含分布式電源電網(wǎng)儲能技術綜述

我國儲能技術專利申請在96年之前增長緩慢，主要是由于缺乏與國際的技術交流，以及本身發(fā)展緩慢造成，加入WTO之后，國外企業(yè)與研究機構(gòu)意識到中國已經(jīng)成為國際儲能領域的重要市場，紛紛在國內(nèi)申請專利技術，國內(nèi)自主研發(fā)申請的專利比重曾一度降至最低點。但隨著近年來國內(nèi)新能源、智能電網(wǎng)、電動汽車技術的不斷進步，技術創(chuàng)新能力不斷提高，國內(nèi)企業(yè)與研究機構(gòu)申請的專利比重逐年增加。

圖2 我國先進儲能專利逐年申請情況

3 儲能技術的分類

3.1飛輪儲能[7,8]

飛輪儲能是指驅(qū)動電機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)將電能以機械能的形式儲存起來，在整個電能的存儲和釋放過程中都利用了電力電子轉(zhuǎn)換技術。飛輪儲能密度的大小是由飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小決定的。以目前的最好的碳素纖維復合材料來說，這種材料的飛輪轉(zhuǎn)子可以承受的最大線速度達到 1000m/s 以上，儲能密度可達到 230Wh/kg，預計正在研制的熔融石英材料的飛輪儲能密度可達到 800Wh/kg，碳納米管材料將使飛輪的儲能密度提高到 2700Wh/kg。隨著超導塊材的發(fā)展，采用超導磁懸浮軸承的飛輪儲能可以將軸承的摩擦系數(shù)降低到10-7，儲能能量密度和效率都得到了很大的提高。

飛輪儲能的主要優(yōu)點有：

1)儲能密度高;比超導磁儲能、超級電容器儲能和一般的蓄電池都要高。

2)充放電時間短，且無過充放電問題，壽命長;飛輪儲能充電只需要幾分鐘，

而不像化學電池需要幾個小時的充電時間。飛輪儲能系統(tǒng)的壽命主要取決于其電力電子的壽命，一般可達到 20 年左右。

飛輪儲能技術廣泛應用的主要瓶頸有：

a) 技術成本相對于蓄電池來說比較高;

b) 軸承材料還有待進一步的突破;

c) 自放電現(xiàn)象很嚴重。

3.2超導磁儲能(SMES)[7]

SMES 是指利用超導線圈繞制的電感來儲存電能，因為超導的零電阻特性使其具有超過常導 2個數(shù)量級的通流能力，所以SMES具有比較大的儲能密度，能量密度可達 108J/m3量級，而且通過直流電流時沒有焦耳損耗。在 SMES 中超導線圈的能量是以直流形式存儲，參與電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)是通過變流器實現(xiàn)與電網(wǎng)的能量交換的方式。SMES 裝置一般由超導磁體及低溫杜瓦、變流系統(tǒng)、制冷設備和測控系統(tǒng)四個主要部件組成。

相比其他儲能 SMES 具有以下幾個特點：

(1)響應速度快，可以達到 1~5ms，這是其他的儲能達不到的響應速度，這樣對電網(wǎng)發(fā)生的故障可以很快做出反應，進行功率的補償;

(2)通過變流器可以進行四象限可控的功率交換，并可以同時進行有功和無功的交換;

(3)可以短時間輸出很高的功率，能量損失小，系統(tǒng)效率高;輸出的功率密度很高，由于沒有直流電阻引起的焦耳熱，能量效率很高，理想可以達到 95%以上。

目前 SMES 廣泛應用的主要問題關鍵還在于超導材料的突破，包括材料的性能和成本等;以及低溫制冷技術的進步。

3.3超級電容器

普通電解電容器由于材料和容量原因，其存儲能量過小，所以不能用作大的儲能應用。超級電容器的存儲容量可以達到普通電容器103倍以上。由于超級電容器自身的雙電層和內(nèi)阻較大的特點，使其具有很高的功率密度和較長的循環(huán)壽命。與蓄電池和普通電容器相比，超級電容器的特點主要體現(xiàn)在：

1)功率密度很高：可達102~l05W/kg，遠超過現(xiàn)有蓄電池的功率密度水平;

2)循環(huán)壽命較長：在上萬次很短時間的高速深度循環(huán)后，超級電容器的性能依然變化很小，容量和內(nèi)阻僅降低 10%~20%;

3)工作溫度范圍：由于超級電容器中離子的吸脫附速度在低溫下變化很小，市場上商業(yè)化超級電容器的工作溫度范圍可達-30~60℃;

4)綠色環(huán)保：在超級電容器的生產(chǎn)過程中避免了使用重金屬等有害的化學物質(zhì)，因而是一種新型的綠色環(huán)保儲能裝置。

目前超級電容器的應用比較廣泛，但在使用安全和穩(wěn)定上還有待加強。

3.4蓄電池儲能

在電網(wǎng)中應用的儲能蓄電池主要有鉛酸電池、鈉硫電池和液流電池。原理都是將電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，等需要時再將化學能轉(zhuǎn)化為電能來使用。鉛酸蓄電池發(fā)展使用的時間比較長，技術也較成熟，并逐漸進入以密封型免維護產(chǎn)品為主的階段，而且成本較低，能量密度則在各類電池中處于適中水平。在環(huán)境影響上，基于密封閥控型的鉛酸電池也具有較高的運行可靠性，只是能量密度較一般，其劣勢已不甚明顯。

但是相比鉛酸電池，鈉硫電池和液流電池具有其它化學電池不具備的優(yōu)點：

1)存儲容量更大，可以達到幾百千瓦甚至上兆瓦，是普通鉛蓄電池的8~10倍;

2)鈉硫電池和液流電池無污染，不會對環(huán)境有影響;

3)壽命高，穩(wěn)定性好。

缺點就是工作環(huán)境需要較高溫度，達 300℃~500℃，技術還有待進一步完善。

3.5 其他儲能方式[9]

其他儲能方式包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能(compressed air energy storage，CAES)、蓄熱和蓄冷儲能等。抽水蓄能電站必須配備上、下兩個水庫，對建站地點要求苛刻，但是運行簡單，可靠且使用期較長[10]。CASE電站建設投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，壽命長，響應速度快，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制[11]。熱能存儲常和STES(solar thermal electric steam)電廠結(jié)合起來，這種儲能方式比較可靠，成本相對低廉。蓄冷常見的主要是水蓄冷和冰蓄冷，轉(zhuǎn)換效率分別為90%和80%。水蓄冷優(yōu)點是不改變制冷機的空調(diào)工況，但水的蓄冷密度(33.4kJ/kg)，所需蓄冷池體積大，冷量損耗也大。冰蓄冷相變潛熱為334.4kJ/kg，容積大幅減小，這種系統(tǒng)運行管理方便，能為系統(tǒng)提供2℃~4℃的冷凍水，主要缺點是需要較大的制冷量[12]。

表 1.1 幾種主要儲能技術的動態(tài)響應特性