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分布式发电储能技术

为了提高能源利用率和改善系统的热经济性,在分布式发电中往往加入储能装置。分布式发电中的储能技术主要有:蓄电池储能、超导储能、超级电容器储能、飞轮储能、压缩空气储能和抽水蓄能等,通常将分布式发电技术和储能技术合称为“分布式电源”。

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适用于分布式发电的储能技术比较

分布式发电,一般指为满足用户特定的需要、支持现存配电网的经济运行或同时满足这两方面的要求,且在用 户现场或靠近用户现场配置功率为数千瓦到50 MW的小 型且与环境兼容的发电机组;从更广泛的定义来看,分布 式发电指的是任何安装在用户附近的发电设施,包含热电 联产、冷热电联产以及各种蓄能技术等,而不论这种发电形式的规模大小和一次能源的使用类型[1]

分布式发电技术有多种分类方式,按发电能源是否可以再生分为两大类 :一类利用可再生能源,主要包括风 力发电、太阳能光伏、小水电、地热能、生物质能、海洋 能等发电形式;另一类利用不可再生能源,主要包括热电联产、微型燃气轮机、燃料电池等发电形式。其中的风力发电和太阳能光伏技术,具有的波动性、随机性、间歇性 成为制约新能源并网的关键问题,而储能技术则是解决这 一问题的有效手段。

目前储能技术在全球范围得到关注,取得了迅速的发展,储能在分布式发电中起的作用可概括为三个方面[3]: 对系统起稳定的作用;适量的储能可以在分布式发电单元不能正常运行的情况下起过渡作用;储能使得不可调度的 分布式发电单元能够作为可调度机组单元运行,实现与大 电网的并网运行,提供削峰、紧急功率支持等服务。

1.适用于分布式发电的储能技术

储能技术具有极高的战略地位,长期以来世界各国都在一直不断支持储能技术研究和应用,并给予大力的财政 资助。可用于分布式发电的储能方式主要有电池储能、抽 水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超导储能。超导储能 目前受制于技术的进步,短期内看不到大规模应用的前景;飞轮储能转换效率较低,大功率飞轮实现难度大;压 缩空气储能对安全要求较高,实现存在一定难度。国内主要倡导的是抽水蓄能和电池储能。抽水蓄能电站技术成 熟、存储容量大、运行寿命长,适宜于电力系统的大容量 储能,但是受水资源和地理条件的限制。因此,电池储能 的技术研究是目前分布式发电领域研究热点之一。

1.1 钠硫电池

钠硫电池由美国福特(Ford)公司于1967年首先发 明,至今已有40多年的历史。然而,受困于电池的性能提 升、安全可靠性保障技术、成本以及规模化生产的工艺和 装备技术,尤其是核心部件氧化铝陶瓷管(在电池中起隔 膜作用)的制造及保持电池一致性的批量化生产工艺,使 世界上多家曾经涉足过钠硫电池研发的公司陆续退出。

1.2 液流电池

液流电池全称为全钒离子氧化还原液流电池,液流电池中的两个氧化-还原电对的活性物质,分别装在两个大 储液罐中的溶液中,各用一个泵,使溶液流经电池,并在 离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应。单电池通过双极板串联成堆。钒液流电池作为储能电源,主要 用于电厂(电站) 调峰电源系统、大规模的光电转换系统、风能发电的储能电源以及边远地区储能系统、不间断 电源或应急电源系统等。

1.3 镍氢电池

作为碱性电池的镍氢电池与铅酸电池比较,具有容量大、结构坚固、充放循环次数多的特点,但价格也高一 些。镍氢电池是新型环保的二次碱性电池,正极材料为羟 基氧化镍,负极材料为储氢合金粉,不含铅、铬、汞等有 毒物质。镍氢电池是密封免维护电池,正常使用过程中也不会产生任何有害物质。

1.4 锂离子电池

锂离子电池是新型绿色环保蓄电池,主要结构分为正极、负极、电解液、隔膜。当放电时,锂离子从负极释放 出进入正极,充电时,锂离子从正极释放进入负极。锂离 子电池按正极材料分类主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、 三元材料、磷酸亚铁锂等。各种系列锂电池特性比较如下:磷酸亚铁锂,因为高放电功率、成本低、可快速充电 且循环寿命长(1000次以上),在高温高热环境下的稳定

性高(300℃高温以上才有安全隐患),在大容量、高功 率、安全性方面表现出最佳的性能;三元材料是钴锰镍混 合材料,所表现出的电化学性能兼备了钴锰镍三者的优 点,弥补了各自的不足,具有高比容量、成本较低、循环性能稳定、安全性能较好等特点,多在小型功率型电池设 计中采用;锰酸锂安全性比钴酸锂高,但高温环境的循环 寿命较差(500);钴酸锂容量较高,最大的问题是安 全性差、成本高、循环寿命短。

2.各种电池储能优缺点及应用现状

2.1 钠硫电池

钠硫电池最早发明于20世纪60年代中期,以钠和硫分 别用作阳极和阴极,Beta-氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解 质的双重作用。

钠硫电池优点:比能量高;可大电流、高功率放电; 充放电效率高。缺点:工作温度较高(300350 ); 充电状态只能用平均值计量,需要周期性的离线度量;由 于硫具有腐蚀性,电池壳体需经过严格耐腐处理;技术受 国外垄断。

目前,全球只有日本NGK拥有成熟的钠硫电池生产 和研发体系,在市场上也有成熟的应用业绩。我国在大容 量钠硫电池关键技术和小批量制备(年产2MW)上也取 得了突破,但在生产工艺、重大装备、成本控制和满足市 场需求等方面仍存在明显不足。上海市电力公司与上海硅酸盐所联合开发储能钠硫电池,已建立了钠硫电池的2 MW中试线,并制备了650Ah的钠硫单体电池样品,但是在循环寿命、充放倍率、生产成本等关键性能指标上距离 NGK仍然有较大的差距。

2.2 液流电池

液流电池优点:电池的功率和储能容量可以独立设计,电池系统组装设计灵活;电池系统可高功率输出;电 池系统易于维护,安全稳定;环境友好;可超深度放电 (100%)而不引起电池的不可逆损伤;响应速度快。缺 点是:需要额外的动力电源维持电池的正常运行,降低了 其整体的能量效率;电解液易泄露,需事故预防;液流电 池的造价较高,与铁锂电池相比性价比差。

液流电池最早由美国航空航天局(NASA)资助研 发,澳大利亚的Pinnacle VRB Ltd公司及加拿大的VRB Power Systems公司在大型液流电池储能系统(VRBESS)的开发上走在世界前列。我国研究始于20世纪90年 代,中国科学院大连物化所、中国工程物理研究院电子工 程研究所、中国科学院金属研究所和中南大学等先后加入到VRB的研究中来。2006年,中国科学院大连物化研制 成功10kWVRB系统,但钒电解液和隔膜的高成本阻碍 其商业化推广。

2.3 镍氢电池

镍氢电池优点:具有较高的容量、结构坚固、充放循环次数多的特点;镍氢电池是密封免维护电池,不含铅、 铬、汞等有毒物质,正常使用过程中也不会产生任何有害 物质,镍氢电池具有较好的低温放电特性,自放电率很小,可深度放电,价格相对便宜且普及。缺点是:有记忆 效应,能量密度低,充电速度较慢,原材料制造成本较 高。

1982年美国Ovonic公司申请储氢合金用于电池制造的 专利,1985年荷兰的飞利浦公司突破了储氢合金在充放电过程中容量衰减的问题,使镍氢电池广泛应用。在美国和 日本,镍氢电池技术主要应用于混合动力汽车领域。日本 松下电池公司是从事电动车用镍氢电池开发的主要代表性 厂家,不但开发了纯电池电动车用的EV型电池组,还开 发了供汽油机—电池混合动力源的HEV用的高功率型镍 氢电池。

在国家863计划的推动下,国内镍氢电池产业得到了 较大的发展,目前单体电池的技术指标与国外的相差不 大,但一致性和循环寿命与国外有一定差距,特别是集成大规模电池组后各项指标相差较大。北京有色金属总院进 行了电动车用方形镍氢电池的研究试验,共涉及1044 80100Ah四种单体电池,比能量分别为55586067 Wh/kg。由镍氢电池整合而成的电池电源系统已在国内一 汽、二汽、上海汽车工业集团、上海磁悬浮样车的备用电 源上广泛使用,包括北京2008年奥运会中标企业在内的国 内混合电动车企业大都采用镍氢蓄电池作为电源。目前, 国内已在上海市电力公司建设的100 kW储能试验园区内 建立了100 kW×1.5 h的镍氢电池储能系统,整个系统含 100kW×1.5h镍氢电池、120kVAPCS和专门开发的储能 用监控系统组成。

由于使用大量有色金属镍和稀土元素,镍氢电池制造成本相对较高,与锂离子电池相比,比能量较低,正逐渐 被锂离子电池所替代。

2.4 锂离子电池

锂离子电池不仅具备高比能量、高比功率、高能量转换效率等优点,而且兼具长循环寿命。锂离子动力电池是 电动技术产业兴起的关键,现已广泛应用于电动自行车、 电动汽车等领域,成本也在逐年下降,磷酸亚铁锂、钛酸 RURAL ELECTRIFICATION 锂等新材料的开发和应用,大大改善了锂离子电池的安全 性和循环寿命,从而可能将锂离子电池用于更大规模的储能。目前饱受困扰的则是有的体系安全性稍差,价格还较高。相对于其他体系锂电池,磷酸亚铁锂电池是最有希望 的储能电池。磷酸亚铁锂材料的单位价格不高,其成本在几种电池材料中是最低的,而且对环境无污染。磷酸亚铁锂比其他材料的体积要大,成本低,适合大型储能系统。

目前,高功率锂离子电池储能技术日益成熟,逐步取代镍氢电池在动力车应用的部分市场。美国能源部DOE USABC已支持了3代动力锂离子电池的研发。USABC 20072月发布了油电混合动力(PHEV)研究目标, 计划开发高比功率/能量型(比功率为500W/kg,比能量为56.7Wh/kg)和高比能/功率型(比能量为96.7Wh/kg, 比功率为208.3 W/kg)两类锂离子电池组,两类电池寿 命均要求15/30万次,同时对价格、高低温性能提出要求。

3.结论

储能技术的不断发展,会促使分布式发电系统更快地发展。同时,分布式发电与储能技术的结合大大提高了系 统的能源利用率,改善系统的稳定性、可靠性以及经济 性。该文在简单分析了各种可用于分布式发电的各种储能 技术之后,重点对比研究了各种电池储能技术,认为锂离子电池储能系统是目前最有发展前景、最有应用优势的储 能方式,随着锂离子电池技术的完善和成本下降,锂离子 电池储能系统的应用优势将更为明显。

 

来源:国家能源网
 

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