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1、1 第四章储能技术 储能技术的应用领域 物理储能技术 化学储能技术 储能的背景与意义 4 1 4 2 4 3 4 4 2 储能技术的应用领域 物理储能技术 化学储能技术 储能的背景与意义 4 1 4 2 4 3 4 4 主要内容 4 1 1应用背景 要使具有间歇 随机 低密度特点的可再生能源得到广泛有效的利用 并逐步成长为替代能源 最终成为主导能源 大规模储能技术是其中必不可少的关键环节 也只有大规模储能技术的应用 才能突破电力工业自诞生以来受即发 即送 即用方式的困扰和束缚 让电能真正做到以人为本 为人类的需要服务 实现电与人的和谐发展 国家能源专家咨询委员会副主任 徐锭明 4 4 1 1应
2、用背景 2011年3月 十一届全国人大四次会议审议通过 中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要 在 十二五 期间 国家将培育发展与新能源相关的战略性新兴产业 包括 新一代核能 太阳能热利用和光伏光热发电 风电技术装备 智能电网 生物质能 插电式混合动力汽车 纯电动汽车和燃料电池汽车技术 同时 国家将推广分布式能源系统的应用 推动海上风电 太阳能发电规模化示范工程以及插电式混合动力汽车 纯电动汽车商业化示范工程的实施 储能作为其不可或缺的技术 无论是为新能源大规模并网或是为新能源汽车提供动力 都将获得更多的示范机会 4 1 1 1国家政策扶持 5 2011年3月 国家发改委修订并发
3、布了新的 产业结构调整指导目录 大容量电能存储技术 在电力类鼓励条目中出现 表明国家层面已经意识到该技术能够解决 分布式供电及并网技术推广应用 智能电网建设 等项目中面临的一些大问题 2011年12月 国家能源局发布 国家能源科技 十二五 规划 规划 中强调 突破间歇式电源并网和储能技术与装备称为 十二五 期间重点任务之一 其中大容量快速储能装置的研究 将给储能行业带来新一轮的发展机会 6 4 1 1 2国家发展需要 化石能源日益短缺化石能源过渡消耗带来严重的污染问题能源和环境问题恶化将严重制约我国经济发展 规模化利用可再生能源实现能源多样化 开展节能减排提高化石能源利用效率 解决可再生能源发
4、电不稳定性 平衡用电负荷 提高发电效率 发展规模化储能 蓄电 技术是国家能源安全 经济可持续发展 实现节能减排重大国策的重大需求 7 4 1 1 3技术发展需求 1 具有随机性 波动性的大规模新能源接入电网给传统电网造成接入难题 2 新能源接入带来电网电源结构的变化加大了对于电网调峰调频的应用需求 3 分布式电源接入及微电网的发展对于储能系统提出了刚性需求 4 基于减小碳排放的电动汽车的发展对于配套储能系统的需求不断增加 5 军用 工业及民用用户基于提高供电可靠性的要求对于储能提出了新的需求 8 4 1 2储能的意义 9 4 1 2 1大规模高效储能技术是实现太阳能 风能等可再生能源普及应用的
5、关键技术 风能 太阳能和海洋能等可再生能源发电受季节 气象和地域条件的影响 具有明显的不连续 不稳定性 发出的电力波动较大 可调节性差 当电网接入的风电发电容量过多时 电网的稳定性将受到影响 目前 可再生能源发电的大规模电网接入是制约其发展的瓶颈 配套大规模高效储能装置 可以解决发电与用电的时差矛盾及间歇式可再生能源发电直接并网对电网冲击 调节电能品质 同时 储能技术在离网的太阳能 风能等可再生能源发电应用中具有不可或缺的重要作用 4 1 2储能的意义 10 4 1 2 2大规模高效储能技术是构建坚强智能电网的关键 电力工业是国民经济的基础产业 为经济发展和社会进步提供了重要保障 智能电网技术
6、是提高电力系统安全性 稳定性 可靠性和电力质量的重要技术 储能技术作为提高智能电网对可再生能源发电兼容量的重要手段和实现智能电网能量双向互动的中枢和纽带 是智能电网建设中的关键技术之一 11 4 1 2储能的意义 4 1 2 3高效储能系统是用于高耗能企业和国家重要部门的备用电源 电解 电镀及冶金等行业 电车 轻轨和地铁等交通部门 都是集中用电大户 使用储能电池用 谷电 对储能系统充电 在高峰期应用于生产 运营 电能的利用效率高 不仅可以减轻电网负担 还可以降低运营成本 高效储能系统的另外一个重要应用是用作政府 医院 军事指挥部等重要部门的备用电站 在非常时期保证稳定 及时的应急电力供应 12
7、 储能技术的应用领域 物理储能技术 化学储能技术 储能的背景与意义 4 1 4 2 4 3 4 4 主要内容 4 2储能技术的应用领域 a 备用电站 南方电网深圳宝清电池储能电站 13 b 智能电网储能 14 c 太阳能发电储能 日本光伏 电池联合储能电站 15 c 风能发电储能 16 d 电动汽车储能 17 e 太阳能路灯 18 f 电动汽车充电站 19 g 家庭微电网 20 h 平稳可再生能源输出 21 i 电力系统 削峰填谷 22 j 维持电力供需平衡 23 24 储能技术的应用领域 物理储能技术 化学储能技术 储能的背景与意义 4 1 4 2 4 3 4 4 主要内容 现有的各种储能技
8、术 25 化学储能 电池储能 超级电容储能 按有无化学反应分类 26 各种储能技术规模与适用范围 27 各种储能技术的发展情况 28 各种储能技术性能对比 29 4 3 1抽水蓄能 储电 在电力负荷低谷期 利用电站提供的剩余电量驱动水泵 将低水位库中的水抽至高水位库 电能转为势能 发电 在用电负荷高峰期 释放高位水库的水 驱动水轮机发电机组发电 将势能转换为电能 30 工作原理 4 3 1抽水蓄能 抽水蓄能电站示意图 31 4 3 1抽水蓄能 抽水蓄能技术是目前最成熟 应用最广泛的大规模储能技术 具有容量大 寿命长 经济寿命50年 运行费用低的特点 可为电网提供调峰 填谷 调频 事故备用等服务
9、 其良好的调节性能和快速负荷变化响应能力 对于有效减少新能源发电输入电网时引起的不稳定性具有重要意义 电站选择上需要有水平间距小 上下水库高度差大的地形条件 岩石强度高 防渗水性能好的地质条件 以及充足的水源保证发电用水的需求 另外还需要考虑上下水库的库区淹没问题 水质的变化以及库区土壤碱化等一系列环保问题 32 优点 缺点 4 3 1抽水蓄能 抽水储能的释放时间可以从几个小时到几天不等 综合效率在70 到85 之间 主要用于电力系统的调峰填谷 调频 调相 紧急事故备用等 33 效率与应用范围 4 3 1抽水蓄能 世界第二大抽水蓄能水电站 天荒坪电站 天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县境内 电
10、站装机容量180万kW 上水库蓄能能力1046万kW h 其中日循环蓄能量866万kW h 年发电量31 6亿kW h 年抽水用电量42 86亿kW h 承担系统峰谷差360万kW任务 34 4 3 1抽水蓄能 广州抽水蓄能电站 广州抽水蓄能电站位于广州市从化区吕田镇深山大谷中 总装机容量240万千瓦 装备8台30万千瓦具有水泵和发电双向调节能力的机组 35 4 3 1抽水蓄能 北京十三陵抽水蓄能电站 十三陵抽水蓄能电站位于北京十三陵风景区 电站装机发电容量800MW 年发电量12亿kW h 抽水容量816MW 年抽水用电量16 5亿kW h 为京津唐地区提供可靠的调峰 调频填谷和紧急事故备用
11、电源 36 4 3 1抽水蓄能 泰山抽水蓄能电站 泰山抽水蓄能电站隶属国网新源控股有限公司 是全国第四座大型抽水蓄能电站 山东省第一座大型水电站 装机总容量为100万千瓦 总投资43 26亿元 37 我国抽水蓄能发展状况 4 3 1抽水蓄能 我国抽水蓄能的发展呈现以下特点 1 我国的抽水蓄能电站近20年得到了快速发展 截止2010年底 投产装机容量达到16345MW 跃居世界第三 在建装机容量达到12040MW 居世界第一 虽然如此 但抽水蓄能电站装机容量占我国总装机容量的比例还较低 2 施工技术达到世界先进水平 大型机电设备原来依赖进口 但经过近几年的技术引进 消化和吸收 已经基本配备了生产
12、能力 3 按照目前国家政策 抽水蓄能电站原则上由电网企业建设和管理 十二五 期间 政府对水电的开发十分重视 来自中国电力企业联合会的相关数据显示 抽水蓄能的规划目标是到2015年达到41000MW 2020年达到60000MW 意味着在为了十年内 新增抽水蓄能装机将超过40000MW 我国抽水蓄能正在经历新一轮的发展高潮 38 4 3 2压缩空气储能 储电 在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气 将空气高压密封在报废矿井 沉降的海底储气罐 山洞 过期油气井或新建储气井中 发电 在电网负荷高峰期 释放压缩空气 进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧后 驱动汽轮机做功发电 39 工作原理 4 3 2压缩空气
13、储能 压缩空气储能原理图 40 4 3 2压缩空气储能 压缩空气储能电站 41 4 3 2压缩空气储能 压缩空气储能电站 42 4 3 2压缩空气储能 43 优点 储能容量大 数十MW GW 世界范围内已建成440MW 运行维护成本低 缺点 需要大的岩洞以存储压缩空气 受地理条件限制 适合地点非常有限 需耗燃料 且有二氧化碳排放 建设周期长 初次投资大 世界首座压缩空气储能电站 德国亨托夫电站 44 4 3 2压缩空气储能 压缩空气储能发展现状 至今 只有德国 美国和日本具有大规模的压缩空气储能电站 德国的Huntorf电站建于1978年 压缩功率60MW 发电功率290MW 压缩时间 发电时
14、间 4 启动过上万次 可靠率达97 美国的Mcintosh电站建于1991年 压缩功率110MW 压缩时间 发电时间 1 6 如连续输出100MW可维持26小时 日本的Sunagawa电站建于1997年 压缩功率35MW 压缩时间 发电时间 1 17 近来此类技术的研究和开发的热度在不断上升 国家电网公司已立项研究 项目负责人清华大学卢强院士 中国电科院参加 电科院周孝信院士负责建模和分析研究 500kW压缩空气储能发电原型系统开发 储气罐式 10MW压缩空气储能发电系统建设方案研究 45 4 3 3飞轮储能 现代意义上的飞轮储能概念最早在20世纪50年代才被提出 其后到20世纪70年代 美国
15、能量研究发展署和美国能源部开始资助飞轮系统的开发 日本和欧洲也陆续开展了相关技术的产品的研究 进入20世纪90年代后 由于磁悬浮 碳素纤维合成材料和电力电子技术的成熟 飞轮储能才真正进入高速发展期 46 4 3 3飞轮储能 储电 在用电低谷期 利用电动机带动飞轮高速旋转 将电能转化成动能储存起来 发电 在用电高峰期 用飞轮带动发电机发电 47 工作原理 4 3 3飞轮储能 飞轮储能系统结构图 48 4 3 3飞轮储能 1 工作寿命长20年5万次2 动态响应快 20ms3 循环效率高85 98 4 环境友好无污染 维护成本低5 深度放电 能量可预测 适合于配合配电系统运行以进行频率调节 可用作一
16、个不带蓄电池的UPS 提高电能质量 供电中断 电压波动等 49 特点 效率与适用范围 4 3 3飞轮储能 Beacon电力公司的飞轮单体 50 4 3 3飞轮储能 Beacon电力20MW飞轮储能项目现场 51 4 3 3飞轮储能 飞轮储能发展现状 近10年来 一大批新型复合材料和新技术的诞生和发展 如高强度的碳素纤维复合材料 磁悬浮技术和高温超导技术 高速电机 发电机技术以及电力电子技术等 使得飞轮能够储存大量的能量 给飞轮的应用带来了新的活力 美国 日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多 日本已经制造出界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统 美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统 欧洲的法国国家物理高技术研究所 意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究 目前国内从事与飞轮研究相关的单位有 华北电力大学 飞轮储能柔性研究所中国科大 中科院力学所等 我国对飞轮储能的研究起步较晚 与世界先进水平差距仍然很大 52 4 3 4超导储能 20世纪70年代国际上首次提出超导储能的概念 起初着重的是其储能能力 期望可以作为一种平衡电力系统日
