储能技术现状与发展

储能技术现状与发展昝小舒应用电子技术专业储能技术储能技术什么是储能技术？应用电子技术专业特指通过机械的、电磁的、电化学电等方法，将能量存储起来，在需要的时候，再通过机械的、电磁的、电化学的方法转变为电能，为用电设备提供电能的技术。储能技术储能产业是战略性基础产业智能电网风能发电光伏发电电动车通信电源电子产品军工产品储能技术有什么用？储能技术功率等级能量等级设备类型用户举例≤1WMWh便携储能设备电子表、手机1W～100WWh电子设备、电动工具≤500W≤500Wh移动储能设备电动自行车10kW～200kW2kWh～200kWH节能与新能源汽车100kW～500kW～500kWh铁路机车、城市轨道交通车1kW5kWh固定储能设备家用储能设备10kW～100kW30kWh小型工业和商业设施兆瓦吉瓦MWh、GWh级智能电网、风能、光伏移峰填谷储能电站储能设备分类储能技术近几十年来，储能技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的高度重视发展创新性储能技术对加快发展我国新能源产业有决定性意义储能技术储能技术分类：机械储能：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能化学储能：铅酸电池、镍系电池、锂系电池、液流电池、钠硫电池电磁储能：超导储能、超级电容器储能机械储能抽水储能压缩空气储能飞轮储能机械储能指电能通过转换为机械能的形态储存起来，在需要时，可再由机械能转换为电能为用电设备提供电能。机械储能抽水储能机械储能抽水储能机械储能抽水储能发展现状：19世纪90年代于意大利和瑞士得到应用，据统计目前全世界共有超过90GW的抽水蓄能机组投入运行。日、美、西欧等国20世纪60～70年代出现抽水蓄能电站的建设高峰。其中日本是世界上机组水平最高的国家，在技术方面引领世界潮流。我国上世纪90年代开始发展，有广州抽水蓄能1期，十三陵，浙江天荒坪等抽水蓄能电站。资料统计，已装机5.7GW，占全国装机容量的1.8%。机械储能抽水储能优点：技术上成熟可靠，容量可以做的很大，受水库库容限制。缺点：建造受地理条件限制，需合适落差的高低水库，远离负荷中心；抽水和发电中有相当数量的能量被损失，储能密度较差；建设周期长，投资大；机械储能压缩空气储能压缩控制储能（compressedairenergystorage，CAES）是一种类似于燃气轮发电设备。需要储能时，采用电动空气压缩设备，将空气缩到大型储气设备中实现储能。需要释放能量时，利用压缩空气驱动气轮发电机组发电，实现机械能与电能的转换。机械储能压缩空气储能机械储能压缩空气储能发展现状：世界上第一个商业化CAES电站为1978年在德国建造，装机容量为290MW，换能效率77%。美国在2009年将压缩空气储能列为未来十大技术。美国电力研究协会（EPRI）建有220MW压缩空气试验站。我国对压缩空气储能技术尚处于初始研究阶段。机械储能飞轮储能飞轮储能（FlywheelEnergyStorage）将能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮中。由高强度合金和复合材料的转子、高速轴承、双馈电机，电力转换器和真空安全罩组成。电能驱动飞轮高速旋转，电能变飞轮动能储存，需要时，飞轮减速，电动机做发电机运行，飞轮的加速和减速实现了充电和放电。机械储能飞轮储能1999年欧洲UrencPower公司利用高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料制作飞轮，转速为42000rad/min，2001年1月系统投入运行，充当UPS，储能量达到18MJ机械储能飞轮储能机械储能飞轮储能机械储能飞轮储能特点：储能密度高、充放电速度快、效率高、寿命长、无污染、应用范围广、适应性强等特点。目前用于调峰、风力发电，太阳能储能、电动汽车、UPS、低轨道卫星、电磁炮、鱼雷。国内相关单位：清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华科大、华北电大、中科院电工所。2009年8月5日，国内最先进和可靠的两台250kVA移动式飞轮发电车落户北京电力公司，执行供电保障和应急供电任务化学储能铅酸电池镍系电池锂系电池液流电池钠硫电池应用电子技术专业化学储能——铅酸电池构成铅蓄电池之主要成份如下：阳极板(过氧化铅.PbO2)---活性物质阴极板(海绵状铅.Pb)---活性物质电解液(稀硫酸)---硫酸(H2SO4)+水(H2O)电池外壳隔离板其它(液口栓.盖子等)应用电子技术专业化学储能——铅酸电池原理：铅蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力。放电状态，阴阳极及电解液即会发生如下的变化：(阳极)(电解液)(阴极)PbO2+2H2SO4+Pb---PbSO4+2H2O+PbSO4(放电反应)(过氧化铅)(硫酸)(海绵状铅)蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物『硫酸铅』。化学储能——铅酸电池充电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：(阳极)(电解液)(阴极)PbSO4+2H2O+PbSO4---PbO2+2H2SO4+Pb(充电反应)(硫酸铅)(水)(硫酸铅)由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅。充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧。化学储能——铅酸电池化学储能——铅酸电池化学储能——铅酸电池襄樊驼峰电池生产设备化学储能——铅酸电池襄樊驼峰电池生产设备化学储能——铅酸电池襄樊驼峰电池生产设备化学储能——铅酸电池优点：1寿命长2价格低3可以大电流放电缺点：1铅的污染2能量密度低，也就是说过于笨重化学储能——镍系电池优点：1良好的大电流放电特性2耐过充放电能力强3维护简单缺点：1镉是有毒的，环境污染2在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得服务寿命大大缩短镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-CadmiunBatteries,Ni-CdRechargeableBattery）是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类。Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2化学储能——镍系电池镍氢电池化学储能——镍系电池优点：具有能量密度高、充放电速度快、重量轻、寿命长、无环境污染等优点镍氢电池能量密度比镍镉电池大二倍缺点：1轻微记忆效应2镍氢电池串连电池组的管理问题比较多，一旦发生过充电以后，就会形成单体电池隔板熔化的问题，导致整组电池迅速失效。镍氢电池化学储能——镍系电池锂电池所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。化学储能——镍系电池优点：具有能量密度高、充放电速度快、重量轻、寿命长、无环境污染等优点循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次缺点：锂离子电池主要的问题是在过充电和过放电状态电池会发生爆炸，手机电池都是使用的单体电池，再经过良好的保护电路来配合使用，基本上杜绝了电池爆炸的问题。锂电池化学储能——锂系电池锂电池化学储能——锂系电池锂电池化学储能——锂系电池锂电池化学储能——液流电池电解质溶液（储能介质）存储在电池外部的电解液储罐中，电池内部正负极之间由离子交换膜分隔成彼此相互独立的两室（正极侧与负极侧），电池工作时正负极电解液由各自的送液泵强制通过各自反应室循环流动，参与电化学反应。化学储能——液流电池液流储能电池是一类适合于固定式大规模储能（蓄电）的装置，相比于目前常用的铅酸蓄电池、镍镉电池等二次蓄电池，具有功率和储能容量可独立设计（储能介质存储在电池外部）、效率高、寿命长、可深度放电、环境友好等优点，是规模储能技术的首选技术之一。化学储能——液流电池化学储能——液流电池1984年澳大利亚新南威尔士大学的MariaSkyllas-Kazacos教授提出概念;1993年日本住友电工(SEI)获得相关专利，并对关键材料和设计进行探索;1998年澳大利亚PinnacleVRB获得新专利许可，并在1999年将专利授予日本住友电工和加拿大的Vanteck公司;2001年Vanteck公司控股pinnacleVRB，更名为VRBPowerSystems，并开始在大范围内推广钒电池;我国于1995年开始VRB的研究工作，研究单位主要有中国工程物理研究院电子工程研究所、中科院大连化学物理所、中南大学以及清华大学。全钒液流电池研究现状化学储能——钠硫电池钠硫电池是美国福特（Ford）公司于1967年首先发明公布的钠硫电池，是一种以金属钠为负极、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。基本的电池反应是：2Na+xS=Na2Sx化学储能——钠硫电池优点：钠硫电池的理论比能量高达760Wh／kg，且没有自放电现象。放电效率几乎可达100％。钠硫电池的基本单元为单体电池，用于储能的单体电池最大容量达到650安时，功率120W以上。将多个单体电池组合后形成模块。模块的功率通常为数十kW，可直接用于储能。钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池。其寿命可以达到使用10～15年。缺点：高温350ºC熔解硫和钠化学储能——钠硫电池国际：1976年美国福特(Ford)公司发明公布2002年日本东京电力公司(TEPCO)和日本NGK推出钠硫电池产品目前只有东京电力和NGK下属企业生产钠硫电池国内：2006年8月上海硅酸盐研究所与市电力公司开始研发大容量钠硫单体电池2007年1月650Ah单体电池试制成功，标志我国掌握单体电池核心技术2007年8月上海硅酸盐研究所与市电力公司攻克制备关键技术，建成中试线研究现状电磁储能超导磁储能系统(superconductingmagneticenergystorage，SMES)利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置，其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质电磁储能超导储能系统用快速充放电高温超导磁体用于维持超导磁体低温环境的低漏热低温杜瓦，将与外部的热交换降至最低中国科学院电工研究所1.0MJ超导储能系统电磁储能优点：超导储能系统由于其存储的是电磁能，这就保证超导储能系统能够非常迅速以大功率形式与电网进行能量交换。另外，超导储能系统的功率规模和储能规模可以做的很大，并具有系统效率高、技术较简单、没有旋转机械部分、没有动密封问题等优点。缺点：对材料要求高、结构复杂。电磁储能研究现状：70年代中期，美国的LASL和BPA合作研制了一台30MJ/10MW的SMES，是超导技术在美国第一次大规模的电力应用。1993年底，R.Bechtel团队建成了1MWh/500MW的示范样机，可将南加里福尼亚输电线路的负荷传输极限提高8%。目前，美国已有多台微型超导储能装置在配电网中实际应用。1999年，德国的ACCEL、AEG和DEW联合研制了2MJ/800kWSMES，解决DEW实验室敏感负荷的供电质量问题。日本九州电力公司先后研制了30kJ以及3.6MJ/1MW的SMES。在国内，中国科学院电工研究所、中国科学院合肥分院等离子体物理研究所等单位很早就开始了超导磁体的研究工作，清华大学研制了150kVA的低温超导磁体储能系统。中科院电工所提出了基于超导储能的限流器方案并研制了实验样机。超级电容超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，也称为电化学电容。它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力，单体的容量目前已经做到万法拉级。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。超级电容应用电子技术专业储能技术发展现状：超级电容在微功率电子设备中已经广泛采用替代蓄电池。在电力系统中，可用于提供短时大功率的峰功率和短时大功率负载平滑，抑制短时脉冲功率等，如大功率直流电机的启