探討風電、光伏、儲能等

可再生能源是二手吊車的發(fā)展趨勢與技術應用

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儲能技術是通過裝置或物理介質將能量儲存起來以便以后需要時利用的技術。儲能技術按照儲存介質進行分類，可以分為機械類儲能、電氣類儲能、電化學類儲能、熱儲能和化學類儲能。

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。

知識點1：抽水蓄能原理

說簡單點，抽水蓄能電站就是在勢能與電能之間相互轉換。負荷低谷時段，利用電網內部消耗不掉的電能將下水庫的水抽到上水庫，轉換成水的勢能儲存起來，此時抽水蓄能電站是電網內的一個用戶;到電網用電高峰的時候，轉化為水輪發(fā)電機模式，將上水庫的水放到下水庫來發(fā)電，從而完成水的勢能到電能的轉換，達到彌補用電缺口的目的。這時，抽水蓄能電站是電網內的一個發(fā)電站。

知識點2：抽水蓄能分類

按電站有無天然徑流分：純抽水蓄能電站與混合式抽水蓄能電站

(1)純抽水蓄能電站：沒有或只有少量的天然來水進入上水庫(以補充蒸發(fā)、滲漏損失)，而作為能量載體的水體基本保持一個定量，只是在一個周期內，在上、下水庫之間往復利用;廠房內安裝的全部是抽水蓄能機組，其主要功能是調峰填谷、承擔系統事故備用等任務，而不承擔常規(guī)發(fā)電和綜合利用等任務。

(2)混合式抽水蓄能電站：其上水庫具有天然徑流匯入，來水流量已達到能安裝常規(guī)水輪發(fā)電機組來承擔系統的負荷。因而其電站廠房內所安裝的機組，一部分是常規(guī)水輪發(fā)電機組，另一部分是抽水蓄能機組。相應地這類電站的發(fā)電量也由兩部分構成，一部分為抽水蓄能發(fā)電量，另一部分為天然徑流發(fā)電量。所以這類水電站的功能，除了調峰填谷和承擔系統事故備用等任務處，還有常規(guī)發(fā)電和滿足綜合利用要求等任務。

按水庫調節(jié)性能分：日調節(jié)、周調節(jié)、季調節(jié)抽水蓄能電站

(1)日調節(jié)抽水蓄能電站：其運行周期呈日循環(huán)規(guī)律。蓄能機組每天頂一次(晚間)或兩次(白天和晚上)尖峰負荷，晚峰過后上水庫放空、下水庫蓄滿;繼而利用午夜負荷低谷時系統的多余電能抽水，至次日清晨上水庫蓄滿、下水庫被抽空。純抽水蓄能電站大多為日設計蓄能電站。

(2)周調節(jié)抽水蓄能電站：運行周期呈周循環(huán)規(guī)律。在一周的5個工作日中，蓄能機組如同日調節(jié)蓄能電站一樣工作。但每天的發(fā)電用水量大于蓄水量，在工作日結束時上水庫放空，在雙休日期間由于系統負荷降低，利用多余電能進行大量蓄水，至周一早上上水庫蓄滿。我國第一個周調節(jié)抽水蓄能電站為福建仙游抽水蓄能電站。

(3)季調節(jié)抽水蓄能電站：每年汛期，利用水電站的季節(jié)性電能作為抽水能源，將水電站必須溢棄的多余水量，抽到上水庫蓄存起來，在枯水季內放水發(fā)電，以增補天然徑流的不足。這樣將原來是汛期的季節(jié)性電能轉化成了枯水期的保證電能。這類電站絕大多數為混合式抽水蓄能電站。

按站內安裝的抽水蓄能機組類型分：四機分置式、三機串聯式、二機可逆式

(1)四機分置式：這種類型的水泵和水輪機分別配有電動機和發(fā)電機，形成兩套機組。已不采用。

(2)三機串聯式：其水泵、水輪機和發(fā)電電動機三者通過聯軸器連接在同一軸上。三機串聯式有橫軸和豎軸兩種布置方式。

(3)二機可逆式：其機組由可逆水泵水輪機和發(fā)電電動機二者組成。這種結構為主流結構。

按布置特點分：首部式、中部式、尾部式

(1)首部式：廠房位于輸水道的上游側。

(2)中部式：廠房位于輸水道中部。

(3)尾部式：廠房位于輸水道末端。

（2）特點：屬于大規(guī)模、集中式能量儲存，技術相當成熟，可用于電網的能量管理和調峰；

效率一般約為65%~75%，最高可達80%~85%；

負荷響應速度快(10%負荷變化需10秒鐘)，從全停到滿載發(fā)電約5分鐘，從全停到滿載抽水約1分鐘；

具有日調節(jié)能力，適合于配合核電站、大規(guī)模風力發(fā)電、超大規(guī)模太陽能光伏發(fā)電。

（3）缺點：需要上池和下池；

廠址的選擇依賴地理條件，有一定的難度和局限性；

與負荷中心有一定距離，需長距離輸電。

（4）應用

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2012年年底，我國共有抽水蓄能電站34座，其中，投運26座，投運容量2064.5萬千瓦約占全國總裝機容量11.4億千瓦的1.8%。（另在建8座，在建容量894萬千瓦）

1.2飛輪儲能

（1）基本原理

知識點1：飛輪儲能原理

飛輪儲能的工作原理即在電力富裕條件下，由電能驅動飛輪到高速旋轉，電能轉變?yōu)闄C械能儲存;當系統需要時，飛輪減速，電動機作發(fā)電機運行，將飛輪動能轉換成電能，供用戶使用。飛輪儲能通過轉子的加速和減速，實現電能的存入和釋放。

知識點2：飛輪儲能結構

飛輪儲能系統基本的結構包括以下五個組成部分：

飛輪輪子：一般為高強度復合纖維材料組成，通過一定的繞線方式纏繞在與電機轉子一體的金屬輪毅上。

軸承：利用永磁軸承、電磁軸承、超導懸浮軸承或其他低摩擦功耗軸承支承飛輪，并采用機械保護軸承。

電動發(fā)電機：一般為直流永磁無刷同步電動發(fā)電互逆式雙向電機。

電力轉換器：它是輸入電能轉化為直流電供給電機，輸出電能進行調頻、整流后供給負載的關鍵部件。

真空室：為減少風損、防止高速旋轉的飛輪發(fā)生安全事故，飛輪系統放置與高真空密封保護套筒內。

（2）優(yōu)點

壽命長（15~30年）；

效率高（90%）；

少維護、穩(wěn)定性好；

較高的功率密度；

響應速度快（毫秒級）。

（3）缺點

能量密度低，只可持續(xù)幾秒至幾分鐘；

由于軸承的磨損和空氣的阻力，具有一定的自放電。

（4）應用

飛輪儲能多用于工業(yè)和UPS中，適用于配電系統運行，以進行頻率調節(jié),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(wěn)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(yī)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。

1.3壓縮空氣儲能

（1）基本原理

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(fā)電。

（2）優(yōu)點

有調峰功能，適合用于大規(guī)模風場，因為風能產生的機械功可以直接驅動壓縮機旋轉，減少了中間轉換成電的環(huán)節(jié)，從而提高效率。

（3）缺點

需要大的洞穴以存儲壓縮空氣，與地理條件密切相關，適合地點非常有限；

需要燃氣輪機配合，并要一定量的燃氣作燃料，適合于用作能量管理、負荷調平和削峰；

以往開發(fā)的是一種非絕熱（diabatic）的壓縮空氣儲能技術。空氣在壓縮時所釋放的熱，并沒有儲存起來，通過冷卻消散了，而壓縮的空氣在進入透平前還需要再加熱。因此全過程效率較低，通常低于50%。

二電氣類儲能

電氣類儲能的應用形式只要有超級電容器儲能和超導儲能。

2.1超級電容器儲能

（1）基本原理

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。

（2）優(yōu)點

長壽命、循環(huán)次數多；

充放電時間快、響應速度快；

效率高；

少維護、無旋轉部件；

運行溫度范圍廣，環(huán)境友好等。

（3）缺點

超級電容器的電介質耐壓很低，制成的電容器一般耐壓僅有幾伏，儲能水平受到耐壓的限制，因而儲存的能量不大；

能量密度低；

投資成本高；

有一定的自放電率。

（4）應用

超級電容器儲能開發(fā)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。

2.2超導儲能

（1）基本原理

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(jié)系統（PCS）和低溫制冷系統等組成。能量以超導線圈中循環(huán)流動的直流電流方式儲存在磁場中。

（2）優(yōu)點

由于直接將電能儲存在磁場中，并無能量形式轉換，能量的充放電非常快（幾毫秒至幾十毫秒），功率密度很高；

極快的響應速度，可改善配電網的電能質量。

（3）缺點

超導材料價格昂貴；

維持低溫制冷運行需要大量能量；

能量密度低（只能維持秒級）；

雖然已有商業(yè)性的低溫和高溫超導儲能產品可用，但因價格昂貴和維護復雜，在電網中應用很少，大多是試驗性的。

（4）應用

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(wěn)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(yè)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(fā)展(特別是材料、低成本、制冷、電力電子等方面技術的發(fā)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。在這著重講解鋰電池：

3.1鉛酸電池

（1）基本原理

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。

（2）優(yōu)點

技術很成熟，結構簡單、價格低廉、維護方便；

循環(huán)壽命可達1000次左右；

效率可達80%至90%，性價比高。

（3）缺點

深度、快速、大功率放電時，可用容量下降；

能量密度較低，壽命較短。

（4）應用

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(fā)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。

3.2鋰離子電池

（1）基本原理

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(tài)，正極處于貧鋰態(tài)；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(tài)，負極處于貧鋰態(tài)。

（2）優(yōu)點

鋰離子電池的效率可達95%以上；

放電時間可達數小時；

循環(huán)次數可達5000次或更多，響應快速；

鋰離子電池是電池中比能量最高的實用型電池，有多種材料可用于它的正極和負極（鈷酸鋰鋰離子電池、錳酸鋰鋰離子電池、磷酸鐵鋰鋰離子電池、鈦酸鋰鋰離子電池等）。

（3）缺點

鋰離子電池的價格依然偏高；

有時會因過充電而導致發(fā)熱、燃燒等安全問題，有一定的風險，所以需要通過過充電保護來解決。

（4）應用

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(fā)展很快，近年來，大規(guī)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(fā)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(fā)上。

四熱儲能

（1）基本原理

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(tài)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。

（2）缺點

n熱儲能要各種高溫化學熱工質，應用場合比較受限。

（3）應用

由于熱儲能儲存的熱量可以很大，所以在可再生能源發(fā)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(fā)電站中。此外，還有許多其他種類的儲熱技術正在開發(fā)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。不作贅述