儲能技術(shù)種類和特點(diǎn)

儲能技術(shù)種類和特點(diǎn)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(shí)利用的技術(shù)。儲能技術(shù)按照儲存介質(zhì)進(jìn)行分類，可以分為機(jī)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(jī)械類儲能機(jī)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(shí)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(shí)高標(biāo)高水庫中的水回流到下水庫推動水輪機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電。（2） 特點(diǎn)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，適合于配合核電站、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(diǎn)需要上池和下池；廠址的選擇依賴地理?xiàng)l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。⑷應(yīng)用目前，抽水蓄能機(jī)組在一個(gè)國家總裝機(jī)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(yùn)26座，投運(yùn)容量2064.5萬千瓦約占全國總裝機(jī)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(gè)飛輪儲能系統(tǒng)中，電能用于將一個(gè)放在真空外殼內(nèi)的轉(zhuǎn)子即一個(gè)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(diǎn)壽命長（15~30年）；效率高（90%）；少維護(hù)、穩(wěn)定性好；較高的功率密度；響應(yīng)速度快（毫秒級）。（3） 缺點(diǎn)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。⑷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(yùn)行，以進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，可用作一個(gè)不帶蓄電池的UPS，當(dāng)供電電源故障時(shí)，快速轉(zhuǎn)移電源，維持小系統(tǒng)的短時(shí)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(yùn)行15秒，2008年投運(yùn)。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(gè)地下的結(jié)構(gòu)（如地下洞穴），當(dāng)需要時(shí)再將壓縮空氣與天然氣混合，燃燒膨脹以推動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。（2） 優(yōu)點(diǎn)有調(diào)峰功能，適合用于大規(guī)模風(fēng)場，因?yàn)轱L(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械功可以直接驅(qū)動壓縮機(jī)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(diǎn)需要大的洞穴以存儲壓縮空氣，與地理?xiàng)l件密切相關(guān)，適合地點(diǎn)非常有限；需要燃?xì)廨啓C(jī)配合，并要一定量的燃?xì)庾魅剂希m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(shí)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(jìn)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(yùn)的壓縮空氣儲能站。德國Hundorf站于1978年投運(yùn)，壓縮功率60MW，發(fā)電功率290MW（后經(jīng)改造提高到321MW）,壓縮時(shí)間/發(fā)電時(shí)間=4,2小時(shí)連續(xù)運(yùn)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(yùn)美國Meintosh,Alabama阿拉巴馬州，1991年投運(yùn)，110MW，壓縮時(shí)間/發(fā)電時(shí)間=1.6,如連續(xù)輸出100MW可維持26小時(shí)，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(yùn)。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(xiàng)研究10MW壓縮空氣儲能，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人清華大學(xué)盧強(qiáng)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?。ㄒ话?.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。優(yōu)點(diǎn)長壽命、循環(huán)次數(shù)多；充放電時(shí)間快、響應(yīng)速度快；效率高；少維護(hù)、無旋轉(zhuǎn)部件；運(yùn)行溫度范圍廣，環(huán)境友好等。缺點(diǎn)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；投資成本咼；有一定的自放電率。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(jìn)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(shí)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(gè)用超導(dǎo)材料制成的、放在一個(gè)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(diǎn)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?？欤◣缀撩胫翈资撩耄β拭芏群芨?；極快的響應(yīng)速度，可改善配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。（3） 缺點(diǎn)超導(dǎo)材料價(jià)格昂貴；維持低溫制冷運(yùn)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(jià)格昂貴和維護(hù)復(fù)雜，在電網(wǎng)中應(yīng)用很少，大多是試驗(yàn)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(hù)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(yàn)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(diǎn)，并且還獲得許多實(shí)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+2H2S04+Pb―->PbS04+2H20+PbS04（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(diǎn)技術(shù)很成熟，結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便；循環(huán)壽命可達(dá)1000次左右；效率可達(dá)80%至90%,性價(jià)比高。（3）缺點(diǎn)深度、快速、大功率放電時(shí)，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(dú)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(shí)際上是一個(gè)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(shí)，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，此時(shí)負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)；放電時(shí)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(diǎn)鋰離子電池的效率可達(dá)95%以上；放電時(shí)間可達(dá)數(shù)小時(shí)；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(shí)用型電池，有多種材料可用于它的正極和負(fù)極（鉆酸鋰鋰離子電池、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(diǎn)鋰離子電池的價(jià)格依然偏高；有時(shí)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(xiǎn)，所以需要通過過充電保護(hù)來解決。（4）應(yīng)用由于鋰離子電池在電動汽車、計(jì)算機(jī)、手機(jī)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(jià)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(jìn)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(yùn)行溫度需保持在300°C以上，以使電極處于熔融狀態(tài)。（2） 優(yōu)點(diǎn)循環(huán)周期可達(dá)4500次；放電時(shí)間可達(dá)6至7小時(shí)；周期往返效率約為75%；它的能量密度高，響應(yīng)時(shí)間快（毫秒級）。（3）缺點(diǎn)由于它使用了金屬鈉，是一種易燃物，又運(yùn)行在高溫下，所以存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。（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(gè)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(jià)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(diǎn)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(shí)間也不很快。（3） 優(yōu)點(diǎn)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(gè)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(diǎn)工程項(xiàng)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(shí)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。四熱儲能基本原理在一個(gè)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(shí)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(jìn)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(yùn)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)。缺點(diǎn)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。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?；驹砝么龡壍舻娘L(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。優(yōu)點(diǎn)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(shí)間也很長，可達(dá)幾個(gè)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。缺點(diǎn)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%⑷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(xiàng)技術(shù)，已有示范項(xiàng)目在德國投入運(yùn)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(diǎn)各異。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要根據(jù)各種儲能技術(shù)的特點(diǎn)以及對優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(shí)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(jì)因素（投資成本、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用）;⑧安全和環(huán)境方面的考慮。在實(shí)際工程項(xiàng)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(diǎn)、容量以及各種技術(shù)的配合，還要考慮用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力。6.1放電時(shí)間對比儲能技術(shù)性能如果按放電時(shí)間劃分，可分為短放電時(shí)間（秒至分鐘級），如超級電容器、超導(dǎo)儲能、飛輪儲能，中等放電時(shí)間（分鐘至小時(shí)級），如飛輪儲能、各種電池等，較長放電時(shí)間（小時(shí)至天級），如各類電池、抽水蓄能、壓縮空氣等，特長放電時(shí)間（天至月級），如氫和合成天然氣。上述放電時(shí)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(shí)間的，可用于電源轉(zhuǎn)接。較長或特長時(shí)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