太阳能光伏储能技术

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1、,太阳能光伏技术 储能装置,主讲人：唐祥虎,内容提要,1.发展背景 2.储能装置分类 2.1.机械储能 2.2.电磁储能 2.3.化学储能 3.结语,1.发展背景,1.太阳能光伏技术的自身局限性。 以太阳能光伏发电为代表的新能源的利用受到自然条件的显 著影响和限制，包括天气、季节，时间、地域、地形地貌等 各种因素。 它不像传统化石资源那样稳定、持续地提供能源，输出功率 波动显著，对电网而言是一种冲击性的电源。在同一地区，并网 的光伏发电输出功率的波动可能是同步的，但随着光伏发电技术 和市场的不断扩展，装机容量越来越大，潜在的冲击力随之越来 越大。因此，发展储能技术已成为目前电力和新能源领域全球

2、关 注和支持的焦点，许多国家都将大规模储能技术定位为支撑新能 源发展的战略性技术。,2.太阳能光伏技术的发展。 可再生能源正在由辅助能源逐渐转为主要 的甚至是主导能源。当不稳定的可再生能源 利用率到如此高的程度时，对它们的输出进 行稳定是必要的。,1.发展背景,3.储能装置的作用。 储能就是对来自太阳能电池板发出的电能进行储 存，利用储能环节在可再生能源的发电功率大于负载 需要时储存电能，在他们不能够满足负载需要时提供 电能的补充，以最大效率收集和利用可再生能源，这 对于可再生能源分布式发电系统来说是必须的，是建 立稳定的本地供电的基础，对电网接入的发电系统来 说，储能是一种灵活的可调度手段，

3、可以最大限度地 利用新能源，降低对电网的冲击和依赖，具有迫切的 需求。,2.储能装置分类,抽水储能 机械能 压缩空气储能 物理形式 飞轮储能 超导线圈储能 电磁能 储能装置 双电层电容储能 法拉第电容储能 化学形式 蓄电池储能 制氢储能,2.1机械储能装置,2.1.1.抽水储能,2.1.1.抽水储能,2.1.1.抽水储能 一.原理与分类： 1.原理： 抽水蓄能是集抽水与发电于一体的一种蓄能方式， 实现的是势能与电能的转换。在满足地质和水文等条 件的前提下，分别在上下游设置水库； 在电力负荷低谷时，将低地势的下水库的水抽到 高地势的上水库中，将电能转换为势能； 在用电高峰时，再将上水库的水释放，

4、驱动水轮 机发电机组发电，将势能转换为电能。,2.1.1.抽水储能,2.抽水蓄能电站的类型： 按开发方式可分为：纯抽水蓄能电站、 混合式抽水蓄能电站、 调水式抽水蓄能电站； 按调节周期分为：日调节、周调节和季调节等； 按水头分为：高水头和中低水头； 按机组类型分为：四机分置式、 三机串联式、 二机可逆式； 按布置特点分为：地面式、地下式、和特殊布置 形式（人工地下水库）,2.1.1.抽水储能,3.抽水蓄能的特点及应用： 优点： 抽水蓄能技术比较成熟，储存能量巨大，设备的使用 寿命较长（一般可达30-40年），综合效率高（一般 可达70%-85%）。 不足： 抽水蓄能工程量较大而且受到地理环境的

5、限制。 应用： 抽水蓄能已广泛应用于电力系统中调峰填谷、调频、 调相、紧急事故备用、黑启动以及为系统提供备用容 量等方面，是电网安全、经济运行的有效调控手段,2.1.1.抽水储能,二、抽水蓄能技术的发展历史与现状,2.1.1.抽水储能,三、抽水蓄能的发展趋势 抽水蓄能作为一种技术较为成熟，且市场应用较 成功的大容量储能技术，受到了世界各国的高度重视， 但每个国家都有不同的环境，并面临不同的现实情况， 需要有针对性地制订发展计划，解决发展过程中遇到 的各种问题。 在我国，抽水蓄能站址资源较为丰富，能够满足各地 区电网自身发展的需要。经初步经济分析，抽水蓄能电站 前期选址总量可达1.5亿KW以上，

6、这些这些抽水蓄能站址 主要分布在南方电网、华东电网、华中电网、和华北电网 内，占据已知全国抽水蓄能站址容量的80%。,2.1机械储能装置,2.1.2.压缩空气储能,2.1.2.压缩空气储能,一.压缩空气储能的原理特点及分类 1.原理： 压缩空气储能一般包括5个主要部件：压气机、燃烧 室及换热器、涡轮（透平）机、储气装置、电动机/发 电机。 在储能时：压缩空气储能系统耗用电能将空气压缩并 存于储气室中； 在释能时：高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃 烧室同燃料一起燃烧后，驱动涡轮机带动 发电机输出电能。,2.1.2.压缩空气储能,2.特点 （1）规模上仅次于抽水蓄能，适合建造大型电站。压缩空气

7、储能 系统工作时间长，可以持续数小时乃至数天。 （2）建造成本和运行成本较低，低于钠硫电池和液流电池，也低 于抽水蓄能电站，具有很好的经济性。其次由于使用高性能 绝 热材料，仅使用少量或不使用天然气或石油等燃料即可实 现对压缩空气的加热，从而降低燃料成本占比。 （3）场地限制少。 （4）寿命长，通常维护可以达到4050年，并且其效率可以达到 60%左右，接近抽水蓄能电站。 （5）安全性和可靠性高。压缩空气储能使用的原料是空气，不会 燃烧，不产生任何有毒有害气体，也没有爆炸的危险。,2.1.2.压缩空气储能,3.分类： （1）根据热源不同分为：燃烧燃料的、带储热的和无热 源的压缩空气储能系统；

8、（2）根据规模不同可分为：大型（单台机组规模为 100MW级）、小型（10MW）和微型（100KW级）； （3）根据能否和其他热力循环系统耦合可分为： 传统压缩空气储能系统、 压缩空气储能燃气轮机耦合系统、 压缩空气储能燃气蒸汽联合循环耦合系统、 压缩空气储能内燃机耦合系统、 压缩空气储能制冷循环耦合系统、 压缩空气储能可再生能源耦合系统。,2.1.2.压缩空气储能,压缩空气储能可以实现大容量和长时间电能储存的电 力储能系统，是指将低谷、风电、太阳能等不易储藏的电 力用于压缩空气，将压缩后的高压空气密封在储气设施中， 在需要需要释放压缩空气推动透平发电的储能方式。目前， 地下储气站可采用报废矿

9、井、沉降在海底的储气罐、山洞、 过期油气井和新建储气井等多种模式，其中最理想的水封 恒压储气站，能保持输出恒压气体。地上储气站采用高压 的储气罐模式。压缩空气储能具有容量大、工作时间长、 经济性能好、充放电循环多等优点。,2.1.2.压缩空气储能,二。发展现状及应用情况： 压缩空气储能发电已有成熟的运行经验，最早投运的机组已安全运行30多年。 压缩空气储能是一项灵活而可靠的技术，可迅速满足各种变负荷要求，具有快速起动能力，有良好的负荷跟踪和频率控制特性，能实现远距离自动控制。压缩空气储能系统具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环多等优点，但目前还存在传统压缩空气储能需要燃烧化石能源、小

10、型系统的效率不高和大型系统需要特定的地理条件建造储气室等缺点。压缩空气蓄能电站正在向大型化联合循环和微型化方向发展，联合循环以及热、电、冷多联供都可以大幅度提高能源利用效率，在世界范围内受到了广泛的关注，未来将成为除抽水蓄能之外最具发展潜力的大规模储能系统。,2.1.3 飞轮储能,一.飞轮储能的原理特点及分类 1.原理： 将能量从外界输入后，电动机将在电子电力输入设备的驱动下带动飞轮高速旋转，这一过程相当于给飞轮储能系统充电； 当飞轮转子达到一定工作转速时，电力电子输入设备停止驱动电动机，系统完成充电； 当外界需要能量输出时，高速旋转的飞轮转子降低转速，通过发电机的发电功能将动能转化成电能释放

11、，通过给负载提供能量，完成系统的放电过程。,2.1.3 飞轮储能,2.结构组成 飞 轮、 轴 承、 电 机、 真 空 容 器 电力电子装置,2.1.3 飞轮储能,一.飞轮储能的工程应用： （1）智能电网的应用 （2）交通运输的应用 （3）UPS电源的应用 （4）新能源电力的储存,2.2.电磁储能技术-超导储能,一、超导储能的原理与特点 1.原理： 超导体：许多金属和合金都具有低温下失去电阻的特性，这种特殊的导电性能被称为“超导态”，处于超导态的导体称之为“超导体”。 零电阻效应：超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称为“零电阻效应”。用超导体导线制成螺旋形线圈，线圈通电产生磁场，其所储

12、能量与电流的平方和电感的乘积成正比。 若线圈导体有电阻，能量会以焦耳热的形式消耗，而超导体在深冷状态下电阻为零，不存在焦耳热损耗，将螺旋线管两端短接，磁能可被永久储存。需要时将线圈两端外接负载，即可将储存于线圈内的磁能转化为电能，随时取出。,2.2.电磁储能,2.特点 （1）可长期无损耗地储存能量，转换效率超过90%。 （2）可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电 网的连接，响应速度快（毫秒级）。 （3）由于其储存能量与功率调节系统的容量可独立 地在大范围内选取，因此可将超导储能系统建 成所需 的大功率和大能量系统。 （4）除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿 命长。 （5）建造时不受地

13、点限制，维护简单，污染小。,2.2.电磁储能,二。发展现状 目前，国际上在在超导储能系统的研究开发方面投入了大量的人力物力，主要是开发微型超导储能装置的实际应用。美国、德国和日本等提出了开发100kWh等级的微型超导储能装置的建议，如用于磁悬浮列车、计算机大楼和高层建筑等用的超导储能系统；美国IGC和AMSC公司的微型超导储能装置（110MJ）已经商品化，AMSC公司目前正在开发一种新的配电SMES（D-SMES）用于功率调节。,2.2.电磁储能,三、面临的问题 （1）超导材料的临界温度有待提高； （2）超导材料的价格比较高，有的比常规材料 高几十倍甚至上百倍； （3）超导技术所应用的低温制冷

14、系统的制备还 比较复杂，且制冷机的免维护寿命较短。 （4）超导装备的低温高电压绝缘技术，实时 监测技术，集成技术以及与常规系统的匹 配协调运行等也需要进一步研究。,2.2.电磁储能,四、研究方向 1.降低成本。 2.开发高温超导线材。 3.研究变流器。 4.研究控制策略。 5.降低损耗和提高稳定性。 6.研究失超保护技术。,2.3 化学储能,2.3.1.钠硫电池储能 2.3.2锂离子电池储能 2.3.3.液流电池储能 2.3.4超级电容储能 2.3.5制氢储能,2.3.1.钠硫电池储能,一、钠硫电池的原理与特点 1.原理 钠硫电池（NAS）以钠和硫分别作阳极和阴极，氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质

15、的双从作用。 电池形式：(-)Na(液)|氧化铝|Na2SX,S(液)(+),基本的电池反应：,负极反应：2Na 2Na+ + 2e- 正极反应：2Na+ + xS + 2e- Na2Sx 总反应：2Na + xS Na2Sx,2.结构,3.特点,（1）比能量高。理论比能量为760Wh/kg,是铅酸 电池的3-4倍； （2）功率大。单体电池功率可达到120W以上， 形成模块后功率可达数十千瓦，可直接用 于储能； （3）库伦效率高。由于采用固体电解质，几乎 无自放电现象，充放电效率几乎为100%； （4）运行无污染。采用全密封结构，运行中无 振动无噪声，没有气体放出，预期寿命长。 （5）制造便利

16、、成本低、结构简单、维护方便。,二、钠硫电池发展现状,2.3.2锂离子电池储能,一、锂离子电池工作原理及结构 1.原理 锂离子电池俗称“摇椅电池”，是由可脱嵌Li+ 为正、负级的二次电池，由正极、负极、电解液及隔膜，外加正负引线、电池壳、安全装置等组成。 正极材料一般为锂的化合物；负极材料一般为碳材料等，目前硅等合金类负极也有部分应用；电解液一般由有机溶剂和电解质（锂盐）组成。,以C负极、LiCoO2 正极为例的电化学表达式为,(-)C6 | 1molL-1 LiPF6 EC + DEC | LiCoO2(+) 正极反应：LiCoO2 放电 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- 充电 负极反应 ： xLi+ + C6 +xe- 放电 C6 Lix 充电,常见锂离子电池结构参数,