鉅大LARGE | 點擊量：7564次 | 2018年07月27日
6種儲能技術(shù)的基本原理及其發(fā)展現(xiàn)狀
儲能技術(shù)在包括電力系統(tǒng)在內(nèi)的多個領(lǐng)域中具有廣泛的用途，近年來世界范圍內(nèi)的電力工業(yè)重組給各種各樣的儲能技術(shù)帶來了新的發(fā)展機遇，采用這些技術(shù)可以更好地實現(xiàn)電力系統(tǒng)的能量管理，尤其是在可再生能源和分布式發(fā)電領(lǐng)域，這種作用尤為明顯，在傳統(tǒng)的發(fā)電和輸配電網(wǎng)絡(luò)中，這些新技術(shù)同樣可以得到應(yīng)用。以下簡要介紹各種儲能技術(shù)的基本原理及其發(fā)展現(xiàn)狀。
1抽水儲能
抽水蓄能電站在應(yīng)用時必須配備上、下游兩個水庫。在負荷低谷時段，抽水儲能設(shè)備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。在負荷高峰時，抽水儲能設(shè)備工作于發(fā)電機的狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電。一些高壩水電站具有儲水容量，可以將其用作抽水蓄能電站進行電力調(diào)度。利用礦井或者其他洞穴實現(xiàn)地下抽水儲能在技術(shù)上也是可行的，海洋有時也可以當(dāng)作下游水庫用，1999年日本建成了第一座利用海水的抽水蓄能電站。
抽水儲能最早于19世紀(jì)90年代在意大利和瑞士得到應(yīng)用，1933年出現(xiàn)了可逆機組(包括泵水輪機和電動與發(fā)電機)，現(xiàn)在出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速可調(diào)機組以提高能量的效率。抽水蓄能電站可以按照任意容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，其效率在70%至85%之間。
抽水儲能是在電力系統(tǒng)中得到最為廣泛應(yīng)用的一種儲能技術(shù)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括能量管理、頻率控制以及提供系統(tǒng)的備用容量。目前，全世界共有超過90GW的抽水儲能機組投入運行，約占全球總裝機容量的3%。限制抽水蓄能電站更廣泛應(yīng)用的一個重要制約因素是建設(shè)工期長，工程投資較大。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2先進蓄電池儲能
據(jù)估計，全球每年對蓄電池的市場需求大約為150億美元，在工業(yè)用蓄電池方面，如：用于UPS（不間斷電源）、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、備用電池等，其市場總量可達50億美元。在美國、歐洲以及亞洲，正在組建生產(chǎn)電力系統(tǒng)儲能用的高性能蓄電池企業(yè)。在過去的12至18個月里，已有生產(chǎn)能力達每年300MW的蓄電池生產(chǎn)線投入運行。
鉛酸電池是最古老、也是最成熟的蓄電池技術(shù)。它是一種低成本的通用儲能技術(shù)，可用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和UPS等。然而，由于這種蓄電池壽命較短，因此限制了其在能量管理領(lǐng)域中的應(yīng)用。ZnBr電池在20世紀(jì)70年代早期由Exxon開發(fā)成功，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)建成了很多容量為數(shù)千瓦時的ZnBr電池儲能系統(tǒng)并經(jīng)過試驗，其凈效率為75%。20世紀(jì)80年代初期澳大利亞新南威爾士大學(xué)率先研制，j出VRB(VanadiumRedoxFlowBattery)電池，目前，在日本已安裝了一套500kW/5MW·h的VRB儲能系統(tǒng)，其凈效率高達85%。
近年來，各種新型的蓄電池被相繼開發(fā)成功，并在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。英國的RegenesysTechnologies正在采用PSB(PolysulfideBroeFlowBattery)電池建設(shè)一座15MW/120MW·h的儲能電站，其凈效率約為75%。NaS電池具有較高的儲能效率(約89%)，同時還具有輸出脈沖功率的能力，輸出的脈沖功率可在30s內(nèi)達到連續(xù)額定功率值的六倍，這一特性使NaS電池可以同時用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負荷的削峰填谷調(diào)節(jié)兩種目的，從而提高整體設(shè)備的經(jīng)濟性。在日本，目前采用NaS電池技術(shù)的儲能示范工程有30多處，總儲能容量超過20MW，可用于8h的日負荷峰谷調(diào)節(jié)。
與其他蓄電池相比，鋰離子電池的主要優(yōu)點是儲能密度高
(300～400kW·h/m3,130kW·h/t)，儲能效率高(接近100%)和使用壽命長(每次放電不超過儲能的80%時可充3000次)。由于具有上述優(yōu)點，鋰離子電池得到快速發(fā)展。但是，盡管在幾年之內(nèi)鋰電池已經(jīng)占有小型移動設(shè)備電源市場份額的50%，生產(chǎn)大容量鋰離子電池仍然有一些挑戰(zhàn)性的工作要做，主要的障礙在于其居高不下的成本，這主要是由于它需要特殊的包裝和配備必要的內(nèi)部過充電保護電路。
在所有的蓄電池中，Metal-air電池結(jié)構(gòu)最為緊湊，并且可望成為成本最低的蓄電池，這是一種對于環(huán)境無害的蓄電池。其主要的缺點是這種電池的充電非常困難而且效率很低。
3飛輪儲能
大多數(shù)現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)都是由一個圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過磁懸浮軸承組成的支撐機構(gòu)組成。采用磁懸浮軸承的目的是消除摩擦損耗，提高系統(tǒng)的壽命。為了保證足夠高的儲能效率，飛輪系統(tǒng)應(yīng)該運行于真空度較高的環(huán)境中，以減少風(fēng)阻損耗。飛輪與電動機或者發(fā)電機相連，通過某種形式的電力電子裝置，可進行飛輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)儲能裝置與電網(wǎng)之間的功率交換。
飛輪儲能的一個突出優(yōu)點就是幾乎不需要運行維護、設(shè)備壽命長(20年或者數(shù)萬次深度充放能量過程)且對環(huán)境沒有不良的影響。飛輪具有優(yōu)秀的循環(huán)使用以及負荷跟蹤性能，它可以用于那些在時間和容量方面介于短時儲能應(yīng)用和長時間儲能應(yīng)用之間的應(yīng)用場合。
在實現(xiàn)飛輪儲能裝置時，可采用固體鋼結(jié)構(gòu)飛輪，也可采用復(fù)合材料飛輪，具體采用何種飛輪需要進行經(jīng)濟技術(shù)比較，在系統(tǒng)成本、重量、尺寸以及材料性能等指標(biāo)之間進行折衷。采用高密度鋼材料，其邊緣線速度可達200～375m/s，而采用重量更輕、強度更高的復(fù)合材料，其邊緣線速度可達600～1000m/s。飛輪實際可輸出的能量取決于其速度變化范圍，它不可能在很低的轉(zhuǎn)速下輸出額定功率。
目前，已經(jīng)開發(fā)出大功率飛輪儲能系統(tǒng)，并應(yīng)用于特種以及UPS領(lǐng)域。以BeaconPower為領(lǐng)先水平的研究機構(gòu)正在致力于飛輪儲能的優(yōu)化設(shè)計，以便將其用于長過程儲能服務(wù)(多達幾個小時)，同時降低其商用成本。目前已有2kW/6kW·h的飛輪儲能系統(tǒng)用于通信設(shè)備供電，采用飛輪組(FlywheelFarmApproach)可以實現(xiàn)輸出功率為兆瓦級、持續(xù)時間為數(shù)分鐘或者數(shù)小時的儲能裝置。
4超導(dǎo)磁儲能
盡管早在1911年人們就發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，但直到20世紀(jì)70年代，才有人首次提出將超導(dǎo)磁儲能作為一種儲能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)。超導(dǎo)磁儲能由于具有快速電磁響應(yīng)特性和很高的儲能效率(充/放電效率超過95%)，很快吸引了電力工業(yè)和軍方的注意。SMES在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括：負荷均衡、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)整、輸電能力提高以及電能質(zhì)量改善等方面。
SMES單元由一個置于低溫環(huán)境的超導(dǎo)線圈組成，低溫是由包含液氮或者液氦容器的深冷設(shè)備提供的。功率變換/調(diào)節(jié)系統(tǒng)將SMES單元與交流電力系統(tǒng)相連接，并且可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要對儲能線圈進行充放電。通常使用兩種功率變換系統(tǒng)將儲能線圈與交流電力系統(tǒng)相連：一種是電流源型變流器;另一種是電壓源型變流器。
和其他的儲能技術(shù)相比，目前SMES仍很昂貴，除了超導(dǎo)體本身的費用外，維持低溫所需要的費用也相當(dāng)可觀。然而，如果將SMES線圈與現(xiàn)有的柔性交流輸電裝置(FACTS)相結(jié)合可以降低變流單元的費用，這部分費用一般在整個SMES成本中占最大份額。已有的研究結(jié)果表明，對輸配電應(yīng)用而言，微型(<0.1MW·h)和中型(0.1～100MW·h)SMES系統(tǒng)可能更為經(jīng)濟。使用高溫超導(dǎo)體可以降儲能系統(tǒng)對于低溫和制冷條件要求，從而使SMES的成本進一步降低。目前，在世界范圍內(nèi)有許多SMES工程正在進行或者處于研制階段。
5超級電容器儲能
電容是電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種設(shè)備。與常規(guī)電容器相比，超級電容器具有更高的介電常數(shù)、更大的表面積或者更高的耐壓能力。例如，陶瓷超級電容器具有相當(dāng)高的耐壓水平(大約1kV)和絕緣強度，這使它們成為未來儲能應(yīng)用的很好候選方案。
目前，超級電容大多用于高峰值功率、低容量的場合。由于能在充滿電的浮充狀態(tài)下正常工作十年以上，因此超級電容器可以在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。超級電容器安裝簡單，體積小，并可在各種環(huán)境下運行(熱、冷和潮濕)，現(xiàn)在已經(jīng)可為低功率水平的應(yīng)用提供商業(yè)服務(wù)。
6壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能不是象電池儲能那樣的簡單儲能系統(tǒng)，它是一種調(diào)峰用燃氣輪機發(fā)電廠，對于同樣的電力輸出，它所消耗的燃氣要比常規(guī)燃氣輪機少40%。這是因為，常規(guī)燃氣輪機在發(fā)電時大約需要消耗輸入燃料的2/3進行空氣的壓縮，而CAES則可利用電網(wǎng)負荷低谷時的廉價電能預(yù)先壓縮空氣，然后根據(jù)需要釋放儲存的能量加上一些燃氣進行發(fā)電。壓縮空氣常常儲存在合適的地下礦井或者溶巖下的洞穴中。通過溶巖建造這樣的洞穴大約需要1年半到兩年的時間。
第一個投入商用運行的CAES是1978年建于德國Hundorf的一臺290MW機組。美國1991年在Alabama的McIntosh建成了第二臺商用CAES，機組功率為110MW，整個建設(shè)耗時30個月，耗資6500萬美元，這臺機組能夠在14min之內(nèi)并網(wǎng)。第三臺商業(yè)運行CAES，也是目前世界上最大容量的CAES，計劃建在Ohio州的Norton，整個電站裝機容量為2700MW，共有9臺機組，壓縮空氣儲存在一個現(xiàn)有的位于地下2200ft深的石灰石礦井里。
