全球儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況

1、-全球儲(chǔ)能技術(shù)開展現(xiàn)狀與應(yīng)用情況一、儲(chǔ)能技術(shù)分類、技術(shù)原理、主要特征針對(duì)電儲(chǔ)能的儲(chǔ)能技術(shù)主要分為三類:電化學(xué)儲(chǔ)能(如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鋰離子電池、鎳鎘電池、超級(jí)電容器等) 、物理儲(chǔ)能(如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等)和電磁儲(chǔ)能(如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等)。也可以分為功率型和能量型，功率型的特點(diǎn)是功率密度大、充放電次數(shù)多、響應(yīng)速度快、能量密度小的特點(diǎn)，例如飛輪、超級(jí)電容、超導(dǎo)；能量型的特點(diǎn)是能量密度大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、充放電次數(shù)少、功率密度低等特點(diǎn)。例如蓄電池。從目前的情況來看，兩種儲(chǔ)能設(shè)備混用會(huì)產(chǎn)生更大的效果,混用比單一使用更有利于降低本錢。最近的一篇論文介紹的模型計(jì)算結(jié)果是在微網(wǎng)中使用

2、超級(jí)電容和蓄電池兩種混合儲(chǔ)能本錢是單一儲(chǔ)能本錢的33.8%。一電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)1、鈉硫電池鈉硫電池的正極活性物質(zhì)是液態(tài)的硫S；負(fù)極活性物質(zhì)是液態(tài)金屬鈉Na，中間是多孔性瓷隔板。它利用熔融狀態(tài)的金屬鈉和硫磺在300以上高溫條件下，進(jìn)展氧化-復(fù)原反響，完成充放電過程。鈉硫電池的主要特點(diǎn)是能量密度大是鉛蓄電池的3倍、充電效率高可到達(dá)80%、可大電流、高功率放電、循環(huán)壽命比鉛蓄電池長(zhǎng)。然而鈉硫電池在工作過程中需要保持高溫，有一定平安隱患。由于鈉硫電池中所用的儲(chǔ)能介質(zhì)金屬鈉和硫磺均為易燃、易爆物質(zhì)，對(duì)電池材料要求十分苛刻，目前只有日本NGK公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。圖1 鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理來源：美國(guó)儲(chǔ)能

3、協(xié)會(huì)2、液流電池液流氧化復(fù)原電池(Redo* flow cell energy storage systems)，簡(jiǎn)稱液流蓄電站或液流電池，與通常蓄電池活性物質(zhì)包含在陽極和陰極不同，液流電池作為氧化-復(fù)原電對(duì)的活性物質(zhì)分別溶解于裝在兩個(gè)大儲(chǔ)液罐中的溶液里，各用一個(gè)泵使溶液流經(jīng)液流電池堆中高選擇性離子交換膜的兩側(cè)，在其多孔炭氈電極上發(fā)生復(fù)原和氧化反響。電池堆通過雙極板串聯(lián)，構(gòu)造類似于燃料電池。目前還開展有在一個(gè)或兩個(gè)電極上發(fā)生金屬離子(及非金屬離子)溶解/沉積反響的液流電池。由于液流電池的儲(chǔ)能容量由儲(chǔ)存槽中的電解液容積決定，而輸出功率取決于電池的反響面積，通過調(diào)整電池堆中單電池的串連數(shù)量和電極面

4、積，能夠滿足額定放電功率要求。兩者可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性大，受設(shè)置場(chǎng)地限制小。液流電池中的電化學(xué)反響是在液相中完成，充放電過程僅僅改變電解質(zhì)離子狀態(tài)，不會(huì)引起電極構(gòu)造變化，此化學(xué)反響為可逆，理論上可以進(jìn)展無限次任意程度的充放電循環(huán)，極大延長(zhǎng)電池的使用壽命。液流電池已有全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個(gè)體系，其中全釩液流電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、可實(shí)現(xiàn)快速充放電，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。全釩液流電池的正、負(fù)極活性物質(zhì)均為釩，只是價(jià)態(tài)不同，經(jīng)過優(yōu)化的全釩液流電池系統(tǒng)能量效率可達(dá)7585%，充放電循環(huán)次數(shù)超過10000次，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)二次電池，通常液流電池主要指全釩液

5、流電池。圖2 液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理來源：美國(guó)儲(chǔ)能協(xié)會(huì)3、鋰離子電池鋰離子電池負(fù)極一般是碳素材料，正極是含鋰的過渡金屬氧化物L(fēng)iCoO2鈷酸鋰或尖晶石LiMn2O4 、LiFePO4等，電解質(zhì)是鋰鹽的有機(jī)溶液或聚合物。充電時(shí)，正極中的鋰離子脫離LiCoO2 或LiMn2O4晶體，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料負(fù)極，放電時(shí)則相反。鋰離子電池效率高、能量密度高，具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度圍寬、自放電率低、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)及無公害等優(yōu)點(diǎn)，小容量鋰離子電池已廣泛用于便攜式設(shè)備的電源。但是，目前鋰離子電池在大尺寸制造、循環(huán)性能等方面存在一定問題，傳統(tǒng)鋰離子電池在*些特殊條件，如高溫，短路，過充，強(qiáng)外力破壞等條

6、件下可能會(huì)發(fā)生起火，過熱等平安問題，傳統(tǒng)鋰離子電池循環(huán)壽命一般在400500次80剩余，對(duì)于儲(chǔ)能電站來講，這樣的循環(huán)壽命顯然不能滿足要求。過充控制的特殊封裝要求高，價(jià)格昂貴，因此對(duì)于用于電站儲(chǔ)能等大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用受到限制，急待突破提高。圖3 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理來源：美國(guó)儲(chǔ)能協(xié)會(huì)4、鉛酸電池鉛酸蓄電池主要特點(diǎn)是采用稀硫酸做電解液，用二氧化鉛和絨狀鉛分別作為電池的正極和負(fù)極的一種酸性蓄電池。鉛酸電池已有一百多年的歷史，具有本錢低、技術(shù)成熟、儲(chǔ)能容量大等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的備載容量、頻率控制，不斷電系統(tǒng)。它的缺點(diǎn)是儲(chǔ)存能量密度低、可充放電次數(shù)少、制造過程中存在一定污染。圖4 鉛酸電池大規(guī)模示

7、應(yīng)用案例來源：美國(guó)儲(chǔ)能協(xié)會(huì)5、鎳鎘電池鎳鎘蓄電池的正極材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物，負(fù)極材料為海綿狀鎘粉和氧化鎘粉，電解液通常為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。 鎳鎘蓄電池充電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸嘚i(OH)2，負(fù)極板上的活性物質(zhì)變?yōu)榻饘冁k；鎳鎘電池放電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸瘉嗘嚕?fù)極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸k。鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，經(jīng)濟(jì)耐用，阻很小，可實(shí)現(xiàn)快速充電，又可為負(fù)載提供大電流，而且放電時(shí)電壓變化很小，是一種比較理想的直流供電電池。鎳鎘電池的缺點(diǎn)在于它的記憶效應(yīng)，而且鎘材料資源短缺，價(jià)格十分昂貴。6、超級(jí)電容器超級(jí)電容器是根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成

8、，充電時(shí)處于理想極化狀態(tài)的電極外表，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極外表，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。超級(jí)電容器優(yōu)勢(shì)在于與電池相比，阻低；充放電速度快，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，最大充放電電流可以到達(dá)1000A；循環(huán)壽命長(zhǎng)，最高可達(dá)50萬次；工作溫度圍寬可在-30-70環(huán)境下工作；與環(huán)境友好。由于使用中電壓隨著放電線性下降，與電池相比能量密度低，單體工作電壓低，自放電率較高；所以目前超級(jí)電容器在電力系統(tǒng)中多用于短時(shí)間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量峰值功率場(chǎng)合，如大功率直流電機(jī)的啟動(dòng)支撐、穩(wěn)態(tài)電壓恢復(fù)器等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。圖5 超級(jí)電容器的構(gòu)造和原理來源：中科

9、院電工研究所二物理儲(chǔ)能技術(shù)1、抽水蓄能抽水蓄能技術(shù)是指在電力負(fù)荷低谷期將水從下池水庫(kù)抽到上池水庫(kù)，將電能轉(zhuǎn)化成重力勢(shì)能儲(chǔ)存起來，在電網(wǎng)負(fù)荷頂峰期，水泵變成發(fā)電的水輪機(jī)，釋放上池水庫(kù)中的水發(fā)電。抽水蓄能電站是現(xiàn)在最常用的大規(guī)模蓄(電) 能方法。抽水蓄能電站優(yōu)點(diǎn)是：規(guī)模大, 可達(dá)百萬千瓦以上；抽水儲(chǔ)能的釋放時(shí)間可以從幾個(gè)小時(shí)到幾天，綜合效率在70% - 85%之間，主要用于電力系統(tǒng)的削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等。抽水蓄能電站局限性是要有適宜的場(chǎng)地和水源，以適合修建水庫(kù)；一次投入的建造費(fèi)用過高，建立周期較長(zhǎng)；響應(yīng)速度慢；當(dāng)電站距離用電區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)輸電損耗較大。2、壓縮空氣儲(chǔ)能壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是

10、在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報(bào)廢礦井、沉降的海底儲(chǔ)氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲(chǔ)氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷頂峰期釋放壓縮的空氣推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。壓縮空氣技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是省去燃?xì)廨啓C(jī)前置的空氣壓縮段, 可使氣輪發(fā)電機(jī)增加電能輸出幾十個(gè)百分點(diǎn)。壓縮空氣儲(chǔ)能規(guī)模大、運(yùn)行本錢低。壓縮空氣儲(chǔ)能的局限性是也要有適宜的場(chǎng)地, 其對(duì)地質(zhì)條件要求高；一次投入的費(fèi)用高, 并且必須與不裝前置空氣壓縮段的燃?xì)廨啓C(jī)相配合使用, 故這種儲(chǔ)能方式應(yīng)用不多圖6 壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)原理來源：美國(guó)儲(chǔ)能協(xié)會(huì)3、飛輪蓄能飛輪蓄能利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。飛輪系統(tǒng)運(yùn)行

11、于真空度較高的環(huán)境中，其特點(diǎn)是沒有摩擦損耗、風(fēng)阻小、效率高、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境沒有影響，幾乎不需要維護(hù)，適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障。飛輪蓄能的缺點(diǎn)是能量密度比較低；系統(tǒng)復(fù)雜；對(duì)轉(zhuǎn)子、軸承要求比較高。保證系統(tǒng)平安性方面的費(fèi)用很高，在小型場(chǎng)合還無法表達(dá)其優(yōu)勢(shì)，目前主要應(yīng)用于為蓄電池系統(tǒng)作補(bǔ)充。圖7 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理來源：美國(guó)儲(chǔ)能協(xié)會(huì)三 超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)SMES利用超導(dǎo)體制成的線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載。SMES技術(shù)包含超導(dǎo)磁體技術(shù)與電力電子技術(shù)兩個(gè)主要方面，是二者的有機(jī)結(jié)合。超導(dǎo)磁體單元通過超導(dǎo)電感形成能源存貯環(huán)節(jié)；電力電子單元?jiǎng)t通過多種變換形式，將儲(chǔ)存的

12、有功功率向電網(wǎng)釋放，或?qū)㈦娋W(wǎng)功率轉(zhuǎn)儲(chǔ)在儲(chǔ)能電感中。超導(dǎo)儲(chǔ)能在功率輸送時(shí)無需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快(ms級(jí))，轉(zhuǎn)換效率高(96%)、比容量(1-10 Wh/kg)/比功率(104-105kW/kg)大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)大規(guī)模能量交換和功率補(bǔ)償，對(duì)電網(wǎng)的電壓跌落、諧波等進(jìn)展靈活智能補(bǔ)償，或提供穩(wěn)定的短時(shí)大功率供電?？梢猿浞譂M足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求。但和其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能系統(tǒng)仍很昂貴，除了超導(dǎo)本身的費(fèi)用外，維持系統(tǒng)低溫導(dǎo)致維修頻率提高以及產(chǎn)生的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。圖8 超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能原理來源：中科院電工研究所根據(jù)上述分析

13、，各類儲(chǔ)能技術(shù)的特征匯總?cè)缦卤恚罕? 儲(chǔ)能技術(shù)分類及特征儲(chǔ)能類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電化學(xué)儲(chǔ)能鈉硫電池能量密度大、充電效率高可到達(dá)80%、可大電流、高功率放電需要在高溫環(huán)境下工作，金屬鈉和硫磺均為易燃易爆物質(zhì)、具有一定的平安隱患，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，對(duì)電池材料要求十分苛刻； 液流電池能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、可實(shí)現(xiàn)快速充放電、壽命長(zhǎng) 正負(fù)極電解液易穿插污染、需用價(jià)格較貴的離子交換膜鋰離子電池高比能量、高比功率、高能量轉(zhuǎn)換效率、長(zhǎng)循環(huán)壽命 過充控制的特殊封裝要求高，價(jià)格本錢、平安性、循環(huán)壽命及產(chǎn)品的一致性等在滿足大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用還有待突破鉛酸電池本錢低、技術(shù)成熟、儲(chǔ)能容量大儲(chǔ)存能量密度低、可充放

14、電次數(shù)少、制造過程中存在污染鎳鎘電池循環(huán)壽命長(zhǎng)，可快速充電，經(jīng)濟(jì)耐用，阻小，放電電壓變化小記憶效應(yīng)，材料資源短缺，價(jià)格昂貴。超級(jí)電容器比功率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、阻低、充放電速度快 比容量小、單位能量投資高 機(jī)械儲(chǔ)能抽水儲(chǔ)能規(guī)模大、能量轉(zhuǎn)換效率高70-85%需有適宜的場(chǎng)地、一次投入的費(fèi)用高壓縮空氣規(guī)模大、運(yùn)行本錢低需有適宜的場(chǎng)地、一次投入的費(fèi)用高飛輪儲(chǔ)能摩擦損耗小、效率高、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境沒有影響、幾乎不需要維護(hù)能量密度比較低、系統(tǒng)復(fù)雜、對(duì)轉(zhuǎn)子、軸承要求比較高 電磁儲(chǔ)能超導(dǎo)儲(chǔ)能響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、比容量大、比功率大 系統(tǒng)昂貴、維護(hù)費(fèi)用昂貴 二、全球儲(chǔ)能技術(shù)開展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況儲(chǔ)能技術(shù)在包括電力系統(tǒng)在

15、的多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的用途，采用這些技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的能量管理和系統(tǒng)平安，尤其是在可再生能源和分布式發(fā)電領(lǐng)域，這種作用尤為明顯，在傳統(tǒng)的發(fā)電和輸配電網(wǎng)絡(luò)中，儲(chǔ)能技術(shù)將可能發(fā)揮著變革性的作用。近年來，眾多國(guó)家都在加大對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)，尤其對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)投資力度，而世界圍的電力工業(yè)重組與能源構(gòu)造調(diào)整也給儲(chǔ)能技術(shù)帶來了新的開展機(jī)遇。一電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)開展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況1、鈉硫電池鈉硫電池最早是美國(guó)福特(Ford)公司于1967年首先創(chuàng)造公布的，到20世紀(jì)80年代中期，日本的京瓷NGK公司開場(chǎng)與日本東京電力公司合作開發(fā)鈉硫電池作為儲(chǔ)能電池，NGK公司利用其在瓷領(lǐng)域獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成功開發(fā)出比能

16、量密度高達(dá)160kWh/m3的鈉硫電池，利用熔融狀態(tài)的金屬鈉和硫磺在300以上高溫條件下，進(jìn)展氧化復(fù)原反響，完成充放電過程。1992年，世界上第一座鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)開場(chǎng)在日本示運(yùn)行；2002年，NGK公司開場(chǎng)鈉硫電池的商業(yè)化生產(chǎn)與供應(yīng)，到2002年底，日本已有超過50座鈉硫電池儲(chǔ)能站進(jìn)入示運(yùn)行；2004年7月，世界上最大的鈉硫電池儲(chǔ)電站9.6MW/57.6MWh在日本Hitachi自動(dòng)化系統(tǒng)工廠正式投入運(yùn)行。鈉硫電池能量密度高，便于模塊化制造、運(yùn)輸與安裝，適用于城市變電站及特殊負(fù)荷，已被視為新興的、高效的且具廣闊開展前景的大規(guī)模電力儲(chǔ)能電池。但是，目前鈉硫電池技術(shù)和應(yīng)用開發(fā)技術(shù)主要由日本NGK

17、公司壟斷，世界其它國(guó)家對(duì)鈉硫電池的研發(fā)甚少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2007年底，日本NGK公司已有超過100座鈉硫電池儲(chǔ)能站在全球運(yùn)行中，電池量已超過100MW，同時(shí)開場(chǎng)向海外輸出。其中500kW以上的有59項(xiàng)，用于電網(wǎng)調(diào)峰占63；調(diào)峰緊急狀態(tài)供電占24；不連續(xù)電源13。日本京瓷NGK公司1995-2007年鈉硫電池示工程摘錄見1。鈉硫電池每年安裝容量總安裝功率：270 MW全球200個(gè)應(yīng)用案例圖9 1992-2007年日本NGK公司鈉硫電池安裝情況來源：日本NGK公司2、液流電池液流電池也被視為新興的、高效的、具有廣闊開展前景的大規(guī)模電力儲(chǔ)能電池。液流電池是1974年Thaller, L. H.NAS

18、A Lewis Research Center, Cleveland, United States 提出的一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。經(jīng)過30多年的研究與開展，世界各國(guó)研究者已經(jīng)研究出全釩體系、鋅-溴體系、多硫化鈉-溴體系等多個(gè)體系的液流電池，其中研究開發(fā)比較成熟、現(xiàn)已進(jìn)入示運(yùn)行的液流電池體系有全釩液流蓄電系統(tǒng)VRB和多硫化鈉/溴液流蓄電PSB系統(tǒng)，尤其是全釩液流電池已有大量應(yīng)用案例，隨著容量和規(guī)模的擴(kuò)大、集成技術(shù)的日益成熟，全釩液流電池的儲(chǔ)能本錢將進(jìn)一步降低。全釩液流蓄電系統(tǒng)VRB，1986年澳大利亞新南威爾士大學(xué)Maria教授提出釩電池原理，并申請(qǐng)了專利。全釩液流蓄電系統(tǒng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化研發(fā)和應(yīng)用的全球

19、主要有兩大公司：日本住友電工SEI和加拿大VRB能源系統(tǒng)公司。自1985年起，日本住友電工與關(guān)西電力公司開場(chǎng)合作開發(fā)全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，并于1989年建成用于電站調(diào)峰的60kW釩電池組；于1995年開發(fā)出20kW的電池模塊；此后又合作建成了450kW/1MWh和100kW/800kWh等全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，用于平衡負(fù)載和電站調(diào)峰的示運(yùn)行。住友電工制造的25kW的全釩電池模塊在實(shí)驗(yàn)室中已正常運(yùn)行8年，循環(huán)次數(shù)超過16000次。在日本政府的新能源開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)的資助下，2001年3月在道建立了170kW/1020kWh的風(fēng)電儲(chǔ)能裝置，并榮獲2001年度日本“能源與資源技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)。目前，在

20、日本共有15套全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)進(jìn)展示運(yùn)行，其中位于道的30MW的風(fēng)電場(chǎng)，使用了4MW/6MWh儲(chǔ)能電池，最大輸出功率可達(dá)6MW，成為世界上最大的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，已經(jīng)運(yùn)行27萬次循環(huán)。日本已具備了先進(jìn)的制造全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的技術(shù)，并且在離子交換膜和電解質(zhì)溶液的制備技術(shù)，以及電池模塊的設(shè)計(jì)制備等方面處于世界領(lǐng)先地位。加拿大VRB Power System公司簡(jiǎn)稱“VRB Power公司， 成立于1999年，是一家專注于“全釩液流氧化復(fù)原儲(chǔ)能系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱“VRB-ESS)產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)先的上市公司，該公司于2001年在南非建成了250kW的全釩液流電池系統(tǒng)，2004年為美國(guó)太平洋電力建造了

21、250kW/2MWh的全釩液流電池系統(tǒng)，用于電站調(diào)峰以及猶他州東南部地區(qū)供電。此后，該公司陸續(xù)收購(gòu)了澳大利亞Pinnacle公司和日本SEI公司的全球釩電池技術(shù)專利和特許權(quán)，以及RWE npower公司Regenesys electricity storage technology簡(jiǎn)稱“RNG-ESS系統(tǒng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)及相關(guān)資產(chǎn)后，并先后開發(fā)出三代商用釩電池儲(chǔ)能產(chǎn)品。而且在電堆構(gòu)造設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料評(píng)價(jià)體系建立，系統(tǒng)集成等方面取得了突破性的進(jìn)展，成為全球唯一一家有商用產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)歷的釩電池公司，建立了覆蓋全球80多個(gè)國(guó)家的液流電池專利體系。截至2021年底，VRB Power在全球圍成功實(shí)施和運(yùn)營(yíng)40多

22、個(gè)“VRB-ESS儲(chǔ)能工程，其中近20個(gè)為大型“VRB-ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)。2021年1月，總部設(shè)在中國(guó)的普能世紀(jì)科技Prudent Energy成功收購(gòu)了加拿大VRB Power公司的資產(chǎn)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)和生產(chǎn)技能，吸收了來自VRB公司的經(jīng)歷與知識(shí)的積累,包括來自于Regenesys 和日本住友Sumitomo在液流電池產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)達(dá)15年的研究成果，其在全球超過30個(gè)成功實(shí)施案例及15個(gè)專利，覆蓋全球23個(gè)主要國(guó)家。除了日本和加拿大對(duì)全釩液流電池的研究外，西歐一些國(guó)家，如德國(guó)、奧地利、葡萄牙和英國(guó)等國(guó)家也在開展全釩液流蓄電系統(tǒng)的研究，并方案將其應(yīng)用于光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電的蓄電系統(tǒng)。目前國(guó)際上VRB公司主要

23、有：Sumitomo Electric Industries Ltd (日本)；Pinnacles parent pany (澳大利亞；VRB Power Systems Inc. (加拿大；Refuel Inc. (英國(guó))；Cell Strom Inc. (奧地利)；普能世紀(jì)科技中國(guó)等。英國(guó)Innogy公司于上世紀(jì)九十年代初開場(chǎng)研究多硫化鈉/溴液流蓄電PSB系統(tǒng)，曾先后開發(fā)出5kW、20kW、100kW三個(gè)系列的電池模塊，經(jīng)串、并聯(lián)組合出多種功率的蓄電系統(tǒng)，并于2001年和2002年分別在英國(guó)和美國(guó)各建造了120 MWh儲(chǔ)能電站，用于電站調(diào)峰和UPS；美國(guó)電網(wǎng)大停電事故后，為美國(guó)密西西比的哥

24、倫比亞空軍基地建造了世界上第二座PSB蓄電系統(tǒng)，蓄電規(guī)模到達(dá)120MWh、功率12MW，耗資2500萬美元，2004年投入使用，可為該空軍基地在非常時(shí)期提供24小時(shí)的電能；Innogy還為Eltra公司在丹麥的一個(gè)沿海風(fēng)能電站建造PSB蓄電系統(tǒng)，2005年投入使用。但據(jù)最近消息，Innogy公司2000年建造2002年投入運(yùn)行的15MW的蓄電站已停頓運(yùn)行，主要原因是溴氣對(duì)建筑構(gòu)造有腐蝕作用。近20年來，全釩液流電池作為液流電池的主要產(chǎn)品開展比較迅速，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家相繼將全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電站調(diào)峰、風(fēng)能/光伏發(fā)電相配套的發(fā)電系統(tǒng)。其中商業(yè)示工程最多的國(guó)家是日本，應(yīng)用在可再生能源發(fā)電

25、、電網(wǎng)調(diào)峰、平衡負(fù)載和小型備用電站，功率從20kW至6MW，能量效率超過70。世界主要全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用案例列表見2。3、鋰離子電池鋰離子電池比能量/比功率高、自放電小，但由于工藝和環(huán)境溫度差異等因素的影響，作為大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用指標(biāo)往往達(dá)不到單體水平，使用壽命較單體縮短數(shù)倍甚至十幾倍，然而鋰離子電池是近年技術(shù)進(jìn)步最快的電池。鋰離子電池的關(guān)鍵材料是電極材料、隔膜和電解液。決定充放電性能的正極材料已經(jīng)可以做到30納米以，從100納米到50納米，只經(jīng)歷了不到1年時(shí)間。美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)將電池的充電時(shí)間縮短至1分鐘以。依托美國(guó)麻省理工學(xué)院的美國(guó)A123公司利用其開發(fā)出的性能更高的納

26、米級(jí)磷酸鐵鋰，已使電池的導(dǎo)電性、平安性和功率性能有了極大提高，電池本錢也下降了近30%。在電池隔膜方面，目前主要有干法和濕法兩種生產(chǎn)鋰離子電池隔膜的技術(shù)，決定隔膜性能的指標(biāo)主要是厚度、孔隙率、防短路等。目前，日本旭化成、東燃、美國(guó)Celgard等是全球主要隔膜供應(yīng)商，產(chǎn)品占高端隔膜市場(chǎng)的95%以上。近幾年來，隨著價(jià)廉、高平安的鎳鈷錳酸鋰、改性尖晶石錳酸鋰和磷酸鐵鋰等新型正極材料的產(chǎn)業(yè)化，高功率型鋰離子電池技術(shù)也得到迅速開展，大規(guī)模鋰離子儲(chǔ)能技術(shù)也已進(jìn)入示應(yīng)用階段，特別是動(dòng)力型鋰離子電池已在電開工具、電動(dòng)自行車(BEB)、混合電動(dòng)車(HEV)等領(lǐng)域進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用，并且近年美國(guó)、中國(guó)等已還在開展大

27、功率鋰電池在儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用。目前，世界上運(yùn)行的最大鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)是A123公司投資建立的裝機(jī)容量為2MW儲(chǔ)能電站。2021年，中國(guó)比亞迪公司的1MW鋰離子電池儲(chǔ)能電站已建成并開場(chǎng)試運(yùn)行；美國(guó)AEP公司將于2021年建成以鋰離子電池進(jìn)展儲(chǔ)能的3MW社區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)CES。4、鉛酸電池鉛酸電池是最成熟的蓄電池技術(shù)，已歷經(jīng)140多年的開展，在鎘-鎳電池、氫-鎳電池、鋰離子電池等新型電池相繼上市的幾十年中，目前鉛酸電池仍占據(jù)半數(shù)以上的市場(chǎng)份額。除因鉛酸電池技術(shù)成熟、價(jià)格低廉、平安性高等傳統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)外，與鉛酸電池近些年在競(jìng)爭(zhēng)中開展了許多新技術(shù)密切相關(guān)，如全密封式、管式、水平式等新構(gòu)造；新組分鉛合金電極，

28、促進(jìn)比能量逐漸提高，成為目前大功率蓄電池中使用比例最高、價(jià)格最廉價(jià)的電池產(chǎn)品。當(dāng)前使用最廣泛的是閥控式密封鉛蓄電池VRLA和膠體密封鉛蓄電池。它們已逐步取代原先的自由電解液式的鉛蓄電池，容量圍可從數(shù)十mAh到上萬Ah。 鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站充當(dāng)備用電源已使用多年，并在維持電力系統(tǒng)平安、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行方面發(fā)揮了極其重要的作用。日本NEDO資助鉛酸電池與光伏發(fā)電配合使用的示工程，總儲(chǔ)能容量為4.95MW。表2 世界鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)典型應(yīng)用案例序號(hào)鉛酸電池系統(tǒng)名稱和位置額定功率/容量/ (MW/MWh) 功能安裝時(shí)間1 BEWAG，Berlin (德國(guó)) 8.5/8.5 熱備用、頻率控制

29、1986年2 Crescent，North Carolina 0.5/0.5 峰值調(diào)節(jié)1987年3 Chino，California (美國(guó)) 10/40 熱備用、平衡負(fù)荷1988年4 PREPA，Puerto Rico (波多黎各) 20/14 熱備用、頻率控制1994年5 Vernon，California (美國(guó)) 3/4.5 提高電能質(zhì)量1995年6 Metlakatla，Alaska (美國(guó)) 1/1.4 提高孤立電網(wǎng)穩(wěn)定性1997年7 ESCAR，Madrid (西班牙) 1/4 平衡負(fù)荷20世紀(jì)90年代后期8 Herne-Sodingen (德國(guó)) 1.2/1.2 削峰、提高電能

30、質(zhì)量20世紀(jì)90年代后期資料來源：中國(guó)電力科學(xué)院5、鎳鎘電池鎳鎘電池效率比較高，但隨著充放電次數(shù)的增加容量將會(huì)減少，荷電保持能力仍有待提高。此外，因?yàn)榇嬖谥亟饘傥廴疽驯粴W盟組織限用。目前在阿拉斯加Golden Valley運(yùn)行的的鎳鎘儲(chǔ)能系統(tǒng)配置為4MW×15分鐘。6、 超級(jí)電容儲(chǔ)能超級(jí)電容器歷經(jīng)三代及數(shù)十年的開展，已經(jīng)形成電容量0.5-1000F、工作電壓12400V、最大放電電流4002000A系列產(chǎn)品，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大儲(chǔ)能量到達(dá)8.3kWh。但是,超級(jí)電容器價(jià)格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時(shí)間、大功率的負(fù)載平滑和主要用于頂峰值功率、低容量的場(chǎng)合，以滿足用戶對(duì)于電能質(zhì)量和供電可靠性

31、的越來越高的要求。目前正在開發(fā)基于活性碳雙層電極與鋰離子插入式電極的第四代超級(jí)電容器。 目前，西門子公司開發(fā)的儲(chǔ)能量到達(dá)5.8kWh、最大功率1MW 的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，成功安裝在德國(guó)科隆市750 V直流地鐵配電網(wǎng)中，該系統(tǒng)由4800支2600F/2.5 V超級(jí)電容器組成，重量2t，體積2m3，超級(jí)電容器組儲(chǔ)能效率為95%；美國(guó)TVA電力公司成功開發(fā)的200kW 超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于大功率直流電機(jī)的啟動(dòng)支撐。二抽水蓄能及其它儲(chǔ)能技術(shù)開展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況1、抽水蓄能電站美、日、歐洲等國(guó)家和地區(qū)在20世紀(jì)6070年代進(jìn)入抽水蓄能電站建立的頂峰期。目前，抽水蓄能已成為電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)“調(diào)峰填谷、最

32、為廣泛應(yīng)用的一種儲(chǔ)能技術(shù)和有效手段，已形成了規(guī)的設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)。普遍采用的機(jī)組為水泵水輪機(jī)與水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)組成的二機(jī)式可逆機(jī)組，施工采用瀝青混凝土面板防滲、HT-100高強(qiáng)度鋼構(gòu)造、斜井全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)開挖、鋼岔管考慮圍巖分擔(dān)水壓力、上水庫(kù)和地下廠房信息化施工等先進(jìn)技術(shù)。為提高整體經(jīng)濟(jì)性，抽水蓄能電站的機(jī)組正在向高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量方向開展，立足于對(duì)振動(dòng)、空蝕、變形、止水和磁特性的研究和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率控制等。限制抽水蓄能電站更為廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要制約因素是建立工期長(zhǎng)，工程投資巨大，受地形條件的限制。目前，世界圍抽水蓄能電站總裝機(jī)容量9000萬千瓦，約占全球發(fā)電裝機(jī)容量的3。美國(guó)和西歐經(jīng)濟(jì)興旺國(guó)

33、家抽水蓄能機(jī)組容量占世界抽水蓄能電站總裝機(jī)容量55以上，表1-3中顯示了近十年來投入運(yùn)行的8個(gè)大型抽水蓄能電站的情況。表3 國(guó)外局部大型抽水蓄能應(yīng)用案例序號(hào)電站國(guó)家裝機(jī)容量/MW 投入年份1 落基山美國(guó)760 1995 2 錫亞比舍伊朗10001996 3 奧清津II 日本600 1996 4 野川日本16001999 5 拉姆它昆泰國(guó)10002000 6 金谷德國(guó)10602003 7 神流川日本28202005 8 小丸川日本12002007 資料來源：中國(guó)電力科學(xué)院2、壓縮空氣儲(chǔ)能壓縮空氣儲(chǔ)能的建立投資和發(fā)電本錢均低于抽水蓄能電站，利用渠式超導(dǎo)熱管技術(shù)可使系統(tǒng)換能效率到達(dá)90，大規(guī)模化和復(fù)

34、合發(fā)電技術(shù)將進(jìn)一步降低本錢。但因其能量密度低，受巖層等地形條件的限制，影響了應(yīng)用的開展。近年隨著分布式電力系統(tǒng)的開展，人們對(duì)于8-12MW微型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)micro-CAES開場(chǎng)關(guān)注，如利用壓力罐存放壓縮空氣，但其本錢比較高。世界上第一個(gè)商業(yè)化壓縮空氣儲(chǔ)能電站CAES為1978年建于德國(guó)Hundorf，機(jī)組為290MW，換能效率77，運(yùn)行至今累計(jì)啟動(dòng)超過7000次，主要用于熱備用和平滑負(fù)荷。1991年建于美國(guó)亞拉巴馬州的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)秀的成功案例，它把壓縮空氣儲(chǔ)存在地下450米的廢鹽礦中，用110兆瓦的汽輪機(jī)連續(xù)提供26小時(shí)的壓縮空氣，能在14分鐘并網(wǎng)。日本于1998年在道三井砂

35、川礦，利用礦坑做儲(chǔ)氣庫(kù)，2001年開場(chǎng)運(yùn)行，輸出功率為2MW。ABB公司在瑞士建的大規(guī)模聯(lián)合循環(huán)CAES電站，輸出功率442MW，運(yùn)行時(shí)間為8小時(shí)。2005年美國(guó)Ridge和EI Paso能源公司在Te*as開場(chǎng)建造的Markham電站，容量為540MW。此外，俄羅斯、法國(guó)、意大利、盧森堡、以色列等國(guó)也長(zhǎng)期致力于CAES的開發(fā)。3、飛輪儲(chǔ)能隨著高強(qiáng)度碳素纖維和玻璃纖維材料、大功率電力電子交流技術(shù)、電磁和超導(dǎo)磁懸浮軸承技術(shù)的開展，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)形成系列產(chǎn)品，目前高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承摩擦系數(shù)到達(dá)10-7級(jí)量。在此根底上，1MWh超導(dǎo)飛輪已經(jīng)于1997年研制成功，并應(yīng)用在航空及UPS領(lǐng)域。國(guó)際上大多

36、數(shù)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于短時(shí)間供電支撐，如：1999年歐洲Urenc Power公司利用高強(qiáng)度碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料制作飛輪，轉(zhuǎn)速為42000r/min，2001年1月系統(tǒng)投入運(yùn)行，充當(dāng)UPS，儲(chǔ)能量到達(dá)5kWh；日本建成的世界上最大的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為340MW/30s；美國(guó)紐約地鐵安裝的1MW/6s飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，是由10個(gè)100kW/1.6kWh飛輪組成飛輪陣列，用于列車啟動(dòng)電壓支撐和制動(dòng)能量回收；美國(guó)能源部和California Energy mission支持建立的100kW的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電網(wǎng)電壓和頻率控制，2005-2006年進(jìn)展了18個(gè)月的運(yùn)行測(cè)試，該工程最終目標(biāo)是建立1MW/250k

37、Wh的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。還有一些飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于長(zhǎng)時(shí)間放電支撐，如輸出2kW/3小時(shí)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。美國(guó)波音公司Phantom工廠研制的高溫超導(dǎo)磁浮軸承的100kW/5kWh飛輪儲(chǔ)能裝置，用于電能質(zhì)量控制和電力調(diào)峰。表1-4為典型的世界飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用案例。表4 世界局部飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用案例研發(fā)機(jī)構(gòu)根本參數(shù)技術(shù)特點(diǎn)作用日本四國(guó)綜合研究所8MWh，儲(chǔ)能放電各4h，待機(jī)16h高溫超導(dǎo)磁浮立式軸承，儲(chǔ)能效率84% 平滑負(fù)荷日本原子力研究所215MW/2.22MWh 輸出電壓18kV，輸出電流6896A，儲(chǔ)能效率85% UPS 美國(guó)Vista公司277kWh 引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全程調(diào)峰美國(guó)馬里蘭大學(xué)24kWh，轉(zhuǎn)速11610-46345rad/min 電磁懸浮軸承，輸出恒壓110V/240V，全程效率81% 電力調(diào)峰德國(guó)5MW/100MWh，轉(zhuǎn)速2250-4500rad/min 超導(dǎo)磁浮軸承，儲(chǔ)能效率96% 儲(chǔ)能電站巴西額定轉(zhuǎn)速30000rad/min 超導(dǎo)與永磁懸浮軸承電壓補(bǔ)償資料來源：中國(guó)電力科學(xué)院4、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能SMES沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)械和動(dòng)密封的問題，它的研究重點(diǎn)集中在基于高溫超導(dǎo)涂層導(dǎo)體研發(fā)適于液氮溫區(qū)運(yùn)行的MJ級(jí)系統(tǒng)，從而解決高場(chǎng)磁體繞組力學(xué)支撐問題，并與柔性輸電技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步降低投資與運(yùn)行本錢，結(jié)