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　　最全面的儲能技術(shù)種類及特點分析

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

　　一、機械類儲能

　　機械類儲能的應(yīng)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(wǎng)低谷時利用過剩電力將作為液態(tài)能量媒體的水從低標(biāo)高的水庫抽到高標(biāo)高的水庫，電網(wǎng)峰荷時高標(biāo)高水庫中的水回流到下水庫推動水輪機發(fā)電機發(fā)電。

　　(2)特點

　　屬于大規(guī)模、集中式能量儲存，技術(shù)相當(dāng)成熟，可用于電網(wǎng)的能量管理和調(diào)峰;

　　效率一般約為65%~75%，最高可達(dá)80%~85%;

　　負(fù)荷響應(yīng)速度快(10%負(fù)荷變化需10秒鐘)，從全停到滿載發(fā)電約5分鐘，從全停到滿載抽水約1分鐘;

　　具有日調(diào)節(jié)能力，適合于配合特種、大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電、超大規(guī)模太陽能光伏發(fā)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(fù)荷中心有一定距離，需長距離輸電。

　　(4)應(yīng)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?cè)萘繛?28GW，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(tǒng)中，電能用于將一個放在真空外殼內(nèi)的轉(zhuǎn)子即一個大質(zhì)量的由固體材料制成的圓柱體加速(達(dá)幾萬轉(zhuǎn)/分鐘)，從而將電能以動能形式儲存起來(利用大轉(zhuǎn)輪所儲存的慣性能量)。

　　(2)優(yōu)點

　　壽命長(15~30年);

　　效率高(90%);

　　少維護、穩(wěn)定性好;

　　較高的功率密度;

　　響應(yīng)速度快(毫秒級)

　　(3)缺點

　　能量密度低，只可持續(xù)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(yīng)用

　　飛輪儲能多用于工業(yè)和UPS中，適用于配電系統(tǒng)運行，以進行頻率調(diào)節(jié),可用作一個不帶蓄電池的UPS，當(dāng)供電電源故障時，快速轉(zhuǎn)移電源，維持小系統(tǒng)的短時間頻率穩(wěn)定，以保證電能質(zhì)量(供電中斷、電壓波動等)。

　　在我國剛剛開始在配電系統(tǒng)中安裝使用。電科院電力電子研究所曾為北京306醫(yī)院安裝了一套容量為250kVA,磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)(如地下洞穴)，當(dāng)需要時再將壓縮空氣與天然氣混合，燃燒膨脹以推動燃?xì)廨啓C發(fā)電。

　　(2)優(yōu)點

　　有調(diào)峰功能，適合用于大規(guī)模風(fēng)場，因為風(fēng)能產(chǎn)生的機械功可以直接驅(qū)動壓縮機旋轉(zhuǎn)，減少了中間轉(zhuǎn)換成電的環(huán)節(jié)，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(guān)，適合地點非常有限;

　　需要燃?xì)廨啓C配合，并要一定量的燃?xì)庾魅剂?，適合于用作能量管理、負(fù)荷調(diào)平和削峰;

　　以往開發(fā)的是一種非絕熱(diabatic)的壓縮空氣儲能技術(shù)?？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(yīng)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(fā)電功率290MW(后經(jīng)改造提高到321MW),壓縮時間/發(fā)電時間=4，2小時連續(xù)運行，啟動過上萬次，啟動可靠率達(dá)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(fā)電時間=1.6，如連續(xù)輸出100MW可維持26小時，曾因地質(zhì)不穩(wěn)定而發(fā)生過坍塌事故。此外，美國正在建設(shè)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(fā)熱度在不斷上升，國家電網(wǎng)公司已立項研究10MW壓縮空氣儲能，項目負(fù)責(zé)人清華大學(xué)盧強院士。

　　二、電氣類儲能

　　電氣類儲能的應(yīng)用形式只要有超級電容器儲能和超導(dǎo)儲能。

　　2.1超級電容器儲能

　　(1)基本原理

　　根據(jù)電化學(xué)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小(一般0.5mm以下)，采用特殊電極結(jié)構(gòu)，使電極表面積成萬倍的增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。

　　(2)優(yōu)點

　　長壽命、循環(huán)次數(shù)多;

　　充放電時間快、響應(yīng)速度快;

　　效率高;

　　少維護、無旋轉(zhuǎn)部件;

　　運行溫度范圍廣，環(huán)境友好等。

　　(3)缺點

　　超級電容器的電介質(zhì)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(yīng)用

　　超級電容器儲能開發(fā)已有50多年的歷史，近二十年來技術(shù)進步很快，使它的電容量與傳統(tǒng)電容相比大大增加，達(dá)到幾千法拉的量級，而且比功率密度可達(dá)到傳統(tǒng)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(zhuǎn)換，充放電時間快，適合用于改善電能質(zhì)量。由于能量密度較低，適合與其他儲能手段聯(lián)合使用。

　　2.2超導(dǎo)儲能

　　(1)基本原理

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

　　(2)優(yōu)點

　　由于直接將電能儲存在磁場中，并無能量形式轉(zhuǎn)換，能量的充放電非常快(幾毫秒至幾十毫秒)，功率密度很高;

　　極快的響應(yīng)速度，可改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

　　(3)缺點

　　超導(dǎo)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(yè)性的低溫和高溫超導(dǎo)儲能產(chǎn)品可用，但因價格昂貴和維護復(fù)雜，在電網(wǎng)中應(yīng)用很少，大多是試驗性的。

　　(4)應(yīng)用

　　超導(dǎo)儲能適合用于提高電能質(zhì)量，增加系統(tǒng)阻尼，改善系統(tǒng)穩(wěn)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(fù)雜，雖然已有商業(yè)性的低溫和高溫超導(dǎo)儲能產(chǎn)品可用，在電網(wǎng)中應(yīng)用很少，大多是試驗性的。SMES在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用取決于超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展(特別是材料、低成本、制冷、電力電子等方面技術(shù)的發(fā)展)。

　　三、電化學(xué)類儲能

　　電化學(xué)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(shù)技術(shù)上比較成熟，近年來成為關(guān)注的重點，并且還獲得許多實際應(yīng)用。

　　3.1鉛酸電池

　　(1)基本原理

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

　　(陽極)(電解液)(陰極)

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

　　(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(yīng))

　　(硫酸鉛)(水)(硫酸鉛)

　　(2)優(yōu)點

　　技術(shù)很成熟，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維護方便;

　　循環(huán)壽命可達(dá)1000次左右;

　　效率可達(dá)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(yīng)用

　　鉛酸電池常常用于電力系統(tǒng)的事故電源或備用電源，以往大多數(shù)獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fù)電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物構(gòu)。充電時，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，此時負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài);放電時則相反，Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極，正極處于富鋰態(tài)，負(fù)極處于貧鋰態(tài)。

　　(2)優(yōu)點

　　鋰離子電池的效率可達(dá)95%以上;

　　放電時間可達(dá)數(shù)小時;

　　循環(huán)次數(shù)可達(dá)5000次或更多，響應(yīng)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(fù)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(dǎo)致發(fā)熱、燃燒等安全問題，有一定的風(fēng)險，所以需要通過過充電保護來解決。

　　(4)應(yīng)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(shè)備上的應(yīng)用，所以它目前幾乎已成為世界上應(yīng)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(yīng)用和關(guān)注的主要原因。它的技術(shù)發(fā)展很快，近年來，大規(guī)模生產(chǎn)和多場合應(yīng)用使其價格急速下降，因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越多。鋰離子電池技術(shù)仍然在不斷地開發(fā)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(fù)極材料的開發(fā)上。

　　3.3鈉硫電池

　　(1)基本原理

　　鈉硫電池的陽極由液態(tài)的硫組成，陰極由液態(tài)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(tài)。

　　(2)優(yōu)點

　　循環(huán)周期可達(dá)4500次;

　　放電時間可達(dá)6至7小時;

　　周期往返效率約為75%;

　　它的能量密度高，響應(yīng)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(fēng)險。

　　(4)應(yīng)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(fù)荷調(diào)平、移峰、改善電能質(zhì)量和可再生能源發(fā)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(tài)電解質(zhì)的電活性物種中，而液態(tài)電解質(zhì)儲存在電池外部的罐中，用泵將儲存在罐中的電解質(zhì)打入電池堆棧，并通過電極和薄膜，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，或?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)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(yīng)時間也不很快。

　　(3)優(yōu)點

　　全釩液流電池技術(shù)已比較成熟;

　　壽命長，循環(huán)次數(shù)可超過10000次以上。

　　(4)應(yīng)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(guān)注。這種電池技術(shù)最早為澳大利亞新南威爾士大學(xué)發(fā)明，后技術(shù)轉(zhuǎn)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(chǎn)品在國內(nèi)外一些試點工程項目中獲得了應(yīng)用。電池的功率和能量是不相關(guān)的，儲存的能量取決于儲存罐的大小，因而可以儲存長達(dá)數(shù)小時至數(shù)天的能量，容量也可達(dá)MW級，適合于應(yīng)用在電力系統(tǒng)中。

　　四、熱儲能

　　(1)基本原理

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

　　熱儲能有許多不同的技術(shù)，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(zhì)可以是液態(tài)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(zhì)。

　　(2)缺點

　　n熱儲能要各種高溫化學(xué)熱工質(zhì)，應(yīng)用場合比較受限。

　　(3)應(yīng)用

　　由于熱儲能儲存的熱量可以很大，所以在可再生能源發(fā)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(fā)電站中。此外，還有許多其他種類的儲熱技術(shù)正在開發(fā)中，它們有許多不同的作用。

　　五、化學(xué)類儲能

　　化學(xué)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(fēng)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(yīng)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(yōu)點

　　采用這兩種物質(zhì)作能量載體的好處是儲存的能量很大，可達(dá)TWh級;

　　儲存的時間也很長，可達(dá)幾個月;

　　另外氫和合成天然氣除了可用于發(fā)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(fā)電到用電的全周期效率更低，只有30%-40%;

　　(4)應(yīng)用

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

　　六、各種儲能技術(shù)的性能比較和應(yīng)用選擇

　　儲能技術(shù)種類繁多，他們的特點各異。實際應(yīng)用時，要根據(jù)各種儲能技術(shù)的特點以及對優(yōu)缺點進行綜合比較來選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。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(yīng)時間(-ms,-s,-minute);④儲能效率(充放電效率);⑤設(shè)備壽命(年)或充放電次數(shù);⑥技術(shù)成熟度;⑦經(jīng)濟因素(投資成本、運行和維護費用);⑧安全和環(huán)境方面的考慮。

　　在實際工程項目中，要根據(jù)儲能技術(shù)的上述特征，應(yīng)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(shù)的配合，還要考慮用戶的經(jīng)濟承受能力。

　　6.1放電時間對比

　　儲能技術(shù)性能如果按放電時間劃分，可分為

　?、俣谭烹姇r間(秒至分鐘級)，如超級電容器、超導(dǎo)儲能、飛輪儲能，

　?、谥械确烹姇r間(分鐘至小時級)，如飛輪儲能、各種電池等，

　?、圯^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(zhì)量。中等放電時間的，可用于電源轉(zhuǎn)接。較長或特長時間的，一般是能量型的，可用于系統(tǒng)的能量管理。目前應(yīng)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(shù)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(shù)處于圖中不同的位置。

　　6.2功率對比

　　大規(guī)模、永久儲能的應(yīng)用可分為三類：

　?、匐娔苜|(zhì)量要求：在該應(yīng)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(zhì)。

　　②應(yīng)急能量要求：在這些應(yīng)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(xù)性。

　　③系統(tǒng)能量管理要求：在這些應(yīng)用中，儲能系統(tǒng)用于發(fā)電和消耗之間的去耦及同步。典型的應(yīng)用是負(fù)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(huán)的最大數(shù))是兩個重要參數(shù)，因為它們影響到存儲的成本。下圖給出不同存儲技術(shù)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(jīng)濟參數(shù)，影響能源生產(chǎn)的總成本。每個循環(huán)的成本可能是評估能量存儲系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)。其次，體積增加，則需要更多的材料和更大的施工現(xiàn)場，從而增加了系統(tǒng)的總成本。