电储能技术
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
二钒5.62公斤); 不含重金属，环境友好。 缺点：能量密度为20Wh/kg，略高于铅酸电池。
19
技术所有：日本住友电工， 我国：大连化学物理所、中南大学、清华大学
全钒液流电池（VRB）和技术现状
1984年澳大利亚新南威尔士大学的Maria Skyllas-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Pinnacle VRB获得新专利许可，并在1999年将专利授予日
二、 若干关键问题 以及清华的部分工作
2.1 电池技术、状态估计和管理
2.1.1 电池技术 2.1.2 电池应用：状态估计和管理
2.2 电力变换装置及其控制技术
2.2.1 并网技术 2.2.2 多电平逆变器控制技术
2.3 功率预报技术
15
2.1 电池技术、状态估计和管理
2.1.1 电池技术
• 传统储能电池 （铅酸电池， 镍镉电池，镍氢电池）
比亚迪纯电动
QQ
2010/6，财政部、科技部、工信部和发改委联
合发布了私人购买新能源汽车补贴标准，确定将
在上海等 5个城市启动私人购买新能源汽车补贴
试点工作。国家对满足支持条件的新能源汽车，
按3000元/千瓦时给予补贴。
13
1.3 电储能技术应用现状— 国家的几个举 措
近期几个示范工程： （1）张北：风光储一体化示范工程（风电30万千瓦、太阳能光伏电10万千瓦、
一个1MW变电站电储能装置10MW馈线 负载的削峰填谷作用
一个2MW, 14.4MWh蓄电站的组成 12
1.3 电储能技术应用现状— 电动汽车
日本丰田公司
1997年10月底推出prius 2005年12月第二代prius上市 2009年5月第三代prius
中国的电动汽车示范以及推广
清华纯电动
11
1.3 电储能技术应用现状— 智能电网
美国电力公司(AEP) 2006年：查尔斯顿一变电站，第一组储能1MW/7.2MWh的钠硫电池（左图） 2008年：三个变电站中设置了2MW/14.4MWh钠硫电池储能系统（右图） 2009年：在俄亥俄州投入1MW/250kWh飞轮储能系统，验证分布式储能装 置对电网频率调整的可行性； 2009年：120V/240V上“社区储能装置”(community energy storage, CES)，推广分布式储能装置。
电储能关键技术动态
清华大学 杨耕, 何志超，张伟，秦潇 燕山大学 万承宽，邬伟扬
1
内容
一、背景
1.1 储能技术的背景 1.2 目前主要的储能方式 1.3 电储能技术应用现状
二、若干关键问题以及清华的部分工作
2.1 电池技术、状态估计和管理 2.2 电力变换装置及其控制技术 2.3 功率预报技术
2
一、背景
清华大学5kW钒电池反应电堆与电解液储蓄罐
20
锂离子电池（Li-ion）和技术现状
锂离子电池目前以碳素材料为负极， 以含锂的化合物作正极，没有金属锂， 只有锂离子，因此称为锂离子电池。锂 离子电池的充放电过程，就是锂离子的 嵌入和脱嵌过程，同时伴随着与锂离子 等当量电子的嵌入和脱嵌。在充放电过 程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入 /脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇 椅电池”。
• 锂电池（基本是锂离子电池） • 液流电池（锌溴电池，钒电
池） • 钠硫电池（高温钠硫） • 双层电容器和飞轮 • 超导储能SMES
Fig. Approximate scale of energy storage systems installed by mid-2006, excluding PSH and CAES. (Jim McDowall, Status and Outlook of the Energy Storage Marke1t,6
Barin A. et al, Storage Energy Management With Power Quality Concerns The Analytic
Hierarchy Process And The Fuzzy Logic, COPEP’ 2009
9
1.2 目前主要的储能方式
压缩空气 蓄水储能 氢气储能 飞轮储能 超级电容 锂电池 钠硫电池 钒电池
最小
较小
较大
高
较高（不定） 较低（不定）
大
大
大
10 年以上
？
？
王冉冉,刘玉庆等. 飞轮储能装置的性能特点及其应用展望.电源技术应用. 2003 8
1.2 目前主要的储能方式
主要储能方式的比较
效率
负载管理
技术成熟
5
经济性
4
环境友好
3
电能质量
2
1
环境友好
0
技术成熟
效率来自百度文库
钠钒超硫飞锂氢级蓄电轮压电气电水池储缩池储容储能空能能气 电池
1.2 目前主要的储能方式
按照储能介质形态分类，目前的电力储能可分为： 化学储能：铅酸电池、钠硫电池、全钒氧化还原液流电池 电磁储能：超导储能、双电层电容器 机械储能：如抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能 热/冰储能：如热泵储能、电锅炉储能
7
1.2 目前主要的储能方式
主要储能方式比较 (2003)
缺点：工作温度高，大电流充放电可能发生爆炸；技术难度高。
技术所有：日本NGK； 我国：大连化学物理研究所 、上海硅酸盐研究所等
17
钠硫电池（NAS）及技术现状
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
1981年美国贝尔实验室研制成功第一个可用的锂离子石墨电极； 1991年日本索尼公司发布首个商用锂离子电池； 1996年Goodenough和Akshaya Padhi等人对锂离子电池引入磷酸铁锂正极。
最新数据：美国Altairnano公司使用纳米钛酸锂代替普通的碳素作为锂离子 电池的负极，使得制造的锂离子电池拥有比较长的工作寿命（超过12000次 充放电）和比较宽的工作温度条件（-40℃到55℃）。但电池能量密度比较 低100Wh/kg，电池价格USD 2/Wh。
（2）2010年9月，能源局《新兴能源产业规划 》 规划不仅包含先进核电、风能、太阳能和生物质能等新能源资源的开发
利用，还包括对传统能源的升级变革。实施以后，到2020年将大大减缓对 煤炭的过度依赖，使当年的SO2排放减少约780万吨、CO2排放减少约12 亿吨。规划期累计直接增加投资5万亿元，每年增加产值1.5万亿元。 14
本住友电工和加拿大的Vanteck公司; 2001年Vanteck公司控股pinnacle VRB，更名为VRB Power Systems，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。
优点：
(1) 理论比能量高达760Wh/kg，实际中>100Wh/kg (铅酸电池的3-5倍)。
(2) 高效率，实验室充放电效率高达89%，实际效率也高达80%；没有自放电现象；
容量和功率分别可调；
(3) 充放电循环次数高达4500次，寿命可达10-15年。
(4) 原材料丰富且易开采，维护成本低；
(5) 不含重金属，环境友好。
化学储能7.5万千瓦 ，2010年）； （2）厦门：基于液流电池储能的大型应急电源示范工程（国际会展中心）； （3）上海：上海世博园智能电网综合示范工程
······· 几个计划：
（1）2010年5月，国网公司《坚强智能电网关键设备（系统）研制规划》 发电：“大规模储能： 大型抽水蓄能电站、大容量电池储能系统” 用电：“智能用电中的“储能及管理”/ 电动汽车充放电设备”
对比特性 化学蓄电池 飞轮储能装置 超导储能装置 燃料电池
储能方式 化学方式
使用寿命 3～10 年
对环境影响 需要回收
工作温度 有要求
相对尺寸 最大
价格
最低
储能密度
小
维护周期 半年以内
机械方式 电磁方式 化学方式
20 年以上 约 20 年 10 年以上
几乎无污染 几乎无污染 污染极少
要求低 严格控制温度 有要求
System Solutions for Hybrid and Electric Vehicles, Texas Instruments, 2010
国家电网:支持V2G的快速充电座
5
不同需求对充放电速度和容量的要求
6
Changing the Electricity Game, IEEE-PE Mag, 2009, July
1.1 储能技术的背景
风电场对储能技术的需求
风电场 690V
PW 690V
:
PW
:
:
690V
10/35kV 并网点 PC+QC
功率调节系统
PW
110/220kV PS
电网
3
1.1 储能技术的背景
智能电网对储能技术的需求
4
1.1 储能技术的背景
电动汽车对储能技术的需求
汽车动力电气化已成为全球汽车工业发展的焦点和核心； “车辆到电网”(V2G)的概念正在兴起，期待其作为电力系统“削峰填谷” 的有效手段之一。
18
全钒液流电池（VRB）和技术现状
discharge
positive：VO2 2H e VO2 H 2O
negative：
V 2 V 3 e charge
优点： 1) 反应电堆与电解液分开，储能系统的容量和功率可分别设计。 2) 高效率，实验室充放电效率高达88%，实际效率在75%左右，且没有自放电现象。 3) 充放电循环次数高达4000次。 4) 原材料丰富(我国已探明五氧化二钒资源大约1000万吨，每储存1度电大约需要五氧化
解析模型 随机数学模型
25
电化学模型 电路模型 科特方程 扩散模型 KiBaM
IEEE-PES, 2007)
钠硫电池（NAS）及技术现状
原理：钠和硫分别作为阴 极和阳极，陶瓷β- 氧化铝 同时起隔膜和电解液的双 重作用，正常工作温度范 围在300℃-360℃。高温 下的电极物质处于熔融状 态，使得钠离子流过β- 氧 化铝固态电解液的电阻大 为降低，以获得电池充放 电高效率。
主要储能方式的比较
效率 负载管理 技术成熟 经济性
3
4
3
5
3
4
3
5
1
4
1
3
4
2
3
5
4
1
3
1
4
4
3
3
3? 4
3
2
3? 4
2
2
环境友好 1 3 4 5 5 4 3 3
电能质量 1 1 4 3 3 4 4 4
Barin A. et al, Storage Energy Management With Power Quality Concerns The Analytic Hierarchy Process And The Fuzzy Logic, COPEP’ 2009
22
2.1.2 电池应用：状态估计和管理
动力电池（串联）应用的三个问题
使用一段时间后，容量和SOC出现差异 充电时，容量小而SOC大的电池容易过充 放电时，容量小而SOC小的电池容易过放
23
2.1.2 电池应用：状态估计和管理
24
电池模型介绍
基于 模型 的
SOC 估计 方法
电化学模型 等效电路模型
10
1.3 电储能技术应用现状— 风电场
日本住友电工 (SEI) 总装机容量：30.8MW（19个风机） 电池组额定容量：6MWh VRB 地点：Tomamae Wind Villa 目的：平滑风力发电输出功率
价格：不详
日本碍子公司(NGK) 总装机容量：51MW 电池组额定容量：34 MW NAS 地点：Rokkashomura Wind Farm 目的：平滑风力发电输出功率; 价格：0.42 Euro/kWh
优点： 1) 单体电压高，能够到达3.7-3.8V; 2) 比能量大，目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右; 3) 环保无公害，不含有污染环境的重金属，没有记忆效应; 缺点：电池衰老比较明显；不耐受过充过放，需要多重保护.
21
锂离子电池（Li-ion）和技术现状
20世纪70年代M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极 材料，制成首个锂电池；
19
技术所有：日本住友电工， 我国：大连化学物理所、中南大学、清华大学
全钒液流电池（VRB）和技术现状
1984年澳大利亚新南威尔士大学的Maria Skyllas-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Pinnacle VRB获得新专利许可，并在1999年将专利授予日
二、 若干关键问题 以及清华的部分工作
2.1 电池技术、状态估计和管理
2.1.1 电池技术 2.1.2 电池应用：状态估计和管理
2.2 电力变换装置及其控制技术
2.2.1 并网技术 2.2.2 多电平逆变器控制技术
2.3 功率预报技术
15
2.1 电池技术、状态估计和管理
2.1.1 电池技术
• 传统储能电池 （铅酸电池， 镍镉电池，镍氢电池）
比亚迪纯电动
2010/6，财政部、科技部、工信部和发改委联
合发布了私人购买新能源汽车补贴标准，确定将
在上海等 5个城市启动私人购买新能源汽车补贴
试点工作。国家对满足支持条件的新能源汽车，
按3000元/千瓦时给予补贴。
13
1.3 电储能技术应用现状— 国家的几个举 措
近期几个示范工程： （1）张北：风光储一体化示范工程（风电30万千瓦、太阳能光伏电10万千瓦、
一个1MW变电站电储能装置10MW馈线 负载的削峰填谷作用
一个2MW, 14.4MWh蓄电站的组成 12
1.3 电储能技术应用现状— 电动汽车
日本丰田公司
1997年10月底推出prius 2005年12月第二代prius上市 2009年5月第三代prius
中国的电动汽车示范以及推广
清华纯电动
11
1.3 电储能技术应用现状— 智能电网
美国电力公司(AEP) 2006年：查尔斯顿一变电站，第一组储能1MW/7.2MWh的钠硫电池（左图） 2008年：三个变电站中设置了2MW/14.4MWh钠硫电池储能系统（右图） 2009年：在俄亥俄州投入1MW/250kWh飞轮储能系统，验证分布式储能装 置对电网频率调整的可行性； 2009年：120V/240V上“社区储能装置”(community energy storage, CES)，推广分布式储能装置。
电储能关键技术动态
清华大学 杨耕, 何志超，张伟，秦潇 燕山大学 万承宽，邬伟扬
1
内容
一、背景
1.1 储能技术的背景 1.2 目前主要的储能方式 1.3 电储能技术应用现状
二、若干关键问题以及清华的部分工作
2.1 电池技术、状态估计和管理 2.2 电力变换装置及其控制技术 2.3 功率预报技术
2
一、背景
清华大学5kW钒电池反应电堆与电解液储蓄罐
20
锂离子电池（Li-ion）和技术现状
锂离子电池目前以碳素材料为负极， 以含锂的化合物作正极，没有金属锂， 只有锂离子，因此称为锂离子电池。锂 离子电池的充放电过程，就是锂离子的 嵌入和脱嵌过程，同时伴随着与锂离子 等当量电子的嵌入和脱嵌。在充放电过 程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入 /脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇 椅电池”。
• 锂电池（基本是锂离子电池） • 液流电池（锌溴电池，钒电
池） • 钠硫电池（高温钠硫） • 双层电容器和飞轮 • 超导储能SMES
Fig. Approximate scale of energy storage systems installed by mid-2006, excluding PSH and CAES. (Jim McDowall, Status and Outlook of the Energy Storage Marke1t,6
Barin A. et al, Storage Energy Management With Power Quality Concerns The Analytic
Hierarchy Process And The Fuzzy Logic, COPEP’ 2009
9
1.2 目前主要的储能方式
压缩空气 蓄水储能 氢气储能 飞轮储能 超级电容 锂电池 钠硫电池 钒电池
最小
较小
较大
高
较高（不定） 较低（不定）
大
大
大
10 年以上
？
？
王冉冉,刘玉庆等. 飞轮储能装置的性能特点及其应用展望.电源技术应用. 2003 8
1.2 目前主要的储能方式
主要储能方式的比较
效率
负载管理
技术成熟
5
经济性
4
环境友好
3
电能质量
2
1
环境友好
0
技术成熟
效率来自百度文库
钠钒超硫飞锂氢级蓄电轮压电气电水池储缩池储容储能空能能气 电池
1.2 目前主要的储能方式
按照储能介质形态分类，目前的电力储能可分为： 化学储能：铅酸电池、钠硫电池、全钒氧化还原液流电池 电磁储能：超导储能、双电层电容器 机械储能：如抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能 热/冰储能：如热泵储能、电锅炉储能
7
1.2 目前主要的储能方式
主要储能方式比较 (2003)
缺点：工作温度高，大电流充放电可能发生爆炸；技术难度高。
技术所有：日本NGK； 我国：大连化学物理研究所 、上海硅酸盐研究所等
17
钠硫电池（NAS）及技术现状
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
1981年美国贝尔实验室研制成功第一个可用的锂离子石墨电极； 1991年日本索尼公司发布首个商用锂离子电池； 1996年Goodenough和Akshaya Padhi等人对锂离子电池引入磷酸铁锂正极。
最新数据：美国Altairnano公司使用纳米钛酸锂代替普通的碳素作为锂离子 电池的负极，使得制造的锂离子电池拥有比较长的工作寿命（超过12000次 充放电）和比较宽的工作温度条件（-40℃到55℃）。但电池能量密度比较 低100Wh/kg，电池价格USD 2/Wh。
（2）2010年9月，能源局《新兴能源产业规划 》 规划不仅包含先进核电、风能、太阳能和生物质能等新能源资源的开发
利用，还包括对传统能源的升级变革。实施以后，到2020年将大大减缓对 煤炭的过度依赖，使当年的SO2排放减少约780万吨、CO2排放减少约12 亿吨。规划期累计直接增加投资5万亿元，每年增加产值1.5万亿元。 14
本住友电工和加拿大的Vanteck公司; 2001年Vanteck公司控股pinnacle VRB，更名为VRB Power Systems，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。
优点：
(1) 理论比能量高达760Wh/kg，实际中>100Wh/kg (铅酸电池的3-5倍)。
(2) 高效率，实验室充放电效率高达89%，实际效率也高达80%；没有自放电现象；
容量和功率分别可调；
(3) 充放电循环次数高达4500次，寿命可达10-15年。
(4) 原材料丰富且易开采，维护成本低；
(5) 不含重金属，环境友好。
化学储能7.5万千瓦 ，2010年）； （2）厦门：基于液流电池储能的大型应急电源示范工程（国际会展中心）； （3）上海：上海世博园智能电网综合示范工程
······· 几个计划：
（1）2010年5月，国网公司《坚强智能电网关键设备（系统）研制规划》 发电：“大规模储能： 大型抽水蓄能电站、大容量电池储能系统” 用电：“智能用电中的“储能及管理”/ 电动汽车充放电设备”
对比特性 化学蓄电池 飞轮储能装置 超导储能装置 燃料电池
储能方式 化学方式
使用寿命 3～10 年
对环境影响 需要回收
工作温度 有要求
相对尺寸 最大
价格
最低
储能密度
小
维护周期 半年以内
机械方式 电磁方式 化学方式
20 年以上 约 20 年 10 年以上
几乎无污染 几乎无污染 污染极少
要求低 严格控制温度 有要求
System Solutions for Hybrid and Electric Vehicles, Texas Instruments, 2010
国家电网:支持V2G的快速充电座
5
不同需求对充放电速度和容量的要求
6
Changing the Electricity Game, IEEE-PE Mag, 2009, July
1.1 储能技术的背景
风电场对储能技术的需求
风电场 690V
PW 690V
:
PW
:
:
690V
10/35kV 并网点 PC+QC
功率调节系统
PW
110/220kV PS
电网
3
1.1 储能技术的背景
智能电网对储能技术的需求
4
1.1 储能技术的背景
电动汽车对储能技术的需求
汽车动力电气化已成为全球汽车工业发展的焦点和核心； “车辆到电网”(V2G)的概念正在兴起，期待其作为电力系统“削峰填谷” 的有效手段之一。
18
全钒液流电池（VRB）和技术现状
discharge
positive：VO2 2H e VO2 H 2O
negative：
V 2 V 3 e charge
优点： 1) 反应电堆与电解液分开，储能系统的容量和功率可分别设计。 2) 高效率，实验室充放电效率高达88%，实际效率在75%左右，且没有自放电现象。 3) 充放电循环次数高达4000次。 4) 原材料丰富(我国已探明五氧化二钒资源大约1000万吨，每储存1度电大约需要五氧化
解析模型 随机数学模型
25
电化学模型 电路模型 科特方程 扩散模型 KiBaM
IEEE-PES, 2007)
钠硫电池（NAS）及技术现状
原理：钠和硫分别作为阴 极和阳极，陶瓷β- 氧化铝 同时起隔膜和电解液的双 重作用，正常工作温度范 围在300℃-360℃。高温 下的电极物质处于熔融状 态，使得钠离子流过β- 氧 化铝固态电解液的电阻大 为降低，以获得电池充放 电高效率。
主要储能方式的比较
效率 负载管理 技术成熟 经济性
3
4
3
5
3
4
3
5
1
4
1
3
4
2
3
5
4
1
3
1
4
4
3
3
3? 4
3
2
3? 4
2
2
环境友好 1 3 4 5 5 4 3 3
电能质量 1 1 4 3 3 4 4 4
Barin A. et al, Storage Energy Management With Power Quality Concerns The Analytic Hierarchy Process And The Fuzzy Logic, COPEP’ 2009
22
2.1.2 电池应用：状态估计和管理
动力电池（串联）应用的三个问题
使用一段时间后，容量和SOC出现差异 充电时，容量小而SOC大的电池容易过充 放电时，容量小而SOC小的电池容易过放
23
2.1.2 电池应用：状态估计和管理
24
电池模型介绍
基于 模型 的
SOC 估计 方法
电化学模型 等效电路模型
10
1.3 电储能技术应用现状— 风电场
日本住友电工 (SEI) 总装机容量：30.8MW（19个风机） 电池组额定容量：6MWh VRB 地点：Tomamae Wind Villa 目的：平滑风力发电输出功率
价格：不详
日本碍子公司(NGK) 总装机容量：51MW 电池组额定容量：34 MW NAS 地点：Rokkashomura Wind Farm 目的：平滑风力发电输出功率; 价格：0.42 Euro/kWh
优点： 1) 单体电压高，能够到达3.7-3.8V; 2) 比能量大，目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右; 3) 环保无公害，不含有污染环境的重金属，没有记忆效应; 缺点：电池衰老比较明显；不耐受过充过放，需要多重保护.
21
锂离子电池（Li-ion）和技术现状
20世纪70年代M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极 材料，制成首个锂电池；