电力能源转换与储存技术(2)电力能源的储存技术

蒋心泽,董晓文,张 宇,王佳斌

(上海市电力公司技术与发展中心,上海 200025)

受发电设备固有惯性和运行经济性限制,传统电力供应(水电、火电、核电)自身具有大规模、连续性、同时性等特点;而用电负荷具有随机性和间断性,造成了二者间的矛盾,特别是随着风电、光伏发电的大规模开发和利用,供电和用电的矛盾将进一步加剧。虽然这种矛盾可以通过加强电源和电网建设进行解决,但是这将导致发电、输电和变电设备的利用效率大大降低,并严重影响一次能源利用的效率和电厂运行的经济性。充分利用电力储能技术,可以提高一次能源和输变电设备的利用效率,而大容量的电力储能技术,一直是电力和电气行业长期以来深入研究和要解决的难题之一。电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态加以存储,按照其存储方式可分为:物理储能、电磁储能、化学储能等。在这些储能技术中,抽水蓄能和压缩空气储能适用于电网调峰;电池储能适用于中小规模储能和用户需求侧管理;超导电磁储能和飞轮储能适用于电网调频和电能质量保障;超级电容器储能适用于电动汽车储能和混合储能。另外,相变蓄热技术在空调中的应用,对于电网调峰也有很大作用。

1 物理储能技术

物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等。

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能利用水的势能进行储能,是目前比较成熟的一种大规模集中式储能手段。抽水蓄能系统需要上下两个水库和抽水蓄能机组,其中抽水蓄能机组兼具发电机和电动机两种功能。当用电负荷处于低谷时,抽水蓄能机组以电动机带动水泵的方式运行,把下水库的水通过管道抽到上水库,将电能转化成水的势能储存起来;当用电负荷出现高峰时,抽水蓄能机组以发电机的方式运行,将上水库的水通过管道放下来推动水轮机,带动发电机发电供用户使用。

截止2008年年底,我国9个省、区、市已建11座抽水蓄能电站,装机容量约为5.7 GW(其中0.6 GW供香港地区),占全国装机容量的1.8%。已建和“十一五”期间在建的抽水蓄能电站,待全部电站投运后,除湖北、拉萨外,可调峰的水电(包括抽水蓄能电站在内)占电网总容量3%～7%。

1.2 压缩空气储能

压缩空气储能系统的运行方式,分为充气压缩循环和排气膨胀循环两种。当夜间低谷负荷时,采用充气压缩循环运行方式,利用多余的电力驱动压缩机,将高压空气压入地下储气洞里;当白天高峰负荷时,采用排气膨胀循环运行方式,储存的压缩空气经过热交换器预热后进入燃烧室补燃,膨胀后驱动燃气发电机组发电,见图1。

图1 压缩空气储能原理

德国在1978年建成了世界上第1个压缩空气储能电站,压缩机的功率约为60 MW,发电时采用天然气为补燃燃料,输出功率为2.9 GW;储能电站的压缩时间与发电时间之比为4∶1(即压缩机每4 h的压缩空气量可供1 h发电用),1次储能可连续发电2 h。在1979—1991年间,机组共启动了5000多次,可靠率高达97.6%,储存效率略高于抽水蓄能。

建设压缩空气储能系统需要巨大的地下储气洞,因此受到地理条件的限制;压缩空气储能系统的运行还需配以天然气或油等燃料,因此储能系统和技术复杂,虽然德国、美国、日本和以色列都已建成示范性电站,但发展不快。

1.3 飞轮储能

现代的飞轮储能系统,大多由1个圆柱形旋转质量块和通过磁悬浮轴承构成的支撑机构组成。采用磁悬浮轴承可以消除摩擦损耗,提高系统的运行效率和使用寿命。为了减少风阻损耗和提高储能效率,飞轮系统通常运行于真空度较高的环境中。飞轮与电动机/发电机组相连,通过电力电子装置调节飞轮转速,实现储能装置与电网之间的功率交换,参见图2。

图2 飞轮构造

飞轮储能具有负荷跟踪性能、设备寿命长、维护少,对环境几乎没有影响,适用于介于短时储能和长时储能之间的应用场合。采用飞轮储能装置可以输出功率为兆瓦级、持续时间为数分钟或者数小时的电能。目前,大功率飞轮储能系统已经成功地应用于航空以及UPS领域。

2 电磁储能技术

电磁储能包括超导线圈和超级电容器等。

2.1 超导线圈

超导储能(SMES)采用超导体材料制成线圈,利用电流流过线圈产生的电磁场来储存电能,参见图3。由于超导线圈的电阻为零,电能储存在线圈中几乎无损耗,储能效率高达95%。超导储能装置结构简单;没有旋转机械部件和动密封问题,因此设备寿命较长;储能密度高,可做成较大功率的系统;响应速度快(1～100 ms),调节电压和频率快速且容易。不过,目前的超导材料,特别是高温超导材料的技术还不成熟,关键技术还有待于突破。

图3 超导储能器的一次系统

2.2 超级电容器

电容储能用电荷的方式将电能直接储存在电容器的极板上,充放电快,能量密度高。由于一般的电容器的容量比较小,作为储能器件以前只能用于间断性的高压脉冲电源。超级电容器是一种双电层电容器,采用极高的介电常数的电介质,而且两电荷层的距离非常小(0.5 mm以下);采用特殊的电极结构,电极表面积成万倍的增加,因此可以用较小体积制成大容量电容器,电容器的容量从微法拉级向法拉级飞跃,储能大幅度增强,最大放电量400～2000 A。超级电容器系列产品在能源领域具有广泛的应用前景,目前超级电容器主要用于改善电能质量,或者与其他储能装置联合使用(如和蓄电池联合使用用于电动汽车)。超级电容器的电介质耐压很低,一般仅有几伏,在实际使用中必须将多个电容器串联使用,这就要求增加充放电的控制回路,使每个电容器都工作在最佳工况下。

3 电化学储能技术

化学储能包括铅酸电池、钠硫电池、液流电池和锂离子电池等。

3.1 铅酸电池

铅酸蓄电池采用二氧化铅和海绵状金属铅作为为正、负极将硫酸溶液作为电解质,结构紧凑、密封良好、抗震动,电池寿命较长,制造及维护成本低,而且电池失效后的回收利用技术比较成熟,回收利用率高。

铅酸蓄电池的比容量比较高,可以长期在浮充状态下使用,无“记忆效应”(浅循环工作时容量损失),在25℃下的每月自放电率小于2%,大电流性能和高低温性能较好(可在-40～50℃内使用)。铅酸蓄电池已有140多年的应用历史,特别是近几十年来,随着电池性能的改进和成本的降低,铅酸电池的应用稳居各种化学电源的首位。目前,作为车用辅助电源、电动车用电源、不间断电源、军用电源、电力系统负荷均衡的储能电源等,在各个行业得到了广泛的应用。

3.2 钠硫电池

钠硫电池是一种新型的化学电池,这种电池用钠材料作为阳极,用硫材料作为阴极,用Beta-氧化铝陶瓷作为电解质,同时在电池结构中起到隔膜的作用(参见图4)。

图4 钠硫电池原理

钠硫电池的比能量较高,理论上的比能量为0.76 kWh/kg,实际应用中比能量已经大于0.1 kWh/kg,是普通铅酸电池的3～4倍;可大电流、高功率放电,放电电流密度目前可以达到200～300mA/cm2。钠硫电池采用固体电解质,没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电现象,充放电效率高。钠硫电池的原材料资源丰富,能量密度和转换效率高,既可以用于功率型储能又可以用于能量型储能。

我国是世界上第2个掌握钠硫核心技术的国家,中科院上海硅酸盐研究所和上海市电力公司合作开展的大容量钠硫储能电池项目,已完成了2MW中试,建设在上海嘉定区白银站的100 kW/ 800 kWh钠硫电池储能示范项目也已成功运行。

目前,钠硫电池还存在一些不足。例如钠硫电池要在350℃熔解硫和钠时运行,必须配置1套附加供热设备来维持温度;钠硫电池的正、负极活性物具有强腐蚀性,对电池材料、电池结构及运行条件的要求十分苛刻,今后的发展目标和任务是继续降低成本、提高电池系统的安全性。

3.3 液流电池

液流电池(Flow Redox Battery)或称氧化还原液流电池,是一种采用液态正负极活性物作为氧化还原电对的电池。典型的液流电池,如全钒液流电池,其工作原理参见图5。

图5 全钒液流电池的工作原理

液流电池的输出功率取决于电池堆的大小,储能容量取决于电解液的量和浓度。由于液流电池的活性物存在于液体中,故充放电时不会发生其他电池常有的固相变化及形貌的改变,电池可超深度放电(100%)。目前,液流电池部件多为廉价的碳材料和工程塑料,使用寿命长、材料来源丰富、加工技术成熟,电池报废后易于回收处理。

3.4 锂离子电池

锂离子电池的储能密度高、储能效率高和循环寿命长,近年来成本不断降低,应用越来越广。目前锂离子电池除了大量用于移动设备的电源外,也开始应用于电力系统。从2009年开始,美国电科院(EPRI)开展了2 kW/4 kWh,50 kW/ 200 kWh和100 kW/400 kWh级锂离子电池用于分布式储能的研究和开发,以及兆瓦级锂离子电池储能系统用于电力系统频率、电压控制以及平滑风电等示范应用,取得很大成果。

我国是锂离子电池生产大国,目前十分注重锂离子电池储能在电力系统应用技术的研究与开发。2009年7月,我国第1座兆瓦级LiFePO4锂离子电池储能电站在深圳投运,用于平抑峰值负荷以及光伏电站的稳定输出;2008年,中国电力科学研究院建立电池特性实验室,重点围绕锂离子电池组成技术、锂离子电池系统的实验与测试技术、锂离子电池储能系统集成技术、锂离子电池储能系统的应用和接入条件开展相关研究工作。

4 无机盐相变储能技术

相变储能是一种利用材料在相变是吸收热或放出热来储能或释能的蓄能方式,相变材料可以是有机的也可以是无机的,近年来对无机盐高温相变储能的研究越来越广泛和深入,许多研究人员对大量潜在的无机盐高温相变储能材料的热物性及其测量进行了研究,同时对无机盐高温相变材料的封装和无机盐高温相变复合材料也进行了有意义的探索。

4.1 固-液型无机盐高温相变储能材料

目前,固-液无机盐高温相变材料主要为高温熔融盐和碱性混合盐。其中高温熔融盐主要有氟化物、氯化物、硝酸盐、硫酸盐等,相变温度从几百摄氏度到几千摄氏度,相变潜热较大,例如 LiH相对分子质量小而熔化热大(2840 J/g),不过此类盐价格昂贵、对设备要求高,一般只用于航天航空等特殊场合。碱性混合盐相变材料中的碱类化合物比热容高、熔化热大、稳定性好,而且高温下蒸气压力很低,价格也很便宜,因此是一种较好的中高温储能物质,例如NaOH在287℃和318℃均有相变,比潜热达330 J/g,在美国和日本已试用于采暖和制冷方面。固-液无机盐高温相变材料中的混合盐类化合物熔化热大、熔化时体积变化小、传热较好,特别是可以根据需要把不同的盐配制成相变温度从几百摄氏度至上千摄氏度的储能材料,熔融温度可调有利于应用领域的开拓。

4.2 固-固型无机盐高温相变储能材料

无机盐高温相变储能材料已研究过的有NH 4 SCN和KHF2等物质。其中KHF2的熔化温度为196℃,熔化热为142 kJ/kg;NH4SCN从室温加热到150℃发生相变时,没有液相生成,而且相变热较大、相变温度范围宽、过冷程度轻、稳定性好、不腐蚀,是一种很有发展前途的储能材料。

4.3 复合型无机盐高温相变储能材料

复合型高温相变储能材采用多种无机物相变储能材料组合而成,可以有效克服单一的无机物相变储能材料存在的缺点,完善材料的应用效果拓展应用范围,目前已成为储能材料领域的热点研究课题之一。目前已研究的无机盐高温复合相变材料主要有金属基/无机盐相变复合材料、无机盐/陶瓷基相变复合材料和多孔石墨基/无机盐相变复合材料。其中金属基/无机盐相变复合材料中的金属基主要包括铝基(泡沫铝)和镍基等,储能材料主要有各类熔融盐和碱。无机盐/陶瓷基相变复合材料由多微孔陶瓷基体和分布在基本微孔网络中的相变材料(无机盐)复合而成,毛细管张力作用可以使无机盐熔化后保存在微孔内,在蓄热过程中可以同时利用陶瓷基材料的显热和无机盐的相变潜热,蓄热温度随复合的无机盐种类可以在为450～1100℃范围变化。无机盐/陶瓷机复合储能材料的概念是20世纪80年代末提出的,以后成为高温储能材料的研究方向之一,目前研究的有Na2 CO3-BaCO3/M gO,Na2 SO4/SiO2和NaNO3-NaNO2/M gO三种。其中,Na2 SO4/SiO2的相变潜热和比热容最大,相变温度也比另两种高得多,因此使用范围更加广。多孔石墨基/无机盐相变复合材料利用天然矿物本身具有孔洞结构的特点,经过特殊的工艺处理与相变材料复合。如膨胀石墨层间可以浸渍或挤压迷熔融盐等相变材料。

5 结语

21世纪的电力系统以绿色、高效、灵活和可靠作为建设目标,电能储存技术是实现这一目标的重要措施之一,在提高电能质量和供电可靠性方面可发挥重要的作用。电能储存技术的削峰填谷能力,是发电能力不稳定的风能、太阳能等可再生能源大规模并网的技术前提。应用电能储存技术实现调峰,可以减少在尖峰负荷时使用石油天然气调峰发电等昂贵资源的消耗,提高电力系统的经济性,同时最大限度地节约能源和保护环境。

安装于电网合适位置的电能储存装置,可以在事故起始阶段迅速对因送电通道破坏或其他原因造成的电力不平衡加以补偿,避免或者延缓故障的发生,为电网赢得宝贵的电力调度时间,可以留出时间采取必要的措施防止系统崩溃,避免或者减少电网事故带来的各种损失。

储能技术的发展是完善目前电力系统的需要,特别是发展可再生能源发电的需要,促进电力储能技术的进步、提高储能技术的经济性,是今后世界各国电力建设的重要课题之一。发展储能技术对于我国的电力事业来说,既是一种挑战,也是一种机遇。我国政府非常关注储能技术的发展,各种储能技术发展很快,许多成果处在世界领先水平,我国的储能技术有望走在世界的前列。