电力储能技术介绍和比较

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自放电/ (%/月) 2~5 5~20 0~1 -
部分 电池 储能 系统 性能 比较
铅酸 镍镉 锂离子 钠硫 全钒液流
铅酸电池在高温下寿命缩短，与镍 镉电池类似，具有较低的比能量和 比功率，但价格便宜，构造成本低， 可靠性好，技术成熟，已广泛用于 电力系统，目前储能容量达 20MW。 但其循环寿命短，且在制造过程中 存在一定环境污染。
电池 种类 功率 上限 数十 MW 几十 MW 几十 kW 十几 MW 数百 kW 比容量/ (Wh/kg) 35~50 75 150~200 150~240 80~130 比功率/ (W/kg) 75~300 150~300 200~315 90~230 50~140 循环 寿命/次 500~1 500 2 500 1 000~10 000 2 500 13 000 充放电 效率/% 0~80 0~70 0~95 0~90 0~80
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应用
抽水储能是在电力系统中应用最为广泛的一种储能 技术，其主要应用领域包括调峰填谷、调频、调相、 紧急事故备用、黑启动和提供系统的备用容量，还 可以提高系统中火电站和核电站的运行效率
上水库有无天然径流汇入
纯抽水 蓄能电站
混合抽水 蓄能电站
调水式抽水 蓄能电站
按一定容量建设，储存能量的释放时间可以 从几小时到几天，综合效率在70%~85%之间
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发 展 方 向
机组向高水头、高转速、大容量方向发 展，今后的重点将立足于对振动、空蚀、 变形、止水和磁特性的研究，着眼于运 行的可靠性和稳定性，在水头变幅不大 和供电质量要求较高的情况下使用连续 调速机组，实现自动频率控制。
压缩空气蓄能电站
压缩空气储能电站（compressed air energy storage, CAES）是一种调峰用燃气轮机发电厂， 主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并 将其储藏在典型压力 7.5 MPa 的高压密封设施内， 在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。 CAES 储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高， 寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，主要 用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分 布式储能和发电系统备用。
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在燃气轮机发电过程中，燃料的 2/3 用于空气压缩，其燃料消耗可以减少 1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机 少 40%，同时可以降低投资费用、减 少排放。 CAES 建设投资和发电成本均低于抽 水蓄能电站，但其能量密度低，并受 岩层等地形条件的限制。 地下储气站有多种模式，其中最理想 的是水封恒压储气站，能保持输出恒 压气体，保障燃气轮机稳定运行。
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发展
超级电容器已经历了三代发展，形成电容量 0.5 ~ 1000F、工作电压 12~400V、最大放电流 400 ~ 2000A 系列产品，储能系统最大储能量达到 30MJ。 基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极的第四代 产品正在开发中
各电池储能系统的基本特性
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电池 种类
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 日本四个综合 研究所 日本原子力研 究所 美国Vista公司 技术特点 基本参数 作用 8MWh，储能放 高温超导磁浮立时轴承， 平滑 电各4h，待机 储效84% 负荷 16h 215 MW / 8 GJ 277kWh 24kWh, 11610~46345 rad/min 100 kW/ 5 kWh 5MW/100MWh, 2250~4500 rad/min 转速 42 000 rad/min 额定转速 3000 rad/min 输出电压18kV, 输出电 流6896A，储效85% 引入风力发电系统 电磁悬浮轴承，输出恒 压 110V/ 240V，储效 81% 高温超导磁浮轴承 超导磁浮轴承， 储效96% 高强度碳纤维和玻璃纤 维复合材料 超导与永磁悬浮轴承 UPS 全程 调峰
飞轮储能
飞轮储能装置主要包括3个核心部分：飞轮、电机和 电力电子装置。他将外界输入的电能通过电动机转化 为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候， 又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部 负载，要求空闲运转时候损耗非常小。
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原理
应用
飞轮储能功率密度大于 5kW/kg，能量密度超过 20Wh/kg，效率在 90%以上，循环使用寿命长达 20a，工作温区-40~50℃，无噪音、无污染、维护 简单，主要用于不间断电源(UPS)/应急电源(EPS)、 电网调峰和频率控制。 随着对飞轮转子设计、轴承支撑系统和电能转化系 统的深入研究，高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、 大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承 技术极大地促进了储能飞轮的发展。磁浮轴承的应 用、飞轮的大型化以及高速旋转化合轴承载荷密度 的进一步提高，将使飞轮储能的应用更加广泛。
发展 方向
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超导磁储能系统与超级电容器储能
超导磁储能系统(SMES)
原理
超导磁储能系统利用超导体制成的线圈储存磁场能 量，功率输送时无需能源形式的转换，具有响应速 度快(ms级)，转换效率高(≥96%)，比容量(1~10 Wh/kg)/比功率(10⁴~10⁵ kW/kg)大等优点，可以 实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿
原理
应用
发 展 方 向
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100 MW 级燃气轮机技术成熟，利用渠 氏超导热管技术可使系统换能效率达到 90%。大容量化和复合发电化将进一步 降低成本。随着分布式能量系统的发展 以及减小储气库容积和提高储气压力至 10~14 MPa 的需要，8~12 MW 微型 压缩空气蓄能系统（micro-CAES）已成 为人们关注的热点。
国家 美国 伊朗 日本 日本 泰国 德国 日本 日本
装机容量 / MW 760 1 000 600 1 600 1 000 1 060 2 820 1 200
投入年份 1995 1996 1996 1999 2000 2003 2005 2007
飞轮、超导磁和超级电容器储能系统的应用
飞轮储能系统的部分应用：
超级电容器价格较为昂贵，在电力系统中多用于短 时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场 合，如大功率直流电机的启动支撑、动态电压恢复 器等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平
发展
目前 1~5 MJ/MW 低温SMES装置已形成产品， 100MJ 装置已投入高压输电网运行， 5GWh 装置 已通过可行性分析和技术论证。SMES的发展重点 在于高温超导涂层导体研发适于液氮温区运行的MJ 级系统，解决高场磁体绕组力学支撑问题等
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储能技术的分类
电能可以转换 为化学能、势 能、动能、电 磁能等形态存 储，按照其具 体方式可分为 物理、电磁、 电化学和相变 储能四大类型 物理储能
抽水蓄能
压缩空气储能 飞轮储能
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电磁储能
超导储能
超级电容储能 高能密度电容 储能
电化学储能
铅酸、镍氢、 镍镉、锂离子、 钠硫和液流等 电池储能
镍镉等电池效率高、循环寿 命长，但随着充放电次数的 增加容量会减少，荷电保持 能力有待提高，且因存在重 金属污染已被欧盟组织限用。 锂离子电池比能量 / 比功率高、自 放电小、环境友好，但由于工艺和 环境温度差异等因素的影响，系统 指标往往达不到单体水平，使用寿 命较单体缩短数倍甚至十几倍。
钠硫和液流电池被视为新兴的、高效的且 具广阔发展前景的大容量电力储能电池。
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抽水蓄能电站与压缩空气储能电站
抽水蓄能电站 压缩空气储能电站
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日、美、西欧等国家和地区在20世纪60~70年 代进入抽水蓄能电站建设的高峰期，到目前为 止，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容 量占世界抽水蓄能电站总装机容量55%以上， 其中：美国约占3%，日本超过10%；中国、 韩国和泰国3个国家在建抽水蓄能电站 17.53GW，加上日本的在建量达24.65GW。 近年国外投入运行的8大抽水蓄能电站：
便携式设备
运输工具
火车、轻轨列车 潜艇 家庭 小型工业和商业 设施
P.S.：以下主要介绍大规模电力储能技术
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静止设备
配电网 输电网 发电站
抽水蓄能电站
原理
配备上、下游两个水库，负荷低谷时段抽水储能设 备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水 库保存，负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的 状态，利用储存在上游水库中的水发电
电力储能行业
之
钒电池
Baidu Nhomakorabea 目录
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电力储能方式和发展现状
电力储能技术的应用
钒电池的技术特点及应用
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大规模储能蓄电的作用
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用于调节可再生能源发电系统供电的连续性和稳定性
用于电网的“削峰填谷”
用于用电大户的“谷电”蓄电
用于重要部门和重要设施的应急电源及备用电源
用于“非并网”风电直接利用中的调节电源
电站 落基山 锡亚比舍 奥清津 Ⅱ 葛野川 拉姆它昆 金谷 神流川 小丸川
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世界上第一个商业化CAES电站为1978年在德 国建造的 Huntdorf 电站，装机容量为 290 MW，换能效率 77%，运行至今，累计启动 超过 7000次，主要用于热备用和平滑负荷。 在美国，McIntosh 电站装机容量为 100 MW， Norton 电站装机容量为2.7GW，用于系统调 峰；2005年由 Ridge 和 EI Paso 能源公司在 Texas 开始建造 Markham 电站，容量为 540 MW。 在日本，1998年施工建设北海道三井砂川矿 坑储气库，2001年 CAES 运行，输出功率 2MW。 在瑞士，ABB 公司正在开发大容量联合循环 CAES 电站，输出功率 442MW，运行时间为 8h，贮气空洞采用水封方式。 此外，俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、以色 列等国也在长期致力于 CAES 的开发。
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超级电容器储能
原理
应用
根据电化学双电层理论，充电时处于理想极化状态 的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性 离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双 电层电容。由于电荷层间距极小并采用特殊电极结 构，电极表面积成万倍增加，产生极大的电容量
应用
SMES技术相对简单，没有旋转机械部件和动密封 问题。SMES 可以充分满足输配电网电压支撑、功 率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能 力的要求
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近年来，飞轮、超导磁和超级电容 器储能技术在各国都得到研发应用
SMES 的部分应用：
年份 1982 1993 2000 2002 2002 应用地 美国 美国阿拉斯加电网 美国威斯康辛某电网 美国田纳西某电网 日本Chubu公司 日本Chubu公司 日本Hosoo电站 基本参数 30MJ/10MW 1.8GJ 作用 抑制系统低频振荡 和支撑系统电压 提高电网供电可靠 性
美国马里兰大 学(1991)
美国波音公司 德国(1996) 欧洲 Urenc Power 公司 (2001) 巴西(2004)
电力 调峰
电力 调峰 储能 电站 UPS 电压 补偿
6×3MJ/8MV 避免电压凹陷和短 A 路故障 8×3MJ/8MW 7.3MJ/5MW 10 MW 维护输电网电压稳 定 提供瞬时电压补偿 补偿瞬时电压跌落 用于 20 kVA UPS 系统，与电网相连 以提高电能质量， 同时发挥有源电力 滤波器作用 有效维护系统稳定 运行 提高敏感负荷的供 电质量
反应式
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-Fuel Pty、 住友电工、关西电力、 中国电力科学研究院
电力 储能 系统 可利 用的 主要 电池
铅酸 镍镉 镍氢 锂 离子 钠硫 全钒 液流
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各电池储能系统比较
相变储能
冰蓄冷储能
设备类型
用户类型 汽车
功率等级 1~100W 25~100KW 100~500KW 1~20MW 1KW 10~100KW MW 10MW 10~100MW
能量等级 Wh 100KWh 500KWh 10MWh 5KWh 25KWh MWh 10MWh 10~100MWh
不同应用场合对 能量和功率密度的 要求是不同的
2003 2006
1MJ, Bi-2212 提供瞬时电压跌落