新能源储能技术原理

新能源储能技术原理储能技术的重要性储能技术的重要性由于风能、太阳能、海洋能等多种新能源发电受由于风能、太阳能、海洋能等多种新能源发电受到气候和天气影响，发电功率难以保证平稳，而到气候和天气影响，发电功率难以保证平稳，而我们知道电力系统要求是供需一致，电能消耗和我们知道电力系统要求是供需一致，电能消耗和发电量相等，一旦这平衡遭到破坏，轻则电能质发电量相等，一旦这平衡遭到破坏，轻则电能质量恶化，造成频率和电压不稳，重则引发停电事量恶化，造成频率和电压不稳，重则引发停电事故，为了解决这一问题，在风力发电、太阳能光故，为了解决这一问题，在风力发电、太阳能光伏发电或者太阳能热发电等新能源发电设备中都伏发电或者太阳能热发电等新能源发电设备中都配备有储能装置，在电力充沛时，多余电力可以配备有储能装置，在电力充沛时，多余电力可以储存起来，在晚上、弱风或者超大风力发电机组储存起来，在晚上、弱风或者超大风力发电机组停运或者停运机组过多，发电量不足的时候释放停运或者停运机组过多，发电量不足的时候释放出来以满足负荷需求。出来以满足负荷需求。现有抽水储能技术现有抽水储能技术抽水储能是抽水储能是电力电力系统中应用最为广泛的一种储系统中应用最为广泛的一种储能技术能技术，在电力负荷低谷期将水从下池水库抽，在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化成重力势能储存起来，到上池水库，将电能转化成重力势能储存起来，在电网负荷高峰期释放的能源储存方式。在电网负荷高峰期释放的能源储存方式。抽水储能的释放时间可以从几个小时到几天不抽水储能的释放时间可以从几个小时到几天不等，综合效率在等，综合效率在70%到到85%之间，主要用于电之间，主要用于电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。但是用等。但是抽水储能电厂一般都建在远离负荷抽水储能电厂一般都建在远离负荷地点的山间，在储能效率较为低下的基础上，地点的山间，在储能效率较为低下的基础上，长距离输送又要损耗不少电能，与分散型电力长距离输送又要损耗不少电能，与分散型电力储存系统相比极为不利储存系统相比极为不利新的储能技术新的储能技术超导储能飞轮储能超级电容器储能除蓄电池和抽水储能电站这些储能方式，除蓄电池和抽水储能电站这些储能方式，新发展起来的有超导储能、飞轮储能、超新发展起来的有超导储能、飞轮储能、超级电容器储能、氢储能等级电容器储能、氢储能等。a.超导储能b.飞轮储能c.超级电容器储能超导储能超导储能 将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感生电流产生，只要温度保持在临界温度以下，便有感生电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。试验表明，这种电流的衰减时间电流便会持续下去。试验表明，这种电流的衰减时间不低于不低于10万年。显然这是一种理想的储能装置，称为万年。显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。超导储能。概述概述超导储能超导储能优点优点 超导储能的优点很多，主要是功率大、超导储能的优点很多，主要是功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快等等，因质量轻、体积小、损耗小、反应快等等，因此应用很广。如大此应用很广。如大 功率激光器，需要在瞬功率激光器，需要在瞬时提出数千乃至上万焦耳的能量，这就可由时提出数千乃至上万焦耳的能量，这就可由超导储能装置来承担。超导储能还可以用于超导储能装置来承担。超导储能还可以用于电网。当大电网中负荷小时，把多余的电能电网。当大电网中负荷小时，把多余的电能储存起来，储存起来，负荷大时又把电能送回电网，负荷大时又把电能送回电网，这样就可以避免用电高峰和低谷时的供求矛这样就可以避免用电高峰和低谷时的供求矛盾。这就是超导储能。盾。这就是超导储能。超导储能超导储能 超导线圈通常是环形和螺管形。小型及超导线圈通常是环形和螺管形。小型及数十数十MW的中型储能磁体比较适合采用漏磁场的中型储能磁体比较适合采用漏磁场小的环形线圈。螺管形的漏磁场较大，但其小的环形线圈。螺管形的漏磁场较大，但其结构简单，实用于大型的超导储能及需要现结构简单，实用于大型的超导储能及需要现场绕制的超导储能。场绕制的超导储能。环形超导线圈使用环形线圈的优点是磁环形超导线圈使用环形线圈的优点是磁场完全约束在线圈内；因此，不存在漏磁问场完全约束在线圈内；因此，不存在漏磁问题和屏蔽要求。环形线圈的制造有两种方式：题和屏蔽要求。环形线圈的制造有两种方式：一种为连续的螺旋圆环绕组；另一种为由数一种为连续的螺旋圆环绕组；另一种为由数个短螺线管线圈组成圆环。个短螺线管线圈组成圆环。设备设备飞轮储能飞轮储能概述概述 飞轮储能是指利用电动机带动飞轮飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能的研究主要着力的储能方式。飞轮储能的研究主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降低损耗的主要方法，而复合材料能够提低损耗的主要方法，而复合材料能够提高储能密度，降低系统体积和重量。高储能密度，降低系统体积和重量。工作原理工作原理飞轮储能飞轮储能飞轮储能系统主要包括转子系飞轮储能系统主要包括转子系统、轴承系统和转换能量系统统、轴承系统和转换能量系统三个部分构成。另外还有一些三个部分构成。另外还有一些支持系统，支持系统，如真空、深冷、外如真空、深冷、外壳和控制系统。基本结构如图壳和控制系统。基本结构如图所示。所示。飞轮储能飞轮储能使用特点使用特点飞轮储能的技术优势是技术成熟度高、高功飞轮储能的技术优势是技术成熟度高、高功率密度、长寿命、充放电次数无限以及无污率密度、长寿命、充放电次数无限以及无污染等特性。飞轮储能的能量密度不够高、自染等特性。飞轮储能的能量密度不够高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。小时内就会自行耗尽。几万转高速飞轮系统损耗在几万转高速飞轮系统损耗在100瓦左右，瓦左右，1千千瓦时的系统只能维持瓦时的系统只能维持10小时的自放电。因此，小时的自放电。因此，飞轮储能最适合高功率、短时间放电或频繁飞轮储能最适合高功率、短时间放电或频繁充放电的储能需求。充放电的储能需求。由于放电时间有限，飞轮储能不一定是调节由于放电时间有限，飞轮储能不一定是调节太阳能发电波动的最佳选择。太阳能发电波动的最佳选择。飞轮储能飞轮储能我国研发现状我国研发现状我国的飞轮储能研究始于上世纪我国的飞轮储能研究始于上世纪80年代，年代，30多年来，飞轮储能只获得多年来，飞轮储能只获得过两个过两个“863”探索项目和一个探索项目和一个“八八五五”攻关项目的支持，除国防领域攻关项目的支持，除国防领域外，公开的总共投入经费不足外，公开的总共投入经费不足500万元。万元。超级电容器，又叫双电层电容器、超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器，电化学电容器，黄金电容、法拉黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数此超级电容器可以反复充放电数十万次。十万次。超级电容器储能超级电容器储能概述概述超级电容器储能超级电容器储能超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。解，为非正常状态。工作原理工作原理超级电容器储能超级电容器储能波形图波形图超级电容器储能超级电容器储能优缺点优缺点优点优点在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题；缺点缺点如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路；