电能存储技术

电能存储技术

一、电能储存技术

为了增进电能的利用效率，使用合适的电能储存系统可以在不增加电网容量投资的基础上，满足负荷高峰时的需求。一个基础性的问题在于，负荷情况可能因每天，每小时，季节变化而变化，必须有足够容量的设备提供高峰时的需求。理论上，发电和用电应该是相等的。电能发电设备必须能较快地实现投入和切除，比如，微型燃气轮机的反应时间较长，抽水蓄能电站的投入时间较短，然而，石化燃料电站及核电站均不适合频繁起停。此外，这些电站在固定于某个输出的时候才能达到较高的效率。因此，让大型电站处于连续运行状态，并通过寻找合适的电源方式以在用电低谷的时候吸收电能，用电高峰的时候发出电能以平抑需求和供给的差异的方式被认为是经济性和效率较高的一种方式。

由于受环境影响因素较大，很少利用自然资源类型直接作为电能存储的媒介，比如，太阳能，风能，海浪能，潮汐能，这些类型的能源也必须结合合适的电能存储设备才能充分发挥调峰的功效。

电能的存储设备通常需要将电能转化为其他类型的能量，在特定时间段内，将此种类型的能量再次反转为电能以用于生产生活所需。

二、电能储存技术分类

全球储能技术主要有化学储能（如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、超级电容器等）、物理储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）和电磁储能（如超导电磁储能等）三大类。目前技术进步最快的是化学储能，其中钠硫、液流及锂离子电池技术在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破，产业化应用的条件日趋成熟。

电池储能

电池储能是运用电气化学原理，将电能转变为化学能，然后通过逆反应将化学能转

化为电能的一种技术。常规的电气化学元件是蓄电池。通常来讲，蓄电池的存储容量较小，形成较大的蓄能电站需要较多数量的电池单元，而且，蓄电池放出的点只有直流，须进行DC/AC转化才能投入使用。

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，至今才40年左右的历史。电池通常是由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。一般常规二次电池如铅酸电池、镉镍电池等都是由固体电极和液体电解质构成，而钠硫电池则与之相反，它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐，由于硫是绝缘体，所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Al2O3的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料。

1、基本原理：钠硫电池以钠和硫分别用作阳极和阴极．Beta-氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。它的电池形式如下：

(一) Na(1)／beta一氧化铝／Na2Sx(1)／C(+)

基本的电池反应是：2N a + xS= Na2Sx

2、钠硫电池特性

⑴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％。

⑵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。

⑶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。

3、钠硫电池的缺点

• 不能处理部分循环e.g. 风能，SOC只能用平均值计量，所以需要周期性的离线度量；

• 过度充电时很危险；

• 高温350ºC熔解硫和钠，因此需要附加供热设备来维持温度。

意义：钠硫电池作为新型化学电源家族中的一个新成员出现后，已在世界上许多国家受到极大的重视和发展。由于钠硫电池具有高能电池的一系列诱人特点，所以一开始不少国家就首先纷纷致力于发展其作为电动汽车用的动力电池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但随着时间的推移表明，钠硫电池在移动场合下(如电动汽车)使用条件比较苛刻，无论从使用可提供的空间、电池本身的安全等方面均有一定的局限性。所以在80年代末和90年代初开始，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下(如电站储能)应用，并越来越显示其优越性。如日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平(即起削峰平谷作用，将夜晚多余的电存储在电池里，到白天用电高峰时再从电池中释放出来)、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段，已建成世界上最大规模(8MW)的储能钠硫电池装置，截止2005年10月统计，年产钠硫电池电池量已超过100MW，同时开始向海外输出。

钠硫电池的充电效率已可达到80％，能量密度是铅酸蓄电池的3倍，循环寿命更长。日本在此项技术上处于国际领先地位，2004年日本在本国Hitachi自动化工厂安装了当时世界上最大的钠硫电池系统，容量是9．6ＭＷ／57．6ＭＷｈ。

现阶段大容量电池储能的应用

纽约的AES Westover储能项目是美国首个在公共设施应用的并进行商业化运营的电池储能项目。6日，负责该项目运作的AES Energy Storage（AES Energy Storage为AES 集团下属的储能研发部门）宣布其前期的8MW储能电池项目已经建成。美国能源部此前为AES储能项目二期的12MW项目提供1710万美元贷款担保。二期项目预计将于2011年终建成，届时其总容量将提升到20MW。这是美国第一个MW级的储能项目。该项目将可对电网的瞬间电力调控进行响应。帮助平衡用电高峰及用电低谷时期的电网负荷。太阳能专家一直以来关注着大规模储能产业的发展，太阳能和风能的间歇性特点决定了储能技术的应用价值。

AES Energy Storage相关负责人表示：伴随这一8MW一期工程项目的建成运营，公司已经在全球建设完成了24MW的电网储能项目。另外100MW的项目正在加速实施中。

还有超过500MW的项目在准备实施中。

迄今为止最大规模的储能电池装置是日本生产商NGK Ltd.建设的容量为34兆瓦的项目，与一家风电厂相配套。

钠硫电池其他项目举例：

1.墨西哥墨西卡利（Mexicali），1GW（1000MW）（2010年宣建）

2.美国西维吉尼亚俄亥俄州25MW （2007年）

3.阿布扎比50MW

4.纽约1MW

5.德国1MW

6.美国哥伦比亚空军基地12MW

7.日本Hitachi 9.6MW

8.日本34MW 用于51MW风电场

对城市电网而言，钠硫储能电池具有容量大、体积小、能量储存和转换效率高、寿命长、不受地域限制等优点，非常适合电力储能。经综合分析，钠硫储能电池是目前最经济实用的储能方法之一，是目前大容量储能电池中的佼佼者。抽水蓄能，需要特殊场地；金属%空气电池，充电困难；锂电池，成本过高；铅酸电池，寿命太短，谁都比不上钠硫电池可靠。

因此，钠硫电池的研发在国际上方兴未艾。2006年8月，上海硅酸盐研究所与上海市电力公司开展了大容量钠硫单体电池的合作研发。5个月后，650AH的单体电池试制成功，我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家，2007年8月，双方共建“上海钠硫电池研制基地”，不久便攻克了钠硫电池制备关键技术，成功研制170余台套具有自有知识产权的生产与性能评价装备，贯通了年产2兆瓦的钠硫储能电池中试线，实现10千瓦储能系统成功演示。

其他电池技术

液流钒电池的基础材料是钒，该电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100％深度放电、寿命长等优点，已进入商业化阶段。