储能技术原理与常用的储能方式.docx

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1、储能技术原理与常用的储能方式目录1 .新型储能是未来三五年的风口赛道2.储能技术的原理与特点42 .常用的储能方式53. 1.物理储能51. 2.化学储能53. 3.超导电磁储能64 .储能技术种类及特点分析84.1. 机械类储能84. 1. 1.抽水蓄能84. 1.2.飞轮储能94. 1.3.压缩空气储能94.1. 电气类储能104.2. 1.超级电容器储能104.2. 2.超导储能114.3.电化学类储能124.3. 1.铅酸电池124.3. 2.锂离子电池134.3. 3.钠硫电池144.3. 4.全机液流电池144.4.热储能154.4. 1.基本原理154.4. 2.缺点154.4.

2、 3.应用154.5.化学类储能154.5.1.基本原理164.5. 2. 优点164.5. 3.缺点1645.4.）应用164.6.各种储能技术的性能比拟和应用选择16第1页共19页4. 1. 3. 2.优点有调峰功能，适合用于大规模风场，因为风能产生的机械功可以直接驱动 压缩机旋转，减少了中间转换成电的环节，从而提高效率。4. 1. 3. 3.缺点需要大的洞穴以存储压缩空气，与地理条件密切相关，适合地点非常有 限；需要燃气轮机配合，并要一定量的燃气作燃料，适合于用作能量管理、负 荷调平和削峰；以往开发的是一种非绝热（diabatic）的压缩空气储能技术。空气在压缩时所 释放的热，并没有储存

3、起来，通过冷却消散了，而压缩的空气在进入透平前还 需要再加热。因此全过程效率较低，通常低于50%。4. 1.3. 4.应用至今，只有德国和美国有投运的压缩空气储能站。德国Hundorf站于1978 年投运，压缩功率60MW,发电功率290MW（后经改造提高到321MW）,压缩时间/ 发电时间=4, 2小时连续运行，启动过上万次，启动可靠率达97%。此外，德 国正在建造绝热型压缩空气储能电站，尚未投运美国Mcintosh,Alabama阿拉巴 马州,1991年投运压缩时间/发电时间=1.6,如连续输出100MW可维持 26小时，曾因地质不稳定而发生过坍塌事故。此外，美国正在建设几座大型的 压缩空

4、气储能电站，尚未投运。近来压缩空气储能的研究和开发热度在不断上升，国家电网公司已立项研 究10MW压缩空气储能，工程负责人清华大学卢强院士。4. 2.电气类储能电气类储能的应用形式只要有超级电容器储能和超导储能。4. 2. 1.超级电容器储能4. 2. 1. 1.基本原理根据电化学双电层理论研制而成的，又称双电层电容器，两电荷层的距离 非常小（一般0.5mm以下），采用特殊电极结构，使电极外表积成万倍的增加， 从而产生极大的电容量。第10页共19页4. 2. 1. 2.优点长寿命、循环次数多；充放电时间快、响应速度快；效率高；少维护、无旋转部件；运行温度范围广，环境友好等。4. 2. 1. 3

5、.缺点超级电容器的电介质耐压很低，制成的电容器一般耐压仅有几伏，储能水 平受到耐压的限制，因而储存的能量不大；能量密度低；投资本钱高；有一定的自放电率。4.2. 1.4.应用超级电容器储能开发已有50多年的历史，近二十年来技术进步很快，使它 的电容量与传统电容相比大大增加，到达几千法拉的量级，而且比功率密度可 到达传统电容的十倍。超级电容器储能将电能直接储存在电场中，无能量形式 转换，充放电时间快，适合用于改善电能质量。由于能量密度较低，适合与其 他储能手段联合使用。4. 2. 2.超导储能4. 2. 2. 1.基本原理超导储能系统是由一个用超导材料制成的、放在一个低温容器 (cryogeni

6、cvessel)(杜瓦Dewar)中的线圈、功率调节系统(PCS)和低温制冷系统等组 成。能量以超导线圈中循环流动的直流电流方式储存在磁场中。4. 2. 2. 2.优点由于直接将电能储存在磁场中，并无能量形式转换，能量的充放电非常快 (几毫秒至几十毫秒)，功率密度很高；极快的响应速度，可改善配电网的电能质量。4. 2. 2. 3.缺点超导材料价格昂贵；第11页共19页维持低温制冷运行需要大量能量；能量密度低（只能维持秒级）；虽然已有商业性的低温和高温超导储能产品可用，但因价格昂贵和维护复 杂，在电网中应用很少，大多是试验性的。4. 2. 2. 4.应用超导储能适合用于提高电能质量，增加系统阻尼

7、，改善系统稳定性能，特 别是用于抑制低频功率振荡。但是由于其格昂贵和维护复杂，虽然已有商业性 的低温和高温超导储能产品可用，在电网中应用很少，大多是试验性的。SMES 在电力系统中的应用取决于超导技术的开展（特别是材料、低本钱、制冷、电力 电子等方面技术的开展）。4. 3.电化学类储能电化学类储能主要包括各种二次电池，有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电 池和液流电池等，这些电池多数技术上比拟成熟，近年来成为关注的重点，并 且还获得许多实际应用。4. 3. 1.铅酸电池4. 3. 1. 1.基本原理铅酸电池是世界上应用最广泛的电池之一。铅酸电池内的阳极（PbO2）及阴 极（Pb）浸到电解液（稀硫酸）

8、中，两极间会产生2V的电势，这就是铅酸电池的原 理。经由充放电，那么阴阳极及电解液即会发生如下的变化：（阳极）（电解液）（阴极）PbO2+2H2sO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4（放电反响）（过氧化铅乂硫酸）（海绵状铅）（阳极）（电解液）（阴极）PbSO4+2H2O+PbSO4PbO2+2H2s04+Pb（充电反响）（硫酸铅）（水）（硫酸铅）4. 3. 1. 2.优点技术很成熟，结构简单、价格低廉、维护方便；循环寿命可达1000次左右；效率可达80%至90%,性价比高。第12页共19页4. 3. 1. 3.缺点深度、快速、大功率放电时，可用容量下降；能量密度较低，寿命较短。4. 3.

9、 1.4.应用铅酸电池常常用于电力系统的事故电源或备用电源，以往大多数独立型光 伏发电系统配备此类电池。目前有逐渐被其他电池（如锂离子电池）替代的趋势。 4. 3. 2.锂离子电池4. 3. 2. 1.基本原理锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子 嵌入化合物构。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富 锂态，正极处于贫锂态；放电时那么相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正 极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。4. 3. 2. 2.优点锂离子电池的效率可达95%以上；放电时间可达数小时；循环次数可达5000次或更多，响应快速；锂离子电池是电池中比能

10、量最高的实用型电池，有多种材料可用于它的正 极和负极（钻酸锂锂离子电池、镒酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池、钛酸 锂锂离子电池等）。4. 3. 2. 3.缺点锂离子电池的价格依然偏高；有时会因过充电而导致发热、燃烧等平安问题，有一定的风险，所以需要 通过过充电保护来解决。4. 3. 2. 4.应用由于锂离子电池在电动汽车、计算机、手机等便携式和移动设备上的应 用，所以它目前几乎已成为世界上应用最为广泛的电池。锂离子电池的能量密 度和功率密度都较高，这是它能得到广泛应用和关注的主要原因。它的技术发 展很快，近年来，大规模生产和多场合应用使其价格急速下降，因而在电力系 统中的应用也越来越多。锂离

11、子电池技术仍然在不断地开发中，目前的研究集第13页共19页中在进一步提高它的使用寿命和平安性，降低本钱、以及新的正、负极材料的 开发上。4. 3. 3.钠硫电池4. 3. 3. 1.基本原理钠硫电池的阳极由液态的硫组成，阴极由液态的钠组成，中间隔有陶瓷材 料的贝塔铝管。电池的运行温度需保持在300c以上，以使电极处于熔融状，心、O4. 3. 3. 2.优点循环周期可达4500次；放电时间可达6至7小时；周期往返效率约为75%；它的能量密度高，响应时间快（毫秒级）。4. 3. 3. 3.缺点由于它使用了金属钠，是一种易燃物，又运行在高温下，所以存在一定的 风险。4. 3. 3. 4.应用日本的N

12、GK公司是世界上唯一能制造出高性能的钠硫电池的厂家。目前采 用50kW的模块，可由多个50kW的模块组成MW级的大容量的电池组件。在 日本、德国、法国、美国等地已建有约200多处此类储能电站，主要用于负荷 调平、移峰、改善电能质量和可再生能源发电，电池价格仍然较高。4. 3. 4.全钏液流电池4. 3. 4. 1.基本原理在液流电池中，能量储存在溶解于液态电解质的电活性物种中，而液态电 解质储存在电池外部的罐中，用泵将储存在罐中的电解质打入电池堆栈，并通 过电极和薄膜，将电能转化为化学能，或将化学能转化为电能。4. 3. 4. 2.缺点能量密度和功率密度与其他电池相比，如锂离子电池，要低；响应

13、时间也不很快。第14页共19页4. 3. 4. 3.优点全钢液流电池技术已比拟成熟；寿命长，循环次数可超过10000次以上。4. 3. 4. 4.应用液流电池有多个体系，其中全钢氧化还原液流电池(vanadiumredoxflowbattery,VRFB)最受关注。这种电池技术最早为澳大利亚新南 威尔士大学创造，后技术转让给加拿大的VRB公司。在2010年以后被中国的 普能公司收购，中国的普能公司的产品在国内外一些试点工程工程中获得了应 用。电池的功率和能量是不相关的，储存的能量取决于储存罐的大小，因而可 以储存长达数小时至数天的能量，容量也可达MW级，适合于应用在电力系统 中。4. 4.热储

14、能4. 4. 1.基本原理在一个热储能系统中，热能被储存在隔热容器的媒质中，以后需要时可以 被转化回电能，也可直接利用而不再转化回电能。热储能有许多不同的技术，可进一步分为显热储存(sensibleheatstorage)和 潜热储存(latentheatstorage)等。显热储存方式中，用于储热的媒质可以是液态 的水，热水可直接使用，也可用于房间的取暖等，运行中热水的温度是有变化 的。而潜热储存是通过相变材料(PhaseChangeMaterials,PCMs)来完成的，该相变 材料即为储存热能的媒质。4. 4. 2.缺点n热储能要各种高温化学热工质，应用场合比拟受限。4. 4. 3.应用

15、由于热储能储存的热量可以很大，所以在可再生能源发电的利用上会有一 定的作用。熔融盐常常作为一种相变材料，用于集热式太阳能热发电站中。此 外，还有许多其他种类的储热技术正在开发中，它们有许多不同的作用。4. 5.化学类储能化学类储能主要是指利用氢或合成天然气作为二次能源的载体。第15页共19页4. 5. 1.基本原理利用待弃掉的风电制氢，通过电解水，将水分解为氢气和氧气，从而获得 氢。以后可直接用氢作为能量的载体，再将氢与二氧化碳反响成为合成天然气 （甲烷），以合成天然气作为另一种二次能量载体。4. 5. 2.优点采用这两种物质作能量载体的好处是储存的能量很大，可达TWh级；储存的时间也很长，可达几个月；另外氢和合成天然气除了可用于发电外，还可有其他利用方式，如交通 等。4. 5. 3.缺点全周期效率较低，制氢效率只有70%左右，而制合成天然气的效率60-65%, 从发电到用电的全周期效率更低，只有30%-40%；4. 5. 4.）应用将氢与二氧化碳合成为甲烷的过程也被称作为P2G技术（powertogas）。德国 热衷于推动此项技术，已有示范工程在德国投入运行。以天然气为燃料的热电 联产或冷、热、电联产系统已成为分布式发电和微电网