電能存儲技術(shù)

一、電能儲存技術(shù)

為了增進電能的利用效率，使用適宜的電能儲存系統(tǒng)可以在不增加電網(wǎng)容量投資的杈底上，滿

足負荷頂峰時的需求。一個根底性的問題在于，負荷情況可能因每天，每小時，季節(jié)變化而變化，

必須有足夠容量的設(shè)備提供頂峰時的需求。理論上，發(fā)電和用電應該是相等的。電能發(fā)電設(shè)備必須

能較快地實現(xiàn)投入和切除，比方，微型燃氣輪機的反響時間較長，抽水蓄能電站的投入時間較短，

然而，石化燃料電站及核電站均不適合頻繁起停。此外，這些電站在固定于某個輸出的時候才能到

達較高的效率。因此，讓大型電站處于連續(xù)運行狀態(tài)，并通過尋找適宜的電源方式以在用電低谷的

時候吸收電能，用電頂峰的時候發(fā)出電能以平抑需求和供給的差異的方式被認為是經(jīng)濟性和效率較

高的一種方式。

由于受環(huán)境影響因素較大，很少利用自然資源類型直接作為電能存儲的媒介，比方，太陽能，

風能，海浪能，潮汐能，這些類型的能源也必須結(jié)合適宜的也能存儲設(shè)備才能充分發(fā)揮調(diào)峰的成效。

也能的存儲設(shè)備通常需要將也能轉(zhuǎn)化為其他類型的能量，在特定時間段內(nèi)，將此種類型的能量

再次反轉(zhuǎn)為電能以用于生產(chǎn)生活所需。

二、電能儲存技術(shù)分類

全球儲能技術(shù)主要有叱學儲能（如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鍥鎘電池、超級電容

器等）、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（如超導電磁儲能

等）三大類。目前技術(shù)進步最快的是化學儲能，其中鋼硫、液流及鋰離子電池技術(shù)在平安性、

能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟性等方面取得重大突破，產(chǎn)業(yè)化應用的條件日趨成熟。

電池儲能

電池儲能是運用電氣化學原理，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能，然后通過逆反響將化學能轉(zhuǎn)化為電能的

一種技術(shù)。常規(guī)的電氣化學元件是蓄電池。通常來講，蓄電池的存儲容量較小，形成較大的蓄能電

站需要較多數(shù)帚的電池單元，而且，蓄電池放出的點只有直流，須進行DC/AC轉(zhuǎn)化才能投入使用。

鈉硫電池

鈉硫電池是美國福特(Ford)公司丁1967年首先創(chuàng)造公布的，至今才40年左右的歷史。電池通

常是由正極、負極、電解質(zhì)、隔膜和外殼等幾局部組成。一般常規(guī)二次電池如鉛酸電池、鎘銀電池

等都是由固體電極和液體電解質(zhì)構(gòu)成，而鈉硫電池那么與之相反，它是由熔融液態(tài)電極和固體電解

質(zhì)組成的，構(gòu)成其負極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉，正極的活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽，由于硫是

絕緣體，所以硫一般是填充在導電的多孔的炭或石墨氈里，固體電解質(zhì)兼隔膜的是一種專門傳導鈉

離子被稱為AI2O3的陶瓷材料，外殼那么一般用不銹鋼等金屬材料。

1、根本原理：鈉硫電池以鈉和硫分別用作陽極和陰極.Beta-氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質(zhì)

的雙重作用。它的電池形式如下：

(-)Na(l)/beta一氧化鋁/Na2Sx(l)/C(+)根本的電池反響是：2Na+xS=Na2Sx

2、鈉硫電池特性⑴鈉硫電池的理論比能量高達760Wh/kg,且沒有自放電現(xiàn)象。放電效率幾

乎可達100%。⑵鈉硫電池的杈本單元為單體電池，用于儲能的單體電池最大容量到達650安時，

功率120W以上。將多個單體電池組合后形成模塊。模塊的功率通常為數(shù)十kW,可直接用于儲能。

⑶鈉硫電池在國外已是開展相對成熟的儲能電池。其壽命可以到達使用10?15年。

3、鈉硫電池的缺點

?不能處理局部循環(huán)e.g.風能，SOC只能用平均值計量，所以需要周期性的離線度量；

?過度充電時很危險：

?高溫350。(2熔解破和鈉，因此需要附加供熱設(shè)備來維持溫度。

意義：鈉硫電池作為新型化學電源家族中的一個新成員出現(xiàn)后，已在世界上許多國家受到極大

的重視和開展。由于鈉硫電池具有高能電池的一系列誘人特點，所以一開始不少國家就首先紛紛致

力于開展其作為電動汽車用的動力電池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但隨著時間的推移說明，

制硫電池在移動場合下(如電動汽車)使用條件比擬苛刻，無論從使用可提供的空間、電池本身的平

安等方面均有一定的局限性。所以在80年代末和90年代初開始，國外重點開展鈉硫電池作為固定

場合下(如電站儲能)應用，并越來越顯示其優(yōu)越性。如日本東京電力公司(TEPCO)和NGK公司合作

開發(fā)鈉硫電池作為儲能電池，其應用目標瞄準電站負荷調(diào)平(即起削峰平谷作用，將夜晚多余的電

存儲在電池里，到白天用電頂峰時再從電池中釋放出來)、UPS應急電源及瞬間補償電源等，并于

2002年開始進入商品化實施階段，已建成世界上最大規(guī)模(8MW)的儲能鈉硫電池裝置，截止2005

年10月統(tǒng)計，年產(chǎn)鈉硫電池電池量已超過100MW,同時開始向海外輸出。

鈉硫電池的充電效率已可到達80%,能量密度是鉛酸蓄電池的3倍，循環(huán)壽命更長。日本在此

項技術(shù)上處于國際領(lǐng)先地位，2004年日本在本國Hitachi自動化工廠安裝了當時世界上最大的鈉硫

電池系統(tǒng)，容量是9.6MW/57.6MWho

現(xiàn)階段大容量電池儲能的應用

紐約的AESWestover儲能工程是美國首個在公共設(shè)施應用的并進行商業(yè)化運營的電池儲能工

程。6日，負責該工程運作的AESEnergyStorage（AESEnergyStorage為AES集團下屬的儲能研發(fā)部

門）宣布其前期的8MW儲能電池工程已經(jīng)建成。美國能源部此前為AES儲能工程二期的12MW工

程提供1710萬美元貸款擔保。二期工程預計將于2011年終建成，屆時其總?cè)萘繉⑻嵘?0MW。

這是美國第一個MW級的儲能工程。該工程將可對電網(wǎng)的瞬間電力調(diào)控進行響應。幫助平衡用電頂

峰及用電低谷時期的電網(wǎng)負荷。太陽能專家一直以來關(guān)注著大規(guī)模儲能產(chǎn)業(yè)的開展，太陽能和風能

的間歇性特點決定了儲能技術(shù)的應用價值。

AESEnergyStorage相關(guān)負責人表示：伴隨這一8MW一期工程工程的建成運營，公司已經(jīng)在全

球建設(shè)完成了24MW的電網(wǎng)儲能工程。另外100MW的工程正在加速實施中。還有超過500MW的

工程在準備實施中。

迄今為止最大規(guī)模的儲能電池裝置是日本生產(chǎn)商NGKLtd.建設(shè)的容量為34兆瓦的工程，與一

家風電廠相配套。鈉硫電池其他工程舉例：

I.墨西哥墨西卡利（Mexicali）,1GW（1000MW）（2010年宣建）

2.美國西維吉尼亞俄亥俄州25MW（2007年）

3.阿布扎比50MW

4.紐約IMW

5.德國1MW

6.美國哥倫比亞空軍基地12MW

7.日本Hitachi9.6MW

8.日本34MW用于51MW風電場

對城市電網(wǎng)而言，鈉硫儲能電池具有容量大、體積小、能量儲存和轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、不受

地域限制等優(yōu)點，非常適合電力儲能。經(jīng)綜合分析，鈉硫儲能電池是目前最經(jīng)濟實用的儲能方法之

一，是日前大容量儲能電池中的佼佼者。抽水蓄能，需要特殊場地；金屬％空氣電池，充電困難；

產(chǎn)生電能。

Isentropic公司的熱泵效率達72%-80%,效率較高，造價廉價（$450/kW）,且不像抽水蓄能電

站那樣對地理環(huán)境需求大，對環(huán)境影響較小,

可提供較快的放電時間。

飛輪儲能

飛輪儲能是指利用電動機帶動飛輪高

速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機械能儲存起來，在

需要的時候再用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電的儲

能方式。飛輪儲能器中沒有任何化學活性物

質(zhì),也沒有任何化學反響發(fā)生。旋轉(zhuǎn)時的飛輪是純粹的機械運動，飛輪在轉(zhuǎn)動時的動能為:

E=l/2Ju）A2

式中:J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量;3為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度.

飛輪轉(zhuǎn)動時動能與飛輪的轉(zhuǎn)動慣景成正比.而飛輪的轉(zhuǎn)動慣帚又正比于飛輪的直徑和飛輪的

質(zhì)量，過于龐大、沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時，會受到極大的離心力作用，往往超過飛輪材料的極限強度,

很不平安。因此，用增大飛輪轉(zhuǎn)動慣量的方法來增加飛輪的動能是有限的。飛輪儲能裝置中有一個內(nèi)

置電機它既是電動機也是發(fā)電機。在充電時，它作為電動機給飛輪加速;當放電時，它又作為發(fā)電機給

外設(shè)供電，此時飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降;而當飛輪空閑運轉(zhuǎn)時，整個裝置那么以最小損耗運行。輪儲能具

有效率高、建設(shè)周期短、壽命長、高儲能、充放電快捷、充放電次數(shù)無限以及無污染等有點。適用

于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障。

上圖為美國宇航局使用的一臺41000RPM飛輪儲能裝置

國外飛輪儲能技術(shù)開展現(xiàn)狀

美國、德國、日本等興旺國家對飛輪儲能技術(shù)的開發(fā)和應用比擬多。日本已經(jīng)制造出在世界上

容量最大的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)(容量26.5MVA,電壓1100V,轉(zhuǎn)速5IO69Or/min,轉(zhuǎn)動慣量

710tm2)。美國馬里蘭大學也已研究出用于電力調(diào)峰的24kwh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng)。飛輪重172.8kg,

工作轉(zhuǎn)速范圍11,610-46,345rpm,破壞轉(zhuǎn)速為48,784rpm,系統(tǒng)輸出恒壓110-240V,全程效率為

81%。經(jīng)濟分析說明，運行3生時間可收回全部本錢。飛輪儲能技術(shù)在美國開展得很成熟，他們制造

出一種裝置，在空轉(zhuǎn)時的能量損耗到達0.1%每小時。歐洲的法國國家科研中心、德國的物理高技術(shù)

研究所、意大利的SISE均正開展高溫超導磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)研究。

1、美國宇航局(NASA)Glenn研究中心及其合作單位

NASA飛輪主要應用于航空航天，以及軍用裝甲車輛上，用途主要是：能量儲存；動力和姿態(tài)

控制；峰值功率調(diào)節(jié)等。設(shè)計俗能量：3OO-7OOW3S；儲能密度44wh/kg；轉(zhuǎn)速：60000rpm；線速度：

不小于880m/s。目標建立和測試大型飛輪儲能系統(tǒng)，目標：儲能密度大于IOOwh/kg；線速度不小

于1260m/s。工作上下轉(zhuǎn)速比：3：1；放電深度：90%；運行轉(zhuǎn)速內(nèi)無臨界模態(tài)，后期研究控制模

態(tài)可能性C

2、BesconPower公司

BesconPower公司生產(chǎn)的飛輪電池產(chǎn)品用以滿足迅速增長的可靠的、分布式電源需求。建立為

通訊應用提供后備電源的商業(yè)根底，估計每年擁有10000套飛輪系統(tǒng)需求。為電信/電纜設(shè)備提供

備用電力供給的20C1000飛輪儲能系統(tǒng)為主。飛輪采用采用高強度復合材料輪緣，高速、長壽命、

無需維護、低損耗永磁偏置主動/被動磁軸承，直流永溫無刷高效率、低損耗電動/發(fā)電機，正弦波

脈寬調(diào)制實現(xiàn)驅(qū)動電壓、電流一體化控制的雙向換流器，真空密封，埋入地下，運行狀況可以通過

互聯(lián)網(wǎng)進行監(jiān)視。

指標：工作轉(zhuǎn)速：30000-lOOOOOrpm,最高線速度:700m/s,放電深度:90%,電機效率:96%,輸出可用

儲量2000wh；輸出電壓為直流36V、48V或96V,額定輸出功率Ikw；輸入電壓120/240DC.50/60HZ,

最大輸入功率kw；轉(zhuǎn)子重量：68kg,飛輪模塊重量:383kg,電子模塊重量90kg；設(shè)計壽命：20年，

平均故障間隔時間：10萬小時。

3、ActivePower公司

公司主要生產(chǎn)作為不間斷電源(UPS)的飛輪電池系統(tǒng)，以取代傳統(tǒng)的鉛-酸電池，解決當今對于

電力品質(zhì)的高要求。公司產(chǎn)品的應用對象主要是廣闊工業(yè)用戶，比方:先進的數(shù)據(jù)中心、工業(yè)設(shè)備和

播送站等。目前，公司擁有29項創(chuàng)造專利，主要產(chǎn)品有CalUPS系列和QeansourceDC系列。

AclivcPuwci的飛輪材料為4340鍛鐵,其飛輪轉(zhuǎn)孑與電動/發(fā)電機、磁軸承整合在一起。用磁鐵卸

去80%的重量以延長飛輪軸承的壽命和減小損耗。飛輪的工作轉(zhuǎn)速在7000?7700rpm。工作維持時

間為幾十秒到幾分鐘。目前公司飛輪已經(jīng)產(chǎn)品化出售，并在北京設(shè)有辦事處。

4、ForschungszentrumkarlsruheGmbh公司

德國ForschungszentrumkarlsruheGmbh公司1997年著手設(shè)計5MWh/100MW超導飛輪儲能電站的

概念設(shè)計。電站由10個飛輪模塊組成，每個模塊儲能0.5MWh,功率10MW,重30t,直徑3.5m、

高6.5m,用同步電動/發(fā)電機進行電能輸入輸出。每個模塊包括一個電動/發(fā)電機子模塊、4個碳纖

維復合材料制成的轉(zhuǎn)子模塊和6個SMB子模塊。每個飛輪轉(zhuǎn)子儲能125kwh,重31,能量密度42wh/kg,

運行轉(zhuǎn)速為2250-4500rpm,最大外緣線速度600m/s,最大拉應力810Mpa。SMB由YBCO塊材料

和稀土鐵棚型高強度永磁材料構(gòu)成，耗用10t的YBCO塊材和5t的永磁材料。系統(tǒng)效率96%。

5、日本

日本已投資3500萬美元進行高溫超導磁懸浮軸承飛輪儲能研究，由三菱、日立、精工等公司

和多個研究所、高校組成3個研究組合作承當。已研制出3種試驗模型機，并進行了儲能8MMh容

flOOOkW的飛輪儲能機組的概念設(shè)計。日本原子能研究所一座大型核融合實驗爐采用了飛輪儲能

發(fā)電裝置，其主要參數(shù)為：功率235MVA、電壓18kv、電流6898A、飛輪轉(zhuǎn)速420-600rpm、可釋放

能量為020MJ,轉(zhuǎn)子為碳素鋼鍬造的實心圓盤，重10001。

國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)的開展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)從事與飛輪研究相關(guān)的單位有：清華大學工程物理系飛輪儲能實驗室、華北電力大學、

北京飛輪儲能柔性研究所（由中科院電工所、天津核工業(yè)理化工程研究院等組成）、北京航空航天

大學、南京航空航天大學、中國科大、中科院力學所、東南大學、合肥工業(yè)大學等，主要集中在小

容量系列，其中，北航針對航天領(lǐng)域研制的“姿控/儲能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國家技術(shù)

創(chuàng)造一等獎。華北電力大學和中國科學院電工研究所、河北省電力局合作，已經(jīng)開始就電力系統(tǒng)調(diào)

峰用飛輪儲能系統(tǒng)的課題進行研究，預計能夠取得可喜的成果。

隨著超導技術(shù)的開展和高強度復合材料的出現(xiàn)以及電力電子技術(shù)的新進展，開發(fā)飛輪儲能技

本已經(jīng)成為可能。從經(jīng)濟和技大角度看，飛輪儲能機組作為一種重要的調(diào)峰手段分散接入電網(wǎng)是可

行的。由于飛輪機組運行控制的靈活性，可使電力系統(tǒng)的運行可靠性和穩(wěn)定性得到提高,

飛輪的開展方向及研究熱點：

1）超大儲能量、大功率飛輪的研制；

2）進一步降低儲能飛輪系統(tǒng)的功耗；

3）系統(tǒng)的平安性、可靠性分析；

4）機電參數(shù)匹配問題；

5）強力充放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

壓縮空氣儲能

它利用電力系統(tǒng)低容負荷時的多余電能將空氣壓縮儲存在地下洞穴中，需要時再放出，經(jīng)加熱

后通過燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電.以供尖峰負荷的需要。供給燃氣輪機的能量是壓縮空氣的勢能和用

以加熱空氣的燃料化學能的總和。壓縮空氣蓄能電站在一個充壓和釋放的循環(huán)中發(fā)出的電量大于充

壓所需的電量。充、放能量之比稱為電量比，一般為0.72-0.80,它取決于電站的規(guī)模和設(shè)計情況。

在發(fā)電過程中，燃料消耗大約為4220kJ/kWh。

壓縮空氣儲能的能量流如上圖所示，下列圖為一個典型的壓縮空氣蓄能電站示意圖

1978年聯(lián)邦德國在亨托夫成功地投運了一個290MW的壓縮空氣蓄能電站，并獲得了優(yōu)異的

可利用率和可靠性。美國電力研究協(xié)會（EPRI）已深入細致地研究了一個220MW的壓縮空氣蓄能電站。

研究說明，有經(jīng)濟效益的壓縮空氣蓄能電站是用25-50MW（或其倍數(shù)）的標準單元組裝而成的,

可明顯地減少投資和規(guī)劃工作量。

壓縮空氣蓄能電站是在常規(guī)的簡單循環(huán)燃氣輪機電站根底上開展起來的。