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1、第7章 可再生能源发电的电能储存,可再生能源发电中储能系统的主要作用如下： （1）平抑风力发电、光伏发电等可再生能源发电的功率波动，改善电能质量，缓解电网调峰压力，降低电力系统运行成本和碳排放。 （2）降低配套输电线路容量需求，提高现有发输配用电设备的利用率。储能系统可在电力系统的负荷低谷期充电，在负荷高峰期放电，可减少相应的电源和电网建设费用，改变电力建设的增长模式，促进其从外延扩张型向内涵增效型转变。 （3）增强电力系统稳定性。储能装置输出的有功功率和无功功率的迅速变化，可有效地对电力系统中的功率和频率振荡起到阻尼的作用。 （4）减少旋转备用。具有电力电子接口的储能装置可迅速地增加其电能输
2、出，可作为电力系统中的旋转功能，减少常规电力系统对旋转备用的需要。 （5）减低发电煤耗、减少停电损失。实现分布式储能后，电网发生故障和检修的情况下，用户可以通过储能系统保证供电。,电化学储能主要是蓄电池储能。蓄电池有着漫长的历史，目前已经发展出包括铅酸电池、镍系电池、锂系电池以及液流电池、钠硫电池、锌空电池等类型。成熟的电化学储能技术如铅酸、镍系、锂系已经大量应用。 机械储能是指将电能转换为机械能储存，在需要使用时再重新转换为电能，主要包括：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能。,电磁储能包括：超导磁体储能、超级电容器储能。,7.1 蓄电池储能,7.1.1 常用蓄电池的类型,7.1.2 蓄电池的等
3、效电路,7.1.3 蓄电池的主要特性,7.1.4 蓄电池的充放电控制,7.1.1 常用蓄电池的类型,目前常用的蓄电池类型有五种，分别为：铅酸电池（Pb-acid）、镍镉电池（NiCd）、镍氢电池（NiMH）、锂离子电池（Li-ion）和锂聚合物电池（Li-polymer）。,1.铅酸电池,铅酸电池电极主要由铅及其氧化物制成，以浓度为27%37%（质量分数）的硫酸溶液作为电解液。荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；铅酸电池在放电时，形成水和硫酸铅，水起到稀释硫酸电解液的作用，随着放电强度的减弱，电解液的密度将减小。由于铅酸电池具有运行温度适中，放电电流大，可以根据电解液密度的变
4、化检查电池的荷电状态，储存性能好及成本较低等优点，目前在蓄电池生产和使用中仍保持着领先地位。,(a),(b),(c),(d),2.镍镉电池,镍镉电池是一种非常成熟的蓄电池种类，电池的正极为镉，负极为氢氧化镍，两个电极由尼龙分割开来，非电解液为氢氧化钾。镍镉电池可重复500次以上的充放电，经济耐用。其内阻很小，可快速充电，有可为负载提供大电流，而且放电时电压变化很小，是一种非常理想的直流供电电池。与其他类型的电池比较，镍镉电池可耐过充电或或过放电。但是镍镉电池在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的记忆效应，使电池容量降低；此外，镉是有毒的，不利于生态环境的保护，现正在被镍氢电池和锂电池所取代。
5、,3.镍氢电池,镍氢电池是在镍镉电池的基础上发展出来的，镍氢电池与镍镉电池在结构上的主要差别是其阳极采用了金属氢化物，不需要采用对环境影响大的镉。其电能储量比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长。镍氢电池的记忆效应也要比镍镉电池小。镍氢电池的缺点是：输出峰值功率的能力较差，并具有很高的自放电率，当过度充电时容易损坏，其价格要比镍镉电池高，性能要比锂电池差。,4.锂离子电池,锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，电池中没有金属锂，只存在锂离子。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“
6、摇椅电池”。锂离子电池可分为液态锂离子电池和锂聚合物电池两种，习惯上把液态锂离子电池简称为锂离子电池，为防止混淆，后面采用锂离子电池的称谓表示液态锂离子电池概念。,5.锂聚合物电池,锂聚合物电池是在液态锂离子电池基础上发展起来的，以固态或凝胶态有机聚合物为电解液，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂电池。由于性能更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。目前很多企业都在开发这种新型电池。 锂聚合物电池具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势。在形状上，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。,7.1.2 蓄电池的等效电路,图7-2 蓄
7、电池等效电路,图7-3 蓄电池工作点,7.1.3 蓄电池的主要特性,蓄电池的额定容量可表示为,式中，C为以单位Ah来标称的蓄电池额定容量。例如，额定容量为20Ah的蓄电池表示可以以20A电流放电1h，或以20/（nA）电流放电nh。 蓄电池主要特性包括充电/放电电压特性、充电/放电比、内阻、充电效率，以及充电/放电总效率、运行温升、充电次数等。,1.充电/放电电压特性,图7-4 镍镉电池充放电循环中的电压变化,图7-5 不同充放电速率下电池电压的变化,2.充电/放电比,图7-6 温度对蓄电池充电/放电比的影响,3.内阻,图7-7 温度对25Ah镍镉电池内阻的影响,4.充电效率,图7-8 不同充
8、电速率下的充电效率,7.1.4 蓄电池的充放电控制,蓄电池充电时，能量管理系统主要监视电池的充电状态、综合健康度和安全中止标准。主要监测的参数有电压、电流和温度。当对蓄电池的所有初始状态检查完成后，蓄电池的充电定时器即开始启动。如果检测到蓄电池超过临界安全值，则充电暂停，如果故障持续超过一定时间，则停止对蓄电池的充电。 正常的充电过程包含下述三个阶段： a.快速充电阶段：在此阶段将对蓄电池充入80%90%的电能。 b.渐减充电阶段：在此阶段充电速率逐渐减小，直到蓄电池充满电。 c.涓流充电阶段：当蓄电池充满电后，采用涓流充电来补充蓄电池的自放电。,图7-9 镍镉电池和镍氢电池的恒流充电,图7-
9、10 锂离子电池的恒电压充电,7.2 飞轮储能,7.2.1 飞轮储能概述,7.2.2 飞轮储能的原理,7.2.3 飞轮储能的结构,7.2.1 飞轮储能概述,飞轮储能系统作为一种储能技术已经应用到包括航空航天、电动汽车、通信、电力等领域。早在20世纪70年代，美国能源部和美国航空航天局就开始资助飞轮储能系统的应用研究，此后，英国、法国、德国、日本等工业化国家也相继投入大量的人力、物力进行飞轮储能技术的研究。在美国，风险投资的大量介入，使飞轮储能技术获得了快速发展并成功应用，2000年左右现代飞轮储能电源商业化产品一开始推广。我国对飞轮储能技术的研究起步较晚，20世纪90年代中期开始一些高校和研究
10、院所相继对飞轮储能进行了研究，相对欧美等西方发达国家来说，我国对飞轮储能技术的核心部分的研究要落后很多。,在各种新型的储能技术中，飞轮储能具有诸多优点：储能密度大、效率高、成本低、寿命长、瞬时功率大、响应速度快、安全性能好、维护费用低、环境污染小、不受地理环境限制等，是目前最有发展前途的储能技术之一。飞轮储能作为一个被人们普遍看好的大规模储能手段，主要源于三个技术点的突破：一是磁悬浮技术的发展，使磁悬浮轴承成为可能，这样可以让摩擦阻力减到很小，能很好地实现储能供能；二是高强度材料的出现，使飞轮能以更高的速度旋转，储存更多的能量；三是电力电子技术的进步，使能量转换、频率控制能满足电力系统稳定安全
11、运行的要求。,7.2.2 飞轮储能的原理,飞轮储能系统一般由储能飞轮、集成驱动电动机/发电机、磁悬浮支承系统、双向功率变换器、控制器及辅件构成。辅件主要包括辅助轴承、冷却系统、显示仪表、真空设备和安全容器等。飞轮储能系统的原理如图7-11所示。飞轮储能类似于化学电池，它有两种工作模式。,图7-11 飞轮储能系统的原理,1.充电模式,2.放电模式,当飞轮储能系统需要给负载供电时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出适用于负载的电流与电压，飞轮转速下降，直至下降到最低转速时由电机控制器停止放电。在放电过程中，电机作为发电机运行。,7.2.3 飞轮储能的结构,图7-12 飞轮储能结
12、构 1-飞轮 2-电动机/发电机 3-磁悬浮轴承 4-辅助轴承 5-真空壳体,飞轮的材料和结构直接影响飞轮的储能效果和安全。目前，高速飞轮基本上都采用复合材料。,图7-14 典型复合材料飞轮转子结构,图7-15 主动磁悬浮轴承的工作原理,7.3 超级电容器储能,7.3.1 超级电容器的原理,7.3.2 超级电容器的特点和类型,7.3.3 超级电容器的应用,7.3.1 超级电容器的原理,(a)Helmholtz模型,(b)Gouy-Chapman模型,(c)Helmholtz与Gouy-Chapman模型 相结合的具有热分布的有限 离子尺寸的Stem模型,图7-16 双电层电容模型,（a）分布式模型,（b）经典模型,（c）简单模型 图7-18 超级电容器的等效电路,图7-18 不同能量存储系统的能量/功率谱,7.3.2 超级电容器的特点和类型,图7-19 超级电容器结构,
