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干货|几种电力储能方式简析
日期:2018-09-07   [复制链接]
责任编辑:wangya 打印收藏评论(0)[订阅到邮箱]
编者按:近年来大热的储能本身不是新兴的技术,但从产业角度来说却是刚刚出现,正处在起步阶段。下面让我们来了解一几种比较典型的储能方式。

储能主要是指电能的储存。储能又是石油油藏中的一个名词,代表储层储存油气的能力。储能本身不是新兴的技术,但从产业角度来说却是刚刚出现,正处在起步阶段。

从狭义上讲,针对电能的存储,储能是指利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施。

本文将针对目前12种比较典型的储能方式进行介绍,供大家参考。

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、抽水蓄能

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。

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2016年年底,全国抽水蓄能电站机组容量为5032.5万千瓦,运行容量2338.5万千瓦,在建容量2694万千瓦,约占全国总装机容量16.5亿千瓦的3% 。(另在建8座,在建容量894万千瓦)

2、飞轮储能

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)。

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。

3、压缩空气储能

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。

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。

二、 电气类储能

电气类储能的应用形式只有超级电容器储能和超导储能。

1、超级电容器储能


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。

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、超导储能

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。

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。

1、铅酸电池

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。

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。

2、锂离子电池

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。

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、钠硫电池

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。

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。

4 、全钒液流电池

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。

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

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。

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

化学储能系统(CSS)通过系统中化合物的化学反应来储存和释放能量。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。

燃料电池

燃料电池是一种典型的化学储能系统,可将化学能的燃料不断转换为电能。燃料电池与电化学电池之间的主要区别就是他们提供电能的方式。 在燃料电池中,燃料和氧化剂由外部提供 ,并且这些部件集成在电池内部(金属 - 空气电池除外)。燃料电池的优势在于只要向其供应活性物质就可以发电。燃料电池效率在40%-85%范围内。

燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能,不受卡诺循环效应的限制,因此效率高; 另外,燃料电池用氢气和氧气作为同时没有机械传动部件,故没有噪原料声污染,排放物只有纯净水。由此可见,从节约能源和保护生态环境的角度来看,燃料电池是最有发展前途的发电技术。

水氢机

水氢机是采用催化重整及纯化多项技术从醇水中获得高纯氢,通过质子膜系统产生电、热等多种能源的装置。

水氢机利用催化重整技术,将甲醇水作为原料制氢直接发电,从根本上解决了储氢和运输的安全难题。实现可移动的电力供应,具有安全环保,发电效率高,来料方便等特点。化学公式如下:制氢:CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 发电:2H2 + O2 → 2H2O + 电。水氢机制氢发电的过程也被称作为水氢技术,广东合即得能源科技有限公司热衷于推动此项技术,并已有示范项目在基站投入运行。水氢机既可成为分布式发电和微电网的重要组成部分,还可以在新能源汽车行业发挥重要的作用。

甲醇可以通过传统化石能源清洁化生产制得,也可以通过太阳能、风能等间歇式可再生能源转换获得,还可以利用农作物秸秆、动物粪便和有机物发酵获得,是可再生以及重复利用,转换氢能的优选媒介,也是实现国家中长期储能的大宗化工原料。未来可以直接用空气中的二氧化碳或工厂排放的二氧化碳生产甲醇。

水氢机的普遍使用,将改善电力系统的整体运营效率。水氢发电技术通过在发、供、用各环节的协调配合,减少系统冗余和备用,提高电力系统设备利用率。同时,延长升级改造的周期,从而降低投资和用电价格。

原标题:资料 | 几种电力储能方式简析
 
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来源:中国能源网
 
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