電力能源轉換與儲存技術(2)電力能源的儲存技術

蔣心澤,董曉文,張 宇,王佳斌

(上海市電力公司技術與發展中心,上海 200025)

受發電設備固有慣性和運行經濟性限制,傳統電力供應(水電、火電、核電)自身具有大規模、連續性、同時性等特點;而用電負荷具有隨機性和間斷性,造成了二者間的矛盾,特別是隨著風電、光伏發電的大規模開發和利用,供電和用電的矛盾將進一步加劇。雖然這種矛盾可以通過加強電源和電網建設進行解決,但是這將導致發電、輸電和變電設備的利用效率大大降低,并嚴重影響一次能源利用的效率和電廠運行的經濟性。充分利用電力儲能技術,可以提高一次能源和輸變電設備的利用效率,而大容量的電力儲能技術,一直是電力和電氣行業長期以來深入研究和要解決的難題之一。電能可以轉換為化學能、勢能、動能、電磁能等形態加以存儲,按照其存儲方式可分為:物理儲能、電磁儲能、化學儲能等。在這些儲能技術中,抽水蓄能和壓縮空氣儲能適用于電網調峰;電池儲能適用于中小規模儲能和用戶需求側管理;超導電磁儲能和飛輪儲能適用于電網調頻和電能質量保障;超級電容器儲能適用于電動汽車儲能和混合儲能。另外,相變蓄熱技術在空調中的應用,對于電網調峰也有很大作用。

1 物理儲能技術

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行儲能,是目前比較成熟的一種大規模集中式儲能手段。抽水蓄能系統需要上下兩個水庫和抽水蓄能機組,其中抽水蓄能機組兼具發電機和電動機兩種功能。當用電負荷處于低谷時,抽水蓄能機組以電動機帶動水泵的方式運行,把下水庫的水通過管道抽到上水庫,將電能轉化成水的勢能儲存起來;當用電負荷出現高峰時,抽水蓄能機組以發電機的方式運行,將上水庫的水通過管道放下來推動水輪機,帶動發電機發電供用戶使用。

截止2008年年底,我國9個省、區、市已建11座抽水蓄能電站,裝機容量約為5.7 GW(其中0.6 GW供香港地區),占全國裝機容量的1.8%。已建和“十一五”期間在建的抽水蓄能電站,待全部電站投運后,除湖北、拉薩外,可調峰的水電(包括抽水蓄能電站在內)占電網總容量3%～7%。

1.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能系統的運行方式,分為充氣壓縮循環和排氣膨脹循環兩種。當夜間低谷負荷時,采用充氣壓縮循環運行方式,利用多余的電力驅動壓縮機,將高壓空氣壓入地下儲氣洞里;當白天高峰負荷時,采用排氣膨脹循環運行方式,儲存的壓縮空氣經過熱交換器預熱后進入燃燒室補燃,膨脹后驅動燃氣發電機組發電,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個壓縮空氣儲能電站,壓縮機的功率約為60 MW,發電時采用天然氣為補燃燃料,輸出功率為2.9 GW;儲能電站的壓縮時間與發電時間之比為4∶1(即壓縮機每4 h的壓縮空氣量可供1 h發電用),1次儲能可連續發電2 h。在1979—1991年間,機組共啟動了5000多次,可靠率高達97.6%,儲存效率略高于抽水蓄能。

建設壓縮空氣儲能系統需要巨大的地下儲氣洞,因此受到地理條件的限制;壓縮空氣儲能系統的運行還需配以天然氣或油等燃料,因此儲能系統和技術復雜,雖然德國、美國、日本和以色列都已建成示范性電站,但發展不快。

1.3 飛輪儲能

現代的飛輪儲能系統,大多由1個圓柱形旋轉質量塊和通過磁懸浮軸承構成的支撐機構組成。采用磁懸浮軸承可以消除摩擦損耗,提高系統的運行效率和使用壽命。為了減少風阻損耗和提高儲能效率,飛輪系統通常運行于真空度較高的環境中。飛輪與電動機/發電機組相連,通過電力電子裝置調節飛輪轉速,實現儲能裝置與電網之間的功率交換,參見圖2。

圖2 飛輪構造

飛輪儲能具有負荷跟蹤性能、設備壽命長、維護少,對環境幾乎沒有影響,適用于介于短時儲能和長時儲能之間的應用場合。采用飛輪儲能裝置可以輸出功率為兆瓦級、持續時間為數分鐘或者數小時的電能。目前,大功率飛輪儲能系統已經成功地應用于航空以及UPS領域。

2 電磁儲能技術

電磁儲能包括超導線圈和超級電容器等。

2.1 超導線圈

超導儲能(SMES)采用超導體材料制成線圈,利用電流流過線圈產生的電磁場來儲存電能,參見圖3。由于超導線圈的電阻為零,電能儲存在線圈中幾乎無損耗,儲能效率高達95%。超導儲能裝置結構簡單;沒有旋轉機械部件和動密封問題,因此設備壽命較長;儲能密度高,可做成較大功率的系統;響應速度快(1～100 ms),調節電壓和頻率快速且容易。不過,目前的超導材料,特別是高溫超導材料的技術還不成熟,關鍵技術還有待于突破。

圖3 超導儲能器的一次系統

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的電介質,而且兩電荷層的距離非常小(0.5 mm以下);采用特殊的電極結構,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,最大放電量400～2000 A。超級電容器系列產品在能源領域具有廣泛的應用前景,目前超級電容器主要用于改善電能質量,或者與其他儲能裝置聯合使用(如和蓄電池聯合使用用于電動汽車)。超級電容器的電介質耐壓很低,一般僅有幾伏,在實際使用中必須將多個電容器串聯使用,這就要求增加充放電的控制回路,使每個電容器都工作在最佳工況下。

3 電化學儲能技術

化學儲能包括鉛酸電池、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、負極將硫酸溶液作為電解質,結構緊湊、密封良好、抗震動,電池壽命較長,制造及維護成本低,而且電池失效后的回收利用技術比較成熟,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下使用,無“記憶效應”(淺循環工作時容量損失),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℃內使用)。鉛酸蓄電池已有140多年的應用歷史,特別是近幾十年來,隨著電池性能的改進和成本的降低,鉛酸電池的應用穩居各種化學電源的首位。目前,作為車用輔助電源、電動車用電源、不間斷電源、軍用電源、電力系統負荷均衡的儲能電源等,在各個行業得到了廣泛的應用。

3.2 鈉硫電池

鈉硫電池是一種新型的化學電池,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,同時在電池結構中起到隔膜的作用(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,實際應用中比能量已經大于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到200～300mA/cm2。鈉硫電池采用固體電解質,沒有通常采用液體電解質二次電池的那種自放電現象,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個掌握鈉硫核心技術的國家,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目,已完成了2MW中試,建設在上海嘉定區白銀站的100 kW/ 800 kWh鈉硫電池儲能示范項目也已成功運行。

目前,鈉硫電池還存在一些不足。例如鈉硫電池要在350℃熔解硫和鈉時運行,必須配置1套附加供熱設備來維持溫度;鈉硫電池的正、負極活性物具有強腐蝕性,對電池材料、電池結構及運行條件的要求十分苛刻,今后的發展目標和任務是繼續降低成本、提高電池系統的安全性。

3.3 液流電池

液流電池(Flow Redox Battery)或稱氧化還原液流電池,是一種采用液態正負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,故充放電時不會發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的碳材料和工程塑料,使用壽命長、材料來源豐富、加工技術成熟,電池報廢后易于回收處理。

3.4 鋰離子電池

鋰離子電池的儲能密度高、儲能效率高和循環壽命長,近年來成本不斷降低,應用越來越廣。目前鋰離子電池除了大量用于移動設備的電源外,也開始應用于電力系統。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,以及兆瓦級鋰離子電池儲能系統用于電力系統頻率、電壓控制以及平滑風電等示范應用,取得很大成果。

我國是鋰離子電池生產大國,目前十分注重鋰離子電池儲能在電力系統應用技術的研究與開發。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,用于平抑峰值負荷以及光伏電站的穩定輸出;2008年,中國電力科學研究院建立電池特性實驗室,重點圍繞鋰離子電池組成技術、鋰離子電池系統的實驗與測試技術、鋰離子電池儲能系統集成技術、鋰離子電池儲能系統的應用和接入條件開展相關研究工作。

4 無機鹽相變儲能技術

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的也可以是無機的,近年來對無機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鹽高溫相變儲能材料的熱物性及其測量進行了研究,同時對無機鹽高溫相變材料的封裝和無機鹽高溫相變復合材料也進行了有意義的探索。

4.1 固-液型無機鹽高溫相變儲能材料

目前,固-液無機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相對分子質量小而熔化熱大(2840 J/g),不過此類鹽價格昂貴、對設備要求高,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、穩定性好,而且高溫下蒸氣壓力很低,價格也很便宜,因此是一種較好的中高溫儲能物質,例如NaOH在287℃和318℃均有相變,比潛熱達330 J/g,在美國和日本已試用于采暖和制冷方面。固-液無機鹽高溫相變材料中的混合鹽類化合物熔化熱大、熔化時體積變化小、傳熱較好,特別是可以根據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,熔融溫度可調有利于應用領域的開拓。

4.2 固-固型無機鹽高溫相變儲能材料

無機鹽高溫相變儲能材料已研究過的有NH 4 SCN和KHF2等物質。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℃發生相變時,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、穩定性好、不腐蝕,是一種很有發展前途的儲能材料。

4.3 復合型無機鹽高溫相變儲能材料

復合型高溫相變儲能材采用多種無機物相變儲能材料組合而成,可以有效克服單一的無機物相變儲能材料存在的缺點,完善材料的應用效果拓展應用范圍,目前已成為儲能材料領域的熱點研究課題之一。目前已研究的無機鹽高溫復合相變材料主要有金屬基/無機鹽相變復合材料、無機鹽/陶瓷基相變復合材料和多孔石墨基/無機鹽相變復合材料。其中金屬基/無機鹽相變復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。無機鹽/陶瓷基相變復合材料由多微孔陶瓷基體和分布在基本微孔網絡中的相變材料(無機鹽)復合而成,毛細管張力作用可以使無機鹽熔化后保存在微孔內,在蓄熱過程中可以同時利用陶瓷基材料的顯熱和無機鹽的相變潛熱,蓄熱溫度隨復合的無機鹽種類可以在為450～1100℃范圍變化。無機鹽/陶瓷機復合儲能材料的概念是20世紀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/無機鹽相變復合材料利用天然礦物本身具有孔洞結構的特點,經過特殊的工藝處理與相變材料復合。如膨脹石墨層間可以浸漬或擠壓迷熔融鹽等相變材料。

5 結語

21世紀的電力系統以綠色、高效、靈活和可靠作為建設目標,電能儲存技術是實現這一目標的重要措施之一,在提高電能質量和供電可靠性方面可發揮重要的作用。電能儲存技術的削峰填谷能力,是發電能力不穩定的風能、太陽能等可再生能源大規模并網的技術前提。應用電能儲存技術實現調峰,可以減少在尖峰負荷時使用石油天然氣調峰發電等昂貴資源的消耗,提高電力系統的經濟性,同時最大限度地節約能源和保護環境。

安裝于電網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償,避免或者延緩故障的發生,為電網贏得寶貴的電力調度時間,可以留出時間采取必要的措施防止系統崩潰,避免或者減少電網事故帶來的各種損失。

儲能技術的發展是完善目前電力系統的需要,特別是發展可再生能源發電的需要,促進電力儲能技術的進步、提高儲能技術的經濟性,是今后世界各國電力建設的重要課題之一。發展儲能技術對于我國的電力事業來說,既是一種挑戰,也是一種機遇。我國政府非常關注儲能技術的發展,各種儲能技術發展很快,許多成果處在世界領先水平,我國的儲能技術有望走在世界的前列。