储能技术 配套课件

目录 第1章储能概述第2章抽水蓄能第3章压缩空气储能第4章电化学储能第5章氢储能第6章储热技术第7章飞轮、超导与超级电容器第8章储能电站运行控制第9章储能经济性分析 第1章储能概述 □储能的概念□储能的作用□储能的分类□储能发展简史□未来储能发展动向□我国储能现状及挑战□本书主要内容□总结与展望 1.1储能的概念 □广义的储能 从广义上讲，储能即能量存储，具体是指通过某种介质或设备，将一种能量用相同或不同形式的能量存储起来，在某一时刻再根据需要以特定的形式进行释放的过程。 广义的储能包括一次能源（原煤、原油、天然气、核能、太阳能、水能和风能等）、二次能源（电能、氢能、煤气和汽油等）和热能等各种形式的能量的存储。 □狭义的储能 从狭义上讲，储能是指利用机械、电气、化学等的方式将能量存储起来的一系列技术和措施。 本书介绍的储电、储热和储氢即属于狭义的储能。 1.1储能的概念 □储能的基本特性 1)存储容量。顾名思义，存储容量是指储能系统所能存储的有效能量，主要用于描述储能系统对能量的存储能力。 2)实际使用能量。实际使用能量是指储能系统在应用过程中所能释放的有效能量，主要用于描述储能系统对能量的释放能力。 3)能量转换效率。能量转换效率是指储能系统在完成某次充放电循环后，所能释放的有效能量与所能存储的有效能量的比值。由于能量在存储过程中会产生损耗，能量转换效率小于1。 4)能量密度。从质量或体积的角度，能量密度可分为质量能量密度与体积能量密度，分别对应单位质量或体积的储能系统所能存储的有效能量。 1.1储能的概念 □储能的基本特性 5)功率密度。与能量密度类似，功率密度可分为质量功率密度与体积功率密度，分别对应单位质量或体积的储能系统所能输出的最大功率。 受储能材料限制，储能系统通常难以兼具较高的能量密度和功率密度。比如，抽水蓄能系统的能量密度较大，但功率密度较小；蓄电池的功率密度普遍较高，但能量密度往往偏小。 6)自放电率。自放电率是指储能系统在单位时间内的自放电量，主要用以反映储能系统对所存储的能量的保持能力。 7)循环寿命。储能系统每经历一个完整的能量存储和释放过程，便称为一个循环。储能系统在寿命周期内所能实现的最大循环次数，称为循环寿命。 8)其它指标。除上述指标外，常用的储能技术指标还包括技术成熟度、兼容性、可移植性、安全性、可靠性和环保性等。 1.2储能的作用 □储能是可再生能源规模化发展的重要支撑 一方面，储能可以提高可再生能源并网消纳 率。 另 一 方 面 ， 储 能 可 以提 高 可 再 生 能 源电力 系 统 的 安 全 性 及 电 能 质 量， 从 根 本 上 促进可再生能源的开发利用。 □储能电池是新能源汽车的核心部件 未来电动汽车中的电池系统可以作为一个 存 储 单 元 与 电 网 进 行 互 动 ， 从 而降 低 用电成 本。 另 一 方 面 ， 储 能 电 池 系 统 还 能 在汽车减 速 制 动 过 程 中 将 汽 车 的 部 分 动 能 转化为电能并存储起来，降低能耗。 1.2储能的作用 □储能是现代电网的重要组成部分 储能作为最具代表性的灵活调节资源，可以提高现代电网的安全稳定性，电网也将由“源-网-荷”的传统运行模式逐渐过渡到“源-网-荷-储”的协调运行模式。 □储能是构建能源互联网的关键支撑技术 储能包括电化学储能、压缩空气储能、储热和储氢等不同形式的能源储存方式，可以建立多种能源之间的耦合关系，发挥能量中转、匹配和优化等作用，是构建能源互联网的关键支撑技术。 1.3储能的分类 □根据储能载体的类型分类 根据储能载体的类型，储能一般可分为机械类储能、电气类储能、电化学储能、热储能和氢储能五大类。 1.3储能的分类 □根据储能的作用时间分类 根据储能的作用时间不同，可将储能分为分钟级以下储能、分钟至小时级储能和小时级以上储能。 1.3储能的分类 □机械类储能 目前，机械类储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。 ◆抽水蓄能 抽水蓄能是以水为能量载体的一种储能技术。在电力系统负荷低谷时，通过 电动机机械做功，把将下游水库的水抽到上游水库，将过剩的电能转换成水体势能的形式储存起来；在负荷高峰时，通过发电机将存储在上游水库的水体势能转换成电能以供应电力系统的尖峰电量。 抽水蓄能具有调峰、调频、调相、紧急事故备用和黑起动等功能，在电力系统中的应用最为广泛。 1.3储能的分类 □机械类储能 ◆压缩空气储能 压缩空气储能是以压缩空气为载体的一种储能 技术。储能时，电能或机械能驱动压缩机从环境中吸取空气将其压缩至高压状态并存入储气装置，即将电能或机械能转化为压缩空气的内能和势能；释能时，储气装置中存储的压缩空气进入空气透平中膨胀做功发电，压缩空气中蕴含的内能和势能重新转化为电能或机械能。 压缩空气储能可广泛用于电源侧、电网侧和用户侧，发挥调峰、调频、容量备用、无功补偿和黑启动等作用。 1.3储能的分类 □机械类储能 ◆飞轮储能 飞轮储能系统是电能与飞轮机械能的一种 转换装置。储能时，电机驱动飞轮高速 旋转，将电能转化为机械能存储起来； 释能时，电机工作在发电机状态，使飞 轮减速，将机械能转化为电能。 飞轮储能寿命长，充电时间短，功率密度大， 转换效率高，污染低，维护少，但其储能 密 度 低 ， 自 放 电 率 较 高 。 飞 轮 储 能适用 于 电 能 质 量 控 制 、 不 间 断 电 源 等对储能 调 节 速 率 要 求 高 、 但 储 能 时 间短的场景。 1.3储能的分类 □电气类储能 电气类储能主要包括超导储能和超级电容储能。 ◆超导储能 超导储能利用超导线圈将电能通过整流逆变器转换成电磁能的形式存储起来， 在需要时再通过整流逆变器将电磁能转换为电能释放出来。 超导储能具有响应速度快(ms级)，比功率大（104~105kW/kg），储能密度大 (108J/m3)，转换效率高(≥95%)，易于控制，且几乎无污染，但目前主要处于示范应用阶段，离大规模应用仍有较大距离。 1超导线圈2制冷剂3低温容器4电源5持续电流回路 1.3储能的分类 □电气类储能 ◆超级电容储能 超级电容由活性炭多孔电极和电解质构成，其电容值达法拉级以上。超级电容在储能过程中遵循电化学双电层理论，通过电极与电解液形成的界面双电层来收藏电荷，从而将电能储存于电场中。 超级电容储能充电速度快，功率密度高， 其续航能力较差，且依赖新材料的发展。目前，超级电容储能通常应用于提高电能质量等场合。 1.3储能的分类 □电化学储能 电化学储能通过电化学反应实现电能与化学能之间的相互转换。根据温度的差异，电化学储能可分为室温电池和高温电池两类。其中，室温电池主要包括铅酸电池、锂离子电池和液流电池；高温电池主要为钠硫电池。 一般认为，电化学储能的投资成本低于250美元/kWh、储能寿命超过15年 （4000个充放电次数）和储能效率高于80%时具有较大的规模化应用前景。目前，铅酸电池和锂离子电池已实现了大规模产业化，特别是高比能锂离子电池在电动汽车领域得到了广泛应用。 1.3储能的分类 □电化学储能 ◆铅酸电池 铅酸电池是利用铅在不同阶态之间的固相反 应来实现充放电。传统的铅酸电池的电 由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液。 超级铅酸电池通过超级电容器的活性炭电极 材 料 形 成 双 电 层 储 能 机 制 ， 可 以改 善 铅 酸电 池 的 倍 率 放 电 性 能，延 长 其 脉 冲 放电寿命，提高其接收电荷的能力。 铅酸电池安全可靠，价格低廉，性能优良等优点，是目前应用最为广泛的电池之一。然而，铅是非环保材料，需要回收利用。 1.3储能的分类 □电化学储能 ◆锂离子电池 锂离子电池是一种二次电池（充电电池），主 要依靠锂离子在正极和负极之间的移动进行 能量存储与释放。充电时，正极的锂原子变为锂离子，通过电解质向负极移动，在负极与外部电子结合后还原回锂原子进行存储； 放电过程正好与此相反。 锂离子电池的能量密度高，自放电率低，寿命长，且无记忆效应，易于快充快放，但成本偏高。随着技术的发展以及成本的下降，近年来锂离子的应用规模越来越大，前景被广泛看好。 1.3储能的分类 □电化学储能 ◆液流电池 液流电池全称为氧化还原液流电池，其工 作原理是：先将活性物质溶解于正负储液罐的溶液中，利用送液泵使电解液不断循环，并在正负极发生氧化还原反应，从而实现电池的充电和放电。 液流电池具有寿命长、自放电率低、环境友好和安全性高等优点，缺点是能量效率和能量密度都不高。目前，全钒液流电池、锌溴液流电池等已初步实现了商业化应用。 1.3储能的分类 □电化学储能 ◆钠硫电池 钠硫电池是一种以熔融金属钠为负极，以熔融态的硫为正极和以陶瓷管为电解质隔膜的熔融盐二次电池。通过钠与硫的化学反应将电能储存起来；用能时再将化学能转化成电能并释放出去。 钠硫电池具有体积小、容量大、寿命长、效率高和稳定性较强等优点，但其运行温度在300℃以上，需满足严格的操作和维护要求。目前，钠硫电池主要应用于电网削峰填谷和大规模可再生能源并网、辅助电源等领域。 1.3储能的分类 □热储能 热储能即储热技术，有两个关键环节和三种主要存储方式。 ◆两个关键环节 其一是热能的传递，即如何选用合适的传热工质和换热器结构，使得储热系统能够高效地在热能富余时从热源吸热，而在热能短缺时向负载供热； 其二是热能的储存，即如何选取合适的储热材料及盛放储热材料的容器，使得整个储热系统不仅能够在大量充、放热的交变过程中保持性能的稳定，而且在储存过程中能够将热能损失降到最低。 ◆三种主要存储方式 储热主要有三种方式：显热储热、潜热储热（也称为相变储热）和热化学储热。 1.3储能的分类 □热储能 ◆显热储热 显热储热主要利用储热材料温度的变化来进行热量存储与释放。按储热材料的差异，显热储热可分为固体显热储热和液体显热储热两种。 显热储热是发展最早、技术最成熟和应用的最多的储热方式之一，但也存在储能密度低、储能时间短、温度波动范围大及储能系统规模过于庞大等缺点。 1.3储能的分类 □热储能 ◆潜热储热 潜热储热是利用物质在凝固/熔化、凝结/气化、 凝华/升华等过程中需要吸收或放出相变潜热的原理进行储热，也称为相变储热。相变分为 “固—液”、“液—气”、“气—固”及“固 —固”等形式，其中“液—固”相变最为常见。潜热储热有着较高的储热密度和稳定性。适用于 中低温的相变材料有冰、石蜡等，典型应用场景包括废热回收、太阳能供暖和空调系统等；适用于高温的相变材料有高温熔化盐类、混合盐类和金属及合金等，典型应用场景包括热机、太阳能光热电站、磁流体发电以及人造卫星等。 1.3储能的分类 □热储能 ◆热化学储热 热化学储热技术通过可逆的化学吸附或化学反应存储和释放热能。热化学储热 的密度远高于显热储热和相变储热，既可以对热能进行长期储存，还可以实现冷热的复合储存，且热量损失小。 热化学储热在余热/废热回收等领域都得到了应用，但尚未实现商业化。从长远看，热化学储热技术是储热技术的重要发展方向。 1.3储能的分类 □氢储能 氢储能的基本原理是将水电解得到氢气，并以高压气态、低温液态和固态等形式进行存储。 氢气具有燃烧热值高、大规模存储便捷、可转化形式广和环境友好等优点，受到了能源行业的高度重视，具有极大的发展潜力。其缺点是能量转换率相对较低，且目前的氧储能技术的成本仍然比较高，这也在一定程度上阻碍了氢储能技术的规模化应用。 1.4储能发展简史 根据各历史阶段储能的使用特点，可以将整个储能发展历史大致分为三个时期，即初步探索期、多元发展期和高速发展期。 高速发展期 多元发展期 ➢电化学储能和抽水蓄能蓬勃发展➢超级电容和超导储能应用潜力巨