英超卡迪夫城对利物浦:幾種儲能知識的介紹

來源:鉅大LARGE    2019-05-31    點擊量:106

卡迪夫城球场 www.wlvaik.com.cn 從廣義上講,儲能即能量存儲,是指通過一種介質或者設備,把一種能量形式用同一種或者轉換成另一種能量形式存儲起來,基于未來應用需要以特定能量形式釋放出來的循環過程。從狹義上講,針對電能的存儲,儲能是指利用化學或者物理的方法將產生的能量存儲起來并在需要時釋放的一系列技術和措施。

那么,儲能目前在哪些領域應用較多?有多少種儲能方式?

三大儲能領域——電力系統、汽車與家用

在電力系統能源管理領域,儲能技術為抽水蓄能,化學電池中液流可能最先具有商業化條件,其次是鋰離子電池,鉛酸電池還需在技術上進一步提高性能,而鈉硫電池長期被日本壟斷,在我國的商業化應用前景存在較大不確定性。從國外示范研究來看,為穩定電力供給提供均勻的功率輸出,需要配套大約新能源發電容量的20%,并有6-8小時存儲時間的電池儲能系統。預計到2020年,發電側和用電側合計需要7.58億千瓦的儲能設備。

據預測,到2024年,全球儲能系統的安裝容量大約將達45GW/81GWh。雖然與全球發電總裝機容量相比,這部分儲能容量的規模顯得十分微不足道,但電力系統已經因為儲能系統的出現而發生了質的變化。目前來看,電廠級儲能容量主要用于置換效率較低的發電容量。與此同時,快速增長的離網型儲能容量,也勢必將改變消費者與電廠之間的關系。

在電動車領域,具有應用前景的儲能技術,以鋰離子電池為主,鉛酸電池也有一定市場。電動車領域需要4.53億千瓦的儲能設備。全球電動汽車市場規模呈現迅猛發展的態勢,從2011年僅6.80萬輛,增長至2015年的64.30萬輛,年均復合增長率為75.36%。根據真鋰研究的預測,未來隨著新能源汽車續航技術的不斷突破以及核心部件成本的逐步降低,屆時,全球電動汽車市場規模也將迎來新一輪的爆發式增長。

家庭儲能領域,也可以理解為一組為家庭儲存電能的大電池。對于絕大多數中國家庭來說,這還是一個比較陌生的家電產品。目前,全球主要的家庭儲能系統市場在美國和日本。美國人居所的面積通常比較大,家庭用電較多,擁有風、光等新能源發電系統的家庭數量也多。由于用電量比較大,且峰谷電費存在比較大價格差異,儲能系統通常被美國家庭用來在電價低的時段儲存電能并在高電價的時段使用,以達到節省電費的目的。另外,在邊遠地區,以及地震、颶風等自然災害高發的地區,家庭儲能系統被當作應急電源使用,免除由于災害或其他原因導致的頻繁斷電帶來的不便。

5大類、11種儲能技術

一、機械類儲能

機械類儲能的應用形式只要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能。

01抽水蓄能

電網低谷時利用過剩電力將作為液態能量媒體的水從低標高的水庫抽到高標高的水庫,電網峰荷時高標高水庫中的水回流到下水庫推動水輪機發電機發電。

目前,抽水蓄能機組在一個國家總裝機容量中所占比重的世界平均水平為3%左右。截至2012年底,全世界儲能裝置總容量為128GW,其中抽水蓄能為127GW,占99%。截至2016年年底,全國抽水蓄能電站機組容量為5032.5萬千瓦,運行容量2338.5萬千瓦,在建容量2694萬千瓦,約占全國總裝機容量16.5億千瓦的3%。

02飛輪儲能

在一個飛輪儲能系統中,電能用于將一個放在真空外殼內的轉子即一個大質量的由固體材料制成的圓柱體加速(達幾萬轉/分鐘),從而將電能以動能形式儲存起來(利用大轉輪所儲存的慣性能量)。

飛輪儲能多用于工業和UPS中,適用于配電系統運行,以進行頻率調節,可用作一個不帶蓄電池的UPS,當供電電源故障時,快速轉移電源,維持小系統的短時間頻率穩定,以保證電能質量(供電中斷、電壓波動等)。

在我國剛剛開始在配電系統中安裝使用。電科院電力電子研究所曾為北京306醫院安裝了一套容量為250kVA,磁懸浮軸承的飛輪儲能系統,能運行15秒,2008年投運。

03壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能采用空氣作為能量的載體,大型的壓縮空氣儲能利用過剩電力將空氣壓縮并儲存在一個地下的結構(如地下洞穴),當需要時再將壓縮空氣與天然氣混合,燃燒膨脹以推動燃氣輪機發電。

至今,只有德國和美國有投運的壓縮空氣儲能站。德國Hundorf站于1978年投運,壓縮功率60MW,發電功率290MW(后經改造提高到321MW),壓縮時間/發電時間=4,2小時連續運行,啟動過上萬次,啟動可靠率達97%。此外,德國正在建造絕熱型壓縮空氣儲能電站,尚未投運美國Mcintosh,Alabama阿拉巴馬州,1991年投運110MW,壓縮時間/發電時間=1.6,如連續輸出100MW可維持26小時,曾因地質不穩定而發生過坍塌事故。此外,美國正在建設幾座大型的壓縮空氣儲能電站,尚未投運。

近來壓縮空氣儲能的研究和開發熱度在不斷上升,國家電網公司已立項研究10MW壓縮空氣儲能。

二、電氣類儲能

電氣類儲能的應用形式只有超級電容器儲能和超導儲能。

01超級電容器儲能

根據電化學雙電層理論研制而成的,又稱雙電層電容器,兩電荷層的距離非常小(一般0.5mm以下),采用特殊電極結構,使電極表面積成萬倍的增加,從而產生極大的電容量。

超級電容器儲能開發已有50多年的歷史,近二十年來技術進步很快,使它的電容量與傳統電容相比大大增加,達到幾千法拉的量級,而且比功率密度可達到傳統電容的十倍。超級電容器儲能將電能直接儲存在電場中,無能量形式轉換,充放電時間快,適合用于改善電能質量。由于能量密度較低,適合與其他儲能手段聯合使用。

02超導儲能

超導儲能系統是由一個用超導材料制成的、放在一個低溫容器(cryogenicvessel)(杜瓦Dewar)中的線圈、功率調節系統(PCS)和低溫制冷系統等組成。能量以超導線圈中循環流動的直流電流方式儲存在磁場中。

超導儲能適合用于提高電能質量,增加系統阻尼,改善系統穩定性能,特別是用于抑制低頻功率振蕩。但是由于其格昂貴和維護復雜,雖然已有商業性的低溫和高溫超導儲能產品可用,在電網中應用很少,大多是試驗性的。SMES在電力系統中的應用取決于超導技術的發展(特別是材料、低成本、制冷、電力電子等方面技術的發展)。

三、電化學類儲能

電化學類儲能主要包括各種二次電池,有鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池等,這些電池多數技術上比較成熟,近年來成為關注的重點,并且還獲得許多實際應用。

01鉛酸電池

鉛酸電池是世界上應用最廣泛的電池之一。鉛酸電池內的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中,兩極間會產生2V的電勢,這就是鉛酸電池的原理。

鉛酸電池常常用于電力系統的事故電源或備用電源,以往大多數獨立型光伏發電系統配備此類電池。目前有逐漸被其他電池(如鋰離子電池)替代的趨勢。

02鋰離子電池

鋰離子電池實際上是一個鋰離子濃差電池,正負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物構。充電時,Li+從正極脫嵌經過電解質嵌入負極,此時負極處于富鋰態,正極處于貧鋰態;放電時則相反,Li+從負極脫嵌,經過電解質嵌入正極,正極處于富鋰態,負極處于貧鋰態。

由于鋰離子電池在電動汽車、計算機、手機等便攜式和移動設備上的應用,所以它目前幾乎已成為世界上應用最為廣泛的電池。鋰離子電池的能量密度和功率密度都較高,這是它能得到廣泛應用和關注的主要原因。它的技術發展很快,近年來,大規模生產和多場合應用使其價格急速下降,因而在電力系統中的應用也越來越多。鋰離子電池技術仍然在不斷地開發中,目前的研究集中在進一步提高它的使用壽命和安全性,降低成本、以及新的正、負極材料的開發上。

03鈉硫電池

鈉硫電池的陽極由液態的硫組成,陰極由液態的鈉組成,中間隔有陶瓷材料的貝塔鋁管。電池的運行溫度需保持在300℃以上,以使電極處于熔融狀態。

日本的NGK公司是世界上能制造出高性能的鈉硫電池的廠家。目前采用50kW的???,可由多個50kW的??樽槌蒑W級的大容量的電池組件。在日本、德國、法國、美國等地已建有約200多處此類儲能電站,主要用于負荷調平、移峰、改善電能質量和可再生能源發電,電池價格仍然較高。

04全釩液流電池

在液流電池中,能量儲存在溶解于液態電解質的電活性物種中,而液態電解質儲存在電池外部的罐中,用泵將儲存在罐中的電解質打入電池堆棧,并通過電極和薄膜,將電能轉化為化學能,或將化學能轉化為電能。

液流電池有多個體系,其中全釩氧化還原液流電池(vanadiumredoxflowbattery,VRFB)最受關注。這種電池技術最早為澳大利亞新南威爾士大學發明,后技術轉讓給加拿大的VRB公司。在2010年以后被中國的普能公司收購,中國的普能公司的產品在國內外一些試點工程項目中獲得了應用。電池的功率和能量是不相關的,儲存的能量取決于儲存罐的大小,因而可以儲存長達數小時至數天的能量,容量也可達MW級,適合于應用在電力系統中。

四、熱儲能

太陽能路燈鋰電池

在一個熱儲能系統中,熱能被儲存在隔熱容器的媒質中,以后需要時可以被轉化回電能,也可直接利用而不再轉化回電能。

熱儲能有許多不同的技術,可進一步分為顯熱儲存(sensibleheatstorage)和潛熱儲存(latentheatstorage)等。顯熱儲存方式中,用于儲熱的媒質可以是液態的水,熱水可直接使用,也可用于房間的取暖等,運行中熱水的溫度是有變化的。而潛熱儲存是通過相變材料(PhaseChangeMaterials,PCMs)來完成的,該相變材料即為儲存熱能的媒質。

由于熱儲能儲存的熱量可以很大,所以在可再生能源發電的利用上會有一定的作用。熔融鹽常常作為一種相變材料,用于集熱式太陽能熱發電站中。此外,還有許多其他種類的儲熱技術正在開發中,它們有許多不同的作用。

五、化學類儲能

化學類儲能主要是指利用氫或合成天然氣作為二次能源的載體。

利用待棄掉的風電制氫,通過電解水,將水分解為氫氣和氧氣,從而獲得氫。以后可直接用氫作為能量的載體,再將氫與二氧化碳反應成為合成天然氣(甲烷),以合成天然氣作為另一種二次能量載體。

將氫與二氧化碳合成為甲烷的過程也被稱作為P2G技術(powertogas)。德國熱衷于推動此項技術,已有示范項目在德國投入運行。以天然氣為燃料的熱電聯產或冷、熱、電聯產系統已成為分布式發電和微電網的重要組成部分,在智能配電網中發揮著重要的作用,氫和合成天然氣為分布式發電提供了充足的燃料。

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