2014课程学习资料6

第六章可用于光伏发电的储能系统储能设备是现代电力系统中的重要组成部分，对常规电网来说，储能系统具有调峰填谷，提供备用容量，保障电网安全稳定运行；调频和调压，改善电能质量；提高发电、输配用电设备利用率；降低发电企业和电网运行成本；抑制系统低频振荡等重要作用，是提高电网供电安全性和可靠性，降低发电用电成本的有效手段之一。对于加入新能源发电方式的智能电网系统，除了上述作用，储能系统还很大程度上决定了新能源方式能否安全可靠、高效率的接入电网系统，特别是针对光伏发电这种可集中可分散、可独立可并网的波动大但发电时间范围确定的发电方式，储能系统的完善对其推广应用有非常大的影响。新能源日趋成熟，电池蓄能技术成瓶颈这句话甚至作为专题被业界内外所知。储能系统在太阳能发电系统中的作用主要有两个方面。首先对需要并入电网的光伏发电系统，储能系统可以降低光伏发电剧烈波动带来的危险，提高利用率，提高稳定性，预防停电等。对于独立使用的光伏系统，储能设备最大的作用是储存能量，供应无光或弱光等时间段的电力需求，保证太阳能电池的工作电压稳定，工作在最佳工作点，提高光伏发电利用率，还有提供启动电流，例如冰箱、空调等额定电流的5~10倍时的瞬间电力需求。本章主要介绍几种可用于光伏发电系统的储能方式，重点在于各类电化学储能设备，例如铅酸电池、全钒电池等。第一节储能系统的分类及特点电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能以及物体内能等多种形态储存。储能系统根据其具体方式可以分为物理储能、电磁储能、电化学储能以及相变储能四大类型。其中物理储能包括抽水蓄能、弹性储能、液压储能、飞轮储能和压缩空气储能等；电磁储能主要是超导储能；化学储能主要包括各类蓄电池，例如铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等，超级电容器中利用单纯的物理极化原理的，可归于物理储能中的电磁储能，也有部分超级电容器利用了氧化还原的原理，因此也可以把它归类于电化学储能，也可以归类到电磁储能；相变储能包括冰蓄冷储能、热储能等。其中适合于大规模储能的有液流储能技术、钠硫储能技术、抽水储能技术和压缩空气储能技术等，其他储能技术都有其最佳使用范围，下表6-1总结了各储能技术的大致应用领域和特点。其中下划线的技术在光伏发电中应用较多或较期待。能量密度（Energydensity）是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。储能系统的储能密度一般指电池的平均单位体积或质量所能释放出的电能，单位是Wh/kg或Wh/L。1Wh等于3600焦耳（J)的能量，以质量为标准时的储能密度又称为比能量。功率密度指储能系统所能输出的最大功率和系统总体积或质量之比，单位W/kg或W/L，功率密度（W/kg)也称为比功率，表示了单位重量的储能系统在放电时可以以何种速率进行能量输出。第二节物理储能一、飞轮储能系统飞轮储能技术是被期待用于光伏系统的当前研究较为成熟的技术之一。飞轮储能(FESS)是一种机械储能方式，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。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，下图6-1是飞轮储能装置的结构示意图。飞轮是整个电池装置的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，飞轮的能量可以用公式E=jω2表示，式中j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关；ω为飞轮的旋转角速度。电力电子变换器通常是由MOSFET和IGBT组成的双向逆变器，它们决定了飞轮装置能量输入输出量的大小图6-1飞轮结构示意图在实际工作中，飞轮的转速可达40000～50000r/min，最高可达200000r/min，飞轮的关键技术是要尽可能降低空闲运转时候的损耗。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促进了储能飞轮的发展。目前飞轮储能的研究主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降低损耗的主要方法，而高强度的复合材料能够提高储能密度，降低系统体积和重量。研究表明，飞轮储能的功率密度大于5kW／kg，与超级电容相当，是锂电池功率密度的5到10倍。能量密度超过20wh／kg，储能效率大于90％，循环使用寿命长达25年，工作温区为一40～50℃，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作。若通过积术式组合后，飞轮储能可以达到MW级，输出持续时间为数分钟乃至数小时。作为一种纯机电的储能系统,由于其具有比能量大、比功率高、无二次污染、寿命长等优点,在短时间内得到了很快发展。不过，飞轮储能的劣势也很明显：目前产品化的飞轮能量密度不够高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。即飞轮只有在迅速用掉的情况下才有如此高的效率。如果自放电的话，效率大大降低。因此，飞轮储能最适合高功率、短时间放电或频繁充放电的储能需求，在光伏发电上的应用也受到一些限制。我国最大的光伏企业英利集团近年来大力投资研究了飞轮储能技术，英利集团希望提出“大容量飞轮储能”系统项目，目前，英利研发的“20kWh储能飞轮”是国内单体储能量最大的飞轮，根据现场的实际需要将若干个储能飞轮单体整合后一同使用，理论上总储能容量可无限大。该项目将应用于我国太阳能光伏发电系统并网控制、负荷调度技术领域，有效解决风电、太阳能电站并网难问题；延长新能源电站有效发电时间；可使新能源电站具备一定的调峰能力，提高电网的稳定性和可调度性，并且在特定应用场合下可替代铅酸蓄电池。二、抽水蓄能图6-2抽水储能是在电力系统中应用最为广泛的一种储能技术，是目前电力系统最可靠、最经济、寿命周期最长、容量最大的储能装置。抽水蓄能电站配备上、下游两个水库，利用电力负荷低谷时的电能，或利用太阳能发电的多余电能将下（游）水库的水抽至上水库保存，抽水储能设备工作在电动机状态，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站，利用储存在上游水库中的水发电，抽水储能设备工作于发电机的状态，又称蓄能式水电站。抽水蓄能电站投资较低，单位千瓦造价3000-5000元；使用寿命长，机组使用寿命25年，水工建筑物使用寿命达百年以上；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70%~85%之间，能量转换效率稳定，不存在衰减问题。抽水蓄能是目前电力系统中当之无愧的最成熟、最实用的大规模储能方式。唯一的缺点是受地形和水资源条件限制。抽水蓄能电站可以单独设立，如果上水库有河流汇入，也可以同现有水力发电站结合使用，日、美、西欧等国家和地区在20世纪60~70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。抽水蓄能同光伏发电是配合非常好的一种组合，美国德克萨斯大学最新公布的一份研究报告显示，鉴于日本抽水蓄能电站数量庞大，东京抽水蓄能电站产能为7.28GW，而合适的屋顶面积为300平方公里，能够支持43.1GW的光伏产能，二者相结合，东京可以将太阳能电力作为“基荷”电力，替代部分核电。我国抽水蓄能电站的建设起步较晚，但由于后发效应，起点却较高，近年建设的几座大型抽水蓄能电站技术已处于世界先进水平。结合现有水电站，特别是小水电站铺设光伏发电设备，是我国近年来发展光伏的一种重要方式。三、压缩空气蓄能压缩空气蓄能（compressedairenergystorage,CAES）是目前大规模的储能装置除抽水蓄能外的第二种能够实现大容量和长时间电能存储的储能技术。充电时，利用太阳能和风能发电等剩余电力通过发动机把空气压缩并储存在一个大罐中（典型压力7.5MPa的高压密封设施），甚至是密闭大容量地下洞穴等，将电能转化成可储存的压缩空气的气压势能。当系统发电量不足时，高压空气从储气室释放，进入燃烧室同燃料一起燃烧后，驱动燃气轮机发电。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，压缩空气储能系统具有储能容量大、储能周期长、效率高和投资相对较小等优点，建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，同时压缩空气时产生的热量也可以循环利用，效率在70%以上。全球大规模储能系统中，压缩空气储能所占比例今年来急速上升，规模也逐渐扩大，德国一座压缩空气储能电站的规模已达到290兆瓦。我国压缩空气储能发展较晚，尚没有应用实例。但国家电网已就在张北地区建设10兆瓦的压缩空气储能电站达成了意向（8000万~9000万人民币预计），建成后可实现风光储协同控制。压缩空气储能的不足在于能量密度偏低，并受岩层等地形条件的限制。随着分布式能量系统的发展，提出了减小储气库容积和提高储气压力至10~14MPa的需要，除了大规模储能，8~12MW微型压缩空气蓄能系统（micro-CAES）已成为人们关注的热点。据报道，目前提出了一种新的水循环冷却压缩空气储能方法，使用时间可以达到10年以上。该方法使用一个大小为标准集装箱的存储罐，再加上一个汽车车厢大小的系统单元，就可以存储相当于兆瓦级风力涡轮机3小时产生的电能。下图6-3是一个压缩空气储能系统的结构示意图。图6-3压缩空气储能系统的结构示意图上述三种储能方式都属于物理储能中的机械储能方式，此外，还有电磁储能的超导储能系统，相变储能的冰蓄冷和中高温蓄热储能等方式。但超导储能放电时间非常短，甚至只有数秒，相变储能一般更适应于太阳能热发电，即直接储存太阳热能，对光伏发电方面的应用还较少，这里就不再介绍了。第二节化学储能化学储能主要是指蓄电池储能技术，也包括少数利用了氧化还原原理的超级电容器。蓄电池由于可以多次使用也被称为二次电池。目前具有代表性的，技术比较成熟的蓄电池技术主要有：铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、钠硫电池、液流电池（包括锌溴电池、钒电池）等。其中铅酸电池历史最长技术成熟成本低，但受能量密度低、使用寿命少以及环境污染等负面影响，其利用前景遭到一定质疑。镍镉电池同样有毒因此被镍氢电池取代，锂电池的缺点是容量较小且安全性不能得到保障，钠硫电池容量大，能量密度高，效率高且环保，循环使用寿命长，但需要使用在高温状态，液流电池具有容量大、效率高、循环寿命长等优点，其中的全钒电池被认为是最适用于大规模光伏储能的电池之一，目前正处于开发热点中，后面会分别对各类电池做一个较为详细的介绍，主要包括铅酸电池、锂电池和液流电池，都是光伏储能的重点探讨对象。一、常用蓄电池术语及概念1、容量电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。电池的容量可以分为理论容量、实际容量和额定容量。理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量，即在设计规定的条件（如温度放电率终止电压等）下，电池应能放出的最低容量，单位为安培小时Ah。正常情况下，三者的关系是：理论容量〉实际容量〉额定容量。2、比能量or比功率：单位重量或单位体积的能量or功率（能量密度or功率密度）3、开路电压(OpencircuitvoltageOCV)电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池在断路时（即没有电流通过两极时）电池的正极电极电势与负极的电极电势之差。它只与电极活性物质的种类有关，而与活性物质的数量、电池结构等无关，一般可近似认为电池的开路电压就是电池的电动势，即两个电极的平衡电极电位之差。4、额定电压：电池在常温下的典型工作电压，又称标称电压。它是选用不同种类电池时的参考。5、标称电压是表示或识别一种电池的适当的电压近似值，也称为额定电压，可用来鉴别电池类型。例如铅酸蓄电池的开路电压接近2.1V，标称电压为2.0V。锌锰干电池标称