蔣心澤,董曉文,張 宇,王佳斌

(上海市電力公司技術(shù)與發(fā)展中心,上海 200025)

受發(fā)電設(shè)備固有慣性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性限制,傳統(tǒng)電力供應(yīng)(水電、火電、核電)自身具有大規(guī)模、連續(xù)性、同時(shí)性等特點(diǎn);而用電負(fù)荷具有隨機(jī)性和間斷性,造成了二者間的矛盾,特別是隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)和利用,供電和用電的矛盾將進(jìn)一步加劇。雖然這種矛盾可以通過加強(qiáng)電源和電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)行解決,但是這將導(dǎo)致發(fā)電、輸電和變電設(shè)備的利用效率大大降低,并嚴(yán)重影響一次能源利用的效率和電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。充分利用電力儲能技術(shù),可以提高一次能源和輸變電設(shè)備的利用效率,而大容量的電力儲能技術(shù),一直是電力和電氣行業(yè)長期以來深入研究和要解決的難題之一。電能可以轉(zhuǎn)換為化學(xué)能、勢能、動(dòng)能、電磁能等形態(tài)加以存儲,按照其存儲方式可分為:物理儲能、電磁儲能、化學(xué)儲能等。在這些儲能技術(shù)中,抽水蓄能和壓縮空氣儲能適用于電網(wǎng)調(diào)峰;電池儲能適用于中小規(guī)模儲能和用戶需求側(cè)管理;超導(dǎo)電磁儲能和飛輪儲能適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障;超級電容器儲能適用于電動(dòng)汽車儲能和混合儲能。另外,相變蓄熱技術(shù)在空調(diào)中的應(yīng)用,對于電網(wǎng)調(diào)峰也有很大作用。

1 物理儲能技術(shù)

物理儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能利用水的勢能進(jìn)行儲能,是目前比較成熟的一種大規(guī)模集中式儲能手段。抽水蓄能系統(tǒng)需要上下兩個(gè)水庫和抽水蓄能機(jī)組,其中抽水蓄能機(jī)組兼具發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種功能。當(dāng)用電負(fù)荷處于低谷時(shí),抽水蓄能機(jī)組以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵的方式運(yùn)行,把下水庫的水通過管道抽到上水庫,將電能轉(zhuǎn)化成水的勢能儲存起來;當(dāng)用電負(fù)荷出現(xiàn)高峰時(shí),抽水蓄能機(jī)組以發(fā)電機(jī)的方式運(yùn)行,將上水庫的水通過管道放下來推動(dòng)水輪機(jī),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電供用戶使用。

截止2008年年底,我國9個(gè)省、區(qū)、市已建11座抽水蓄能電站,裝機(jī)容量約為5.7 GW(其中0.6 GW供香港地區(qū)),占全國裝機(jī)容量的1.8%。已建和“十一五”期間在建的抽水蓄能電站,待全部電站投運(yùn)后,除湖北、拉薩外,可調(diào)峰的水電(包括抽水蓄能電站在內(nèi))占電網(wǎng)總?cè)萘?%～7%。

1.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能系統(tǒng)的運(yùn)行方式,分為充氣壓縮循環(huán)和排氣膨脹循環(huán)兩種。當(dāng)夜間低谷負(fù)荷時(shí),采用充氣壓縮循環(huán)運(yùn)行方式,利用多余的電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),將高壓空氣壓入地下儲氣洞里;當(dāng)白天高峰負(fù)荷時(shí),采用排氣膨脹循環(huán)運(yùn)行方式,儲存的壓縮空氣經(jīng)過熱交換器預(yù)熱后進(jìn)入燃燒室補(bǔ)燃,膨脹后驅(qū)動(dòng)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電,見圖1。

圖1 壓縮空氣儲能原理

德國在1978年建成了世界上第1個(gè)壓縮空氣儲能電站,壓縮機(jī)的功率約為60 MW,發(fā)電時(shí)采用天然氣為補(bǔ)燃燃料,輸出功率為2.9 GW;儲能電站的壓縮時(shí)間與發(fā)電時(shí)間之比為4∶1(即壓縮機(jī)每4 h的壓縮空氣量可供1 h發(fā)電用),1次儲能可連續(xù)發(fā)電2 h。在1979—1991年間,機(jī)組共啟動(dòng)了5000多次,可靠率高達(dá)97.6%,儲存效率略高于抽水蓄能。

建設(shè)壓縮空氣儲能系統(tǒng)需要巨大的地下儲氣洞,因此受到地理?xiàng)l件的限制;壓縮空氣儲能系統(tǒng)的運(yùn)行還需配以天然氣或油等燃料,因此儲能系統(tǒng)和技術(shù)復(fù)雜,雖然德國、美國、日本和以色列都已建成示范性電站,但發(fā)展不快。

1.3 飛輪儲能

現(xiàn)代的飛輪儲能系統(tǒng),大多由1個(gè)圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過磁懸浮軸承構(gòu)成的支撐機(jī)構(gòu)組成。采用磁懸浮軸承可以消除摩擦損耗,提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和使用壽命。為了減少風(fēng)阻損耗和提高儲能效率,飛輪系統(tǒng)通常運(yùn)行于真空度較高的環(huán)境中。飛輪與電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組相連,通過電力電子裝置調(diào)節(jié)飛輪轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)儲能裝置與電網(wǎng)之間的功率交換,參見圖2。

圖2 飛輪構(gòu)造

飛輪儲能具有負(fù)荷跟蹤性能、設(shè)備壽命長、維護(hù)少,對環(huán)境幾乎沒有影響,適用于介于短時(shí)儲能和長時(shí)儲能之間的應(yīng)用場合。采用飛輪儲能裝置可以輸出功率為兆瓦級、持續(xù)時(shí)間為數(shù)分鐘或者數(shù)小時(shí)的電能。目前,大功率飛輪儲能系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于航空以及UPS領(lǐng)域。

2 電磁儲能技術(shù)

電磁儲能包括超導(dǎo)線圈和超級電容器等。

2.1 超導(dǎo)線圈

超導(dǎo)儲能(SMES)采用超導(dǎo)體材料制成線圈,利用電流流過線圈產(chǎn)生的電磁場來儲存電能,參見圖3。由于超導(dǎo)線圈的電阻為零,電能儲存在線圈中幾乎無損耗,儲能效率高達(dá)95%。超導(dǎo)儲能裝置結(jié)構(gòu)簡單;沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件和動(dòng)密封問題,因此設(shè)備壽命較長;儲能密度高,可做成較大功率的系統(tǒng);響應(yīng)速度快(1～100 ms),調(diào)節(jié)電壓和頻率快速且容易。不過,目前的超導(dǎo)材料,特別是高溫超導(dǎo)材料的技術(shù)還不成熟,關(guān)鍵技術(shù)還有待于突破。

圖3 超導(dǎo)儲能器的一次系統(tǒng)

2.2 超級電容器

電容儲能用電荷的方式將電能直接儲存在電容器的極板上,充放電快,能量密度高。由于一般的電容器的容量比較小,作為儲能器件以前只能用于間斷性的高壓脈沖電源。超級電容器是一種雙電層電容器,采用極高的介電常數(shù)的電介質(zhì),而且兩電荷層的距離非常小(0.5 mm以下);采用特殊的電極結(jié)構(gòu),電極表面積成萬倍的增加,因此可以用較小體積制成大容量電容器,電容器的容量從微法拉級向法拉級飛躍,儲能大幅度增強(qiáng),最大放電量400～2000 A。超級電容器系列產(chǎn)品在能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,目前超級電容器主要用于改善電能質(zhì)量,或者與其他儲能裝置聯(lián)合使用(如和蓄電池聯(lián)合使用用于電動(dòng)汽車)。超級電容器的電介質(zhì)耐壓很低,一般僅有幾伏,在實(shí)際使用中必須將多個(gè)電容器串聯(lián)使用,這就要求增加充放電的控制回路,使每個(gè)電容器都工作在最佳工況下。

3 電化學(xué)儲能技術(shù)

化學(xué)儲能包括鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池等。

3.1 鉛酸電池

鉛酸蓄電池采用二氧化鉛和海綿狀金屬鉛作為為正、負(fù)極將硫酸溶液作為電解質(zhì),結(jié)構(gòu)緊湊、密封良好、抗震動(dòng),電池壽命較長,制造及維護(hù)成本低,而且電池失效后的回收利用技術(shù)比較成熟,回收利用率高。

鉛酸蓄電池的比容量比較高,可以長期在浮充狀態(tài)下使用,無“記憶效應(yīng)”(淺循環(huán)工作時(shí)容量損失),在25℃下的每月自放電率小于2%,大電流性能和高低溫性能較好(可在-40～50℃內(nèi)使用)。鉛酸蓄電池已有140多年的應(yīng)用歷史,特別是近幾十年來,隨著電池性能的改進(jìn)和成本的降低,鉛酸電池的應(yīng)用穩(wěn)居各種化學(xué)電源的首位。目前,作為車用輔助電源、電動(dòng)車用電源、不間斷電源、軍用電源、電力系統(tǒng)負(fù)荷均衡的儲能電源等,在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2 鈉硫電池

鈉硫電池是一種新型的化學(xué)電池,這種電池用鈉材料作為陽極,用硫材料作為陰極,用Beta-氧化鋁陶瓷作為電解質(zhì),同時(shí)在電池結(jié)構(gòu)中起到隔膜的作用(參見圖4)。

圖4 鈉硫電池原理

鈉硫電池的比能量較高,理論上的比能量為0.76 kWh/kg,實(shí)際應(yīng)用中比能量已經(jīng)大于0.1 kWh/kg,是普通鉛酸電池的3～4倍;可大電流、高功率放電,放電電流密度目前可以達(dá)到200～300mA/cm2。鈉硫電池采用固體電解質(zhì),沒有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電現(xiàn)象,充放電效率高。鈉硫電池的原材料資源豐富,能量密度和轉(zhuǎn)換效率高,既可以用于功率型儲能又可以用于能量型儲能。

我國是世界上第2個(gè)掌握鈉硫核心技術(shù)的國家,中科院上海硅酸鹽研究所和上海市電力公司合作開展的大容量鈉硫儲能電池項(xiàng)目,已完成了2MW中試,建設(shè)在上海嘉定區(qū)白銀站的100 kW/ 800 kWh鈉硫電池儲能示范項(xiàng)目也已成功運(yùn)行。

目前,鈉硫電池還存在一些不足。例如鈉硫電池要在350℃熔解硫和鈉時(shí)運(yùn)行,必須配置1套附加供熱設(shè)備來維持溫度;鈉硫電池的正、負(fù)極活性物具有強(qiáng)腐蝕性,對電池材料、電池結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件的要求十分苛刻,今后的發(fā)展目標(biāo)和任務(wù)是繼續(xù)降低成本、提高電池系統(tǒng)的安全性。

3.3 液流電池

液流電池(Flow Redox Battery)或稱氧化還原液流電池,是一種采用液態(tài)正負(fù)極活性物作為氧化還原電對的電池。典型的液流電池,如全釩液流電池,其工作原理參見圖5。

圖5 全釩液流電池的工作原理

液流電池的輸出功率取決于電池堆的大小,儲能容量取決于電解液的量和濃度。由于液流電池的活性物存在于液體中,故充放電時(shí)不會發(fā)生其他電池常有的固相變化及形貌的改變,電池可超深度放電(100%)。目前,液流電池部件多為廉價(jià)的碳材料和工程塑料,使用壽命長、材料來源豐富、加工技術(shù)成熟,電池報(bào)廢后易于回收處理。

3.4 鋰離子電池

鋰離子電池的儲能密度高、儲能效率高和循環(huán)壽命長,近年來成本不斷降低,應(yīng)用越來越廣。目前鋰離子電池除了大量用于移動(dòng)設(shè)備的電源外,也開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)。從2009年開始,美國電科院(EPRI)開展了2 kW/4 kWh,50 kW/ 200 kWh和100 kW/400 kWh級鋰離子電池用于分布式儲能的研究和開發(fā),以及兆瓦級鋰離子電池儲能系統(tǒng)用于電力系統(tǒng)頻率、電壓控制以及平滑風(fēng)電等示范應(yīng)用,取得很大成果。

我國是鋰離子電池生產(chǎn)大國,目前十分注重鋰離子電池儲能在電力系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的研究與開發(fā)。2009年7月,我國第1座兆瓦級LiFePO4鋰離子電池儲能電站在深圳投運(yùn),用于平抑峰值負(fù)荷以及光伏電站的穩(wěn)定輸出;2008年,中國電力科學(xué)研究院建立電池特性實(shí)驗(yàn)室,重點(diǎn)圍繞鋰離子電池組成技術(shù)、鋰離子電池系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與測試技術(shù)、鋰離子電池儲能系統(tǒng)集成技術(shù)、鋰離子電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用和接入條件開展相關(guān)研究工作。

4 無機(jī)鹽相變儲能技術(shù)

相變儲能是一種利用材料在相變是吸收熱或放出熱來儲能或釋能的蓄能方式,相變材料可以是有機(jī)的也可以是無機(jī)的,近年來對無機(jī)鹽高溫相變儲能的研究越來越廣泛和深入,許多研究人員對大量潛在的無機(jī)鹽高溫相變儲能材料的熱物性及其測量進(jìn)行了研究,同時(shí)對無機(jī)鹽高溫相變材料的封裝和無機(jī)鹽高溫相變復(fù)合材料也進(jìn)行了有意義的探索。

4.1 固-液型無機(jī)鹽高溫相變儲能材料

目前,固-液無機(jī)鹽高溫相變材料主要為高溫熔融鹽和堿性混合鹽。其中高溫熔融鹽主要有氟化物、氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽等,相變溫度從幾百攝氏度到幾千攝氏度,相變潛熱較大,例如 LiH相對分子質(zhì)量小而熔化熱大(2840 J/g),不過此類鹽價(jià)格昂貴、對設(shè)備要求高,一般只用于航天航空等特殊場合。堿性混合鹽相變材料中的堿類化合物比熱容高、熔化熱大、穩(wěn)定性好,而且高溫下蒸氣壓力很低,價(jià)格也很便宜,因此是一種較好的中高溫儲能物質(zhì),例如NaOH在287℃和318℃均有相變,比潛熱達(dá)330 J/g,在美國和日本已試用于采暖和制冷方面。固-液無機(jī)鹽高溫相變材料中的混合鹽類化合物熔化熱大、熔化時(shí)體積變化小、傳熱較好,特別是可以根據(jù)需要把不同的鹽配制成相變溫度從幾百攝氏度至上千攝氏度的儲能材料,熔融溫度可調(diào)有利于應(yīng)用領(lǐng)域的開拓。

4.2 固-固型無機(jī)鹽高溫相變儲能材料

無機(jī)鹽高溫相變儲能材料已研究過的有NH 4 SCN和KHF2等物質(zhì)。其中KHF2的熔化溫度為196℃,熔化熱為142 kJ/kg;NH4SCN從室溫加熱到150℃發(fā)生相變時(shí),沒有液相生成,而且相變熱較大、相變溫度范圍寬、過冷程度輕、穩(wěn)定性好、不腐蝕,是一種很有發(fā)展前途的儲能材料。

4.3 復(fù)合型無機(jī)鹽高溫相變儲能材料

復(fù)合型高溫相變儲能材采用多種無機(jī)物相變儲能材料組合而成,可以有效克服單一的無機(jī)物相變儲能材料存在的缺點(diǎn),完善材料的應(yīng)用效果拓展應(yīng)用范圍,目前已成為儲能材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題之一。目前已研究的無機(jī)鹽高溫復(fù)合相變材料主要有金屬基/無機(jī)鹽相變復(fù)合材料、無機(jī)鹽/陶瓷基相變復(fù)合材料和多孔石墨基/無機(jī)鹽相變復(fù)合材料。其中金屬基/無機(jī)鹽相變復(fù)合材料中的金屬基主要包括鋁基(泡沫鋁)和鎳基等,儲能材料主要有各類熔融鹽和堿。無機(jī)鹽/陶瓷基相變復(fù)合材料由多微孔陶瓷基體和分布在基本微孔網(wǎng)絡(luò)中的相變材料(無機(jī)鹽)復(fù)合而成,毛細(xì)管張力作用可以使無機(jī)鹽熔化后保存在微孔內(nèi),在蓄熱過程中可以同時(shí)利用陶瓷基材料的顯熱和無機(jī)鹽的相變潛熱,蓄熱溫度隨復(fù)合的無機(jī)鹽種類可以在為450～1100℃范圍變化。無機(jī)鹽/陶瓷機(jī)復(fù)合儲能材料的概念是20世紀(jì)80年代末提出的,以后成為高溫儲能材料的研究方向之一,目前研究的有Na2 CO3-BaCO3/M gO,Na2 SO4/SiO2和NaNO3-NaNO2/M gO三種。其中,Na2 SO4/SiO2的相變潛熱和比熱容最大,相變溫度也比另兩種高得多,因此使用范圍更加廣。多孔石墨基/無機(jī)鹽相變復(fù)合材料利用天然礦物本身具有孔洞結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),經(jīng)過特殊的工藝處理與相變材料復(fù)合。如膨脹石墨層間可以浸漬或擠壓迷熔融鹽等相變材料。

5 結(jié)語

21世紀(jì)的電力系統(tǒng)以綠色、高效、靈活和可靠作為建設(shè)目標(biāo),電能儲存技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要措施之一,在提高電能質(zhì)量和供電可靠性方面可發(fā)揮重要的作用。電能儲存技術(shù)的削峰填谷能力,是發(fā)電能力不穩(wěn)定的風(fēng)能、太陽能等可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)的技術(shù)前提。應(yīng)用電能儲存技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)峰,可以減少在尖峰負(fù)荷時(shí)使用石油天然氣調(diào)峰發(fā)電等昂貴資源的消耗,提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)最大限度地節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境。

安裝于電網(wǎng)合適位置的電能儲存裝置,可以在事故起始階段迅速對因送電通道破壞或其他原因造成的電力不平衡加以補(bǔ)償,避免或者延緩故障的發(fā)生,為電網(wǎng)贏得寶貴的電力調(diào)度時(shí)間,可以留出時(shí)間采取必要的措施防止系統(tǒng)崩潰,避免或者減少電網(wǎng)事故帶來的各種損失。

儲能技術(shù)的發(fā)展是完善目前電力系統(tǒng)的需要,特別是發(fā)展可再生能源發(fā)電的需要,促進(jìn)電力儲能技術(shù)的進(jìn)步、提高儲能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性,是今后世界各國電力建設(shè)的重要課題之一。發(fā)展儲能技術(shù)對于我國的電力事業(yè)來說,既是一種挑戰(zhàn),也是一種機(jī)遇。我國政府非常關(guān)注儲能技術(shù)的發(fā)展,各種儲能技術(shù)發(fā)展很快,許多成果處在世界領(lǐng)先水平,我國的儲能技術(shù)有望走在世界的前列。