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细说储能:能源利用方式变革之支点

导读: 从广义上讲,储能即能量存储,是指通过一种介质或者设备,把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来,基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的循环过程。从狭义上讲,针对电能的存储,储能是指利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施。

  钒电池:全钒氧化还原液流电池,简称钒电池。其工作原理是通过采用不同价态的钒离子溶液分别作为正负极活性物质,通过外接泵把溶液从储液槽压入电池堆体内完成电化学反应,之后溶液又回到储液槽,液态的活性物质不断循环流动。

  钒氧化还原电池所有的反应物都在溶液中,其储能容量与输出功率无关。因此钒电池可以很容易地实现储能容量的经济扩容。钒电池可以通过更换电池堆进行重复使用,电解液和储能罐也能重复使用。钒电池的充放电效率约为75%电池单元的输出响应很快,可以在几毫秒内完成从0功率运行到满功率输出,由于系统中其他设备的限制,钒电池系统的输出响应时间大约20ms。液流电池具有能量转换效率高、循环寿命长、蓄电容量大、选址自由、可深度放电、系统设计灵活、安全环保、维护费用低等优点。钒电池作为储能电源主要应用在电厂(电站)调峰以平衡负荷,大规模光电转换、风能发电的储能电源以及作为边远地区储能系统,不间断电源或应急电源系统。

  钒电池的关键技术在于关键材料制备与成本控制方面,包括高稳定性电解液高选择性低成本离子交换膜、高反应活性电极等,另一方面关键材料的批量化制备技术,也是液流电池的产业化的关键基础技术。

  镍氢电池:镍氢电池是由氢离子和金属镍合成,电量储备比镍镉电池多30%比镍镉电池更轻,使用寿命也更长,并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多,性能比锂电池要差。

  锂电池:锂离子电池以含锂的化合物作正极,如钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)或磷酸铁锂(LiFePO4)等二元或三元材料;负极采用锂-碳层间化合物,主要有石墨、软碳、硬碳、钛酸锂等;电解质由溶解在有机碳酸盐中的锂盐组成的。其工作原理如图所示,充电时,锂原子变成锂离子通过电解质向碳极迁移,在碳极与外部电子结合后作为锂原子储存,放电的时候整个过程可逆。

  与其他传统蓄电池相比,锂离子电池具有比能量高、额定电压高、大电流放电能力强、高功率承受力、自放电率低等优点,其比能量(200Wh/kg)达到了铅酸电池的5倍左右,单体工作电压为3.7V或3.2V,循环寿命在浅充放模式下可以达到3000~5000次,储能效率可以达到90%以上。但锂离子电池耐过充/放电性能差,组合及保护电路复杂,成本相对于铅酸电池等传统蓄电池偏高,这些因素制约了锂离子电池在大型动力和储能电池领域的应用。随着新能源汽车、可再生能源及分布式电站技术的发展,锂离子电池在新能源汽车、可再生能源接入及小型分布式电站等方面的应用受到越来越多的关注。

  钠硫电池:钠硫电池的正极为液态(熔融)的硫,负极为(熔融)的钠,两者通过固态氧化铝陶瓷分离开,电解质只允许正钠离子通过和硫结合形成多硫化物:放电时,带正电的钠离子通过电解质,而电子通过外部电路流动产生大约2V的电压。充电时,整个过程逆转,多硫化钠释放正钠离子反向通过电解质重新结合为钠。整个电池正常工作需要保持温度在300℃-350℃。

  典型的钠硫电池的循环寿命周期约为2500次充放电循环。该电池典型的能量功率密度分别为150-240kWh/m3和150W/kg-230W/kg,并且单元效率很高(75%-90%),拥有的脉冲功率可达连续工作的六倍(脉冲时间可达30秒)。这种特性使钠硫电池可同时用于提高电力质量和调峰,具有很好的经济性。如上所述,硫化钠电池需要在高温下工作(300℃-350℃),因此它的主要缺点是需要热源,使用电池自身存储的热量来维持系统温度,从而降低了电池的部分性能。而另一个主要问题是初期成本较高(2000美元/KW和350美元/KWh),但是随着产能的扩大,预期成本将会降低。

  铅酸电池:铅酸电池是指电极由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。在充电状态下,铅酸电池的正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;放电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。图1为铅酸电池的工作原理。放电时,正极的二氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅和水,负极的铅与硫酸反应生成硫酸铅;充电时,正极的硫酸铅转化为二氧化铅,负极的硫酸铅转化为铅。

  铅酸电池未来的主要发展趋势在于优化电池关键原材料的制备技术,改进电池结构设计、制造工艺和提升电池工况适用范围等。同时许多企业在开发新型的铅酸电池,如铅碳电池、超级铅酸电池和水平铅酸电池等,这些新技术有望使铅酸电池在储能密度和循环寿命上有所突破。

  抽水蓄能:抽水蓄能电站在用电低谷通过水泵将水从低位水库送到高位水库从而将电能转化为水的势能存储起来,其储能总量同水库的落差和容积成正比在用电高峰,水从高位水库排放至低位水库驱动水轮机发电。抽水蓄能电站的工作方式同常规水电站类似,具有技术成熟、效率高、容量大、储能周期不受限制等优点。但是,抽水蓄能电站需要优越的地理条件建造水库和水坝,需要的建设周期很长(一般约10~15年),初期投资巨大。不仅如此,建造两个大型水库会淹没大面积的植被甚至城市,造成生态破坏和移民问题。抽水蓄能电站的发展趋势主要包括大容量机组、高水头水泵水轮机、高转速大容量发电机、变速调节控制、无人化智能控制与集中管理、信息化施工、隧道掘进机开挖技术、新型钢材和沥青混凝土技术等。

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