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电网储能技术研究

宏成供电2018-06-22 01:00:23

引言 
  20世纪70年代末,由于电力需求增加而增加的电力投资日益昂贵,一些欧美国家对此产生新的思考。于是便产生了电力需求侧管理(Demand Side Management,DSM)。20世纪90年代以来,DSM在我国也逐步开展起来。作为DSM的一个重要内容,实施削峰填谷对于供电企业意义非凡:可增强电网调峰压力,提高设备利用率;提高供电可靠性,降低损耗,延缓投资,减少可再生能源的接入、分布式发电、微网以及电动汽车充放的影响对电网产生的冲击等。 
  在削峰填谷的各种方式上,储能技术有着无可比拟的优势。先进的储能技术可大大减少城市用电的峰谷差,既不用投资再建电厂,也避免了在谷值时系统闲置容量过大所导致的发电机组总体经济性下降、煤耗增加的状况发生,从而科学地达到城市节能减排的最终目标。本文将从物理储能、化学储能和电磁储能三个方面浅议储能技术。 
   储能电池技术 
  迄今各国研究的兆瓦级电堆体系有锌-溴电池和全钒液流电池等,主要应用在备用电源、电动汽车和规模储能如电网调峰等方面,技术主要由美、日、加拿大等国的公司掌握。 
  锌-溴电池 
  该技术以锌作为负极,溴化物作为正极,并被多孔隔膜分离。它们各自蓄能,并以溴化锌水溶液的形式循环往复。 
  锌/溴电池在造价上具有较大优势,因为从储能电池的普遍成本看,电解液成本占到总成本的30%,所以电解液成分的价格在很大程度上决定了电池的整体造价。而锌/溴电池的电解液成分为锌和溴,其中锌是一种很常见的金属,容易大量获取而且价格较低,而另一种成分溴更是常见,甚至在污水中就能提取。并且,具有设计使用寿命达20年以上,方便运输和移动;电极为环保材料;电解液溴化锌价格便宜,同时电池能量密度大,占地空间小等诸多优点。 
  全钒氧化还原液流电池 
  相比其它储能电池,钒液流电池有着很大的优越性:  
  (1) 额定功率和额定能量是相互独立的,功率大小取决于电池堆,能量的大小取决于电解液。理论上可以通过随意增加电解液的量来达到增加电池容量的目的,能够做成兆瓦级的储能系统;  
  (2) 电池电解液是循环流动的,电池不存在热失控的问题,同时也减少电化学极化,使得电池能够大电流充放电;  
  (3) 在充放电期间,钒氧化还原蓄电池只是液相反应,不像普通电池那样有复杂的可引起电池电流中断或短路的固相变化;  
  (4) 理论上电池的保存期无限,储存寿命长,超过6年。因为电解液是循环使用的,不存在变质问题,只是长期使用后,电池隔膜电阻有所增大; 
  (5) 能深放电但不会损坏电池,理论上可100%放电;  
  (6) 可快速进行充放电转换,对功率波动迅速响应;  
  (7) 温度对钒液流电池的影响程度比对铅蓄电池要小得多,随着温度的恢复,电池性能也完全恢复;  
  (8) 电池结构简单,材料价格便宜,更换和维修费用低;  
  (9) 不会造成环境污染。 
  锂离子电池 
  锂离子电池是我们最常见的电化学储能电池,我们手机、笔记本电脑的电池多为锂离子电池。该电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。高能效和电力容量上的优越性也让锂离子电池的市场扩大到交通领域。 
  小型锂电池的研发和推广已经非常成功,但是,锂电池的大型化却是困难重重,日本研究发现,锂电池规模过大时,在能量控制上非常复杂,面临造价高、运行温度高和易短路等问题。并且,还需要更多研究以延长电池的使用寿命、提高电池使用时的安全性及降低材料成本。 
  对这几种电池技术,进一步研究至关重要,在材料、设计和工程系统上的改进和成本上的降低都很有必要。 
   物理储能技术 
  抽水蓄能电站 
  作为目前最成熟的储能技术,抽水蓄能电站容量可达上万兆瓦时,以其运行方式灵活和反应快速的特点,在电力系统中发挥储能、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能。 
  抽水蓄能电站不仅启停灵活、反应快速,具有在电力系统中担任紧急事故备用和黑启动等任务的良好动态性能,可有效提高电力系统安全稳定运行水平;而且,跟踪负荷迅速,能适应负荷的急剧变化,是电力系统中灵活可靠的调节频率和稳定电压的电源,可有效地保证和提高电网运行频率、电压质量的稳定性,更好地保障供电质量和可靠性;并且,利用其储能性能可降低系统峰谷差,提高电网运行的平稳性,有效地减少电网拉闸限电次数,提高供电可靠性。 
  然而,抽水蓄能电站建设周期较长、涉及面积广、环境影响敏感。因此,需兼顾电站区域生态环境协调发展模式,逐步实现与以建筑学科为主导的园林景区设计、恢复生态学、景观生态学、地理学、旅游经济学等相关学科工程设计无缝连接。 
  压缩空气储能 
  作为一种基于燃气轮机的储能技术,其原理是将燃气轮机的压缩机和透平分开。在储能时,用电能驱动压缩机将空气压缩并存于储气容器内;在释能时,高压空气从储气室释放,进入燃烧室助燃,燃气膨胀驱动涡轮做功发电。 
  压缩空气储能具有以下优势:首先,压缩空气储能在上较为成熟;其次,压缩空气储能在装机容量上可达上百兆瓦,规模仅次于抽水蓄能,便于开展大规模的商业化应用;再次,压缩空气储能的能源转化效率较高,一般在75%左右,其中德国一座装机容量为29万千瓦的压缩空气储能电站,其能源转化效率高达77%,若再采用先进的材料(如超导热管等),其效率可提升到80%以上。 
  飞轮储能 
  飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置,突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能,通过安装在机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器储能。 
  通过电动/发电互逆式双向电机,电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存,并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。在储能时,电能通过电力转换器变换后驱动电机运行,电机带动飞轮加速转动,飞轮以动能的形式把能量储存起来,完成电能到机械能转换的储存能量过程,能量储存在高速旋转的飞轮体中;之后,电机维持一个恒定的转速,直到接收到一个能量释放的控制信号;释能时,高速旋转的飞轮拖动电机发电,经电力转换器输出适用于负载的电流与电压,完成机械能到电能转换的释放能量过程。目前,美国已将飞轮引入风力发电系统,实现全程调峰,飞轮机组的发电功率为300kW,大容量储能飞轮的储能为277kW每小时。  
  飞轮储能循环使用寿命长达20年,工作温区为-40~50℃,无噪声,无污染,维护简单,可连续工作。目前难点主要集中在转子强度设计、低功耗磁轴承、安全防护等方面。 
  电磁储能 
  超导储能 
  超导储能系统( SMES)是利用超导线圈将电磁能直接储存起来,需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。 
  由于超导储能系统( SMES)存储的是电磁能,在应用时无需能源形式的转换。因此该技术系统的响应速度极快,这是其他储能形式所无法比拟的;同时,其功率密度极高,这就保证超导储能系统能够非常迅速以大功率形式与电力系统的能量交换。另外,超导储能系统的功率规模和储能规模可做到很大,并具有系统效率高、较简单、没有旋转机械部分、没有动密封问题等优点;不仅可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡,还可以调节无功功率和有功功率,对于改善供电品质和提高电网的动态稳定性有巨大的作用。 
  目前,MJ-MW级小规模的超导储能系统造价约40-60万美元。 
  超级电容储能 
  超级电容器,也叫电化学电容器。1957年,由美国的Becker首先提出。超级电容器按储能原理可分为双电层电容器、法拉第准电容器。 
  双电层电容器利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量。当电极和电解液接触时,由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用,使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷,称为界面双电层。该电容器的储能通过使电解质溶液进行电化学极化实现,并没有产生电化学反应,该储能过程是可逆的。 
  继双电层电容器后,出现了法拉第准电容(简称准电容)。该电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,电活性物质进行欠电位沉积,发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应,产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容,其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储,还包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。 
  作为介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件,超级电容具有巨大的优越性:①功率密度高。超级电容器的内阻很小,而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速储存和释放。②充放电循环寿命长。超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应,其循环寿命可达万次以上。③充电时间短。完全充电只需数分钟。④实现高比功率和高比能量输出。⑤储存寿命长。⑥可靠性高。超级电容器工作中没有运动部件,维护工作极少。⑦环境温度对正常使用影响不大。超级电容器正常工作温度范围在-35~75℃。⑧可以任意并联使用,增加电容量;若采取均压后,还可串联使用,提高电压等级。 
   
   
   
  图一:各种储能储存容量及释放时间情况 
  结语 
  综上所述,各种储能均存在不同的有点和不足,可在不同的领域采用合适的储能。例如,在输电侧,由于电压支持、功率因数改善及增强电网可靠性,在地域条件允许的情况下,可采用抽水蓄能等大容量的储能;在配电侧、用户侧,考虑微电网、可再生能源接入以及用户负荷波动的影响,可采用高功率超级电容、高能量飞轮或储能电池等响应快速的储能。通过各种储能综合应用于电网削峰填谷,将会增强电网调峰压力,提高设备利用率;提高供电可靠性,降低损耗,延缓投资,减少可再生能源的接入、分布式发电、微网以及电动汽车充放的影响对电网产生的冲击等。从而,为电力客户提供优质电力,促进经济社会快速发展。 
   
  主要参考文献 
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  王育飞,符杨等.储能电池及其在电力系统中应用的新进展[J]. 2010年10月 
  张步涵,王云玲等.超级电容器储能及其应用[J].水电能源科学.2006年.(5)