儲(chǔ)能技術(shù)參考資料抽水儲(chǔ)能電站及其應(yīng)用

曲學(xué)基《電源工業(yè)》總第133期能源儲(chǔ)存：技術(shù)與應(yīng)用（英文第二版）太陽能應(yīng)用檢測(cè)與控制技術(shù)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)DanChiras等著光伏系統(tǒng)工程（第3版）RogerA.Messenger等著2.儲(chǔ)能裝置分類儲(chǔ)能裝置

物理形式

化學(xué)形式

機(jī)械能電磁能抽水儲(chǔ)能壓縮空氣儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能雙電層電容儲(chǔ)能法拉第電容儲(chǔ)能蓄電池儲(chǔ)能制氫儲(chǔ)能機(jī)械儲(chǔ)能裝置01電磁儲(chǔ)能02化學(xué)儲(chǔ)能03機(jī)械儲(chǔ)能裝置PART01§1.抽水儲(chǔ)能一、原理與分類：1.原理：

抽水蓄能是集抽水與發(fā)電于一體的一種蓄方式，實(shí)現(xiàn)的是勢(shì)能與電能的轉(zhuǎn)換。在滿足地質(zhì)和水文等條件的前提下，分別在上下游設(shè)置水庫。

在電力負(fù)荷低谷時(shí)，將低地勢(shì)的下水庫的水抽到高地勢(shì)的上水庫中，將電能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能。

在用電高峰時(shí)，再將上水庫的水釋放，驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能。抽水蓄能電站的示意圖§1.抽水儲(chǔ)能2.抽水蓄能電站的類型：按開發(fā)方式可分為：純抽水蓄能電站、混合式抽水蓄能電站、調(diào)水式抽水蓄能電站；按調(diào)節(jié)周期分為：日調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)和季調(diào)節(jié)等；按水頭分為：高水頭和中低水頭；按機(jī)組類型分為：四機(jī)分置式、三機(jī)串聯(lián)式、二機(jī)可逆式；按布置特點(diǎn)分為：地面式、地下式、和特殊布置形式（人工地下水庫）§1.抽水儲(chǔ)能§1.抽水儲(chǔ)能3.抽水蓄能的特點(diǎn)及應(yīng)用：優(yōu)點(diǎn)：抽水蓄能技術(shù)比較成熟，儲(chǔ)存能量巨大，設(shè)備的使用壽命較長(zhǎng)（一般可達(dá)30--40年），綜合效率高（一般可達(dá)70%--85%）。不足：抽水蓄能工程量較大而且受到地理環(huán)境的限制。應(yīng)用：抽水蓄能已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、黑啟動(dòng)以及為系統(tǒng)提供備用容量等方面，是電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有效調(diào)控手段?！?.抽水儲(chǔ)能二、抽水蓄能的發(fā)展趨勢(shì)

抽水蓄能作為一種技術(shù)較為成熟，且市場(chǎng)應(yīng)用較成功的大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)，受到了世界各國(guó)的高度重視，但每個(gè)國(guó)家都有不同的環(huán)境，并面臨不同的現(xiàn)實(shí)情況，需要有針對(duì)性地制訂發(fā)展計(jì)劃，解決發(fā)展過程中遇到的各種問題。

在我國(guó)，抽水蓄能站址資源較為豐富，能夠滿足各地區(qū)電網(wǎng)自身發(fā)展的需要。經(jīng)初步經(jīng)濟(jì)分析，抽水蓄能電站前期選址總量可達(dá)1.5億KW以上，這些這些抽水蓄能站址主要分布在南方電網(wǎng)、華東電網(wǎng)、華中電網(wǎng)、和華北電網(wǎng)內(nèi)，占據(jù)已知全國(guó)抽水蓄能站址容量的80%?！?.壓縮空氣儲(chǔ)能一、壓縮空氣儲(chǔ)能的原理特點(diǎn)及分類1.原理：壓縮空氣儲(chǔ)能一般包括5個(gè)主要部件：壓氣機(jī)、燃燒室及換熱器、渦輪（透平）機(jī)、儲(chǔ)氣裝置、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)。在儲(chǔ)能時(shí)：壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)耗用電能將空氣壓縮并存于儲(chǔ)氣室中；在釋能時(shí)：高壓空氣從儲(chǔ)氣室釋放，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室同燃料一起燃燒后，驅(qū)動(dòng)渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能。

§2.壓縮空氣儲(chǔ)能2.特點(diǎn)（1）規(guī)模上僅次于抽水蓄能，適合建造大型電站。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)間長(zhǎng)，可以持續(xù)數(shù)小時(shí)乃至數(shù)天。（2）建造成本和運(yùn)行成本較低，低于鈉硫電池和液流電池，也低于抽水蓄能電站，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。其次由于使用高性能熱材料，僅使用少量或不使用天然氣或石油等燃料即可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮空氣的加熱，從而降低燃料成本占比。（3）場(chǎng)地限制少。（4）壽命長(zhǎng)，通常維護(hù)可達(dá)到40—50年，并且其效率可以達(dá)到60%左右，接近抽水蓄能電站。（5）安全性和可靠性高。壓縮空氣儲(chǔ)能使用的原料是空氣，不燃燒，不產(chǎn)生任何有毒有害氣體，也沒有爆炸的危險(xiǎn)?！?.壓縮空氣儲(chǔ)能§2.壓縮空氣儲(chǔ)能3.分類：（1）根據(jù)熱源不同分為：燃燒燃料的、帶儲(chǔ)熱的和無熱源的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)；（2）根據(jù)規(guī)模不同可分為：大型（單臺(tái)機(jī)組規(guī)模為100MW級(jí)）、小型（10MW）和微型（100KW級(jí)）；（3）根據(jù)能否和其他熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合可分為：傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能—燃?xì)廨啓C(jī)耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能—燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能—內(nèi)燃機(jī)耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能—制冷循環(huán)耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲(chǔ)能—可再生能源耦合系統(tǒng)。

壓縮空氣儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)大容量和長(zhǎng)時(shí)間電能儲(chǔ)存的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，是指將低谷、風(fēng)電、太陽能等不易儲(chǔ)藏的電力用于壓縮空氣，將壓縮后的高壓空氣密封在儲(chǔ)氣設(shè)施中，在需要需要釋放壓縮空氣推動(dòng)透平發(fā)電的儲(chǔ)能方式。目前，地下儲(chǔ)氣站可采用報(bào)廢礦井、沉降在海底的儲(chǔ)氣罐、山洞、過期油氣井和新建儲(chǔ)氣井等多種模式，其中最理想的水封恒壓儲(chǔ)氣站，能保持輸出恒壓氣體。地上儲(chǔ)氣站采用高壓的儲(chǔ)氣罐模式。壓縮空氣儲(chǔ)能具有容量大、工作時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性能好、充放電循環(huán)多等優(yōu)點(diǎn)?！?.壓縮空氣儲(chǔ)能§3.飛輪儲(chǔ)能一.飛輪儲(chǔ)能的原理特點(diǎn)及分類1.原理：將能量從外界輸入后，電動(dòng)機(jī)將在電子電力輸入設(shè)備的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，這一過程相當(dāng)于給飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子達(dá)到一定工作轉(zhuǎn)速時(shí)，電力電子輸入設(shè)備停止驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，完成充電。當(dāng)外界需要能量輸出時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子降低轉(zhuǎn)速，通過發(fā)電機(jī)的發(fā)電功能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能釋放，通過給負(fù)載提供能量，完成系統(tǒng)的放電過程。2.結(jié)構(gòu)組成飛輪；軸承；電機(jī)；真空容器；電力電子裝置§3.飛輪儲(chǔ)能§3.飛輪儲(chǔ)能§3.飛輪儲(chǔ)能一、飛輪儲(chǔ)能的工程應(yīng)用：§3.飛輪儲(chǔ)能（1）智能電網(wǎng)的應(yīng)用（2）交通運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用（3）UPS電源的應(yīng)用（4）新能源電力的儲(chǔ)存電磁儲(chǔ)能PART02一、超導(dǎo)儲(chǔ)能的原理與特點(diǎn)1.原理：

超導(dǎo)體：許多金屬和合金都具有低溫下失去電阻的特性，這種特殊的導(dǎo)電性能被稱為“超導(dǎo)態(tài)”，處于超導(dǎo)態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。

零電阻效應(yīng)：超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱為“零電阻效應(yīng)”。用超導(dǎo)體導(dǎo)線制成螺旋形線圈，線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，其所儲(chǔ)能量與電流的平方和電感的乘積成正比。若線圈導(dǎo)體有電阻，能量會(huì)以焦耳熱的形式消耗，而超導(dǎo)體在深冷狀態(tài)下電阻為零，不存在焦耳熱損耗，將螺旋線管兩端短接，磁能可被永久儲(chǔ)存。需要時(shí)將線圈兩端外接負(fù)載，即可將儲(chǔ)存于線圈內(nèi)的磁能轉(zhuǎn)化為電能，隨時(shí)取出?！祀姶艃?chǔ)能技術(shù)--超導(dǎo)儲(chǔ)能2.特點(diǎn)（1）可長(zhǎng)期無損耗地儲(chǔ)存能量，轉(zhuǎn)換效率超過90%。（2）可通過采用電力電子器件的變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，響應(yīng)速度快（毫秒級(jí)）（3）由于其儲(chǔ)存能量與功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的容量可獨(dú)立地在大范圍內(nèi)選取，因此可將超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)建成所需的大功率和大能量系統(tǒng)。（4）除了真空和制冷系統(tǒng)外沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，使用壽命長(zhǎng)。（5）建造時(shí)不受地點(diǎn)限制，維護(hù)簡(jiǎn)單，污染小。化學(xué)儲(chǔ)能PART03鈉硫電池儲(chǔ)能01鋰離子電池儲(chǔ)能02液流電池儲(chǔ)能03超級(jí)電容儲(chǔ)能04

制氫儲(chǔ)能05§1.鈉流電池儲(chǔ)能一、鈉硫電池的原理與特點(diǎn)1.原理鈉硫電池（NAS）以鈉和硫分別作陽極和陰極，氧化鋁陶瓷同時(shí)起隔膜和電解質(zhì)的雙從作用。

電池形式：(-)Na(液)|氧化鋁|Na2SX,S(液)(+)§1.鈉流電池儲(chǔ)能負(fù)極反應(yīng)：2Na2Na++2e-正極反應(yīng)：2Na++xS

+2e-Na2Sx總反應(yīng)：2Na+xS

Na2Sx

基本的電池反應(yīng)：

2.結(jié)構(gòu)§1.鈉流電池儲(chǔ)能3.特點(diǎn)（1）比能量高。理論比能量為760Wh/kg，是鉛酸電池的3-4倍；（2）功率大。單體電池功率可達(dá)到120W以上，形成模塊后功率可達(dá)數(shù)十千瓦，可直接用于儲(chǔ)能；（3）庫倫效率高。由于采用固體電解質(zhì)，幾乎無自放電現(xiàn)象，充放電效率幾乎為100%；（4）運(yùn)行無污染。采用全密封結(jié)構(gòu)，運(yùn)行中無振動(dòng)無噪聲，沒有氣體放出，預(yù)期壽命長(zhǎng)。（5）制造便利、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便?！?.鈉流電池儲(chǔ)能一、鋰離子電池工作原理及結(jié)構(gòu)1.原理

鋰離子電池俗稱“搖椅電池”，是由可脫嵌Li+

為正、負(fù)級(jí)的二次電池，由正極、負(fù)極、電解液及隔膜，外加正負(fù)引線、電池殼、安全裝置等組成。正極材料一般為鋰的化合物；負(fù)極材料一般為碳材料等，目前硅等合金類負(fù)極也有部分應(yīng)用；電解液一般由有機(jī)溶劑和電解質(zhì)（鋰鹽）組成?！?.鋰離子電池儲(chǔ)能

以C負(fù)極、LiCoO2

正極為例的電化學(xué)表達(dá)式為(-)C6|1mol·L-1LiPF6–EC+DEC|LiCoO2(+)正極反應(yīng)：LiCoO2放電

Li1-xCoO2+xLi++xe-

充電

負(fù)極反應(yīng)：xLi++C6+xe-放電C6

Lix

充電

§2.鋰離子電池儲(chǔ)能§2.鋰離子電池儲(chǔ)能常見鋰離子電池結(jié)構(gòu)參數(shù)電池結(jié)構(gòu)外形容量/mAh圓柱形Φ18mm，高65mm2200~3000方形長(zhǎng)50mm、

寬34mm、

高4-8mm1000~3000聚合物可定制，

?。?.1mm）、大50~10000扣式Φ20mm,高2.5mm<200§2.鋰離子電池儲(chǔ)能§2.鋰離子電池儲(chǔ)能二、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用由于鋰離子電池能量密度大、自放電小，無記憶效應(yīng)、工作溫度范圍寬、可快速充放電、使用壽命長(zhǎng)、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力調(diào)峰的需要，而且具備向電力系統(tǒng)提供頻率控制、快速功率響應(yīng)等輔助服務(wù)的能力。鋰離子動(dòng)力電池現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)儲(chǔ)存設(shè)備、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)已經(jīng)比較成熟，屬于目前效率很高的儲(chǔ)能方式。許多國(guó)家已建或在建鋰離子電池儲(chǔ)能示范工程，我國(guó)風(fēng)光儲(chǔ)示范工程中的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)也是目前很有影響力的展示成果?！?.鋰離子電池儲(chǔ)能§3.液流電池儲(chǔ)能1.液流電池的基本特征：液流電池是一種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，它由電堆單元、電解質(zhì)溶液及電解質(zhì)溶液儲(chǔ)供單元、控制管理單元等部分組成。液流電池系統(tǒng)的核心是由電堆和實(shí)現(xiàn)充、放電過程的單電池按特定要求串聯(lián)而成的，結(jié)構(gòu)與燃料電池電堆相似。電堆儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本、功率、循環(huán)壽命、效率、維護(hù)等性能有很大影響。電堆是提供電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換的場(chǎng)所，是釩電池系統(tǒng)的核心部分。液流電池原理圖及電堆結(jié)構(gòu)示意圖§3.液流電池儲(chǔ)能2.電極反應(yīng)全釩液流電池（VFB）正極電對(duì)為：VO2+/VO+2,負(fù)極為V2+/V3+.電解質(zhì)在電池中循環(huán)。全釩液流電池充電時(shí)，電極反應(yīng)為：正極：VO2++H2O-e-VO+2+2H+負(fù)極：V3++e-V2+

總反應(yīng)：VO2++H2O+V3+V2++VO+2+2H+全釩液流電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)為1.26V，實(shí)際使用中，由于電解液濃度、電極性能、隔膜電導(dǎo)率等因素的影響，開路電壓可達(dá)到1.5~1.6V.§3.液流電池儲(chǔ)能3.全釩液流電池特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）輸出功率與儲(chǔ)能容量可控。（2）安全性高。（3）啟動(dòng)速度快。（4）電池倍率性能好。（5）電池壽命長(zhǎng)。（6）電池自放電可控。（7）制造和安置便利。（8）電池材料回收和再利用容易?！?.液流電池儲(chǔ)能不足：（1）全釩液流電池的能量密度偏低。（2）釩遷移與水?dāng)U散造成的物流失衡及容量衰減。（3）液流電池運(yùn)行的電流密度低。（4）電池系統(tǒng)成本高。§3.液流電池儲(chǔ)能一、基本原理與分類：

超級(jí)電容器是以多孔性材料為電極，由正負(fù)電荷層形成的可實(shí)現(xiàn)可逆充放電的高靜電容量電容器，與普通電容器相比，它具有更高的介電常數(shù)，更大的耐壓能力和更大的存儲(chǔ)容量，有保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量快的特點(diǎn)，逐漸在儲(chǔ)能領(lǐng)域中被接受。根據(jù)工作原理不同分為雙電層電容器和贗電容器兩種?！?.超級(jí)電容儲(chǔ)能1.雙電層電容器（EDLC）工作原理圖§4.超級(jí)電容儲(chǔ)能2.贗電容器（也稱法拉第電容）原理：電極表面發(fā)生了氧化還原反應(yīng)反應(yīng)方程式：NiO+OH-NiOOH+e-

與電池中的電化學(xué)反應(yīng)不同，贗電容中的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)只發(fā)生在電極材料的表面，其充放電過程要遠(yuǎn)快于普通電池?！?.超級(jí)電容儲(chǔ)能3.特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）在很小的體積下達(dá)到法拉級(jí)的電容量；（2）無須特別的充電電路和控制放電電路；（3）和電池相比，過充、過放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響。（4）超級(jí)電容可焊接，不存在像電池接觸不牢固等問題。不足：（5）使用不當(dāng)會(huì)造成電解質(zhì)泄露等現(xiàn)象。（6）和鋁電解質(zhì)相比，內(nèi)阻較大，因而不可以用于交流電路（7）儲(chǔ)能密度不如蓄電池§4.超級(jí)電容儲(chǔ)能可再生能源包括太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿?，值得注意的是，這些能源均有同樣的載體，即氫。在所有的能源中，氫能被認(rèn)為是最環(huán)保的能源。如使用燃料電池技術(shù)，將其與氧氣反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能過程中，僅有水生成，沒有任何污染物有害氣體排除；另一方面，當(dāng)將其進(jìn)行儲(chǔ)存時(shí)，利用電能或則太陽能將水分解制氫或則高壓儲(chǔ)氫均不會(huì)產(chǎn)生其他有害的氣體或污染物?！?.制氫儲(chǔ)能一、電能及熱能向氫能的轉(zhuǎn)化1.電解水制氫（電能-氫能系統(tǒng)）原理：陰極反應(yīng)：4e-+4H2O=2H2+4OH-

陽極反應(yīng)：4OH-=O2+2H2O+4e-§5.制氫儲(chǔ)能§5.制氫儲(chǔ)能二、熱和光化學(xué)制氫（太陽能-氫能系統(tǒng)）利用太陽能制氫的方式有以下幾種：太陽能電解水制氫、熱化學(xué)制氫、熱解水制氫、光催化制氫以及光合作用制氫等。太陽能電解水制氫包括兩種工作模式：一種是將太陽能基于光伏效應(yīng)先轉(zhuǎn)化成電能，再將電能用于電解水制氫，稱為間接電解水制氫；另一種是將太陽能直接電解制氫，主要是基于光化學(xué)電池和半導(dǎo)體光催化法，它的特別之處是陽極與傳統(tǒng)電極不同，多為光電半導(dǎo)體材料，可以感光并吸收太陽能并將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，從而制備出氫氣。熱化學(xué)制氫被認(rèn)為是最有可能率先實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用的太陽能制氫技術(shù)。§5.制氫儲(chǔ)能三、燃料電池1.氫能向電能及熱能的轉(zhuǎn)化：氫能的使用，一般來說是以燃料電池的工作方式轉(zhuǎn)化為電能和熱能，也即氫氣和氧氣的燃燒反應(yīng)過程。根據(jù)溫度或則電解質(zhì)種類可將燃料電池分