電力能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存技術(shù)(2)電力能源的儲(chǔ)存技術(shù)

蔣心澤,董曉文,張 宇,王佳斌

(上海市電力公司技術(shù)與發(fā)展中心,上海 200025)

受發(fā)電設(shè)備固有慣性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性限制,傳統(tǒng)電力供應(yīng)(水電、火電、核電)自身具有大規(guī)模、連續(xù)性、同時(shí)性等特點(diǎn);而用電負(fù)荷具有隨機(jī)性和間斷性,造成了二者間的矛盾,特別是隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用,供電和用電的矛盾將進(jìn)一步加劇。雖然這種矛盾可以通過(guò)加強(qiáng)電源和電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)行解決,但是這將導(dǎo)致發(fā)電、輸電和變電設(shè)備的利用效率大大降低,并嚴(yán)重影響一次能源利用的效率和電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。充分利用電力儲(chǔ)能技術(shù),可以提高一次能源和輸變電設(shè)備的利用效率,而大容量的電力儲(chǔ)能技術(shù),一直是電力和電氣行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)深入研究和要解決的難題之一。電能可以轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢(shì)能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)加以存儲(chǔ),按照其存儲(chǔ)方式可分為:物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能等。在這些儲(chǔ)能技術(shù)中,抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能適用于電網(wǎng)調(diào)峰;電池儲(chǔ)能適用于中小規(guī)模儲(chǔ)能和用戶需求側(cè)管理;超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障;超級(jí)電容器儲(chǔ)能適用于電動(dòng)汽車儲(chǔ)能和混合儲(chǔ)能。另外,相變蓄熱技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用,對(duì)于電網(wǎng)調(diào)峰也有很大作用。

1 物理儲(chǔ)能技術(shù)

物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等。

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能利用水的勢(shì)能進(jìn)行儲(chǔ)能,是目前比較成熟的一種大規(guī)模集中式儲(chǔ)能手段。抽水蓄能系統(tǒng)需要上下兩個(gè)水庫(kù)和抽水蓄能機(jī)組,其中抽水蓄能機(jī)組兼具發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種功能。當(dāng)用電負(fù)荷處于低谷時(shí),抽水蓄能機(jī)組以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵的方式運(yùn)行,把下水庫(kù)的水通過(guò)管道抽到上水庫(kù),將電能轉(zhuǎn)化成水的勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái);當(dāng)用電負(fù)荷出現(xiàn)高峰時(shí),抽水蓄能機(jī)組以發(fā)電機(jī)的方式運(yùn)行,將上水庫(kù)的水通過(guò)管道放下來(lái)推動(dòng)水輪機(jī),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電供用戶使用。

截止2008年年底,我國(guó)9個(gè)省、區(qū)、市已建11座抽水蓄能電站,裝機(jī)容量約為5.7 GW(其中0.6 GW供香港地區(qū)),占全國(guó)裝機(jī)容量的1.8%。已建和“十一五”期間在建的抽水蓄能電站,待全部電站投運(yùn)后,除湖北、拉薩外,可調(diào)峰的水電(包括抽水蓄能電站在內(nèi))占電網(wǎng)總?cè)萘?%～7%。

1.2 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行方式,分為充氣壓縮循環(huán)和排氣膨脹循環(huán)兩種。當(dāng)夜間低谷負(fù)荷時(shí),采用充氣壓縮循環(huán)運(yùn)行方式,利用多余的電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),將高壓空氣壓入地下儲(chǔ)氣洞里;當(dāng)白天高峰負(fù)荷時(shí),采用排氣膨脹循環(huán)運(yùn)行方式,儲(chǔ)存的壓縮空氣經(jīng)過(guò)熱交換器預(yù)熱后進(jìn)入燃燒室補(bǔ)燃,膨脹后驅(qū)動(dòng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電,見(jiàn)圖1。

圖1 壓縮空氣儲(chǔ)能原理

德國(guó)在1978年建成了世界上第1個(gè)壓縮空氣儲(chǔ)能電站,壓縮機(jī)的功率約為60 MW,發(fā)電時(shí)采用天然氣為補(bǔ)燃燃料,輸出功率為2.9 GW;儲(chǔ)能電站的壓縮時(shí)間與發(fā)電時(shí)間之比為4∶1(即壓縮機(jī)每4 h的壓縮空氣量可供1 h發(fā)電用),1次儲(chǔ)能可連續(xù)發(fā)電2 h。在1979—1991年間,機(jī)組共啟動(dòng)了5000多次,可靠率高達(dá)97.6%,儲(chǔ)存效率略高于抽水蓄能。

建設(shè)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)需要巨大的地下儲(chǔ)氣洞,因此受到地理?xiàng)l件的限制;壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行還需配以天然氣或油等燃料,因此儲(chǔ)能系統(tǒng)和技術(shù)復(fù)雜,雖然德國(guó)、美國(guó)、日本和以色列都已建成示范性電站,但發(fā)展不快。

1.3 飛輪儲(chǔ)能

現(xiàn)代的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng),大多由1個(gè)圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過(guò)磁懸浮軸承構(gòu)成的支撐機(jī)構(gòu)組成。采用磁懸浮軸承可以消除摩擦損耗,提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和使用壽命。為了減少風(fēng)阻損耗和提高儲(chǔ)能效率,飛輪系統(tǒng)通常運(yùn)行于真空度較高的環(huán)境中。飛輪與電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組相連,通過(guò)電力電子裝置調(diào)節(jié)飛輪轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置與電網(wǎng)之間的功率交換,參見(jiàn)圖2。

圖2 飛輪構(gòu)造

飛輪儲(chǔ)能具有負(fù)荷跟蹤性能、設(shè)備壽命長(zhǎng)、維護(hù)少,對(duì)環(huán)境幾乎沒(méi)有影響,適用于介于短時(shí)儲(chǔ)能和長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能之間的應(yīng)用場(chǎng)合。采用飛輪儲(chǔ)能裝置可以輸出功率為兆瓦級(jí)、持續(xù)時(shí)間為數(shù)分鐘或者數(shù)小時(shí)的電能。目前,大功率飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于航空以及UPS領(lǐng)域。

2 電磁儲(chǔ)能技術(shù)

電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)線圈和超級(jí)電容器等。

2.1 超導(dǎo)線圈

超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)采用超導(dǎo)體材料制成線圈,利用電流流過(guò)線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)來(lái)儲(chǔ)存電能,參見(jiàn)圖3。由于超導(dǎo)線圈的電阻為零,電能儲(chǔ)存在線圈中幾乎無(wú)損耗,儲(chǔ)能效率高達(dá)95%。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;沒(méi)有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件和動(dòng)密封問(wèn)題,因此設(shè)備壽命較長(zhǎng);儲(chǔ)能密度高,可做成較大功率的系統(tǒng);響應(yīng)速度快(1～100 ms),調(diào)節(jié)電壓和頻率快速且容易。不過(guò),目前的超導(dǎo)材料,特別是高溫超導(dǎo)材料的技術(shù)還不成熟,關(guān)鍵技術(shù)還有待于突破。

圖3 超導(dǎo)儲(chǔ)能器的一次系統(tǒng)

2.2 超級(jí)電容器

電容儲(chǔ)能用電荷的方式將電能直接儲(chǔ)存在電容器的極板上,充放電快,能量密度高。由于一般的電容器的容量比較小,作為儲(chǔ)能器件以前只能用于間斷性的高壓脈沖電源。超級(jí)電容器是一種雙電層電容器,采用極高的介電常數(shù)的電介質(zhì),而且兩電荷層的距離非常小(0.5 mm以下);采用特殊的電極結(jié)構(gòu),電極表面積成萬(wàn)倍的增加,因此可以用較小體積制成大容量電容器,電容器的容量從微法拉級(jí)向法拉級(jí)飛躍,儲(chǔ)能大幅度增強(qiáng),最大放電量400～2000 A。超級(jí)電容器系列產(chǎn)品在能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,目前超級(jí)電容器主要用于改善電能質(zhì)量,或者與其他儲(chǔ)能裝置聯(lián)合使用(如和蓄電池聯(lián)合使用用于電動(dòng)汽車)。超級(jí)電容器的電介質(zhì)耐壓很低,一般僅有幾伏,在實(shí)際使用中必須將多個(gè)電容器串聯(lián)使用,這就要求增加充放電的控制回路,使每個(gè)電容器都工作在最佳工況下。

3 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

化學(xué)儲(chǔ)能包括鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池等。

3.1 鉛酸電池

鉛酸蓄電池采用二氧化鉛和海綿狀金屬鉛作為為正、負(fù)極將硫酸溶液作為電解質(zhì),結(jié)構(gòu)緊湊、密封良好、抗震動(dòng),電池壽命較長(zhǎng),制造及維護(hù)成本低,而且電池失效后的回收利用技術(shù)比較成熟,回收利用率高。

鉛酸蓄電池的比容量比較高,可以長(zhǎng)期在浮充狀態(tài)下使用,無(wú)“記憶效應(yīng)”(淺循環(huán)工作時(shí)容量損失),在25℃下的每月自放電率小于2%,大電流性能和高低溫性能較好(可在-40～50℃內(nèi)使用)。鉛酸蓄電池已有140多年的應(yīng)用歷史,特別是近幾十年來(lái),隨著電池性能的改進(jìn)和成本的降低,鉛酸電池的應(yīng)用穩(wěn)居各種化學(xué)電源的首位。目前,作為車用輔助電源、電動(dòng)車用電源、不間斷電源、軍用電源、電力系統(tǒng)負(fù)荷均衡的儲(chǔ)能電源等,在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2 鈉硫電池

鈉硫電池是一種新型的化學(xué)電池,這種電池用鈉材料作為陽(yáng)極,用硫材料作為陰極,用Beta-氧化鋁陶瓷作為電解質(zhì),同時(shí)在電池結(jié)構(gòu)中起到隔膜的作用(參見(jiàn)圖4)。

圖4 鈉硫電池原理

鈉硫電池的比能量較高,理論上的比能量為0.76 kWh/kg,實(shí)際應(yīng)用中比能量已經(jīng)大于0.1 kWh/kg,是普通鉛酸電池的3～4倍;可大電流、高功率放電,放電電流密度目前可以達(dá)到200～300mA/cm2。鈉硫電池采用固體電解質(zhì),沒(méi)有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電現(xiàn)象,充放電效率高。鈉硫電池的原材料資源豐富,能量密度和轉(zhuǎn)換效率高,既可以用于功率型儲(chǔ)能又可以用于能量型儲(chǔ)能。

我國(guó)是世界上第2個(gè)掌握鈉硫核心技術(shù)的國(guó)家,中科院上海硅酸鹽研究所和上海市電力公司合作開(kāi)展的大容量鈉硫儲(chǔ)能電池項(xiàng)目,已完成了2MW中試,建設(shè)在上海嘉定區(qū)白銀站的100 kW/ 800 kWh鈉硫電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目也已成功運(yùn)行。

目前,鈉硫電池還存在一些不足。例如鈉硫電池要在350℃熔解硫和鈉時(shí)運(yùn)行,必須配置1套附加供熱設(shè)備來(lái)維持溫度;鈉硫電池的正、負(fù)極活性物具有強(qiáng)腐蝕性,對(duì)電池材料、電池結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件的要求十分苛刻,今后的發(fā)展目標(biāo)和任務(wù)是繼續(xù)降低成本、提高電池系統(tǒng)的安全性。

3.3 液流電池

液流電池(Flow Redox Battery)或稱氧化還原液流電池,是一種采用液態(tài)正負(fù)極活性物作為氧化還原電對(duì)的電池。典型的液流電池,如全釩液流電池,其工作原理參見(jiàn)圖5。

圖5 全釩液流電池的工作原理

液流電池的輸出功率取決于電池堆的大小,儲(chǔ)能容量取決于電解液的量和濃度。由于液流電池的活性物存在于液體中,故充放電時(shí)不會(huì)發(fā)生其他電池常有的固相變化及形貌的改變,電池可超深度放電(100%)。目前,液流電池部件多為廉價(jià)的碳材料和工程塑料,使用壽命長(zhǎng)、材料來(lái)源豐富、加工技術(shù)成熟,電池報(bào)廢后易于回收處理。

3.4 鋰離子電池

鋰離子電池的儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)能效率高和循環(huán)壽命長(zhǎng),近年來(lái)成本不斷降低,應(yīng)用越來(lái)越廣。目前鋰離子電池除了大量用于移動(dòng)設(shè)備的電源外,也開(kāi)始應(yīng)用于電力系統(tǒng)。從2009年開(kāi)始,美國(guó)電科院(EPRI)開(kāi)展了2 kW/4 kWh,50 kW/ 200 kWh和100 kW/400 kWh級(jí)鋰離子電池用于分布式儲(chǔ)能的研究和開(kāi)發(fā),以及兆瓦級(jí)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電力系統(tǒng)頻率、電壓控制以及平滑風(fēng)電等示范應(yīng)用,取得很大成果。

我國(guó)是鋰離子電池生產(chǎn)大國(guó),目前十分注重鋰離子電池儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。2009年7月,我國(guó)第1座兆瓦級(jí)LiFePO4鋰離子電池儲(chǔ)能電站在深圳投運(yùn),用于平抑峰值負(fù)荷以及光伏電站的穩(wěn)定輸出;2008年,中國(guó)電力科學(xué)研究院建立電池特性實(shí)驗(yàn)室,重點(diǎn)圍繞鋰離子電池組成技術(shù)、鋰離子電池系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成技術(shù)、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用和接入條件開(kāi)展相關(guān)研究工作。

4 無(wú)機(jī)鹽相變儲(chǔ)能技術(shù)

相變儲(chǔ)能是一種利用材料在相變是吸收熱或放出熱來(lái)儲(chǔ)能或釋能的蓄能方式,相變材料可以是有機(jī)的也可以是無(wú)機(jī)的,近年來(lái)對(duì)無(wú)機(jī)鹽高溫相變儲(chǔ)能的研究越來(lái)越廣泛和深入,許多研究人員對(duì)大量潛在的無(wú)機(jī)鹽高溫相變儲(chǔ)能材料的熱物性及其測(cè)量進(jìn)行了研究,同時(shí)對(duì)無(wú)機(jī)鹽高溫相變材料的封裝和無(wú)機(jī)鹽高溫相變復(fù)合材料也進(jìn)行了有意義的探索。

4.1 固-液型無(wú)機(jī)鹽高溫相變儲(chǔ)能材料

目前,固-液無(wú)機(jī)鹽高溫相變材料主要為高溫熔融鹽和堿性混合鹽。其中高溫熔融鹽主要有氟化物、氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽等,相變溫度從幾百攝氏度到幾千攝氏度,相變潛熱較大,例如 LiH相對(duì)分子質(zhì)量小而熔化熱大(2840 J/g),不過(guò)此類鹽價(jià)格昂貴、對(duì)設(shè)備要求高,一般只用于航天航空等特殊場(chǎng)合。堿性混合鹽相變材料中的堿類化合物比熱容高、熔化熱大、穩(wěn)定性好,而且高溫下蒸氣壓力很低,價(jià)格也很便宜,因此是一種較好的中高溫儲(chǔ)能物質(zhì),例如NaOH在287℃和318℃均有相變,比潛熱達(dá)330 J/g,在美國(guó)和日本已試用于采暖和制冷方面。固-液無(wú)機(jī)鹽高溫相變材料中的混合鹽類化合物熔化熱大、熔化時(shí)體積變化小、傳熱較好,特別是可以根據(jù)需要把不同的鹽配制成相變溫度從幾百攝氏度至上千攝氏度的儲(chǔ)能材料,熔融溫度可調(diào)有利于應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)拓。

4.2 固-固型無(wú)機(jī)鹽高溫相變儲(chǔ)能材料

無(wú)機(jī)鹽高溫相變儲(chǔ)能材料已研究過(guò)的有NH 4 SCN和KHF2等物質(zhì)。其中KHF2的熔化溫度為196℃,熔化熱為142 kJ/kg;NH4SCN從室溫加熱到150℃發(fā)生相變時(shí),沒(méi)有液相生成,而且相變熱較大、相變溫度范圍寬、過(guò)冷程度輕、穩(wěn)定性好、不腐蝕,是一種很有發(fā)展前途的儲(chǔ)能材料。

4.3 復(fù)合型無(wú)機(jī)鹽高溫相變儲(chǔ)能材料

復(fù)合型高溫相變儲(chǔ)能材采用多種無(wú)機(jī)物相變儲(chǔ)能材料組合而成,可以有效克服單一的無(wú)機(jī)物相變儲(chǔ)能材料存在的缺點(diǎn),完善材料的應(yīng)用效果拓展應(yīng)用范圍,目前已成為儲(chǔ)能材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題之一。目前已研究的無(wú)機(jī)鹽高溫復(fù)合相變材料主要有金屬基/無(wú)機(jī)鹽相變復(fù)合材料、無(wú)機(jī)鹽/陶瓷基相變復(fù)合材料和多孔石墨基/無(wú)機(jī)鹽相變復(fù)合材料。其中金屬基/無(wú)機(jī)鹽相變復(fù)合材料中的金屬基主要包括鋁基(泡沫鋁)和鎳基等,儲(chǔ)能材料主要有各類熔融鹽和堿。無(wú)機(jī)鹽/陶瓷基相變復(fù)合材料由多微孔陶瓷基體和分布在基本微孔網(wǎng)絡(luò)中的相變材料(無(wú)機(jī)鹽)復(fù)合而成,毛細(xì)管張力作用可以使無(wú)機(jī)鹽熔化后保存在微孔內(nèi),在蓄熱過(guò)程中可以同時(shí)利用陶瓷基材料的顯熱和無(wú)機(jī)鹽的相變潛熱,蓄熱溫度隨復(fù)合的無(wú)機(jī)鹽種類可以在為450～1100℃范圍變化。無(wú)機(jī)鹽/陶瓷機(jī)復(fù)合儲(chǔ)能材料的概念是20世紀(jì)80年代末提出的,以后成為高溫儲(chǔ)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三種。其中,Na2 SO4/SiO2的相變潛熱和比熱容最大,相變溫度也比另兩種高得多,因此使用范圍更加廣。多孔石墨基/無(wú)機(jī)鹽相變復(fù)合材料利用天然礦物本身具有孔洞結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),經(jīng)過(guò)特殊的工藝處理與相變材料復(fù)合。如膨脹石墨層間可以浸漬或擠壓迷熔融鹽等相變材料。

5 結(jié)語(yǔ)

21世紀(jì)的電力系統(tǒng)以綠色、高效、靈活和可靠作為建設(shè)目標(biāo),電能儲(chǔ)存技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要措施之一,在提高電能質(zhì)量和供電可靠性方面可發(fā)揮重要的作用。電能儲(chǔ)存技術(shù)的削峰填谷能力,是發(fā)電能力不穩(wěn)定的風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)的技術(shù)前提。應(yīng)用電能儲(chǔ)存技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)峰,可以減少在尖峰負(fù)荷時(shí)使用石油天然氣調(diào)峰發(fā)電等昂貴資源的消耗,提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)最大限度地節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境。

安裝于電網(wǎng)合適位置的電能儲(chǔ)存裝置,可以在事故起始階段迅速對(duì)因送電通道破壞或其他原因造成的電力不平衡加以補(bǔ)償,避免或者延緩故障的發(fā)生,為電網(wǎng)贏得寶貴的電力調(diào)度時(shí)間,可以留出時(shí)間采取必要的措施防止系統(tǒng)崩潰,避免或者減少電網(wǎng)事故帶來(lái)的各種損失。

儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展是完善目前電力系統(tǒng)的需要,特別是發(fā)展可再生能源發(fā)電的需要,促進(jìn)電力儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步、提高儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性,是今后世界各國(guó)電力建設(shè)的重要課題之一。發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于我國(guó)的電力事業(yè)來(lái)說(shuō),既是一種挑戰(zhàn),也是一種機(jī)遇。我國(guó)政府非常關(guān)注儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展,各種儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展很快,許多成果處在世界領(lǐng)先水平,我國(guó)的儲(chǔ)能技術(shù)有望走在世界的前列。