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1、先进储能技术及其在先进储能技术及其在 电力系统中的应用电力系统中的应用朱桂萍朱桂萍 电工新技术研究所电工新技术研究所 2010年年3月月OUTLINE1.典型的储能方式典型的储能方式 电池储能电池储能 超导储能超导储能 超级电容储能超级电容储能 飞轮储能飞轮储能 2.储能装置在电力系统中的典型应用储能装置在电力系统中的典型应用 有源滤波（有源滤波（APF） 动态电压调整（动态电压调整（DVR） 静止补偿（静止补偿（STATCOM） 与可再生能源发电的配合与可再生能源发电的配合1. 典型的储能方式典型的储能方式1.1 电池储能电池储能(BESS)电能电能化学能化学能电池种类电池种类单体标称电压单
2、体标称电压/V研发机构研发机构 铅酸铅酸2.0主要电池厂家主要电池厂家 镍镉镍镉1.01.3主要电池厂家主要电池厂家 镍氢镍氢1.01.3主要电池厂家主要电池厂家 锂离子锂离子3.7主要电池厂家主要电池厂家 钠硫钠硫2.08东京电力公司、东京电力公司、 NGK、上海电力公、上海电力公 司司 全钒液流全钒液流1.4VRB、V-FuelPty、 住友电工、关西电住友电工、关西电 力公司、中国电力力公司、中国电力 科学研究院科学研究院电力储能系统可电力储能系统可利利用的主要电池用的主要电池部分部分电池储能系统的电池储能系统的性性能能比较比较电池种类 功率上限电池种类 功率上限 比容量比容量 /(Wh
3、/kg)比功率比功率 /(W/kg)循环寿命循环寿命/ 次次充放电效充放电效 率率/%自放电自放电 /(%/月月)铅酸铅酸数十数十MW355075300500150008025镍镉镍镉几十几十MW751503002500070520锂离子锂离子几十几十kW15020020031510001000 009501钠硫钠硫十几十几MW15024090230500090全钒液流 数百全钒液流 数百kW801305014013000080铅酸电池的技术最成熟，价格也最低（铅酸电池的技术最成熟，价格也最低（12V系列目前国系列目前国 内约内约6.0元元Ah）。）。铅酸电池铅酸电池(Lead Acid Ba
4、ttery)工作原理：工作原理：铅酸蓄电池的负极是海绵状的铅制成，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）中进行的硫酸水溶液（电解液）中进行电化学反应。电化学反应。放电反应：放电反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O 充电反应：充电反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4阀控阀控铅酸铅酸蓄蓄电池电池(VRLA, Valve Regulated Lead Acid Battery)阀控铅酸蓄电池与汽车等用的普通铅
5、酸蓄电池相比有二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。个主要特点：一是密封；二是干态。密封密封是指基本无酸雾排出。一般情况下阀控铅酸蓄电池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。雾。干干态态是指阀控铅酸蓄电池是指阀控铅酸蓄电池 没有自由流动
6、的电解液，可以没有自由流动的电解液，可以 任何方向放置，不怕颠簸、碰任何方向放置，不怕颠簸、碰 撞，即使外壳破裂也不会有酸撞，即使外壳破裂也不会有酸 漏出。漏出。磷磷酸酸铁铁锂电池锂电池(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。酸铁锂动力电池。LiFePO4电池的结构与工作原理：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
7、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。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磷酸铁锂动力电池的主要性能LiFePO4电池的特点：电池的特点：1. 高效率输出：标准放电为25C、连续高电流放电可达 10C，瞬间脉冲放电（10s）可达20C； 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
8、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。一种型号为一种型号为STL18650的磷酸铁锂动力电池（容量为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：）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，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（放电量基本保持不变），只有快到终止放电电压时，曲线才向下
9、弯曲（放电量 达到达到800mAh以后才出现向下弯曲）。在以后才出现向下弯曲）。在0.510C的放电率范围内，输的放电率范围内，输 出电压大部分在出电压大部分在 2.73.2V范围内变化。这说明该电池有很好的放电特范围内变化。这说明该电池有很好的放电特 性。性。STL18650的充放电循环寿命曲线的充放电循环寿命曲线在经过在经过570次充放电循环，其放电容量未变，说明该电池有很次充放电循环，其放电容量未变，说明该电池有很 高的寿命。高的寿命。钠硫电池（钠硫电池（Sodium- Sulfur Battery ）钠硫电池是钠硫电池是美美国国福福特特(Ford)公司公司于于1967年年首先发明公布的
10、，其比能量首先发明公布的，其比能量 高、可大电流、高功率放电。日本东京电力公司高、可大电流、高功率放电。日本东京电力公司(TEPCO)和和NGK公司合作公司合作 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、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应急电应急电 源及瞬间补偿电源等，并于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。，同时开始向海外输出。钠硫电池是以钠硫电池是以Na- beta- 氧化铝为电解质和隔
11、膜，并分别以金属钠和多硫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。化钠为负极和正极的二次电池。该电池最大的特点是：该电池最大的特点是：比比能能量量高高，是铅酸电池的，是铅酸电池的34倍；可大电流、倍；可大电流、 高功率放电；充放电效率几乎高达高功率放电；充放电效率几乎高达100。但钠硫电池的不足之处是其工。但钠硫电池的不足之处是其工 作温度在作温度在300350，需要一定的加热保温。另外过充时很危险。，需要一定的加热保温。另外过充时很危险。钠硫电池的工钠硫电池的工作原理：作原理：以固体电解质以固体电解质N a- (或或+) - A l2O3(N a+ 离子导体离子
12、导体) 为电解质隔膜为电解质隔膜, 熔融熔融 硫和钠分别作阴阳极硫和钠分别作阴阳极.正是因为钠硫电池采用的材料特殊正是因为钠硫电池采用的材料特殊 , 所以能连续充电近所以能连续充电近两万两万次次 , 也也 就是说相当于近就是说相当于近60年的使用寿命年的使用寿命 , 且终生不用维修且终生不用维修 , 不排放任何有不排放任何有 害物质害物质 , 也无二次污染公害也无二次污染公害 , 这是别的电池无法达到的。这是别的电池无法达到的。钠硫电池是靠电子转移而再生能量钠硫电池是靠电子转移而再生能量 , 所以它所以它充充电电时时间间相相当短暂当短暂 , 一次一次 充电可运行充电可运行 10 11 小时小时
13、 , 它经热反应后所产生的理论能量密度为它经热反应后所产生的理论能量密度为 786 Wh/kg , 实际能量密度为实际能量密度为 300 Wh/kg . 这约是铅酸电池的十倍这约是铅酸电池的十倍 , 镍氢电池的四倍镍氢电池的四倍 , 锂电池的三倍锂电池的三倍 . 阳极反应：阳极反应：2Na 2e = 2Na+ 阴极反应：阴极反应：xS + 2e = Sx2- 总反应：总反应： 2N a + xS= Na2Sx我国的钠硫电池研究现状：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。钠硫电池的研发在国际上方兴未艾。2006年年8月月,上海硅酸盐研究所与上海市电力公司开展了大容量钠上海硅酸盐
14、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。硫单体电池的合作研发。5个月后，个月后，650Ah的单体电池试制成功的单体电池试制成功,我国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。家。2007年年8月月,双方共建“上海钠硫电池研制基地”，不久便攻克了双方共建“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
15、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。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。钠硫电池储能系统将在上海世博园示范运行。全钒液流电池全钒液流电池V5+(VO2+) + e-V4+(VO2+) discharge charge V2+ V3+ + e-discharge charge + E0=1.00 E0=- 0.26 工工作原理：作原理：清华大学电机系电工新技术研究所的清华大学电机系电工新技术研究所的VRB样机样机试验用钒电池参数：试验用钒电池参数： 额定电压：50V额定电压：50V 额定电流：50A额定电流：50A 额定功率：2.5kW额定功率：2.
16、5kW 额定容量：5kWh额定容量：5kWh 最大功率：9kW最大功率：9kW 端电压区间：4064V端电压区间：4064VVRB 的应用的应用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国外VRB 样机样机 1- -加拿大加拿大加拿大加拿大VRB PVRB POWEROWER公司公司公司公司输出功率: 200KW 电池容量 1100KWh最大输出功率: 400KW10秒电解液体积: 55m3占地面积： 70m2国外国外VRB 样机样机2 日本住友电工日本住友电工日本住友电工的风力发电储能系统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 kW6h规模的示范工程2005年，扩大到6 MW25min ; 4MW90min1.2 超导储
