电力储能技术介绍和比较课件.ppt

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1、 电力储能方式和发展现状电力储能方式和发展现状1 电力储能技术的应用电力储能技术的应用 2 钒电池的技术特点及应用钒电池的技术特点及应用3目录大规模储能蓄电的作用用于调节可再生能源发电系统供电的连续性和稳定性用于调节可再生能源发电系统供电的连续性和稳定性用于电网的用于电网的“削峰填谷削峰填谷”用于用电大户的用于用电大户的“谷电谷电”蓄电蓄电 用于重要部门和重要设施的应急电源及备用电源用于重要部门和重要设施的应急电源及备用电源用于用于“非并网非并网”风电直接利用中的调节电源风电直接利用中的调节电源 1不同应用场合对能量和功率密度的要求是不同的电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储，按

2、照其具体方式可分为物理、电磁、电化学和相变储能四大类型物理储能物理储能抽水蓄能抽水蓄能压缩空气储能压缩空气储能飞轮储能飞轮储能电磁储能电磁储能电化学储能电化学储能相变储能相变储能超导储能超导储能超级电容储能超级电容储能高能密度电容高能密度电容储能储能铅酸、镍氢、铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、镍镉、锂离子、钠硫和液流等钠硫和液流等电池储能电池储能冰蓄冷储能冰蓄冷储能P.S.：以下主要介绍大规模电力储能技术1储能技术的分类储能技术的分类配备上、下游两个水库，负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电上

3、水库有无天然径流汇入上水库有无天然径流汇入纯抽水纯抽水蓄能电站蓄能电站混合抽水混合抽水蓄能电站蓄能电站调水式抽水调水式抽水蓄能电站蓄能电站原理原理应用应用抽水储能是在电力系统中应用最为广泛的一种储能技术，其主要应用领域包括调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和提供系统的备用容量，还可以提高系统中火电站和核电站的运行效率按一定容量建设，储存能量的释放时间可以按一定容量建设，储存能量的释放时间可以从几小时到几天，综合效率在从几小时到几天，综合效率在70%85%之之间间发发 展展 方方 向向机组向高水头、高转速、大容量方向发展，今后的重点将立足于对振动、空蚀、变形、止水和磁特性的研究，着眼于运

4、行的可靠性和稳定性，在水头变幅不大和供电质量要求较高的情况下使用连续调速机组，实现自动频率控制。1抽水蓄能电站抽水蓄能电站压缩空气储能电站（compressed air energy storage, CAES）是一种调峰用燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型压力 7.5 MPa 的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。原理原理 在燃气轮机发电过程中，燃料的 2/3 用于空气压缩，其燃料消耗可以减少 1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少 40%，同时可以降低投资费用、减少排放。 CAES 建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，但其能量密度低

5、，并受岩层等地形条件的限制。 地下储气站有多种模式，其中最理想的是水封恒压储气站，能保持输出恒压气体，保障燃气轮机稳定运行。CAES 储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。100 MW 级燃气轮机技术成熟，利用渠氏超导热管技术可使系统换能效率达到 90%。大容量化和复合发电化将进一步降低成本。随着分布式能量系统的发展以及减小储气库容积和提高储气压力至 1014 MPa 的需要，812 MW 微型压缩空气蓄能系统（micro-CAES）已成为人们关注的热点。应用应用发发 展展 方方 向

6、向1压缩空气蓄能电站压缩空气蓄能电站飞轮储能装置主要包括3个核心部分：飞轮、电机和电力电子装置。他将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，要求空闲运转时候损耗非常小。原理原理飞轮储能功率密度大于 5kW/kg，能量密度超过 20Wh/kg，效率在 90%以上，循环使用寿命长达 20a，工作温区-4050，无噪音、无污染、维护简单，主要用于不间断电源(UPS)/应急电源(EPS)、电网调峰和频率控制。应用应用随着对飞轮转子设计、轴承支撑系统和电能转化系统的深入研究，高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电力电

7、子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术极大地促进了储能飞轮的发展。磁浮轴承的应用、飞轮的大型化以及高速旋转化合轴承载荷密度的进一步提高，将使飞轮储能的应用更加广泛。发展发展方向方向1飞轮储能飞轮储能超导磁储能系统超导磁储能系统(SMES)超级电容器储能超级电容器储能原理原理原理原理应用应用应用应用发展发展发展发展超导磁储能系统利用超导体制成的线圈储存磁场能量，功率输送时无需能源形式的转换，具有响应速度快(ms级)，转换效率高(96%)，比容量(110 Wh/kg)/比功率(1010 kW/kg)大等优点，可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿SMES技术相对简单，没有旋转机械部件和动密

8、封问题。SMES 可以充分满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力的要求目前 15 MJ/MW 低温SMES装置已形成产品， 100MJ 装置已投入高压输电网运行， 5GWh 装置已通过可行性分析和技术论证。SMES的发展重点在于高温超导涂层导体研发适于液氮温区运行的MJ 级系统，解决高场磁体绕组力学支撑问题等根据电化学双电层理论，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。由于电荷层间距极小并采用特殊电极结构，电极表面积成万倍增加，产生极大的电容量超级电容器价格较为昂贵，在电力系统中多用

9、于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合，如大功率直流电机的启动支撑、动态电压恢复器等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平超级电容器已经历了三代发展，形成电容量 0.5 1000F、工作电压 12400V、最大放电流 400 2000A 系列产品，储能系统最大储能量达到 30MJ。基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极的第四代产品正在开发中1超导磁储能系统与超级电容器储能超导磁储能系统与超级电容器储能电力电力储能储能系统系统可利可利用的用的主要主要电池电池1各电池储能系统的基本特性各电池储能系统的基本特性部部 分分电电 池池储储 能能系系 统统性性 能能比比 较较铅酸电池铅酸电池在高

10、温下寿命缩短，与镍镉电池类似，具有较低的比能量和比功率，但价格便宜，构造成本低，可靠性好，技术成熟，已广泛用于电力系统，目前储能容量达 20MW。但其循环寿命短，且在制造过程中存在一定环境污染。镍镉等电池镍镉等电池效率高、循环寿命长，但随着充放电次数的增加容量会减少，荷电保持能力有待提高，且因存在重金属污染已被欧盟组织限用。锂离子电池锂离子电池比能量 / 比功率高、自放电小、环境友好，但由于工艺和环境温度差异等因素的影响，系统指标往往达不到单体水平，使用寿命较单体缩短数倍甚至十几倍。钠硫和液流电池钠硫和液流电池被视为新兴的、高效的且具广阔发展前景的大容量电力储能电池。1各电池储能系统比较各电池

11、储能系统比较抽水蓄能电站抽水蓄能电站压缩空气储能电站压缩空气储能电站 日、美、西欧等国家和地区在20世纪6070年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期，到目前为止，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量55%以上，其中：美国约占3%，日本超过10%；中国、韩国和泰国3个国家在建抽水蓄能电站17.53GW，加上日本的在建量达24.65GW。 近年国外投入运行的8大抽水蓄能电站： 世界上第一个商业化CAES电站为1978年在德国建造的 Huntdorf 电站，装机容量为 290 MW，换能效率 77%，运行至今，累计启动超过 7000次，主要用于热备用和平滑负荷。 在美国，M

12、cIntosh 电站装机容量为 100 MW，Norton 电站装机容量为2.7GW，用于系统调峰；2005年由 Ridge 和 EI Paso 能源公司在 Texas 开始建造 Markham 电站，容量为 540 MW。 在日本，1998年施工建设北海道三井砂川矿坑储气库，2001年 CAES 运行，输出功率 2MW。 在瑞士，ABB 公司正在开发大容量联合循环 CAES 电站，输出功率 442MW，运行时间为 8h，贮气空洞采用水封方式。 此外，俄罗斯、法国、意大利、卢森堡、以色列等国也在长期致力于 CAES 的开发。2抽水蓄能电站与压缩空气储能电站抽水蓄能电站与压缩空气储能电站 飞轮储

13、能系统的部分应用：飞轮储能系统的部分应用： SMES 的部分应用：的部分应用： 超级电容器系统的部分应用：超级电容器系统的部分应用：近年来，飞轮、超导磁和超级电容近年来，飞轮、超导磁和超级电容器储能技术在各国都得到研发应用器储能技术在各国都得到研发应用2飞轮、超导磁和超级电容器储能系统的应用飞轮、超导磁和超级电容器储能系统的应用铅酸蓄电池系统铅酸蓄电池系统钠硫电池系统钠硫电池系统 铅酸电池储能系统在发电厂、变电站充当备用电源已使用多年，并在维持电力系统安全、稳定和可靠运行方面发挥了极其重要的作用 国外大型铅酸蓄电池系统及其功能： 东京电力公司在钠硫电池系统研发方面处于国际领先地位，拥有较为成熟

14、的商业化产品，1999年在大仁变电站设置 6MW8h 系统，2004 年 7 月又在 Hitachi 自动化系统工厂安装了目前世界上最大的钠硫电池系统，容量 9.6MW/ 57.6MWh；钠硫电池系统在电力系统和负荷侧成功应用 100 余套，总容量超过 100MW，其中近 2/3 用于平滑负荷。 2004年，在美国哥伦比亚空军基地安装了 12MW/ 120MWh 钠硫电池系统，充当备用电站。2电池储能系统电池储能系统铅酸蓄电池系统与钠硫电池系统铅酸蓄电池系统与钠硫电池系统 20世纪世纪90年代初，英国年代初，英国 Innogy 公司成功开发出公司成功开发出5、20和和100kW 系列多硫化钠系

15、列多硫化钠 / 溴液流储能电堆，并于溴液流储能电堆，并于2001年和年和2002年分别在英年分别在英国和美国各建造了国和美国各建造了120MWh储能电站，用于储能电站，用于电站调峰和电站调峰和 UPS。 2001年，年，250kW/520kWh 全钒液流电池在日本投入全钒液流电池在日本投入商业运营。商业运营。 近十多年来，美国、日本、近十多年来，美国、日本、欧洲等国家相继将与风能欧洲等国家相继将与风能/光伏发电相配套的全钒液光伏发电相配套的全钒液流电池储能系统用于电站流电池储能系统用于电站调峰：调峰：2电池储能系统电池储能系统液流电池系统液流电池系统2各种电力存储技术应用的功率和放电时间各种电

16、力存储技术应用的功率和放电时间2各种电力存储技术的应用潜力各种电力存储技术的应用潜力是一种适合于大规模蓄电的电化学储能装置，蓄电基础是由正/负极活性物质氧化还原电对组成的电化学体系液流储能电池液流储能电池液相储能体系液相储能体系 液相体系的活性物质溶于正/负极电解液中，电极反应没有其他电池常有的固相及形貌改变。多硫化钠多硫化钠/溴和全钒体系溴和全钒体系电化学体系的电化学体系的改进和新体系探索改进和新体系探索 其中全钒液流电池(VRB)的正/负极电解液为不同价态钒离子的硫酸溶液，反应物的交叉污染得以缓解，且便于电解液的再生，因此发展迅速 电解液浓度不高，造成VRB能量密度较低 由于正/负极活性离

17、子的相互渗透难以完全避免，且水转移严重，为了提高能效，对已有电对的化学修饰，和对新体系的探索在不断深入沉积型储能体系沉积型储能体系锌锌/溴电池溴电池（半沉积型）（半沉积型）新型铅酸液流储能电池新型铅酸液流储能电池（全沉积型）（全沉积型）单液流锌单液流锌/镍储能电池镍储能电池（全沉积型）（全沉积型） 沉积型体系是指在充(放)电过程中至少有一个电对的充(放)电产物沉积或原本在电极上。 与液相储能体系不同，该电池容量受限于沉积锌的总量采用酸性甲基璜酸铅溶液 电解液是流动的锌酸盐碱性溶液。电池循环寿命超过千次，能效超过85%。3液流储能电池的分类液流储能电池的分类 液流储能电池中，液相体系的研究较多，

18、特别是全钒液流储能电池，已初步商业化运行。 离子交换膜仍是液相储能电池规模化、商品化的瓶颈。 因单液性、无膜或只需价廉的普通微孔隔膜等特点，沉积型体系成为液流储能电池的发展方向。钒电池全称为全钒氧化还原液流电池钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery，VRB)是一种基于金属钒元素的氧化还原可再生燃料电池储能系统钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收

19、集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。 3全钒液流储能电池的原理全钒液流储能电池的原理3全钒液流储能电池的发展历史全钒液流储能电池的发展历史商业化试运行商业化试运行实用商业化运作实用商业化运作早期研究早期研究VRB研究1984年始于澳大利亚新南威尔士大学(UNSW) Skyllas-kazacos研究小组1988年，UNSW根据单电池实验结果，提出并开始建造 1kW 级全钒液流电池堆，并1991年成功开发千瓦级电堆的开发和建造成功标志着全钒液流电池迈向工程化研发阶段1985年住友电工 (SEI) 与关西电力公司 (Kansa

20、i Electric Power Co.) 合作进行VRB的研发工作1990年日本最大的私营电力公司 Kashima-Kita 也进行了VRB研究1993年起，一些工业企业先后从UNSW获得了全钒液流电池的相关专利权，进行了进一步的开发研究1998年澳大利亚 Pinnacle VRB公司获得UNSW的全钒液流电池技术，并于次年将新的专利许可授予日本住友电工(SEI)和加拿大Vanteck公司2001年Vanteck公司控股Pinnacle VRB公司，次年更名为 VRB Power Systems全钒液流电池随 VRB Power Systems 和 SEI 的技术发展和商业运作进入实用化阶段

21、VRB 关键材料关键材料关键材料性能的好坏决定了VRB的充放电性能及循环寿命电极材料电极材料离子交换膜离子交换膜电解液电解液VRB 对电极材料的要求：对电极材料的要求： 对电池正、负极电化学反应有较高的活性，降低电极反应的火花电位 优异的导电能力，减少充放电过程中电池的欧姆极化 较好的三维立体结构，便于电解液流动，减少电池工作时输送电解液的泵耗损失 较高的化学及电化学稳定性，延长电池的使用寿命VRB 对离子交换膜的要求：对离子交换膜的要求： 高选择性 低膜电阻 足够的化学稳定性电能的载体电能的载体 电解法取代化学法，逐渐成为VRB电解液制备的主要方法 电解液稳定性研究是目前研究的主要方向金属类

22、金属类电极电极碳素复合碳素复合类电极类电极VRB主要电极材料主要电极材料3全钒液流储能电池的关键材料全钒液流储能电池的关键材料下载后下载后可直可直接删接删除阅读除阅读钒电池钒电池的优点的优点钒电池的钒电池的应用方向应用方向响应响应速度快速度快风力发电风力发电低成本低成本安全性高安全性高可瞬间可瞬间充电充电寿命长寿命长效率高效率高容量大容量大功率大功率大军用蓄电军用蓄电分布电站分布电站UPS电源电源通讯基站通讯基站交通市政交通市政电网调峰电网调峰光伏发电光伏发电3钒电池的优点与应用方向钒电池的优点与应用方向钒电池储能系统已钒电池储能系统已在美国、日本和澳大利在美国、日本和澳大利亚等多个国家得到应

23、用亚等多个国家得到应用验证，钒电池技术基本验证，钒电池技术基本成熟，进入大规模产业成熟，进入大规模产业化阶段化阶段澳大利亚澳大利亚 KingIsland 项目项目日本北海道札幌风电项目日本北海道札幌风电项目美国犹他美国犹他Castle Valley项目项目肯尼亚偏远基站项目肯尼亚偏远基站项目 该项目为2.5MW风力发电机配以 200KW-800KWh 钒电池系统，用以平缓风能发电机的短时间输出功率变化，并实施“负载转移”以保证最优化的风电与柴油机的结合性能。 该项目为32MW的风电场配以4MW钒电池系统，用以消除风力发电的功率波动性，提高风力发电机的使用效率，减少向电网供电的冲击。 该项目在电

24、力线末端配置 250KW-2MWh 钒电池储能系统，用以满足美国犹他州中南部偏远地区用电高峰时的电力需求，起到削峰填谷和平衡负荷的作用。 该项目为肯尼亚偏远通信基站配备 5KW-20KWh 钒电池配合风力发电系统为基站供电，以取代柴油发电机与铅酸电池，降低维护与运营成本。3钒电池典型应用案例钒电池典型应用案例23谢谢大家！人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。