先进储能技术及其在电力系统中的应用_615601612

全钒液流电池 工作原理：
+
V5+(VO2+) + e - discharge
V4+(VO2+)
charge
V2+
discharge
charge
V3 +
+ e-
E0=1.00 E0=-0.26
清华大学电机系电工新技术研究所的VRB样机
试验用钒电池参数： 额定电压：50V 额定电流：50A 额定功率： 2.5kW 额定容量：5kWh 最大功率：9kW 端电压区间：40~64V
先进储能技术及其在 电力系统中的应用
朱桂萍 电工新技术研究所
2010年3月
OUTLINE
1.典型的储能方式 • 电池储能 • 超导储能 • 超级电容储能 • 飞轮储能
2.储能装置在电力系统中的典型应用 • 有源滤波（APF） • 动态电压调整（DVR） • 静止补偿（STATCOM） • 与可再生能源发电的配合
放电反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O 充电反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4
阀控铅酸蓄电池(VRLA, Valve Regulated Lead Acid Battery)
阀控铅酸蓄电池与汽车等用的普通铅酸蓄电池相比有二 个主要特点：一是密封；二是干态。
磷酸铁锂电池(LiFePO4)
2002年出现，由于它的性能特别适于作动力方面的应用，也称磷 酸铁锂动力电池。
LiFePO4电池的结构与工作原理：
左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电 池的正极，由铝箔与电池正极连接，中 间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔 开，锂离子Li+可以通过而电子e-不能通 过，右边是由碳（石墨）组成的电池负 极，由铜箔与电池的负极连接。电池的 上下端之间是电池的电解质，电池由金 属外壳密闭封装。
90~230 50~140
500~1500 0~80
2500
0~70
1000~1000 0~95
0
500
0~90
13000
0~80
2~5 5~20 0~1
— —
铅酸电池的技术最成熟，价格也最低（12V系列目前国 内约6.0元／Ah）。
铅酸电池(Lead Acid Battery) 工作原理：
铅酸蓄电池的负极是海绵状的铅制成， 正极是二氧化铅制成，海绵状的铅和 二氧化铅均为活性物质，在比重为 1.28的硫酸水溶液（电解液）中进行 电化学反应。
4. 代替蓄电池用于短距离移动工具（车辆），其优势是充 电时间非常短。
5. 用于重要用户的不间断供电系统。 6. 用于风力及太阳能发电系统。 7. 应用电脉冲技术设备，如：点焊机、轨道电路光焊机、
充磁机、 X 光机等。
1.4 飞轮储能（FWES）
“飞轮”这一储能元件，已被人们利用 了数千年，从古老的纺车，到工业革命时的 蒸汽机，以往主要是利用它的惯性来均衡转 速和闯过“死点”，由于它们的工作周期都 很短，每旋转一周时间不足一秒钟，在这样 短的时间内，飞轮的能耗是可以忽略的。现 在想利用飞轮来均衡周期长达12～24小时 的能量，飞轮本身的能耗就变得非常突出了。 能耗主要来自轴承摩擦和空气阻力。
超导磁储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷，而 且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网 的电压和频率特性。此外，它还可用于无功和功率因素的 调节以改善系统的稳定性。
1.3 超级电容储能（SCES）
超级电容器是一种具有超级储电能力，可提供强大的脉冲功率的 物理二次电源。它是根据电化学双电层理论研制而成的，所以又称双 电层电容器。
双电层
超级电容器的充放电过程始终 是物理过程，没有化学反应。因此 性能是稳定的，与利用化学反应的 蓄电池是不同的。
性能特点： 1. 具有法拉级的超大电容量； 2. 比脉冲功率比蓄电池高近十倍； 3. 充放电循环寿命在十万次以上； 4. 能在 -40oC-60oC 的环境温度中正常使用； 5. 有超强的荷电保持能力，漏电源非常小； 6. 充电迅速，使用便捷，充电电路简单，无记忆效应； 7. 无污染，真正免维护。
2. 高温时性能良好：外部温度65℃时内部温度则高达95℃， 电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好；
3. 即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸、安 全性最好；
4. 极好的循环寿命，经500次循环，其放电容量仍大于95%； 5. 过放电到零伏也无损坏； 6. 可快速充电； 7. 低成本； 8. 对环境无污染。
SMES一般由超导线圈及低温容器、制冷装置、变流装置和测控系 统组成。SMES可以分为低温超导储能与高温超导储能两种。
超导线圈在通过直流电流时没有焦耳损耗。因此，超导 储能适用于直流系统。它可传输的平均电流密度比一般常 规线圈要高１－２个数量级；可以达到很高的能量密度， 约为108J／m3。
它与其他的储能方式如蓄电池储能、压缩空气蓄能、抽 水储能及飞轮储能相比，具有转换效率高（可达９５％）， 响应速度快(毫秒级)，功率密度和能量密度大，寿命长、污 染小等优点。缺点是成本高，包括装置成本和运行成本。
VRB 的应用
v 不间断电源供应系统 v 太阳能发电储能 v 风电的缓冲系统 v 调峰电站 v 边远地区电力系统 v 分散式储能 v 交通工具的动力
国外VRB 样机 1-- 加拿大VRB POWER公司
输出功率: 200KW 电池容量 1100KWh 最大输出功率:
400KW×10秒 电解液体积: 55m3 占地面积： 70m2
部分电池储能系统的性能比较
电池种类 功率上限 比容量 比功率 循环寿命/ 充放电效 自放电
/(Wh/kg) /(W/kg) 次
率/%
/(%/月)
铅酸 镍镉 锂离子
数十MW 几十MW 几十kW
钠硫
十几MW
全钒液流 数百kW
35~50 75 1wk.baidu.com0~200
150~240 80~130
75~300 150~300 200~315
超级电容的应用：
1. 配合蓄电池应用于各种内燃发动机的电启动系统，如： 汽车、坦克、铁路内燃机车等，能有效保护蓄电池，延 长其寿命，减小其配备容量，特别是在低温和蓄电池亏 电的情况下，确保可靠启动。
2. 用作高压开关设备的直流操作电源。 3. 用作电动车辆起步，加速及制动能量的回收，提高加速
度，有效保护蓄电池，延长蓄电池使用寿命，节能。
钠硫电池是靠电子转移而再生能量 , 所以它充电时间相当短暂 , 一次 充电可运行 10 ― 11 小时 , 它经热反应后所产生的理论能量密度为 786 Wh/kg , 实际能量密度为 300 Wh/kg . 这约是铅酸电池的十倍 , 镍氢电池的四倍 , 锂电池的三倍 .
我国的钠硫电池研究现状：
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。 钠硫电池储能系统将在上海世博园示范运行。
LiFePO4电池在充电时，正极中的 锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁 移；在放电过程中，负极中的锂离子 Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电 池就是因锂离子在充放电时来回迁移 而命名的。
磷酸铁锂动力电池的主要性能
LiFePO4电池的特点：
1. 高效率输出：标准放电为2～5C、连续高电流放电可达 10C，瞬间脉冲放电（10s）可达20C；
钠硫电池是以Na-beta-氧化铝为电解质和隔膜，并分别以金属钠和多硫 化钠为负极和正极的二次电池。
该电池最大的特点是：比能量高，是铅酸电池的3~4倍；可大电流、 高功率放电；充放电效率几乎高达100％。但钠硫电池的不足之处是其工 作温度在300℃~350℃，需要一定的加热保温。另外过充时很危险。
钠硫电池的工作原理：
一种型号为STL18650的磷酸铁锂动力电池（容量为 1100mAh）在不同的放电率时其放电特性：
不管哪一种放电率，其放电过程中电压是很平坦的（即放电电压平稳， 基本保持不变），只有快到终止放电电压时，曲线才向下弯曲（放电量 达到800mAh以后才出现向下弯曲）。在0.5～10C的放电率范围内，输 出电压大部分在 2.7～3.2V范围内变化。这说明该电池有很好的放电特 性。
STL18650的充放电循环寿命曲线
在经过570次充放电循环，其放电容量未变，说明该电池有很 高的寿命。
钠硫电池（Sodium-Sulfur Battery ）
钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的，其比能量 高、可大电流、高功率放电。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、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，截止2007 统计，日本年产钠硫电池电池量已超过100MW，同时开始向海外输出。
国外VRB 样机2 – 日本住友电工的风力发电储能系统
1998年建成20KW实验电堆，运行超过16000次循环 2001年开始170 kW×6h规模的示范工程 2005年，扩大到6 MW×25min ; 4MW×90min
1.2 超导储能（SMES）
超导储能是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电 磁能返回电网或其他负载。
1. 典型的储能方式
1.1 电池储能(BESS) 电能
化学能
电力储能系统可利用的主要电池
电池种类 铅酸 镍镉 镍氢 锂离子 钠硫
全钒液流
单体标称电压/V 2.0 1.0~1.3 1.0~1.3 3.7 2.08
1.4
研发机构 主要电池厂家 主要电池厂家 主要电池厂家 主要电池厂家
东京电力公司、 NGK、上海电力公 司 VRB、V-FuelPty、 住友电工、关西电 力公司、中国电力 科学研究院
以固体电解质N a-β(或β+) -A l2O3 (N a+ 离子导体) 为电解质隔膜, 熔融 硫和钠分别作阴阳极.
阳极反应：2Na – 2e = 2Na+ 阴极反应：xS + 2e = Sx2总反应： 2N a + xS= Na2Sx
正是因为钠硫电池采用的材料特殊 , 所以能连续充电近两万次 , 也 就是说相当于近60年的使用寿命 , 且终生不用维修 , 不排放任何有 害物质 , 也无二次污染公害 , 这是别的电池无法达到的。
超导磁悬 浮飞轮储 能结构示 意图
当我们将一块永磁体的一个极对准超导体，并接近超导体时，超导体上便产 生了感应电流。该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场相反，于是二者便产生了斥 力。由于超导体的电阻为零，感生电流强度将维持不变。若永磁体沿垂直方向接 近超导体，永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位置上，而且对上下左右的干 扰都产生抗力，干扰力消除后仍能回到原来位置，从而形成稳定的磁悬浮。若将 下面的超导体换成永磁体，则两永磁体之间在水平方向也产生斥力，故永磁悬浮 是不稳定的。
再一个问题是常规的飞轮是由钢（或铸铁）制 成的，储能有限。
另外要完成电能机械能的转换，还需要一套复杂的电力电 子装置，因而飞轮储能方法一直未能得到广泛的应用。
飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁 及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的 飞速发展。
密封是指基本无酸雾排出。一般情况下阀控铅酸蓄电池 在运行（充放电）过程中是“零排放”，只有在充电后期 蓄电池内的气体压力超过安全阀的开放压力时才有少量的 氢和氧混合气体排放，此时用过滤材料滤去带出的少量酸 雾。
干态是指阀控铅酸蓄电池 没有自由流动的电解液，可以 任何方向放置，不怕颠簸、碰 撞，即使外壳破裂也不会有酸 漏出。
超级电容器的问世实现了电容量由微法级向法拉级的飞跃，彻底改 变了人们对电容器的传统印象。目前，超级电容器已形成系列产品，实 现电容量 0.5-1000F ，工作电压 12-400V ，最大放电电流 400-2000A 。
超级电容工作原理：
多孔化电极采用活性炭粉、活 性炭和活性炭纤维，电解液采用有 机电解质。多孔性的活性碳有极大 的表面积，在电解液中吸附着电荷， 因而将具有极大的电容量，并可以 存储很大的静电能量。