储能技术研究进展

Word格式完美整理储能技术研究进展能源短缺和环境恶化是全球性问题，开发可再生能源，实现能源优化配置，发展低碳经济，是世界各国的共同选择。但是，可再生能源受天气及时间段的影响较大，具有明显的不稳定、不连续和不可控性。需要开发配套的电能储存装置，来保证发电、供电的连续性和稳定性。国外有关研究表明，如果风电装机占装机总量的比例在10%以内，依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全。但如果所占比例达到20%甚至更高，电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并人常规电网。现有的储能技术主要包括物理储能、电化学储能、电磁储能、氢储能、相变储能和热化学储能等类型。其中，物理储能、电化学储能、电磁储能和氢储能主要储存电能，物理储能包括抽水储能、压缩空气储能级飞轮储能等；电化学储能包括铅酸、锂离子、镍镉、液流和钠硫等电池储能；电磁储能包括超导储能和超级电容储能；为了实现氢储能完整的转换链，就要从氢气的制取、储存、发电等方面整体规划，在关键技术上进一步突破。而相变储能和热化学储能主要储存热能或由电能转化的热能，相变储能按材料的组成成分可分为无机类、有机类（包括高分子类）以及复合类储能材料；热化学储能基于热化学反应，而热化学反应体系主要包括金属氢化物体系、氧化还原体系、有机体系、无机氢氧化物体系以及氨分解体系。1.物理储能物理储能一般用于大规模储能领域，主要包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等，其中抽水储能是主要的储能方式。物理储能是利用天然的资源来实现的一种储能方式，因此更加环保、绿色，而且具有规模大、循环奉命长和运行费用低等优点。缺点是建设局限性较大，其储能实施的地理条件和场地有特殊要求。而且因为其一次性投资较高，一般不适用于小规模且较小功率的离网发电系统。1.1抽水储能目前在电力系统中应用最广泛的一种物理储能技术，即为抽水储能。它是一种间接的储能方式，用来解决电网高峰与低谷之间的供需矛盾。水库中的水被下半夜过剩的电力驱动水从下水库抽到上水库储存起来，然后在第二天白天和前半夜将水闸打开，放出的水用来发电，并流入到下水库。即使在转化间会有一部分能量因此而流失，但在低谷时压荷、停机等情况下，使用抽水储能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而来得便宜，具有更佳的效果。除此以外，抽水Word格式完美整理储能电站还可以作为电网运行管理的重要工具，不但能担负调频、调相还可以做事故备用等动态功能。5图1抽水储能示意图1.2压缩空气储能“压缩空气能源储备”的功能类似于一个大容量的蓄电池。在非用电高峰期，空气通过采用电机带动压缩机被压缩进一个特定的地下空间存储。然后，在用电高峰期，地下的压缩空气是通过一种特殊构造的燃气涡轮机，将其释放进行发电。虽然燃气涡轮机的运行仍然需要天然气或其他石化燃料作为动力，但是利用这种发电方法，将比正常的发电技术节省一半的能源燃料。找到一个适合空气压缩存储的地质空间是建设压缩空气发电厂的必要条件之一。最终确定合适的空气存储空间需要经历一些过程：在厂址附近地区，严密的地震检测是必要环节；然后进行反复计算，用计算机模拟周围环境；并参考其他压缩空气发电厂相关数据，进行联合分析，最终确定合适的厂址。针对在准备相关设施时产生的费用较高这一现象，专家未置否认态度，但是从长远看来，专家一致认为这种形式的储存模式仍然要比制造电池便宜得多。Word格式完美整理图2压缩空气储能示意图1.3飞轮储能飞轮储能突破了传统化学电池的局限，是一种用物理方法实现的储能方式。当飞轮以一定角速度旋转时，即就具有一定的动能，飞轮电池正是以其动能形式转换成电能的，且高技术型的飞轮用于储存电能，可以看作是标准电池。飞轮电池中有一个复合电机（电动机/发电机），充电时该电机作为电动机运转，在外界电源的驱动下，电机带动飞轮进行高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能进行能量存储；放电时，电机作为发电机运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换过程。当飞轮电池发出电能时，飞轮电池的飞轮在真空环境下转速逐渐下降。飞轮储能装置拥有传统化学电池无可比拟的优势，并且它的理论论证已经比较成熟，而且它的技术特点非常符合未来能源储存技术的发展方向，因此该技术已经逐渐被人们所认同。目前，航天航空设备和其它的一些领域中不断地有飞轮技术出现的身影，而且人们也正在不断地开发应用于更多领域的飞轮储能装置，飞轮储能装置的应用正在逐渐丰富我们的生活，可以预见，未来几年，飞轮储能装置将会占据很大一部分的储能装置市场。飞轮储能装置的能量密度甚至与超级电容与电池等储能装置比都要大。同时，由于飞轮储能是纯物理储能，具有稳定可靠，对使用环境(温度、压力等)的要求低的优势，相比于不具备环保优势的化学储能方式，具有明显的优势。Word格式完美整理图3飞轮储能示意图2电化学储能电化学储能无疑是使用最多最广的一种储能方式，具有使用方便、环境污染小，并且能量不受卡诺循环限制及具有很高的转化效率等优点。其原理是利用电化学反应转化电能的装置/系统，是一种直接的储能方式。除铅酸、镍氢等常规电池技术外，还包括液流、钠硫、锂离子电池等大容量蓄电池储能技术，并在安全性、转换效率和经济性等方面取得重大突破，生产水平显著提高，产业化发展迅速。2.1铅酸电池铅酸电池的工作原理是放电时，正极的二氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅和水，负极的铅与硫酸反应生成硫酸铅；充电时，正极的硫酸铅转化为二氧化铅，负极的硫酸铅转化为铅。图4铅酸电池示意图Word格式完美整理2.2镍氢电池镍氢电池的关键材料包括氢氧化镍正极活性材料和少量添加剂。负极活性材料为贮氢合金，电解液为氢氧化钾溶液。储氢合金是一种能与氢反应生成金属氢化物的物质，但是它与一般金属氢化物有明显的差异。即储氢合金必须具备高度的反应可逆性，而且，此可逆循环的次数必须足够多，循环次数超过5000次。实际上，它必须是能够在适当的温度、压力下大量可逆的吸收和释放氢的材料。2.3锂电池锂电池的工作原理是在充电时锂原子变成锂离子，通过电解质向碳极迁移，在碳极与外部电子结合后作为锂原子储存；放电时整个过程逆转。图5锂电池示意图2.4液流电池液流电池内的正、负极电解液由离子交换膜隔开，电池工作时，电解液中的活性物质离子在惰性电极表面发生价态的变化，进而完成充放电。Word格式完美整理图6液流电池示意图2.5钠硫电池钠硫电池放电时钠离子通过电解质，而电子通过外部电路流动产生电压；充电时整个过程逆转，多硫化钠释放正钠离子，反向通过电解质重新结合为钠。图7钠硫电池示意图3电磁储能电磁储能是直接以电磁能的方式存储电能的技术，主要包括超导储能、超级电容储能等。3.1超导储能超导储能是将电流导入环形电感线圈，由于该环形电感线圈由超导材料制成，因此电流在线圈内可以无损失地不断循环，直到导出为止，进而达到储能的目的。图8超导储能示意图Word格式完美整理3.2超级电容储能超级电容是基于多孔炭电极/电解液界面的双电层电容，或者基于金属氧化物或导电聚合物表面快速、可逆的法拉第反应产生的准电容来实现能量的储存。图9超级电容储能示意图4氢储能氢储能系统利用清洁能源电力电解技术得到氢气，将氢气存储于高效储氢装置中，再利用燃料电池技术，将存储的能量回馈到电网，或者将存储的高纯度氢气送入氢产业链直接利用。氢能绿色无污染、能量密度高、运行维护成本低、可长时间存储，不存在类似蓄电池的自放电现象，被认为是极具潜力的新型大规模储能技术。利用清洁能源电力电解技术得到氢气，将氢气存储于高效储氢装置中，再利用燃料电池技术，将存储的能量回馈到电网，或者将存储的高纯度氢气送入氢产业链直接利用。为了实现这一完整的能量转换链，就要从氢气的制取、储存、发电等方面整体规划，在关键技术上进一步突破。4.1制氢技术电解水制氢是一种完全清洁的制氢方式，技术工艺过程简单、产品纯度高。根据电解槽生产技术的不同，电解水制氢方法可以分为碱性电解、固体高分子电解质电解和高温固体氧化物电解3种。4.2储氢技术与其它燃料相比，氢的质量能量密度大，但体积能量密度低（汽油的1/3000），因此构建氢储能系统的一大前提条件就是在较高体积能量密度下储运氢气。尤其当氢气应用到交通领域时，还要求有较高的质量密度。此外，以氢的燃烧值为基准，将氢的储存运输所消耗的能量控制在氢燃烧热的10%内设为理想状态。目前Word格式完美整理氢气的储存可分为高压气态储氢、低温液态储氢和金属固态储氢。对储氢技术的要求是安全、大容量、低成本和取用方便。4.3氢发电技术与传统化石燃料一样，氢气也可以用于氢内燃机（ICE）发电。但由于燃料电池能将氢的化学能直接转化为电能，没有像普通火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间转换的损失，达到很高的发电效率，而且更高效环保，所以更具实用性。燃料电池按其工作温度不同，把碱性燃料电池（AFC，100℃）、固体高分子型质子交换膜燃料电池（PEMFC，100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，1000℃）称为高温燃料电池。5相变储能相变储能是利用材料在相变时吸热或放热来储能或释能的，具有储能密度高、体积小巧、相变温度选择范围宽、易于控制等优点。相变储能复合材料是相变储能技术的核心，它既能有效克服相变材料单独使用时易泄漏等缺点，又可以改善材料的应用效果以拓展其应用范围，在航空航天、采暖和空调、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。变储能材料的种类很多，存在形式也多种多样。按相变温度的范围分为：高温（250℃）、中温（100~250℃）和低温（100℃）储能材料；按相变的方式分为固固相变、固液相变、固气相变和液气相变材料。虽然固气和液气转化时伴随的相变潜热远大于固固和固液转化时的相变潜热，但是由于固气和液气转化时有气体产生，相变材料体积变化非常大，故很难应用于实际工程中。按材料的组成成分可分为无机类和有机类（包括高分子类）储能材料。实际应用中的复合储能相变材料通常由多种组分构成，主要包括载体材料和相变材料。5.1无机相变材料无机相变材料种类繁多，主要包括以结晶水合盐类为代表的中低温相变材料和以熔融盐类为代表的高温相变材料。结晶水合盐类用得较多的是碱金属及碱土金属的卤化物、硫酸盐、磷酸盐、硝酸盐、乙酸盐、碳酸盐的水合物。这类相变材料的优点是价格便宜、体积蓄能密度大、熔解热大、导热系数大。但是这类相变材料通常存在着两个问题。一是过冷现象，解决的方法有：①加成核剂，如加入微粒结构与盐类结晶物相类似的物质；②冷指法即保持一部分冷区，使未熔化的一部分晶体作为成核剂。二是相分离，解决的方法有：①加增稠剂；②加晶体结构改变剂；③盛装相变材料的容器采用薄层结构；④摇晃或搅动。高温融熔盐类主要是氟化盐、氯化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐等物质。Word格式完美整理表1列出了具有最低共熔点的无机相变材料。表1无机物共熔物材料质量分数/%熔点/℃潜热/J·g-1CaCl2·6H2O/CaBr2·6H2O45/5514.7140CaCl2/MgCl2·6H2O50/502595CaCl2·6H2O/MgCl2·6H2O66.6/33.425127Mg(NO3)3·6H2O/Ca(NO3)·4H2O53/4730136Mg(NO3)3·6H2O/MgCl2·6H2O58.7/41.359132.2Mg(NO3)3·6H2O/MgCl2·6H2O50/5059.1144Mg(NO3)3·6H2O/Al(NO3)2·9H2O53/4761148Mg(NO3)2·6H2O/MgBr2·6H2O59/4166168Mg(NO3)3·6H2O/NH4NO361.5/38.552125.5Mg(NO3)