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1、储能技术综述 储能装置快速的功率调节能力使其突破了传统电力系统主要依赖继电保护和自动装置的被动致稳框架 彻底改变传统电力系统中缺乏快速补偿不平衡功率的手段的状况 形成崭新的主动致稳新思想 在目前所提出的各种超导电力装置中 储能装置具有较大的技术可行性和经济价值 因此随着高温超导和电力电子技术的不断进步 开展储能装置的研制工作对各国电力事业具有深远的意义 而且也是各国经济战略发展的需要 储能技术在电力系统中的应用 电网调峰系统备用容量调节电网中的过负荷冲击提高电力系统稳定性静止无功补偿改善电能品质分布式电源和可再生能源的功率平滑装置 到目前为止 人们已经探索和开发了多种形式的电能储能方式 主要可
2、分为 机械储能 化学储能和电磁储能等 主要储能技术 机械储能 抽水蓄能 压缩空气储能 飞轮储能化学储能 铅酸电池 氧化还原液流电池 钠流电池 锂离子电池电磁储能 超导储能 超级电容器储能 主要储能技术 机械储能 抽水蓄能 广泛采用的大规模 集中式储能手段 利用自然界里数量最大的液体 水的势能进行储能 需要配备上 下游两个水库 在负荷低谷时段 抽水蓄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 工作在发电机状态 利用储存在上游水库中的发电 一些高坝水电站具有储水容量 可以将其用作抽水蓄能电站进行电力调度 机械储能 抽水蓄能 发展现状 19世纪90年代于意大利和瑞士得到应用
3、据统计目前全世界共有超过90GW的抽水蓄能机组投入运行 日 美 西欧等国20世纪60 70年代出现抽水蓄能电站的建设高峰 其中日本是世界上机组水平最高的国家 在技术方面引领世界潮流 我国上世纪90年代开始发展 有广州抽水蓄能1期 十三陵 浙江天荒坪等抽水蓄能电站 资料统计 已装机5 7GW 占全国装机容量的1 8 机械储能 抽水蓄能 优点 技术上成熟可靠 容量可以做的很大 受水库库容限制 缺点 建造受地理条件限制 需合适落差的高低水库 远离负荷中心 抽水和发电中有相当数量的能量被损失 储能密度较差 建设周期长 投资大 机械储能 飞轮储能 FlywheelEnergyStorage将能量以动能形
4、式储存在高速旋转的飞轮中 由高强度合金和复合材料的转子 高速轴承 双馈电机 电力转换器和真空安全罩组成 电能驱动飞轮高速旋转 电能变飞轮动能储存 需要时 飞轮减速 电动机做发电机运行 飞轮的加速和减速实现了充电和放电 机械储能 飞轮储能 特点 储能密度高 充放电速度快 效率高 寿命长 无污染 应用范围广 适应性强等特点 目前用于调峰 风力发电 太阳能储能 电动汽车 UPS 低轨道卫星 电磁炮 鱼雷 国内相关单位 清华大学工程物理系飞轮储能实验室 华科大 华北电大 中科院电工所 2009年8月5日 国内最先进和可靠的两台250kVA移动式飞轮发电车落户北京电力公司 执行供电保障和应急供电任务 机
5、械储能 压缩空气储能 上世纪50年代提出 目的是削峰填谷 两个循环构成其储能过程 一是充气压缩循环 二是排气膨胀循环 压缩时 双馈电机做电动机工作 利用谷荷时的多余电力驱动压缩机 将高压空气压入地下储气洞 峰荷时 双馈电机做发电机工作 储存压缩空气先经过回热器预热 再使用燃料在燃烧室内燃烧 进入膨胀系统中做工 如驱动燃汽轮机 发电 德国 美国 日本和以色列建成过示范性电站 化学储能 铅酸电池 它是以二氧化碳和海绵状金属铅分别为正 负极活性物质 硫酸溶液为电解质的一种蓄电池 距今140年历史 优点 自放电小 25 下自放电率小于2 月 结构紧凑 密封好 抗振动 大电流性能好 工作温度范围宽 40
6、 50 价格低廉 制造维护成本低 无记忆效应 浅循环工作时容量损失 目前 世界各地已建立了许多基于铅酸电池的储能系统 例如 德国柏林BEWAG的8 8MW 8 5MWh的蓄电池储能系统 用于调峰和调频 化学储能 铅酸电池 化学储能 铅酸电池 中国加入WTO后 由于看好中国蓄电池市场巨大潜力以及发达国家对蓄电池行业的限制政策 越来越多国外大型电池制造商选择在中国建厂和生产 目前我国铅酸电池产量占世界的1 3 生产研发技术与国际先进说平差距不明显 保定风帆 哈尔滨光宇 江苏双登 湖北骆驼等 都是主要电池制造企业 化学储能 钠流电池 液流电池 钠 氯化镍电池 钠流电池是一种新型蓄电池 采用熔融液态电
7、极和固体电解质 其中 负极的活性物质是熔融金属钠 正极活性物质是硫和多硫化钠熔盐 液流电池或称氧化还原液流电池 是正负极活性物质均为液态流体氧化还原电对的一种电池 最早由美国航空航天局 NASA 资助设计 1974年申请了专利 目前主流是全钒电池群雄并起 铁铬电池陷于停顿 多硫化钠 溴电池刚刚兴起 钠 氯化镍电池是一种在钠流电池的基础上发展起来的新型储能电池 具有较高的能量密度和功率密度 具备可过充电 无自放电 运行维护简单等优势 化学储能 锂离子电池 优势是储能密度高 储能效率高 循环寿命长等 鉴于上述优点 近年来得到了快速发展 随着制造技术和制造成本的不断降低 将锂离子电池用于储能非常具有
8、应用前景 目前 单体电池标准循环寿命已经超过1000次 仅从电池单体的角度来看 锂离子电池的比能量和循环寿命已基本满足储能应用需求 但在锂离子电池组应用时 循环寿命只有400 600次 甚至更低 严重制约了锂离子电池储能应用 锂离子电池在电力系统的应用方面 美国走在前面 2009年的储能项目研究规划中 拟开展锂离子电池用于分布式储能的研究和开发 电磁储能 超导储能 超导磁储能 SMES 单元是由一个置于低温环境的超导线圈组成 低温是由包含液氮或者液氦容器的深冷设备提供 功率变换 调节系统将SMES单元与交流电力系统想念 并且可以根据电力系统的需要对储能线圈进行充放电 通常使用两种功率变换系统将
9、储能线圈和与交流电力系统相连 一种是电流源型变流器 另一种是电压源型变流器 电磁储能 超级电容器储能 超级电容器 SC 是近几十年来 国里外发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件 它具备传统电容那样的放电功率 也具备化学电池储能电荷的能力 与传统电容相比 具备达到法拉级别的超大电容量 较高的能量 较宽的工作温度范围和极长的使用寿命 充放电循环次数达到十万次以上 且不用维护 与化学电池相比 具备较高的比功率 且对环境无污染 综上 SC是一种高效 实用 环保的能量存储装置 它优越的性能得到各方的总是 目前发展十分迅速 各种储能技术特点总结 各种储能技术在其能量密度和功率密度方
10、面均有不同的表现 而同时电力系统也对储能系统不同应用提出了不同的技术要求 很少有一种出储能技术可以完全胜任电力系统中的各种应用 因此 必须兼顾双方需求 选择匹配的储能方式与电力应用 各种储能技术特点总结 根据各种储能技术的特点 抽水储能 压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰 大型应急电源 可再生能源接入等大规模 大容量的应用场合 而超导 飞轮及超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合 如应对电压暂降和瞬时停电 提高用户的用电质量 抑制电力系统低频振荡 提高系统稳定性等 各种储能技术特点总结 抽水蓄能电站在电网中可承担调峰填谷 调频 调相 紧急事故备用和黑启动等多种任务 抽水蓄能
11、电站的建设对优化电源结构 提高电网的安全 稳定 经济运行水平 促进电网节能降耗 改善电能质量和供电可靠性等具有不可替代的作用 特别是随着大核电 大水电和大风电的建设 抽水蓄能电站的作用日趋明显 而当前我国的抽水蓄能电站装机容量比重相对较低 远不能满足电网长期安全稳定运行的需要 各种储能技术特点总结 铅酸电池尽管目前仍是世界上产量和用量最大的一种蓄电池 但从长远发展看 他尚不能满足今后电力系统大规模高效储能的要求 而钠硫电池具有的一系列特点是他们成为未来大规模电化学储能的两种方式 特别是液流电池 它有望在未来的10 20年内逐步取代铅酸电池 而锂电池在电动汽车的推动下也有望成为后起之秀 各种储能
12、技术特点总结 各种储能技术特点总结 超导技术及应用 1超导技术导言 超导体 superconductor 超导体是指当某种导体在一定温度下 可使电阻为零的导体 零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性 也称为超导现象 使超导体电阻为零的温度 叫超导临界温度 1 1超导的发现 1 超导技术导言 荷兰物理学家昂纳斯 HeikeKamerlinghOnnes 低温物理学家1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根 1926年2月21日卒于荷兰的莱顿 因制成液氦和发现超导现象象1913年获诺贝尔物理学奖 1908年7月10日 卡末林 昂纳斯和他的同事在精心准备之后 集体攻关 终于使氦液化 这次卡末林 昂纳斯共
13、获得了60cc的液氦 达到了4 3K的低温 他们又经过多次实验 第二年达到1 38 1 04K 它标志着所有物质都可以存在于气液固状态 永久气体 氦气液化成功 1 超导技术导言 1 1超导的发现 1 超导技术导言 1 1超导的发现 低温冷却介质地成功获取 使昂纳斯研究各种金属导体在低温状态下特性成为了可能 昂纳斯试着利用液态氦对汞进行冷却 终于使汞的温度冷却到接近绝对零度 当他将电流通过汞线 测量汞线的电阻随温度变化时 一个奇异的现象出现了 当温度降到4 2K时 电阻突然消失了 1911年12月28日昂纳斯宣布了这一发现 但此时他还没有看出这一现象的普遍意义 仅仅当成是有关水银的特殊现象 1
14、超导技术导言 1 1超导的发现 不久 昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入 超导态 如锡和铅 其中 锡的转变温度为3 8K 铅的转变温度为6K 由于这两种金属的易加工特性 就可以在无电阻状态下进行种种电子学试验 此后 人们对金属元素进行试验 发现铍 钛 锌 镓 锆 铝 锘等24种元素以及是超导体 从此 超导体的研究进入了一个崭新的阶段 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 零电阻 迈斯纳效应 临界磁场 临界电流 临界温度 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 实现超导必须具备一定的条件 如温度 磁场 电流都必须足够的低 超导态的三大临界条件 临界温度 临界电流和临界磁场 三者密切相关 相互制约
15、临界温度 T 临界温度 Tc 超导体电阻突然变为零的温度 1 2超导物理特性 1 超导技术导言 1 超导技术导言 1 2超导电性 超导体内部电流永远不会消失 昂尼斯发现超导电性以后 继续进行实验 测量低温下电阻是否完全消失 昂尼斯把一个铅制圆圈放入杜瓦瓶中 瓶外放一磁铁 然后把液氦倒入杜瓦瓶中使铅冷却成为超导体 最后把瓶外的磁铁突然撤除 铅圈内便会产生感应电流并且此电流将持续流动下去 这就是昂尼斯持久电流实验 许多人都重复做这个实验 其中电流持续时间最长的一次是从 年 月 日到 年 月 日 而且在这两年半时间内持续电流没有减弱的迹象 液氦的供应中断实验才停止 持续电流说明超导体的电阻可以认为是
16、零 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 超导体零电阻观察与测量 一超导环置一磁场中 然后冷却使之转变成超导态 快速撤去磁场 产生感应电流 T Tc在超导环上加磁场 b T Tc圆环转变为超导态 c 突然撤去外电场 超导环中产生持续电流 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 迈斯纳效应 迈斯纳效应又叫完全抗磁性 1933年迈斯纳研究超导态的磁性时发现 超导体一旦进入超导状态 超导体内部的磁通量将全部被排出超导体外部 磁感应强度恒为零 且不论对导体是先降温后加磁场 还是先加磁场后降温 只要进入超导状态 超导体就把全部磁通量排出体外 N N 降温 加场 注 S表示超导态N表示正常态 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 迈斯纳效应 德国物理学家迈纳斯 1 超导技术导言 1 2超导物理特性 迈斯纳效应 观察迈斯纳效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁 当温度低于锡的转变温度时 小磁铁会离开锡盘飘然升起 升至一定距离后 便悬空不动了 这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体 在锡盘感应出持续电流的磁场 与磁铁之间产生了排斥力 磁体越远离锡盘 斥力越小 当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时 就悬浮不动了
