电能储存技术综述

电能储存技术综述 摘要:电能存储技术是实现电能节能使用的有效手段,是目前广受关注的研究领 域。介绍并详细分析了各种电能存储技术的概念和特点;针对电能存储技术的主 要应用领域进行了深入的阐述;展望了电能存储技术的发展趋势和研究重点。 关键词:电能储存技术;能量转换;电力系统; Title: Electrical energy storage technology Abstract: the electrical energy storage technology is the effective means of energy saving electric energy use, is the most popular field of study. Introduces and analyzes the concept and characteristics of all kinds of electrical energy storage technology; the main application fields of electric energy storage technology in detail; the prospect and development trend of electric energy storage technology and research focus. Keywords: electric energy storage technology; energy conversion; power system; 引言:自人类应用电力160 多年来，电力极大地影响了我们的生活。但是，如 何方便经济高效地使用电力，仍然是电力系统中的难题，目前人们还无法实现大 规模的储存电能，因此，电力的生产、输送和消费几乎是同时发生的。 一、各种电能存储技术的简介 (1)抽水蓄能:即把低水位的水泵至高水位的水库中，将电能转换成水的势 能储存起来。待负荷尖峰出现时，再启动水轮发电机组向电网补充电能。物理储 能中最古老、最成熟也是世界应用最普遍的是抽水蓄能，抽水蓄能电站具有两大 特性:一、它既是发电厂，又是用户，抽水储能是在电能过剩的情作用是其他任 何类型发电厂所没有的;二、启动迅速，运行灵活、可靠，对负荷的急剧变化可 做出快速反应。主要用于电力系统的调峰、填谷、调频、调相、紧急事故备用等。 其能量转换效率在70,—75,左右。目前世界范围内抽水蓄能电站总装机容量 ,。其缺点是，这种储能方式造价较高，9000万千瓦，约占全球发电装机容量的3 建设周期较长，而且抽水储能电站的选址又受到地形的限制，建设难度较大。 (2)压缩空气储能:将电网用电低谷的富余电量，由电动机带动空气压缩机， 将空气压入密闭的下洞穴储存起来，即将电能转化为空气的气压内能。当电能富 裕时，通过压缩机将空气压入地下储气体进行储能，当负荷高峰出现时，即由压 缩空气推动涡轮机组发电。但这种储能方式的大容量装置造价极高，建造周期也 长，只有发达的工业国家才能够采用。压缩空气蓄能电站有许多优点:?改进电 网负荷率，提高了经济性，使系统中大型发电机组的负荷波动减小，提高了它们 的可靠性。?和抽水蓄能电站相比，站址选择灵活。它不需建造地面水库，地形 条件容易满足。?压缩机由电网供电的电动机驱动，因此汽轮机的输出功率全部用于发电,其发电功率是常规燃汽轮机电站的3倍。同时由于大量能量储存在空气和燃料中，与抽水蓄能电站相比，有很高的能量密度。?提高了系统的灵活性。压缩空气蓄能电站在压缩空气瞬间即可使用，在无照明的条件下也可以启动而且启动快,3分钟即可从空载达到额定出力，适于作旋转备用。?可以实现模块化。压缩空气蓄能电站可以积木式地组装。一座 220MW的电站可用25,50MW的小型压缩空气蓄能电站积木式地逐年扩建发展。 (3)飞轮储能:飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机械能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能器中没有任何化学活性物质,也没有任何化学反应发生。旋转时的飞轮是纯粹的机械运动,飞轮在转动时的动能为: E =1/2Jω^2 ω为飞轮旋转的角速度. (右图为美国宇航局使用式中: J为飞轮的转动惯量; 的41000RPM飞轮储能装置) 飞轮转动时动能与飞轮的转动惯量成正比。而飞轮的转动惯量又正比于飞轮的直径和飞轮的质量,过于庞大、沉重的飞轮在高速旋转时,会受到极大的离心力作用,往往超过飞轮材料的极限强度,很不安全。因此,用增大飞轮转动惯量的方法来增加飞轮的动能是有限的。 飞轮储能装置中有一个内置电机,它既是电动机也是发电机。在充电时,它作为电动机给飞轮加速;当放电时,它又作为发电机给外设供电,此时飞轮的转速不断下降;而当飞轮空闲运转时,整个装置则以最小损耗运行。轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放电快捷、充放电次数无限以及无污染等有点。适用于电网调频和电能质量保障。 (4)超导线圈储能:是一种电感储能，将直流电以磁场形式储存于超导螺旋管中。曾有一位美国科学家用铅作为材料, 做了一个封闭的圆环, 并把它放在超低温的环境中。接着, 他又將一定量的电流通入铅环, 然后切断电源, 使电流在铅环中没有休止地流动下去。过了几年, 当这位科学家再去测量铅环的电流时, 他惊异地发现, 电流没有明显的减弱。这说明电流在超导中没有损耗，可以长时间的保持下去。于是,科学家设想在地下很深的地方挖一个大坑,在里面充满着超低温的液态氦气, 把超导金属做成的线圈浸没在里面。平时, 可以把多余的电能储存到超导线圈里去, 当需要时, 再把电取出来使用。由于电能没有损耗, 所以能长期地储存下去。应该指出的是，超导体只有在直流情况下才有零电阻现象，若电流随时间变化，将会有功率耗散。 (5)超级电容储能:超级电容包括双电层电容和法拉第准电容。前者是类似普通电容器一样储存电场能，后者实际发生了氧化还原反应，只是其充放电具有电容特性，储存的是化学能。 (6)蓄电池储能:无论是传统的铅酸电池还是先进的NaS和“电池，都发生了电化学变化，显然是化学储能。电池通常是由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。一般常规二次电池如铅酸电池、镉镍电池等都是由固体电极和液体电解质构成，而钠硫电池则与之相反，它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐，由于硫是绝缘体，所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Al2O3的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料。 (7)氢储能:氢储能是燃料电池的主要形式，充放电都是氧化还原反应，也是一种化学储能。除超导和超级电容是直接储存电磁场能量外，其它都是将电能转化为其他能量形式储存的。 二、电能存储技术的主要应用领域 1.电能储存技术在电力系统中的调节作用 电能存储技术的发展源于电力系统上的一个基础性的问题——理论上，电力系统每时每刻的发电量和用电量应该是相等的。这犹如一个盛满水的水槽只有当出水量等于入手量时才能保持水面的平衡，当出水量大于入水量，水槽中的水会不断减少而不能满足出水要求，但是当入水量大于出水量水则会溢出造成巨大的浪费，这里出水量犹如用电量，入水量即发电量。 接下来我们考虑这个理论在实际生产生活中遇到的问题，用电量可能因每天，每小时，季节变化而变化，最一般的情况是白天的用电量往往大于夜晚的用电量，这样即产生了用电量的峰谷值的来回变化，这样的变化是极其复杂的。再反观发电量方面，显而易见的是，发电站发出的发电量不可能自发的去满足复杂多变的用电量的需求，石化燃料电站及核电站均不适合频繁起停。此外，这些电站在固定于某个输出的时候才能达到较高的效率。这就要求发电量必须维持在一定的幅度之内不能有太大的变化。 在发电量和用电量的矛盾之下，为了增进电能的利用效率，使用合适的电能储存系统可以在不增加电网容量投资的基础上，满足负荷高峰时的需求，让大型电站处于连续运行状态，并通过寻找合适的电源方式以在用电低谷的时候吸收电能，用电高峰的时候发出电能以平抑需求和供给的差异的方式被认为是经济性和效率较高的一种简便方式。 2.电能储存技术在自然力发电中的缓存作用 除了在调节发电量和用电量的平衡方面起到极其重要作用之外，电力存储技术单单在发电方面也有关键的作用。 由于受环境影响因素较大，人们很难利用自然资源类型直接进行电力的转换，比如，太阳能，风能，海浪能，潮汐能，这是因为这些能源的发生是间断不均匀 的，如果直接用发电机进行能源的转换则发出的是不均匀，波形差，时断时续的电，很难进行利用，直接输送入电网反而会对电网的稳定造成巨大的影响。为了输出稳定持续可利用的电能，这些类型的能源也必须结合合适的电能存储设备才能充分发挥发电的功效。 电能存储装置收集这些时断时续的电流，存储到一定值之后经过电的调节满足电网要求可以稳定输出电力一段时间后，再送人电网中成为我们日常用电的一部分。电能存储在这样的过程中，起到了缓存电能的作用，使人们可以一定程度的使用上上述那些难利用的自然资源。 参考文献 [1].赵洋， 张逸成， 康丽. 电能储存技术及其应用研究综述 东莞理工学院学报 2013.02 [2].张慧妍，韦统振，齐智平. 超级电容器储能装置研究[J]. 电网技术, 2006 30(8);92-96 [3].傅书遏. 中国智能电网发展建议[J]. 电力系统自动化，2009，33(20):30-32,42 [4].宋金岩. 混合型超级电容器的建模与制备研究[D].大连:大连理工大学,2010