電力儲能技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用

張 翼

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

2011年3月11日發(fā)生在日本本州島以東的大地震引發(fā)的核泄漏事故，使得人們清醒地認(rèn)識到推動更加安全的可再生能源發(fā)展的必要性，但是可再生能源發(fā)電，特別是風(fēng)能發(fā)電具有明顯的間歇性、隨機性和可調(diào)度性低的特征，隨著風(fēng)能發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)應(yīng)用，將對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生較大影響。因此，通過發(fā)展儲能技術(shù)來平抑可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性已在世界范圍內(nèi)形成共識。儲能技術(shù)，尤其是大規(guī)模儲能技術(shù)可以減輕晝夜間電網(wǎng)峰谷差，平滑負(fù)荷，不僅可以提高電力設(shè)備運行效率，降低供電成本，還能促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負(fù)荷波動等。儲能技術(shù)對于實現(xiàn)電網(wǎng)運營的安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效是不可或缺的。全球大容量儲能技術(shù)呈現(xiàn)多元化發(fā)展格局，儲能技術(shù)主要有化學(xué)儲能（如鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等）、物理儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）和電磁儲能（如超導(dǎo)儲能、超級電容器等）三大類。

1 化學(xué)儲能

1.1 鋰離子電池

鋰離子電池的陰極材料為鋰金屬氧化物，具有高效率、高能量密度的特點，并具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應(yīng)及無環(huán)境污染性等優(yōu)點。鋰離子電池在電動汽車的應(yīng)用方面有望成為后起之秀。另外，大容量鋰電池儲能電站正逐漸興起，美國在鋰離子電池的應(yīng)用方面領(lǐng)先，美國電科院在2009年開展了MW級鋰離子電池儲能系統(tǒng)用于平滑風(fēng)電場功率波動的示范應(yīng)用，但目前鋰離子電池在大尺寸制造方面存在一定問題，過充控制的特殊封裝要求高，價格昂貴，所以尚不能普遍應(yīng)用。目前世界上運行的最大鋰離子儲能系統(tǒng)是A123公司投資建設(shè)的，裝機容量為2 MW[1]。

1.2 鈉硫電池

鈉硫電池是以Beta-氧化鋁為電解質(zhì)和隔膜，并分別以金屬鈉和多硫化鈉為負(fù)極和正極的二次電池。鈉硫電池儲能密度為140（kW·h）/m3，體積減少到普通鉛酸蓄電池的1/5，系統(tǒng)效率可達(dá)80%，單體壽命已達(dá)15年，且循環(huán)壽命超過6000次，便于模塊化制造、運輸和安裝，建設(shè)周期短，可以根據(jù)用途和建設(shè)規(guī)模分期安裝，很適用于城市變電站和特殊負(fù)荷[2]。鈉硫電池最早發(fā)明于上世紀(jì)60年代中期。早期的研究主要針對電動汽車的應(yīng)用目標(biāo)，但長期的研究發(fā)現(xiàn),鈉硫電池用作電動汽車等移動器具的電源時，其安全可靠性問題難以解決，而用作固定的電池儲能站更具有優(yōu)勢。日本NGK公司是國際上鈉硫儲能電池研制、發(fā)展和應(yīng)用的主要機構(gòu)。2002年NGK公司開始了鈉硫電池的商業(yè)化生產(chǎn)和供應(yīng)。2004年7月當(dāng)時世界上最大的鈉硫電池儲能站（9.6 MW/57.6 MW·h）在日本 Hitachi自動化系統(tǒng)工廠正式投入運行。目前，在全球NGK已有100余座鈉硫電池儲能站正在運行[3]。

國內(nèi)鈉硫電池的研究始于上世紀(jì)六十年代末，在初期其發(fā)展幾乎與國外先進(jìn)水平同步，研究單位也很多，但在隨后的二十余年中，國內(nèi)鈉硫電池的研究僅局限于電動車動力用蓄電池。直到2005年上海硅酸鹽研究所與上海市電力公司合作，開展大容量鈉硫電池的研究。2009年11月，成功地研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的容量為650 A·h的鈉硫儲能單體電池，使我國成為繼日本之后世界上第二個掌握大容量鈉硫單體電池核心技術(shù)的國家。現(xiàn)已建成2 MW大容量鈉硫單體電池中試生產(chǎn)示范線，并成功研制100 kW級的鈉硫電池儲能系統(tǒng)，進(jìn)入2010年上海世博會展示。但至今尚未實現(xiàn)大容量鈉硫儲能電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1.3 液流電池

液流電池，與通常蓄電池的活性物質(zhì)被包容在固態(tài)陽極或陰極之內(nèi)不同，液流電池的活性物質(zhì)以液態(tài)形式存在，既是電極活性材料又是電解質(zhì)溶液，它可溶解于分裝在兩大儲液罐的溶液中，由各個泵使溶液流經(jīng)液流電池，在離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原和氧化反應(yīng)。其中全釩氧化還原液流電池是通過不同價態(tài)的釩離子相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)電能的儲存與釋放，是眾多化學(xué)電源中惟一使用同種元素組成的電池系統(tǒng)，從原理上避免了正負(fù)半電池間不同種類活性物質(zhì)相互滲透的產(chǎn)生，污染?。凰鼘⒄?fù)半電池電解液中的活性物質(zhì)分別儲存在不同的儲槽中，完全避免電解液保存過程的自放電消耗，效率高；電池正負(fù)極反應(yīng)均在液相中完成，充放電過程僅僅改變?nèi)芤褐锈C離子狀態(tài)，沒有外界離子參與電化學(xué)反應(yīng)，理論上可以進(jìn)行無限次任意程度的充放電循環(huán)，壽命長。此外，全釩液流電池具有能量效率高、蓄電容量大、可實現(xiàn)快速充放電等優(yōu)點。

全釩液流電池是惟一成功通過了3年以上風(fēng)能發(fā)電并網(wǎng)應(yīng)用示范的兆瓦以上級電化學(xué)儲能系統(tǒng)[4]，已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化運作，能夠有效平滑風(fēng)能發(fā)電功率,在日本運營的容量為4 MW的全釩液流電池為當(dāng)?shù)?2 MW的風(fēng)電場提供儲能，并已運行27萬次循環(huán)，世界上還沒有任何其他儲能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求。全釩液流電池系統(tǒng)研發(fā)的先驅(qū)為澳大利亞新南威爾士大學(xué)。日本住友電氣工業(yè)公司、加拿大VRB Power Systems等公司進(jìn)行全釩液流電池儲能系統(tǒng)的商業(yè)化開發(fā)[5]。對于釩電池的研究，國內(nèi)始于20世紀(jì)90年代末期，一些高校和研究所參與其中，但起初研究基本局限在用電化學(xué)手段進(jìn)行相關(guān)機理及電池原理等方面的探討方面。后來中科院大連化物所開發(fā)的100 kW/200 kW·h全釩液流儲能電池系統(tǒng)是目前國內(nèi)自主技術(shù)開發(fā)的最大一套液流儲能電池系統(tǒng)。2008年10月，北京的普能公司收購了世界知名的儲能公司加拿大VRB公司。從而擁有了VRB公司23年研發(fā)積累的所有專利、商標(biāo)、技術(shù)秘密、設(shè)備等，VRB的核心技術(shù)團(tuán)隊也加入了合并后的公司，并第一次使得中國公司在全球儲能商用技術(shù)領(lǐng)域走在全球最前沿。

2 物理儲能

2.1 抽水蓄能

抽水儲能是在電力系統(tǒng)中發(fā)展最成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種儲能技術(shù)，抽水儲能電站投入運行時必須配備上、下游兩個水庫（上、下池），負(fù)荷低谷時段抽水儲能設(shè)備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，負(fù)荷高峰時抽水儲能設(shè)備工作于發(fā)電機的狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電。抽水儲能電站可以按照一定容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，綜合效率在70%～85%。但抽水蓄能電站一次性投資費用巨大，建設(shè)受到地形制約，當(dāng)電站距離用電區(qū)域較遠(yuǎn)時輸電損耗較大。

日、美、西歐等國家和地區(qū)在20世紀(jì)60～70年代進(jìn)入抽水蓄能電站建設(shè)的高峰期。到目前為止，美國和西歐經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家抽水儲能機組容量占世界抽水蓄能電站總裝機容量55%以上，其中美國約占3%，日本則超過了10%[6]。未來抽水蓄能電站的重點將著眼于運行的可靠性和穩(wěn)定性，在水頭變幅不大和供電質(zhì)量要求較高的情況下使用連續(xù)調(diào)速機組，實現(xiàn)自動頻率控制。提高機電設(shè)備可靠性和自動化水平，建立統(tǒng)一調(diào)度機制以推廣集中監(jiān)控和無人化管理，并結(jié)合各國國情開展海水和地下式抽水蓄能電站關(guān)鍵技術(shù)的研究。

2.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能電站（CAES）是一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在典型壓力7.5 MPa的高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來驅(qū)動燃?xì)廨啓C發(fā)電。CAES建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，但其能量密度低，建設(shè)受地形制約，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)有特殊要求。CAES儲氣庫漏氣開裂可能性極小，安全系數(shù)高，壽命長。壓縮空氣蓄能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵是氣室的密封性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等。

世界上第一座商業(yè)運行的CAES是1978年投入運行的德國Huntorf電站，目前仍在運行中。機組的壓縮機功率為60 MW，釋能輸出功率為290 MW，系統(tǒng)將壓縮空氣存儲在地下600 m的廢棄礦洞中。機組可連續(xù)充氣8 h，連續(xù)發(fā)電2 h。1991年投入商業(yè)運行的美國Alabama州Mclntosh的CAES，其地下儲氣洞穴在地下450 m，壓縮機組功率為50 MW，發(fā)電功率為110 MW，可以實現(xiàn)連續(xù)41 h空氣壓縮和26 h發(fā)電。另外日本、意大利、以色列等國也分別有CAES正在建設(shè)過程中[7]。我國對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚，但對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究，逐漸受到相關(guān)科研院所、電力企業(yè)和政府部門的重視。

2.3 飛輪儲能

飛輪儲能系統(tǒng)由高速飛輪、軸承支撐系統(tǒng)、電動機/發(fā)電機、功率變換器、電子控制系統(tǒng)和真空泵、緊急備用軸承等附加設(shè)備組成。谷值負(fù)荷時，飛輪儲能系統(tǒng)由工頻電網(wǎng)提供電能，帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，以動能的形式儲存能量，完成電能-機械能的轉(zhuǎn)換過程；出現(xiàn)峰值負(fù)荷時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動機拖動電機發(fā)電，經(jīng)功率變換器輸出電流和電壓，完成機械能-電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。飛輪儲能功率密度大于 5 kW/kg，能量密度超過 20 （W·h）/kg，效率在90%以上，循環(huán)使用壽命長達(dá)20年，工作溫區(qū)為-40～50℃，無污染，維護(hù)簡單，可連續(xù)工作，積木式組合后可以實現(xiàn)MW級，主要用于不間斷電源（UPS）/應(yīng)急電源（EPS）、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制[6]。

近年來人們對飛輪轉(zhuǎn)子設(shè)計、軸承支撐系統(tǒng)和電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，高強度碳素纖維和玻璃纖維材料、大功率電力電子變流技術(shù)、電磁和超導(dǎo)磁懸浮軸承技術(shù)極大地促進(jìn)了儲能飛輪的發(fā)展。機械式飛輪系統(tǒng)已形成系列產(chǎn)品，如Active Power公司 100～2000 kW CleanSource 系列、Pentadyne公司 65～1000kV·A VSS 系列、Beacon Power公司的25MWSmartEnergyMatrix和SatConTechnology公司315～2200kV·A系列。高溫超導(dǎo)磁浮軸承摩擦系數(shù)達(dá)10-7量級，在此基礎(chǔ)上，1 MW·h超導(dǎo)飛輪已于1997年研制成功。1999年歐洲Urenc Power公司利用高強度碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料制作飛輪，轉(zhuǎn)速42000 rad/min，2001年1月系統(tǒng)投入運行，充當(dāng)UPS，儲能量達(dá)到18 MJ。美國波音公司Phantom工廠研制的高溫超導(dǎo)磁浮軸承100 kW/5 kW·h飛輪儲能裝置，已用于電能質(zhì)量控制和電力調(diào)峰。

國內(nèi)在飛輪研究方面,上世紀(jì)80年代初期,中國科學(xué)院電工研究所就開始飛輪儲能系統(tǒng)研究探索，之后從90年代中期，國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)逐步興起，研究的單位也隨著新能源的需求不斷地增加，在飛輪儲能的各個領(lǐng)域內(nèi)也取得了一些進(jìn)展。與國外相比，國內(nèi)在復(fù)合材料性能、軸承技術(shù)和電能轉(zhuǎn)換效率和實驗研究方面存在明顯的差距，總的來說，國內(nèi)理論研究較多，工程實踐和實驗較少；理論分析與計算較為充分，實驗研究數(shù)據(jù)欠缺；國內(nèi)在飛輪儲能的產(chǎn)品投入不足，開發(fā)還處于初級階段，目前國內(nèi)只有樣機的問世，一直沒有產(chǎn)品進(jìn)入市場[8]。

3 電磁儲能

3.1 超導(dǎo)儲能技術(shù)

超導(dǎo)儲能系統(tǒng)（SMES）是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其他負(fù)載的一種電力設(shè)施，它是一種新型高效的蓄能技術(shù)。超導(dǎo)蓄能系統(tǒng)主要由電感很大的超導(dǎo)蓄能線圈、使線圈保持在臨界溫度以下的氦制冷器和交直流變流裝置構(gòu)成。當(dāng)儲存電能時，將發(fā)電機組（如風(fēng)力發(fā)電機）的交流電，經(jīng)過交-直流變流器整流成直流電，激勵超導(dǎo)線圈。發(fā)電時，直流電經(jīng)逆變器裝置變?yōu)榻涣麟娸敵?，供?yīng)電力負(fù)荷或直接接入電力系統(tǒng)[8]。由于采用了電力電子裝置，這種轉(zhuǎn)換非常簡便，轉(zhuǎn)換效率高（≥96%）、響應(yīng)極快（毫秒級），并且比容量（1～10 （W·h）/kg）、比功率（104～105kW/kg）大，可以實現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實時大容量能量交換和功率補償[6]。它的儲能效率高達(dá)90%以上，遠(yuǎn)高于其他儲能技術(shù)。和其他儲能技術(shù)相比，超導(dǎo)磁儲能仍很昂貴，除了超導(dǎo)本身的費用外，維持系統(tǒng)低溫導(dǎo)致維修頻率提高以及產(chǎn)生的費用也相當(dāng)可觀。目前，在世界范圍內(nèi)有許多超導(dǎo)磁儲能工程正在進(jìn)行或者處于研制階段。

現(xiàn)世界上1～5 MJ/MW低溫SMES裝置已形成產(chǎn)品，100 MJ SMES已投入高壓輸電網(wǎng)中實際運行，5GW·h SMES已通過可行性分析和技術(shù)論證[1]。SMES的發(fā)展重點在于基于高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體研發(fā)適于液氮溫區(qū)運行的MJ級系統(tǒng)，解決高場磁體繞組力學(xué)支撐問題，并與柔性輸電技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步降低投資和運行成本，結(jié)合實際系統(tǒng)探討分布式SMES及其有效控制和保護(hù)策略[6]。SMES在美國、日本、歐洲一些國家的電力系統(tǒng)已得到初步應(yīng)用，在維持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高輸電能力和用戶電能質(zhì)量等方面發(fā)揮了極其重要的作用。

3.2 超級電容器

超級電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容[6]。超級電容器的電荷儲存發(fā)生在電極/電解質(zhì)形成的雙電層上以及在電極表面進(jìn)行欠電位沉積、電化學(xué)吸附、脫附和氧化還原產(chǎn)生的電荷的遷移。與傳統(tǒng)的電容器和二次電池相比，超級電容器的比功率是電池的10倍以上，儲存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、對環(huán)境無污染、循環(huán)壽命長、使用的溫限范圍寬等特點。但超級電容器價格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量峰值功率場合，如大功率直流電機的啟動支撐等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平[1]。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線側(cè)并入超級電容器，不僅能像蓄電池一樣儲存能量，平抑由于風(fēng)力波動引起的能量波動，還可以起到調(diào)節(jié)有功無功的作用。另外，超級電容器也正在作為電動汽車的新型儲能裝置。

國外對于超級電容器的研究起步比較早，在超級電容的研究及應(yīng)用方面，美國、日本和俄羅斯走在世界的前列[9]。美國已有Maxwell Technology公司、加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）、Auburn大學(xué)、Los Alamos National Lab.（LANL）等單位在研制超級電容器。Maxwell公司生產(chǎn)的Power Cache超級電容器，已由通用汽車公司Allison Transmission Division組成并聯(lián)混合電源系統(tǒng)和串聯(lián)電源系統(tǒng)用于貨車和汽車上[10]。美國在2002年曾報道已制成270 V，534 F的 電 容 存 儲 系 統(tǒng) （Capacitor bank system），通過對脈沖釋放率、脈沖密度、峰值釋放功率的調(diào)整，使電脈沖推進(jìn)器 （Pulsed electric thruster）、電弧噴氣式伺服器（Arc jet actuator）等裝置能實現(xiàn)在脈沖狀態(tài)下達(dá)到任何平均功率水平的功率狀態(tài)。

日本的NEC/Tokin公司、松下公司均有系列超級電容產(chǎn)品，本田公司在其開發(fā)的第三代和第四代燃料電池電動車FCX2V3和FCX2V4分別使用了自行開發(fā)研制的超級電容器來取代二次電池，減少了汽車的重量和體積，使系統(tǒng)功率增加，同時可在剎車時回收能量[11]。

俄羅斯ECOND公司對超級電容已有20多年的研究歷史，該公司代表著俄羅斯的先進(jìn)水平，其產(chǎn)品以大功率超級電容產(chǎn)品為主，適用于作動力電源，且有價格優(yōu)勢。早在1996年俄羅斯Eltran公司就已研制出了采用純電容器作電源的電動汽車樣品，采用300個超級電容串聯(lián)，可載20人，充電一次可行駛12 km，時速25 km/h[12]。我國對超級電容器的研究起步比較晚，但是也取得了一定的成果，主要作為電動汽車的儲能裝置。

4 結(jié)束語

隨著風(fēng)能、太陽能等可再生能源使用的日益普及，以及電網(wǎng)調(diào)峰、提高電網(wǎng)可靠性和改善電能質(zhì)量的迫切需求，電力儲能系統(tǒng)的重要性日益凸顯。因此，電力儲能技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。電力儲能技術(shù)為實現(xiàn)電網(wǎng)安全可靠、穩(wěn)定運行的目標(biāo)、解決風(fēng)電等可再生能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響和供用電不平衡等難題提供了解決方案。

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