电力储能技术介绍和比较教学提纲.ppt
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1、电力力储能技能技术介介绍和比和比较Page 2大规模储能蓄电的作用用于用于调节可再生能源可再生能源发电系系统供供电的的连续性和性和稳定性定性用于用于电网的网的“削峰填谷削峰填谷”用于用用于用电大大户的的“谷谷电”蓄蓄电 用于重要部用于重要部门和重要和重要设施的施的应急急电源及源及备用用电源源用于用于“非并网非并网”风电直接利用中的直接利用中的调节电源源 1Page 3设备类型设备类型用户类型用户类型功率等级功率等级能量等级能量等级便携式设备便携式设备-1100WWh运输工具运输工具汽车汽车25100KW100KWh火车、轻轨列车火车、轻轨列车100500KW500KWh潜艇潜艇120MW10M
2、Wh静止设备静止设备家庭家庭1KW5KWh小型工业和商业小型工业和商业设施设施10100KW25KWh配电网配电网MWMWh输电网输电网10MW10MWh发电站发电站10100MW10100MWh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物理储能能抽水蓄能抽水蓄能压缩空气空气储能能飞轮储能能电磁磁储能能电化学化学储能能相相变储能能超超导储能能超超级电容容储能能高能密度高能密度电容容储能能铅酸、酸、镍氢、镍镉、锂离子、离子、钠硫和液流等硫和液流等电池池储能能冰蓄冷冰蓄冷储能能P.S.:
3、以下主要介绍大规模电力储能技术1储能技能技术的分的分类Page 4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水上水库有无天然径流有无天然径流汇入入纯抽水抽水蓄能蓄能电站站混合抽水混合抽水蓄能蓄能电站站调水式抽水水式抽水蓄能蓄能电站站原理原理应用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按一定容量建设,储存能量的存能量的释放放时间
4、可以可以从几小从几小时到几天,到几天,综合效率在合效率在70%85%之之间发 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抽水蓄能抽水蓄能电站站Page 5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
5、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,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
6、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。应用用发 展展 方方 向向1压缩空气蓄能空气蓄能电站站Page 6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
7、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。发展展方向方向1飞轮储能能Page 7超超导磁磁储能系能系统(SMES)超超级电容器容器储能能原理原理原理原理应用用应用用发展展发展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),
8、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
9、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超超导磁磁储能系能系统与超与超级电容器容器储能能Page 8电池电
10、池种类种类单体标称单体标称电压电压/V反应式反应式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锂离子离子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、上海电力公司、上海电力公司全钒全钒液流液流1.4VRB、V-Fuel Pty、住友电工、关西电力、住友电工、关西电力、中国电力科学研究院中国电力科学研究院电力力储能能系系统可利可利用的用的主要主要电池池1各各电池池储能系能系统的基本特性的基本特性Page 9电池电池种类种类功率功率上限上限比容量比容量/(Wh/k
11、g)比功率比功率/(W/kg)循环循环寿命寿命/次次充放电充放电效率效率/%自放电自放电/(%/月月)铅酸铅酸数十数十 MW3550753005001 50008025镍镉镍镉几十几十 MW751503002 500070520锂离子锂离子几十几十 kW1502002003151 00010 00009501钠硫钠硫十几十几 MW150240902302 500090-全钒液流全钒液流数百数百 kW801305014013 000080-部部 分分电 池池储 能能系系 统性性 能能比比 较铅酸酸电池池在高温下寿命缩短,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,
12、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。镍镉等等电池池效率高、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。锂离子离子电池池比能量/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。钠硫和液流硫和液流电池池被视为新兴的、高效的且具广阔发展前景的大容量电力储能电池。1各各电池池储能系能系统比比较Page 10抽水蓄能抽水蓄能电站站压缩空气空气储能能电站站日、美、西欧等国家和地区在20世纪6070年
13、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,McIntosh 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 Rid
14、ge 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。电站电站国家国家装机容量装机容量/MW投入年份投入年份落基山落基山美国美国7601995锡亚比舍锡亚比舍伊朗伊朗1 0001996奥清津奥清津 日本日本6001996葛野川葛野川日本日本1 600
15、1999拉姆它昆拉姆它昆泰国泰国1 0002000金谷金谷德国德国1 0602003神流川神流川日本日本2 8202005小丸川小丸川日本日本1 20020072抽水蓄能抽水蓄能电站与站与压缩空气空气储能能电站站Page 11研发机构研发机构基本参数基本参数技技术特点特点应用应用西门子公司西门子公司储量储量 21 MJ/5.7Wh,最大功率最大功率 1MW4800支支2600F/2.5V电容电容器组成,储效器组成,储效95%地铁地铁配电配电美国美国 TVA 电力电力公司公司200kW用于大功率直流电机用于大功率直流电机启动启动支撑支撑飞轮储能系能系统的部分的部分应用:用:研发机构研发机构基本参
16、数基本参数技技术特点特点作用作用日本四个综合日本四个综合研究所研究所8MWh,储能放,储能放电各电各4h,待机,待机16h高温超导磁浮立时轴承,高温超导磁浮立时轴承,储效储效84%平滑平滑负荷负荷日本原子力研日本原子力研究所究所215 MW/8 GJ输出电压输出电压18kV,输出电输出电流流6896A,储效,储效85%UPS美国美国Vista公司公司277kWh引入风力发电系统引入风力发电系统全程全程调峰调峰美国马里兰大美国马里兰大学学(1991)24kWh,1161046345 rad/min电磁悬浮轴承,输出恒电磁悬浮轴承,输出恒压压 110V/240V,储效,储效81%电力电力调峰调峰美
17、国波音公司美国波音公司100 kW/5 kWh高温超导磁浮轴承高温超导磁浮轴承电力电力调峰调峰德国德国(1996)5MW/100MWh,22504500 rad/min超导磁浮轴承,超导磁浮轴承,储效储效96%储能储能电站电站欧洲欧洲 Urenc Power 公司公司(2001)转速转速 42 000 rad/min高强度碳纤维和玻璃纤高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料维复合材料UPS巴西巴西(2004)额定转速额定转速 3000 rad/min超导与永磁悬浮轴承超导与永磁悬浮轴承电压电压补偿补偿SMES 的部分的部分应用:用:超超级电容器系容器系统的部分的部分应用:用:年份年份应用地应用地基本参
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