总结储能专业技术与应用概述Word格式文档下载.docx

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额定功率

反应时间

效率/%

应用方向

机械储能

抽水蓄能

100~2000MW

4~10h

60~70

能量管理，频率控制和系统备用

压缩空气蓄能

100~300MW

6~20h

40~50

调峰发电厂、系统备用电源

微压缩空气蓄能

10~50MW

1~40h

-

调峰

飞轮储能

5kW~5MW

15s~15min

70~80

调峰、频率控制、UPS/EPS、

电能质量控制

电磁储能

超导电磁

10kW~20MW

Ms~15min

80~95

输配电系统暂态稳定性、提高输电能力、电能质量管理、UPS

电容器

1~100kW

1s~1min

电能质量调节、输电系统稳定性

超级电容器

与柔性交流输电技术相结合

电化学储能

铅酸电池

1kW~50MW

1min~3h

电能质量控制、系统备用电源、黑启动、UPS/EPS

先进电池技术

如NaS、Li等

1kW~10MW

1min~数h

平滑负荷、备用电源

液体电池

10kW~100kW

1~20h

分布式、可再生能源系统稳定性、用户侧平滑负荷、备用电源

2.1主要的物理储能方式

2.1.1飞轮储能

飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。

谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换;

出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。

优点是飞轮储能具有可快速充放电、循环次数多、使用寿命长、能量密度大。

缺点是飞轮储能具有较高的自损耗、长期储能效率偏低、并且由于储能容量提高困难，因此比较适合于放电工作时间在秒、分级别的场合。

2.1.2抽水储能

抽水储能广泛应用抽水储能利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。

优点是技术成熟、低成本、循环水利用。

缺点是建设抽水储能需要特殊的地理条件，大型抽水电站通常在山区，远离风电场，距离的增加意味着输电损失的增加，效率仅有70%左右，建设期长达8~10年。

2.1.3压缩空气储能

压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，即将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并贮存于贮气室中。

当用电高峰期时将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机做功发电，满足系统调峰需要。

优点是技术成熟、储气库漏气开裂可能性极小、安全系数高、寿命长、响应速度快、容量大、成本低廉、减少排放。

缺点是压缩空气储能电站建设投资和发电成本均低于抽水储能电站，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制。

2.2主要的化学储能方式

2.2.1铅酸电池

铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。

铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；

放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

优点是无记忆效应、对环境污染少、成本较低。

缺点是循环寿命短、比能量小、质量重、体积大、自放电大。

2.2.2镍系电池

分为镍镉和镍氢。

镍镉电池的电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。

负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。

活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。

极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。

电解液通常用氢氧化钾溶液。

与其它电池相比，镍镉电池的自放电率（即电池不使用时失去电荷的速率）适中。

镍镉电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。

比如，放出80％电量后再充足电，该电池只能放出80％的电量。

这就是所谓的记忆效应。

当然，几次完整的放电/充电循环将使镍镉电池恢复正常工作。

由于镍镉电池的记忆效应，若未完全放电，应在充电前将每节电池放电至1V以下。

优点是成本低，自放电小。

缺点是循环寿命短、有较强的记忆效应、质量重、体积大、含有有害物质、对人体有害。

镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染，无记忆效应。

镍氢电池的缺点是价格镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。

优点是循环寿命长、比能量大、重量轻、体积小、无环境污染。

缺点是成本高、有记忆效应、自放电大。

2.2.3全钒液流电池

全钒液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。

全钒电池是以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正负极电极反应活性物质。

方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。

这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。

优点是使用寿命长、充、放电性能好，支持过充/过放/深度放电、支持频繁充放电、维护成本低、运营成本低、系统响应快、环保、无污染、无噪音等。

缺点是体积相对较大，通常适合大容量存储。

2.2.4钠硫电池

钠硫电池是以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池，在一定的工作度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。

优点是原材料和制备成本低、能量和功率密度大、效率高、不受场地限制、维护方便。

缺点是制造成本高，安全性需提高，容易爆炸。

高温350º

C才能熔解硫和钠，因此需要附加供热设备来维持温度。

其工作温度在300～350℃，所以，电池工作时需要一定的加热保温。

而高温腐蚀严重，电池寿命较短。

2.2.5锂离子电池

锂离子电池是以含锂的化合物作正极，在充放电过程中，通过锂离子在电池正负极之间的往返脱出和嵌入实现充放电的一种二次电池。

锂离子电池实际上是锂离子的一种浓差电池，当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，并嵌入到负极材料的微孔中；

放电时，嵌在负极材料中的锂离子脱出，运动回正极。

优点：

高能量密度，超长寿命，使用安全，无记忆效应，体积小，重量轻，绿色环保开路电压高输出功率大低自放电工作温度范围宽：

可在-20℃～60℃之间正常工作。

充放电速度快。

缺点：

生产成本高，一次性投入多，配组后一致性和循环寿命不高，不能大电流放电，需要保护电路控制，磷酸铁锂电池低温性能差，电池存在一致性问题。

2.3主要的电磁储能方式

2.3.1超导储能

超导储能是将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感生电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。

试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年。

显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。

优点是功率大、体积轻、体积小、损耗小、反应快，维护简单、污染小。

缺点是失超时会出现过热，高压放电，应力过载。

2.3.2超级电容器储能

超级电容器，也称为双电层电容器，其中的电荷以静电方式存储在电极和电解质之间的双电层界面上，在整个充放电过程中，几乎不发生化学反应，因此产品循环寿命长、充放电速度快。

超级电容器主要采用具有高比表面积的碳材料作为电极，采用水系或有机系溶液作为电解液。

优点是功率密度高，充放电循环寿命长，充电时间短，实现高比功率和高比能量输出，储存寿命长，可靠性高，环境温度对正常使用影响不大，可以任意并联使用，对环境无污染。

缺点是如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；

和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。

2.4相变储能

相变储能控温材料是指在其物相变化过程中，可以与外界环境进行能量交换（从外界环境吸收热量或者向外界环境放出热量），从而达到控制环境温度和能量利用的目的的材料。

主要包括有机、无机和混合等三种类型的相变材料。

与显热储能相比，相变储能控温具有储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优点，在航空航天、太阳能利用、采暖和空调、供电系统优化、医学工程、军事工程、蓄热建筑和极端环境服装等众多领域具有重要的应用价值和广阔的前景。

2.5各种储能特性比较

以上储能方式各有特点，特性不同，适应不同的应用，下图给出了形象的说明：

各种储能技术详细的参数和应用如下表所示：

抽水储能

压缩空气储能

阀控铅酸电池

镍系电池

全钒液流电池

磷酸铁锂电池

超导储能

超级电容器储能

应用规模等级

5kW～1.5MW

100～2000MW

100～300MW

1kW～50MW

kW级～MW级

100kW～100MW

10kW～1MW

1～100kW

应用类型

功率型

能量型

比较适合的应用场合

不间断电源、电网调峰和频率控制

调峰填谷、紧急事故备用、提供系统的备用容量

峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用

大规模削峰填谷、平抑可再生能源发电波动

电力系统削峰填谷平衡负荷

可选择功率型或能量型，适用范围广泛

满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力的要求

于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合

安全性

不可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计

地震、滑坡、暴风雨、泥石流、岩石风化、坝体开裂、热胀冷缩破裂等等都存在风险

储气库深埋于地下，比较稳定，温差变化小，储气库设置多道安全措施后，安全系数高

安全性可接受，但废旧铅酸蓄电池严重污染土壤和水源

安全性可接受，但有记忆效应

电池系统无潜在的爆炸或着火危险，安全性高

需要单体监控，安全性能已有较大突破

无

能量密度

80～120Wh/kg

30-50Wh/kg

75-150Wh/kg

80-130