综述各类储能装置的储能技术
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综述各类储能装置的储能技术
廖曙生
(广东电网公司汕头供电局)
1前言
电力生产是一个连续的过程,发电、负荷和损耗之间需时刻保持基本平衡。
随着新能源技术的发展,电力系统逐步接入了很多分布式电源。
而发布式电源,例如风能发电,对外界气候比较敏感,易受实时风力波动性和间歇性的影响,严重时将导致风力发电机出力与负荷之间不能实现功率平衡,从而影响电力系统的稳定运行。
为解决这一问题,可在系统中安装储能元件,系统电力充沛时储存能源,电力紧缺时释放电力,利用储能装置的有功出力填补风电场有功出力缺额,实现风电场出力与负荷间的有功功率平衡。
目前,储能技术取得比较大的发展,各类储能装置的充放电特性已被充分认知,大容量的储能装置已经投入工业试运行;统筹风电、太阳能光伏、储能装置和负荷的微网技术研究已经达到实用化阶段。
可以肯定地说,储能技术将在智能电网中得到更为广泛的应用。
本文将着重介绍各类大容量级先进电力储能装置的特点,并从技术、市场和价格等层面进行综合分析对比。
2储能装置概述
目前,储能技术主要有物理储能、电磁储能、电化学储存和变相储能等。
其中物理储能主要包括飞轮储能、抽水蓄能、压缩空气储能等;电磁储能主要是超导储能;电化学储能主要包括蓄电池储能、超级电容储能、燃料电池储能等;变相储能主要有冰蓄冷储能等。
3储能装置比较
3.1飞轮储能
飞轮储能技术是一种机械储能方式,它以动能的形式存储能量,经过功率变换器,完成机械能-电能相互转换。
它外部输入的电能通过电力电子装置驱动电动机旋转,电动机带动飞轮旋转,飞轮将电能储存为机械能;当外部负载需要能量时,飞轮带动发电机旋转,将动能变换为电能,并通过电力电子装置对输出电能进行控制。
飞轮储能功率密度一般大于5kW/kg,能量密度超过20Wh/kg,循环使用寿命长,工作温区较宽,无噪声,无污染,最大容量已达5kW·h。
主要用于不间断电源(UPS)、应急电源(EPS)、电网调峰、频率和电能质量控制,预计未来将首先在电力调节、UPS等领域实现商业应用。
从性能角度讲,飞轮储能优势在于:
(1)储能密度高。
转子转速大于60000r/min的飞轮电池,在75%放电深度下产生大于20Whr/lb的比能量,而镍氢电池只有5~6Whr/lb的比能量,其放电深度一般限制30~40%的范围内。
同样的储能容量下,飞轮储能的占地面积往往只有电池的1/3。
(2)使用寿命长。
国外产品经过不断地更新和提高性能,寿命已经达到可充放电15年、10万次以上。
(3)无过充电、过放电问题。
化学电池一般不能深度放电,也不能过充电,否则其寿命会急剧下降。
而飞轮电池在深度放电时,其性能完全不受影响,而且在电力电子协助下,可以通过限制转子的最高转速来限制过充电。
而且容易测量放电深度。
飞轮电池只要测出转子的转速,就能确切知道其放电深度。
(4)充电时间短。
飞轮电池的充电一般在几分钟之内即可完成,而化学电池则需要几个小时,常见的需要七八个小时。
(5)对温度不敏感。
化学电池在高温或低温时其性能会急剧下降,而飞轮电池则不会。
(6)对环境友好。
化学电池在报废后会对环境产生恶劣影响,而且回收成本较高。
飞轮电池是一种绿色电池,它不会对环境产生任何影响。
飞轮储能最突出的缺点在于自放电率高,如停止充电,能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。
因此,飞轮储能一般适用于高功率、短时间放电或频繁充放电的储能需求。
从市场角度讲,飞轮储能技术思想在上世纪50年代即被提出后,由于当时各种技术条件限制,在发展不久即遇到瓶颈。
直到上世纪90年代,随着新材料技术、超导技术、磁悬浮技术、电子电力技术的发展,以及能源意识、环保意识的增强,飞轮储能技术才得以高速发展。
全世界范围内能提供商品的厂家约有十余家,而目前我国的大规模飞轮储能技术还停留在实验室研究阶段,与国外技术水平差距在10年以上。
3.2超级电容储能
普通电容器由于储存能量过小,未能用作电力系统中的储能装置。
超级电容器根据电化学双电层理论研制而成,可提供强大的脉冲功率,充电速度快,放电电流仅受内阻和发热限制,能量转换率高,循环使用寿命长,放电深度深,长期使用免维护,低温特性好,没有“记忆效应”,它的储存容量为普通电容器的20~1000倍。
从性能方面讲,超级电容的优点在于:在很小的体积下达到法拉级的电容量;可以瞬间释放的功率比普通电池高近十倍,而且不会损坏;充放电循环寿命在十万次以上,远高于一般蓄电池;充电迅速,比普通电池快几十倍;和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响;有超强的荷电保持能力,漏电量非常小;温度适应范围广,在较低温度下仍可正常工作;从环保的角度考虑,它是一种绿色能源;超级电容器可焊接,因而不存在像电池接触不牢固等问题。
超级电容的缺点在于:如果使用不当会造成电解质泄漏等现象;和铝电解电容器相比,它内阻较大,因而不可以用于交流电路;更重要的是,虽然超级电容其容量远远大于一般电容,但相比于技术成熟的蓄电池仍然很小,而且所占的体积也更大,因而储能密度远不如蓄电池。
从市场方面讲,目前超级电容器在市面上远没有其它电池那么常见,超级电容器更多的是被用于成品的配件使用,购买方式主要还是批量定制为主。
根据国内知名超级电容生产厂商提供的产品数据来看,目前市场上可大量采购的高能量型超级电容额定电压一般为2.7V,容量最大可达到数千至一万法拉,价格一般在每只数百元上下。
以此为例进行大致估算:该型号超级电容额定电压为2.7V,容量为5000F,利用电容最大能量公式计算E=1CU2,得
摘要:目前储能技术取得比较大的发展,各类储能装置的充放电特性已被充分认知,大容量的储能装置已经投入工业试运行。
介绍了
各类大容量级先进电力储能装置的特点,并从技术、市场和价格等方面进行分析对比。
关键词:储能装置;储能技术;市场;价格
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广东科技2012.10.第19期
到每只该型号电容的最大储能约为:
5000×2.72
2
=18255(J)=5.16(Wh)
若要构成380V/1MWh容量的储能系统,则需要约200000只该型号的超级电容,明显成本偏高。
3.3超导储能
超导磁储能系统(superconducting magnetic energy storage,SMES)利用超导线圈储存磁场能量,能量交换和功率补偿无需能源形式的转换超导储能与其他储能技术相比具有显著的优点[1]:①由于可以长期无损耗储存能量,能量返回效率很高;②能量的释放速度快,通常只需几秒钟;③采用SMES可使电网电压、频率、有功和无功功率容易调节。
其最大的缺点就是成本太高,其次就是需要压缩机和泵以维持液化冷却剂的低温,使系统变得更加复杂,需要定期的维护。
从性能上看,超导储能具有储能密度高、容量大、循环寿命长、充放电功率大、绿色无污染等诸多优点。
但从国内外的研究和市场状况来看,中大型超导储能还远没有达到大规模市场运用的程度。
3.4蓄电池储能
3.4.1铅酸电池
在不同种类的蓄电池中,开发运用最为成熟的是铅酸电池。
铅酸电池(VRLA)是一种电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的蓄电池。
铅酸电池荷电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;放电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。
铅酸电池原理简单,在工程实践领域已经有了大量的运用实例。
此外,铅酸电池的价格也相对低廉。
但与此同时,运用在风力发电领域,铅酸电池最大的缺点在于深度放电会影响电池寿命,且本身循环寿命较短,而且充电速度也相对较慢。
经过改进的铅酸电池,如胶体电池等,其容量得到了大幅提升,允许的放电深度也随之提升,循环寿命也相对更好,正常情况下可完成1500~ 3000次充放电循环,而且温度适应性很好,对于外部运行环境的要求很小。
但相比于液流电池,其循环寿命依旧偏短。
针对这一缺点,在国外有将铅酸电池与超级电容结合运用的实例。
从市场方面来说,超级电容的市场运用十分广泛,国内外已有大量生产厂家和品牌,因此采购十分容易。
目前市场上常见的铅酸电池额定电压主要为2V和12V两种,其中2V的铅酸电池中,容量最大的型号一般可达每只2000Ah左右,而12V 的铅酸电池型号容量最大可达到200~250Ah,它们的设计使用寿命一般在8~10年以上,期间无需维护,使用相对安全。
根据品牌、用料、做工的不同,铅酸电池的单体价格差异很大,国内生产的铅酸电池,12V/200Ah的型号单价多在4000~ 5000元上下,2V/2000Ah的型号单价多在7000~8000元上下,外销或者进口的品牌则价格更高。
以380V/1MW系统为例计算:电池串联数=380V/单体额定电压(V)
并联组数=1MW/[串联数×单体电压(V)×单体容量(V)]
总节数=串联数×并联组数
总价格=单价×总节数
3.4.2氧化还原钒电池
液流电池一般称为氧化还原液流电池,是一种新型的大型电化学储能装置。
正负极全使用钒盐溶液的称为全钒液流电池,简称钒电池,是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池之一,也是应用最多的液流电池之一。
钒电池的优点主要表现为:循环寿命很长,可达数万次甚至更多;放电深度和电池的寿命几乎没有关系;频繁充放电对电池的寿命几乎没有影响;电池容量可实时监测,对系统管理有相当的好处。
因此,氧化还原钒电池非常适合运用于风力发电储能。
钒电池的缺点主要表现为:由于钒电池容量依靠大型储液罐,体积较大,占地面积有一定的要求;对于运行环境温度要求较为苛刻,需要在恒温厂房中安置;由于电解液循环依靠泵和输液管道,结构较为复杂。
此外,由于开发运用时间较短,目前钒电池而且需要根据项目具体提出的容量和功率情况来决定,造价相对较高。
3.4.3钠硫电池
钠硫电池是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。
在一定的工作温度下,钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生可逆反应,形成能量的释放和储存。
电池通常是由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。
钠硫电池目前在大容量领域运用实例很多,相比钒电池,钠硫电池产品成熟,全球有超过200MW的应用;同时产品体积较小,结构也相对简单。
但钠硫电池需要运行在300~350℃的高温环境下,常需要配备柴油发电机对其进行加热,维护困难且更容易发生安全隐患;同时钠硫电池的容量不可实时测知,且效率相对也比较低。
目前全球范围内钠硫电池的生产厂商极少,采购相对困难。
3.4.4锂离子电池
锂离子电池储能密度很高,同样容量的电池几乎是钒电池的1/5~1/10大小;温度适应性广,从-20~+70℃的环境下都可正常工作;功率特性好,充放电速度快;储能效率可高达90%以上。
但与此同时,锂离子电池容量很小,且价格十分高昂,一般运用于车载动力电池领域,在风力发电大规模储能方面的运用尚处于起步阶段。
就目前情况来看,若用于建设较大规模的储能电站,铁锂电池成本依然较高,约7000~8000元/kW,但近几年随着技术逐步成熟,铁锂电池成本有下降的趋势。
因此锂离子电池的运用还尚等待进一步观察。
3.5各储能形式对比总结(如表1)
4结束语
随着新能源技术的发展,储能技术也将随着朝转换高效化、能量高密度化和低成本化方向快速发展,储能装置将成为智能电网不可或缺的关键环节,在智能电网中调峰、调频、电压补偿等方面发挥重要作用,确保系统安全、可靠、高效、绿色的运行。
参考文献:
[1]朱武,操瑞发,应彭华,等.超级电容器系统在改善并网风电场输出中的应用[J].电网技术,2008,32(增刊),256~269.
表1各储能形式对比总结表
储能方式飞轮超级电容超导
蓄电池
铅酸电池钒电池钠硫电池
锂离子
电池
容量密度
(Wh/kg)
40~2300.2~11~1030~5080~130150~240
150~
240
功率密度
(W/kg)
5k以上100~5000107~101275~30050~14090~230
200~
315
响应时间<1s<1s<5ms<10s<10s<10s<10s 效率约90%
约80~
95%
90%以上约60~80%约80%约80%约95%充放电寿命
十万次以
上
数万次以
上
数万至数
十万次
1500~3000
次
数万次4500次
3000次
以上
深度放电影
响寿命
影响很小影响极小影响小影响大
几乎无
影响
影响较大影响大占地要求小小小小较大小小
运行温度要
求
-40~50℃-50~80℃4~77K-20~60℃10~35℃
300~
350℃
-20~
70℃
大规模储能
技术成熟度
较不成熟较不成熟不成熟极为成熟较成熟很成熟不成熟采购难易较难较容易很困难很容易较容易较难较容易成本(美元/
kW/年)
40~8080~90200256085120
环境影响无无无较大无无无
电力建设
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