可以看出不同的儲能技術處于圖中不同的位置。


6.2功率對比


大規模、永久儲能的應用可分為三類:


①電能質量要求:在該應用中,儲存能量僅用于在幾秒鐘或更少的時間,以確保傳輸電能的品質。


②應急能量要求:在這些應用中,貯存的能量可用幾秒到幾分鐘,從一個電源切換到另一個電源時,以保證電能的連續性。


③系統能量管理要求:在這些應用中,儲能系統用于發電和消耗之間的去耦及同步。典型的應用是負載平衡,這意味著在非高峰時儲存能量(能量成本低),并在高峰時段使用存儲的能量(能量較高的成本)。


6.3效率對比


儲能的效率和壽命(循環的最大數)是兩個重要參數,因為它們影響到存儲的成本。下圖給出不同存儲技術相對于效率和壽命的特點。


6.4投資對比


投資成本是一個重要的經濟參數,影響能源生產的總成本。每個循環的成本可能是評估能量存儲系統成本的最佳方式。下圖給出投資的主要組分,考慮到耐用性和效率。


6.5密度對比


存儲系統的體積很重要,首先,它可能被安裝在一個受限制的或昂貴的空間,例如在城市地區。其次,體積增加,則需要更多的材料和更大的施工現場,從而增加了系統的總成本。

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