全球儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用情況講解

1、全球儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用情況一、儲能技術(shù)分類、技術(shù)原理、主要特征針對電儲能的儲能技術(shù)主要分為三類：電化學(xué)儲能（如鈉硫電 池、液流電池、鉛酸電池、鋰離子電池、鎳鎘電池、超級電容器 等）、物理儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）和電 磁儲能（如超 導(dǎo)電磁儲能等）。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、超級電容、超 導(dǎo)；能量型的特點(diǎn)是能量密度大、響應(yīng)時間長、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，兩種儲能設(shè)備混用會產(chǎn)生更大的效果，混用 比單一使用更有利于降低成本。（最近的一篇論文介紹的模型計(jì)算結(jié)

2、果是在微網(wǎng)中使用超級電容和蓄電池兩種混合儲能成本是單一儲能 成本 的 33.8%。）（一）電化學(xué)儲能技術(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），中間是多孔性陶瓷隔板。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)行氧化-還原反應(yīng)，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（可達(dá)到80%）、可大電流、高功率放電、循環(huán)壽命比鉛蓄電 池長。然而鈉硫電池在工作過程中需要保持高溫，有一定安全隱患。由于鈉硫電池中所用的儲能介質(zhì)金屬鈉和硫磺均為易燃、易爆物質(zhì)，對 電池材料要求十分苛刻，目前只有日本（NGK）公司實(shí)

3、現(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)Beta2 VoU圖1鈉硫電池儲能系統(tǒng)原理（來源：美國儲能協(xié)會）2、液流電池液流氧化還原電池 （Redox flow cell energy storage systems），簡稱液流蓄電站或液流電池，與通常蓄電池活性物質(zhì) 包含在陽極和陰極內(nèi)不同，液流電池作為氧化-還原電對的活性物質(zhì) 分別溶解于裝在 兩個大儲液罐中的溶液里，各用一個泵使溶液流經(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)生還原 和氧化反應(yīng)。電池堆通過雙極板串聯(lián)，結(jié)構(gòu)類似于燃料電池。目前還 發(fā)展有在一個或兩個電極上發(fā)生金屬離子（及非金屬離子）溶解/沉 積反應(yīng)的液流電池。由于液流電池的儲能容量由

4、儲存槽中的電解液容積決定，而輸出功率取決于電池的反應(yīng)面積，通過調(diào)整電池堆中單電池的串連數(shù)量和 電極面積，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)置場地限制小。液流電池中的電化學(xué)反應(yīng)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)，不會引起電極 結(jié) 構(gòu)變化，此化學(xué)反應(yīng)為可逆，理論上可以進(jìn)行無限次任意程度的充放 電循環(huán)，極大延長電池的使用壽命。液流電池已有 全帆、帆漠、多硫化鈉/漠等多個體系，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，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。全帆液流電池的正、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

5、液流電池系統(tǒng)能量效率可達(dá)75 85%，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流電池。PumpDischargeCharge PumpPos. Electrode Side V4*+Neg t Electrode Side + 四* W*ElectrolyteTankElectrolyteTank圖2液流電池儲能系統(tǒng)原理（來源：美國儲能協(xié)會）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 （鉆酸鋰）或尖晶石LiMnQ、LiFePO4等，電解質(zhì)是鋰鹽的有 機(jī)溶液或聚合物。充電時，正極中的鋰離子脫離LiCoO2或Li

6、Mn2O4 晶體，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入碳材料負(fù)極，放電時則相反。鋰離子電池效率 高、能量密度高，具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率 低、儲存壽命長、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)鋰離子電池在某些特殊條件，如高 溫，短路，過充，強(qiáng)外力破壞等條件下可能會發(fā)生起火，過熱等安全 問題，傳統(tǒng)鋰離子電池循環(huán)壽命一般在400-500次（80%剩余）， 對于儲能電站來講，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，因此對于用于電站儲能等大規(guī)模儲能應(yīng) 用受到限制，急待突破提高

7、。圖3鋰離子電池儲能系統(tǒng)原理（來源：美國儲能協(xié)會）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，具有成本低、技術(shù)成熟、儲能容量大等優(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)是儲存能量密度低、可充放電次數(shù)少、制造過程中存在 定污染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

8、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?鎘。鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，經(jīng)濟(jì)耐用，內(nèi)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、超級電容器超級電容器是根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，充電時處于理想 極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使 其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。超級電容器優(yōu)勢在于與電池相比，內(nèi)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達(dá)到1000A；循環(huán)壽命長，最 高可達(dá)5

9、0萬次；工作溫度范圍寬 可在-30 oC-70 P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；所以目前超級電容器在電力系 統(tǒng) 中多用于短時間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量峰值功率場合，如大 功率直流電機(jī)的啟動支撐、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超級電容器的結(jié)構(gòu)和原理 （來源：中科院電工研究所）:）物理儲能技術(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抽到上池 水庫，將電能轉(zhuǎn)化成重力勢能儲存起來，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，水泵變 成 發(fā)電的水輪機(jī)，釋放上池水庫中的水發(fā)電。抽水蓄能電站是現(xiàn)在

10、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；抽水儲能 的釋放時間可以從幾個小時到幾天，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合適的場地和水源，以適合修建水庫； 一次投入的建造費(fèi)用過高，建設(shè)周期較長；響應(yīng)速度慢；當(dāng)電站距離用 電區(qū)域較遠(yuǎn)時輸電損耗較大。2、壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能技術(shù)是在電網(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、沉降的海底儲氣罐、 山洞、過期油氣井或新建儲氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮的空氣 推動燃?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

11、的空氣壓縮段，可使氣 輪發(fā)電機(jī)增加電能輸出幾十個百分點(diǎn)。壓縮空氣儲能規(guī)模大、運(yùn)行成 本低。壓縮空氣儲能的局限性是也要有合適的場地，其對地質(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，故這種儲能方式應(yīng)用不多圖6壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理（來源：美國儲能協(xié)會）3、飛輪蓄能飛輪蓄能利用電動機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能儲 存起來，在需要時飛輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。飛輪系統(tǒng)運(yùn)行于真空度較高的環(huán)境中，其特點(diǎn)是沒有摩擦損耗、風(fēng) 阻小、效率高、壽命長、對環(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；對轉(zhuǎn)子、軸承要

12、求比較高。保證系統(tǒng)安全性方面的費(fèi)用很高，在 小型場合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢，目前主要應(yīng)用于為蓄電池系統(tǒng)作補(bǔ)充。圖7飛輪儲能系統(tǒng)原理 （來源：美國儲能協(xié)會）超導(dǎo)電磁儲能超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)（SME）S利用超導(dǎo)體制成的線圈將電磁能直接儲存起來，需要時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)；電力電子單元則通過多種 變換形式，將儲存的有功功率向電網(wǎng)釋放，或?qū)㈦娋W(wǎng)功率轉(zhuǎn)儲在儲能 電感中。超導(dǎo)儲能在功率輸送時無需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快（ms 級），轉(zhuǎn)換效率高（96%）、比容量（1-10 Wh/kg）/

13、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)時大規(guī)模能量交 換和功率補(bǔ)償，對電網(wǎng)的電壓跌落、諧波等進(jìn)行靈活智能補(bǔ)償，或提 供 穩(wěn)定的短時大功率供電?？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 能技術(shù)相比，超導(dǎo)電磁儲能系統(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)電磁儲能原理（來源：中科院電工研究所）根據(jù)上述分析，各類儲能技術(shù)的特征匯總?cè)缦卤?表1儲能技術(shù)分類及特征儲能類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電化學(xué)儲能鈉硫電池能量密度大、充電效率高（可達(dá)到80%）、可大電流、 高功率放電需要

14、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 的安全隱患，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，對電 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、壽命長正負(fù)極電解液易交叉污染、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、長循環(huán)壽命過充控制的特殊封裝要求高，價(jià)格 成本、安全性、循環(huán)壽命及產(chǎn)品的 一致性等在滿足大規(guī)模儲能應(yīng)用還 有待突破鉛酸電池成本低、技術(shù)成熟、儲能容量大儲存能量密度低、可充放電次數(shù) 少、制造過程中存在污染鎳鎘電池循環(huán)壽命長，可快速充電， 經(jīng)濟(jì)耐用，內(nèi)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

15、級電容器比功率高、循環(huán)壽命長、內(nèi) 阻低、充放電速度快比容量小、單位能量投資高機(jī)械儲能抽水儲能規(guī)模大、能量轉(zhuǎn)換效率高（70-85%）需有合適的場地、一次投入的費(fèi)用 高壓縮空氣規(guī)模大、運(yùn)行成本低需有合適的場地、一次投入的費(fèi)用 高飛輪儲能摩擦損耗小、效率高、壽命 長、對環(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、對轉(zhuǎn) 子、軸承要求比較高電磁儲能超導(dǎo)儲能響應(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、全球儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況儲能技術(shù)在包括電力系統(tǒng)在內(nèi)的多個領(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)安全，尤其是在 可再生能源和分布式發(fā)

16、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，儲能技術(shù)將可能發(fā)揮著變革性的作用。近年來，眾多國 家都在加大對儲能技術(shù)，尤其對電化學(xué)儲能技術(shù)的研發(fā)投資力度，而世 界范圍內(nèi)的電力工業(yè)重組與能源結(jié)構(gòu)調(diào)整也給儲能技術(shù)帶來了新的發(fā)展 機(jī)遇。（一）電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況1、鈉硫電池鈉硫電池最早是美國福特（Ford）公司于1967年首先發(fā)明公布 的，到20世紀(jì)80年代中期，日本的京瓷（NGK）公司開始與日本東 京電力公司合作開發(fā)鈉硫電池作為儲能電池，NGK公司利用其在陶瓷 領(lǐng)域獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，成功開發(fā)出比能量密度高達(dá)160kWh/m3的鈉硫 電池，利用熔融狀態(tài)的金屬鈉和硫磺在300C以上

17、高溫條件下，進(jìn)行 氧化一還原反應(yīng)，完成充放電過程。1992年，世界上第一座鈉硫電 池儲能系統(tǒng)開始在日本示范運(yùn)行；2002年，NGK公司開始鈉硫電池的 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 能站進(jìn)入示范運(yùn)行；2004年7月，世界上最大的鈉硫電池儲電站 （9.6MW/57.6MW）h在日本Hitachi自動化系統(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、高效的且具廣闊發(fā)展前景的大 規(guī)模電力儲能電池。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公司壟斷，世界其它國家對鈉硫電池的研發(fā)甚少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，

18、截止2007年底，日本NGK公司已有超過100座鈉硫電 池儲能站在全球運(yùn)行中，電池量已超過100MW，同時開始向海外輸 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%；不間斷電源13%。日本京瓷（NGK）公司1995-2007年鈉硫電池示范項(xiàng)目摘錄見附（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、具有廣闊發(fā)展前景的大規(guī)模電力儲能電池。液流電池是1974年Thaller, L. H. （NASALewis Research Center, Cleveland, United States）提出的一種電化學(xué) 儲能裝置。經(jīng)過30多年的研究與

19、發(fā)展，世界各國研究者已經(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)入示范運(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，全釩液流電池的儲能成本將進(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

20、開始合作開發(fā)全釩 液流儲能電池系統(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等全釩液流儲能電池系統(tǒng)，用于平衡 負(fù)載和電站調(diào)峰的示范運(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月在北海道建設(shè) 了 170kW/1020kWh的風(fēng)電儲能裝置，并榮獲2001年度日本“能源 與資源技術(shù)進(jìn)步”獎。目前，在日本共有15套全釩液流儲能電池系 統(tǒng)進(jìn)行示范運(yùn)行，其中位于北海道的30MW的風(fēng)

21、電場，使用了 4MW/6MW儲h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（簡稱“ VRB Powe” r 公 司），成立于1999年，是一家專注于“全釩液流氧化還原儲能系 統(tǒng)”（簡稱“VRB-ES”S）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 太平洋電力建造了 250kW/2MWh的全釩液流電

22、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 （簡稱“ RNG- ES” S 系統(tǒng)）的知識產(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能產(chǎn) 品。而且在電堆構(gòu)造設(shè)計(jì)、關(guān)鍵材料評價(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)驗(yàn)的釩電 池公司，建立了覆蓋全球80多個國家的液流電池專利體系。截至 2008年底，VRB Power在全球范圍內(nèi)成功實(shí)施和運(yùn)營4

23、0多個“ VRB-ESS”儲能項(xiàng)目，其中近20個為大型“ VRB-ESS”儲能系 統(tǒng)。2009年1月，總部設(shè)在中國北京的北京普能世紀(jì)科技有限公司（Prudent Energy）成功收購了加拿大VRBP ower公司的資產(chǎn)、知 識產(chǎn)權(quán)和生產(chǎn)技能，吸收了來自VRB公司的經(jīng)驗(yàn)與知識的積累，包 括來自于Regenesys和日本住友Sumitomo在液流電池產(chǎn)業(yè)中長達(dá) 15年的研究成果，其在全球超過30個成功實(shí)施案例及15個專 利，覆蓋全 球23個主要國家。除了日本和加拿大對全釩液流電池的研究外，西歐一些國家，如 德國、奧地利、葡萄牙和英國等國家也在開展全釩液流蓄電系統(tǒng)的研 究，并計(jì)劃將其應(yīng)用于光伏發(fā)電

24、和風(fēng)能發(fā)電的蓄電系統(tǒng)。目前國際上 VRB 公司主要有：Sumitomo Electric Industries Ltd （日本） ； Pinnacle s parent Company （澳大利亞）； VRB Power Systems Inc.（加拿大）；Refuel Inc.（英國）；Cell Strom Inc.（奧 地利）；北京普能世紀(jì)科技有 限公司（中國）等。英國Innogy公司于上世紀(jì)九十年代初開始研究多硫化鈉/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年分別在英國和美國各

25、建造了 120 MWh儲能電站，用于電站調(diào)峰 和UPS；美國電網(wǎng)大停電事故后，為美國密西西比的哥倫比亞空軍基地 建造了世界上第二座PSB蓄電系統(tǒng)，蓄電規(guī)模達(dá)到120MW、h功率 12MW，耗資2500萬美元，2004年投入使用，可為該空軍基地在非 常時期提供24小時的電能；Innogy還為Eltra公司在丹麥的一 個沿海風(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 站已停止運(yùn)行，主要 原因是漠氣對建筑結(jié)構(gòu)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)品發(fā)展比較迅 速，美國、日本、歐洲等國家相繼將全釩液

26、流電池儲能系統(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)示范項(xiàng)目最多的國 家是日本，應(yīng)用在可再生能源發(fā)電、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能系統(tǒng)應(yīng)用案例列表見附件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納米以內(nèi)，從100納米到50納 米，只經(jīng)歷了

27、不到1年時間。美國麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)將電 池的充電時間縮短至1分鐘以內(nèi)。依托美國麻省理工學(xué)院的美國 A123公司利用其開發(fā)出的性能更高的納米級磷酸鐵鋰，已使電池的導(dǎo) 電性、安全性和功率性能有了極大提高，電池成本也下降了近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Celgard等是全球主要隔膜供應(yīng)商，產(chǎn)品占高端 隔膜市場的95%以上。近幾年來，隨著價(jià)廉、高安全的鎳鉆錳酸鋰、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 到迅速發(fā)展，大規(guī)模鋰離

28、子儲能技術(shù)也已進(jìn)入示范應(yīng)用階段，特別是 動力型鋰離子電池已在電動工具、電動自行車（BEB）、混合電動車 （HEV）等領(lǐng)域進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用，并且近年美國、中國等已還在開展大 功率鋰 電池在儲能電站中的應(yīng)用。目前，世界上運(yùn)行的最大鋰離子儲 能系統(tǒng)是A123公司投資建設(shè)的裝機(jī)容量為2MW儲能電站。2009 年，中國比亞迪公司的1MW鋰離子電池儲能電站已建成并開始試運(yùn) 行；美國AEP公司將于2010年建成以鋰離子電池進(jìn)行儲能的3MW社 區(qū)儲能系統(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多年的發(fā)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

29、仍占據(jù)半數(shù)以上的市場份額。除因鉛酸電池技術(shù)成 熟、價(jià)格低廉、安全性高等傳統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)外，與鉛酸電池近些年在 競爭中發(fā)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 結(jié)構(gòu)；新組分鉛合金電極，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)格最便宜的電池產(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，容量范圍可從數(shù)十mAh到上萬Ah。鉛酸電池儲能系統(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)安全、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)電配合使用的示范項(xiàng)

30、目，總儲 能容量為 4.95MW。表2世界鉛酸電池儲能系統(tǒng)典型應(yīng)用案例序號鉛酸電池系統(tǒng) 名稱和位置額定功率/容 量/（MW/MWh）功能安裝時間1BEWAG，Berlin （德國）8.5/8.5熱備用、頻率控制1986 年2Crescent ， NorthCarolina0.5/0.5峰值調(diào)節(jié)1987 年3Chino ， California （美 國）10/40熱備用、平衡負(fù)荷1988 年4PREPA，Puerto Rico （波多 黎各）20/14熱備用、頻率控制1994 年5Vernon ， California （ 美 國）3/4.5提高電能質(zhì)量1995 年6Metlakatla ，

31、Alaska （ 美 國）1/1.4提高孤立電網(wǎng)穩(wěn)定 性1997 年7ESCAR， Madrid （西班牙）1/4平衡負(fù)荷20世紀(jì)90年代后 期8Herne-Sodingen （ 德國）1.2/1.2削峰、提高電能質(zhì) 量20世紀(jì)90年代后 期資料來源：中國電力科學(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)行的的鎳鎘儲能系統(tǒng)配置為 4MWX15 分鐘。6、超級電容儲能超級電容器歷經(jīng)三代及數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)形成電容量0.5- 1000F、工作電壓12-400V

32、、最大放電電流400-2000A系列產(chǎn) 品，儲能系統(tǒng)最大儲能量達(dá)到8.3kWh。但是，超級電容器價(jià)格較為昂 貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時間、大功率的負(fù)載平滑和主要用于高峰 值功率、低容量的場合，以滿足用戶對于電能質(zhì)量和供電可靠性的越 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 的第四代超級電容器。目前，西門子公司開發(fā)的儲能量達(dá)到5.8kWh、最大功率1MW的 超級電容器儲能系統(tǒng)，成功安裝在德國科隆市750 V直流地鐵配電網(wǎng) 中，該系統(tǒng)由4800支2600F/2.5 V超級電容器組成，重量2t，體 積2m3，超級電容器組儲能效率為95%；美國TVA電力公司成功開發(fā) 的200kW

33、超級電容器儲能系統(tǒng)，用于大功率直流電機(jī)的啟動支撐。（二）抽水蓄能及其它儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用情況1、抽水蓄能電站美、日、歐洲等國家和地區(qū)在20世紀(jì)60-70年代進(jìn)入抽水蓄能電站建設(shè)的高峰期。目前，抽水蓄能已成為電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)“調(diào)峰填 谷”、最為廣泛應(yīng)用的一種儲能技術(shù)和有效手段，已形成了規(guī)范的設(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 結(jié)構(gòu)、斜井全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)開挖、鋼岔管考慮圍巖分擔(dān)內(nèi)水壓力、 上水庫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、大容量方向發(fā)

34、展，立足于對 振 動、空蝕、變形、止水和磁特性的研究和實(shí)現(xiàn)自動頻率控制等。限制抽 水蓄能電站更為廣泛應(yīng)用的一個重要制約因素是建設(shè)工期長，工程投 資巨大，受地形條件的限制。目前，世界范圍內(nèi)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%。美國和西歐經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家抽水蓄能機(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個大型抽水蓄能電站的情況。表3國外部分大型抽水蓄能應(yīng)用案例序號電站國家裝機(jī)容量/MW投入年份1落基山美國76019952錫亞比舍伊朗100019963奧清津II日本60019964葛野川日本160019995拉姆它昆泰國1000

35、20006金谷德國106020037神流川日本282020058小丸川日本12002007資料來源泉：中國電力科學(xué)院、壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能的建設(shè)投資和發(fā)電成本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)換能效率達(dá)到90%，大規(guī)?；蛷?fù)合發(fā)電 技術(shù)將進(jìn)一步降低成本。但因其能量密度低，受巖層等地形條件的限 制，影響了應(yīng)用的發(fā)展。近年隨著分布式電力系統(tǒng)的發(fā)展，人們對于 8-12MW微型壓縮空氣儲能系統(tǒng)(micro-CAES)開始關(guān)注，如利用 壓力 罐存放壓縮空氣，但其成本比較高。世界上第一個商業(yè)化壓縮空氣儲能電站(CAES)為1978年建于 德國Hundorf，機(jī)組為290MW，換能效率7

36、7%，運(yùn)行至今累計(jì)啟動 超過7000次，主要用于熱備用和平滑負(fù)荷。1991年建于美國亞拉 巴馬州的壓縮空氣儲能系統(tǒng)是一個優(yōu)秀的成功案例，它把壓縮空氣儲 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 時的壓 縮空氣，能在14分鐘內(nèi)并網(wǎng)。日本于1998年在北海道三井 砂川礦，利用礦坑做儲氣庫，2001年開始運(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)行時間為8小時。2005年美國Ridge和EI Paso能源公司在 Texas開始建造的Markham電站，容量為540MW。此外，俄羅斯、法 國、意大利、盧森堡、以色列等國也長期

37、致力于CAES的開發(fā)。3、飛輪儲能隨著高強(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)的發(fā)展，飛輪儲能技術(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)達(dá)到10-7級 量。在此基礎(chǔ)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。國際上大多數(shù)飛輪儲能系統(tǒng)用于短時間供電支撐，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， 儲能量達(dá)到5kWh；日本建成的世界上最大的飛輪儲能系 統(tǒng)為340MW/30； s美國紐約地鐵安裝的1M

38、W/6s飛輪儲能系統(tǒng)，是由 10個100kW/1.6kWh飛輪組成飛輪陣列，用于列車啟動電壓支撐和制 動能 量回收；美國能源部和California Energy Commission支持 建設(shè)的100kW的飛輪儲能系統(tǒng)用于電網(wǎng)電壓和頻率控制，2005-2006 年進(jìn)行了 18個月的運(yùn)行測試，該項(xiàng)目最終目標(biāo)是建設(shè)1MW/250kW 的h飛輪儲 能系統(tǒng)。還有一些飛輪儲能系統(tǒng)用于長時間放電支撐，如 輸出2kW/3小時的飛輪儲能系統(tǒng)。美國波音公司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能應(yīng)用案例。表4世界部

39、分飛輪儲能應(yīng)用案例研發(fā)機(jī)構(gòu)基本參數(shù)技術(shù)特點(diǎn)作用日本四國綜 合研究所8MWh，儲能放電各4h，待 機(jī)16h高溫超導(dǎo)磁浮立式軸承，儲能效 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，儲能效率85%UPS美國Vista公 司277kWh引入風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)全程調(diào)峰美國馬里蘭大 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5MW/100MW，h 轉(zhuǎn)速2250-4500rad/min超導(dǎo)磁浮軸承，儲能效率96%儲能電站巴西額定轉(zhuǎn)速30000rad/min超導(dǎo)與永磁懸浮軸承電壓補(bǔ)償資料來源：中國電力科學(xué)院4、超導(dǎo)電磁儲能超導(dǎo)電磁儲能（SME）S沒有旋轉(zhuǎn)機(jī)械和動密封的問題，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級系 統(tǒng)，從而解決高場磁體繞組力學(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)行成本，