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1、可再生能源发电技术可再生能源发电技术2第第8章章 电能储存技术电能储存技术8.1 8.1 储能装置的作用和类型储能装置的作用和类型8.2 8.2 蓄电池储能蓄电池储能8.3 8.3 飞轮储能飞轮储能8.4 8.4 超导磁体储能超导磁体储能8.5 8.5 超级电容器储能超级电容器储能38.18.1 储能装置的作用和类型储能装置的作用和类型n原因：原因：风能、太阳能的间歇性且不能存储风能、太阳能的间歇性且不能存储n采用电力储能技术，可以提高电网经济性、安全性和采用电力储能技术，可以提高电网经济性、安全性和供电可靠性，支持新能源发展，解决可再生能源并网、供电可靠性，支持新能源发展，解决可再生能源并网
2、、电动汽车发展等众多现实难题。电动汽车发展等众多现实难题。n20092009年年1111月，美国能源部长朱棣文宣布投资月，美国能源部长朱棣文宣布投资6.26.2亿美元亿美元资助先进智能电网技术示范项目和综合系统，共资助资助先进智能电网技术示范项目和综合系统，共资助3232个示范项目，大规模的储能技术被放到了首位。个示范项目，大规模的储能技术被放到了首位。n目前储能技术的开发远远落后于风能和太阳能的发展，目前储能技术的开发远远落后于风能和太阳能的发展，各国都急于发展储能技术。各国都急于发展储能技术。4储能装置的主要作用储能装置的主要作用平抑可再生能源发电的功率波动，改善电能质量，缓解电网调平抑可
3、再生能源发电的功率波动，改善电能质量，缓解电网调峰压力；峰压力；降低配套输电线路容量需求，提高现有发输配用电设备的利用降低配套输电线路容量需求，提高现有发输配用电设备的利用率；率；增强电力系统稳定性；增强电力系统稳定性；减少旋转备用；减少旋转备用；降低发电煤耗、供电损耗，减少用户的用电费用；降低发电煤耗、供电损耗，减少用户的用电费用；提高供电可靠性，减少停电损失。提高供电可靠性，减少停电损失。6Specific Energy ComparisonSpecific energy(Wh/kg)Specific power(W/kg)Gasoline12300Natural gas9350Metha
4、nol6200Hydrogen28000Ultracapacitor51000Flywheel101508005000Lead-acid3550200400Ni-Cd5060180250Zn/Air230105Li-Ion1001304008007各种储能技术比较各种储能技术比较储储能技能技术术优优点点缺点缺点功率功率应应用用 能量能量应应用用抽水蓄能抽水蓄能大容量、低成本大容量、低成本场场地要求特殊地要求特殊不可行不可行完全完全胜胜任任压缩压缩空气空气储储能能大容量、低成本大容量、低成本场场地要求特殊、需要燃气地要求特殊、需要燃气不可行不可行完全完全胜胜任任飞轮储飞轮储能能大容量大容量低能量
5、密度低能量密度完全完全胜胜任任 不大不大经济经济超超导储导储能能大容量大容量高成本，低能量密度高成本，低能量密度完全完全胜胜任任不不经济经济超超级电级电容器容器长长寿命，高效率寿命，高效率低能量密度低能量密度完全完全胜胜任任合适合适铅铅酸酸电电池池低投低投资资寿命低寿命低完全完全胜胜任任 不大不大实际实际镍镉电镍镉电池池大容量、高效率大容量、高效率低能量密度低能量密度完全完全胜胜任任合适合适锂电锂电池池大容量、高能量密度、高大容量、高能量密度、高效率效率高成本，需要特殊充高成本，需要特殊充电电回回路路完全完全胜胜任任 不大不大经济经济钠钠硫硫电电池池大容量、高能量密度、高大容量、高能量密度、高
6、效率效率高成本，安全高成本，安全顾虑顾虑完全完全胜胜任任 完全完全胜胜任任液流液流电电池池大容量大容量低能量密度低能量密度合适合适完全完全胜胜任任8Basic principle of batteriesClassification of batteriesnRechargeable Batteries8.28.2 蓄电池储能蓄电池储能10nEvolution of Batteries11n35 Wh/kg,150 W/kg,700 CyclesVALA Battery13VRLA BatterynAdvantages:Proven technology and mature manufact
7、uringLow costHigh cell voltage(2V)Good low-and high-temperature performancesHigh energy efficiency(75-80%)nDisadvantage:Low specific energy and specific powerHigh self-discharging rate(1%per day at 25C)Short cycle life(500-700)15Ni-Zn Batteryn60 Wh/kg,150 W/kg,300 CyclesHigh specific energyNo toxici
8、tyTolerance of overcharge and overdischargeWide operating temperature range(-20-60C)Short cycle life(300 cycles)16Ni-MH Batteryn65 Wh/kg,200 W/kg,2000 Cyclesn80 in 15 minsnHigh specific energy nHigh initial cost氢化金属氢化金属合金合金18Al/Air Batteryn250 Wh/kg,7 W/kgnMechanically refueledas range extendernHigh
9、 specific energy nLow specific power19Na/S Batteryn100 Wh/kg,200 W/kg,600 Cyclesn300350 nNeed of thermal management nSafety problem20Na/NiCl2 Batteryn100 Wh/kg,110 W/kg,1000 Cyclesn250350 nHigher cell voltage than Na/SnWider operating temperature than Na/SnSafer products of reaction than Na/SnMore r
10、eliable and durable than Na/S21Li-Al/FeS2 Batteryn180 Wh/kg,400 W/kg,1000 Cyclesn375450 22Li-Polymer Batteryn155 Wh/kg,315 W/kg,600 CyclesnVery low self-discharge,about 0.5%per monthnSolid electrolytenWeak low-temperatureperformance24Equivalent Circuit of Battery蓄电池的等效电路蓄电池的等效电路25When RL=RiOperation
11、 Point26 容量容量 比能量比能量 比功率比功率 循环寿命循环寿命（Ah）表示可以表示可以C安培放电安培放电1小时，或小时，或C/n安培放电安培放电n小时小时单位质量的能量，单位质量的能量，Wh/kg一次充电和放电称为一次循环。在一定一次充电和放电称为一次循环。在一定的冲放电条件下，电池容量降至某一规的冲放电条件下，电池容量降至某一规定值之前，电池能耐受的充放电次数，定值之前，电池能耐受的充放电次数，称为蓄电池的充放电循环寿命。称为蓄电池的充放电循环寿命。单位质量的功率，单位质量的功率，W/kg蓄电池的主要特性蓄电池的主要特性28Voltage variation during char
12、ge/discharge cycle of nickel-cadmium cell with nominal voltage of 1.2V29不同充放电速率下电池电压的变化不同充放电速率下电池电压的变化31n内阻内阻温度对温度对25Ah镍镉电池内阻的影响镍镉电池内阻的影响32n充电效率充电效率温度对温度对25Ah镍镉电池内阻的影响镍镉电池内阻的影响n自放电和涓流充电自放电和涓流充电33Charging characteristics of various batteries General Charging Methods:vControlled voltage chargingvContr
13、olled current charging andvControlled voltage and current charging.In order to simultaneously achieve both high charge efficiency and high safety,the charging methods generally vary with the types of batteries.蓄电池的充放电蓄电池的充放电34Pb-Acid Battery charging多步恒流充电：多步恒流充电：第一步：大约第一步：大约3小时，直到达到冒气电压小时，直到达到冒气电压第
14、二、三步，充电电流大约为第一步的第二、三步，充电电流大约为第一步的70和和50，一旦达到冒气电，一旦达到冒气电压充电停止压充电停止第四步：充电电流大约为第一步的第四步：充电电流大约为第一步的25，一直持续到电池电压，一直持续到电池电压15分钟分钟内不再上升。内不再上升。第四步之后，蓄电第四步之后，蓄电池基本达到满充状池基本达到满充状态。之后进入脉充态。之后进入脉充均衡充电过程，电均衡充电过程，电流大约与最后一步流大约与最后一步相等。相等。目的：利用脉冲之目的：利用脉冲之间的间歇冷却使所间的间歇冷却使所有电池单元被充满。有电池单元被充满。电压电压电流电流35Ni-MH Battery charg
15、ingThe Ni-MH battery generally adopts constant-current charging methods.Charging characteristicsCharging control methods for a Ni-MH battery 36Memory effect of Ni-Cd Battery 37FES system for renewable and DG8.38.3 飞轮储能飞轮储能Ultra-Speed Flywheels3839Ultrahigh-Speed Flywheel40飞轮储能核心技术飞轮储能核心技术复合材料的成型与制造技
16、术；复合材料的成型与制造技术；高矫顽力稀土永磁材料技术；高矫顽力稀土永磁材料技术；磁悬浮技术；磁悬浮技术；变压变频的电力电子电机驱动技术；变压变频的电力电子电机驱动技术；高速电动机高速电动机/发电机两用技术。发电机两用技术。常用纤维增强复合材料与金属性能对比常用纤维增强复合材料与金属性能对比密度密度r r (g/cm3)拉伸拉伸强强度度s s (GPa)比比强强度度s s/r r(106N.m/kg)钢钢7.81.00.13铝铝合金合金2.70.50.19钛钛合金合金4.51.00.23环环氧氧树树脂脂1.250.060.048玻璃玻璃钢钢2.01.10.55高高强强碳碳维维/环环氧氧1.45
17、1.51.06高模碳高模碳纤纤/环环氧氧1.61.10.69芳芳纶纤维纶纤维/环环氧氧1.41.41.02SiC纤维纤维/环环氧氧2.41.10.4641磁悬浮技术磁悬浮技术主动磁悬浮轴承主动磁悬浮轴承复合材料飞轮转子复合材料飞轮转子被磁悬浮轴承：高温超导磁悬浮轴承和永磁悬浮轴承被磁悬浮轴承：高温超导磁悬浮轴承和永磁悬浮轴承42线圈中储存的能量线圈中储存的能量（Joules）线圈电压线圈电压稳态时稳态时 U=RI电阻温度特性电阻温度特性8.48.4 超导磁体储能超导磁体储能Superconducting Magnetic43超导磁体超导磁体在储存模式，此开在储存模式，此开关闭合，电流在内关闭合
18、，电流在内部循环。部循环。当电网线电压下降当电网线电压下降时，此开关打开，时，此开关打开，线圈线圈 向电容充电，向电容充电，经逆变后给负载供经逆变后给负载供电。电。超导储能原理图超导储能原理图44Main features：lTwo main typesSolenoidal coilToroidal coil-more expensivelRequires criogenic refrigeratorslAble to release large qunatities of power in a very short time periodlApplicationsCorrection of
19、voltage sags(1MW)Network stabilization(2MW)45Main featuresAlternative to lead-acid batteriesUp to 100 kWMainly two typesAqueous electrolyteOrganic electrolyte8.5 超级电容器储能超级电容器储能SuperCaps46超级电容器的应用超级电容器的应用电压电压和能量和能量d1=d2=0d1=-5%d2=+20%d1=d2=-5%U(V)54.485UC1(V)2.52.52.5UC2(V)2.51.982.5E(J)625053215937.
20、5超级电容器串联电压平衡和存储能量超级电容器串联电压平衡和存储能量a)飞渡电容法飞渡电容法 b)DC/DC变换器法变换器法能量能量转转移型移型电压电压均衡均衡电电路路 a)并联电阻法并联电阻法 b)稳压管法稳压管法 c)开关电阻法开关电阻法能量消耗型能量消耗型电压电压均衡均衡电电路路 超级电容器单体电压低超级电容器单体电压低(1 3V)，在高压应用场合串联的超级电容在高压应用场合串联的超级电容器数量比蓄电池多，均衡电路的器数量比蓄电池多，均衡电路的复杂程度更高；复杂程度更高；超级电容器的充放电速率高，因超级电容器的充放电速率高，因此均衡速度要求很快，所需均衡此均衡速度要求很快，所需均衡功率大。
21、功率大。常用电压均衡电路有电阻分压、稳压管、开关电阻、常用电压均衡电路有电阻分压、稳压管、开关电阻、DC-DC变换器、动态均压、飞渡电容等变换器、动态均压、飞渡电容等47Compressed air energy storageHigh-power long-term leveling applicationsSeveral hundreds of MW systems-demonstratorsPneumatic storage48Compressed air storage in vesselskW/kWh rangePneumatic storageBatteries with oil-
22、hydraulics and pneumaticsLiquid piston design or air-to-oil interface49 Decoupling of power and capacitynStack size-available powernElectrolyte volume-available capacityRedox Flow Batteries 原理图原理图50nTechnologiesnAll-vanadiumnBromine-suphurnZinc-bromine(Zn-Br)couplenVery high efficiency up to 90%nHig
23、h-power ratings-MW rangenNo memory effectnNo self-dischargenExcellent response timenMedium costnGood life cycleRedox Flow Batteries51Redox Flow BatteriesVRBRegenesysZBB RESPower rangeMW0.25-310 possible5-5000.05-4Energy densityWh/kg25-35*75-85Specific powerW/kg60-100*Nominal cell voltage(open circui
24、t)V1.61.51.8Complete system voltagekVUp to 6.6?0.10860 cell stackEnergy efficiency for system0.80.6-0.70.7-0.75Life time10-15 years15 years1500 cyclesApplicationsUPSPeak shift/cut load levellingPeak demands RESRESprice$/kW1100-6000No dataNo dataTechnology statusavailableavailableavailableComparison52Stabilize and permit DG to run at constant and stable outputProvides energy to ride-through instantaneous lacks of primary energyPermits DG to operates as a dispatchable unitTechnology mapping