化学储能（共7篇）
化学储能 篇1
石墨烯是单独存在的具有二维有序结构的单层石墨片,具有许多特殊的性质,比如:
1)具有很好的导电性能;
2)具有很好的传导性能;
3)具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点。
石墨烯材料正因为电学、热学、力学方面性能优异,目前已广泛应用于太阳能电池、传感器方面、纳米电子学、高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域。
1石墨烯的制备
当前,国内外对石墨烯的制备方法很关注。最初,石墨烯的制备采用的是机械剥离法,即将石墨粘贴后再转移到相应的硅片上。随后通过不断研究,出现了单晶金属上的化学气相沉积法、在惰性晶体上的晶体外延法[1]、利用微机械的微机械剥离法、氧化-还原法、在溶剂中进行的溶剂剥离法以及溶剂热法等。
制备过程中要综合考虑石墨烯的成本以及应用空间,目前较普遍的制备方法是氧化———还原法制备石墨烯。
2石墨烯在化学储能中的研究
2.1石墨烯在储氢中的应用
氢能作为一种高效、清洁、资源丰富、可再生、热效率高、"无碳"能源已得到国内外的普遍关注,被誉为21世纪的能源[2]。从石墨烯发现至今,其是组成碳质材料的基本单元。石墨烯相对于其它的储氢材料,具有比普通材料更优异的储氢性能。正因为如此,世界各国都在积极进一步发掘石墨烯的储氢潜能[3]。
石墨烯在储氢性能方面有一定的储氢机理。石墨烯储氢的关键与比表面积、孔隙结构以及加入的掺杂物等方面有关。因此,研究新方法用于制备石墨烯将会是石墨烯基储氢材料发展的一个重要方向。
2.2石墨烯在超级电容器中的应用
近年来,用石墨烯作为电极材料的超级电容器也屡见报道。从中可以发现研究中使用的电极材料主要为过渡金属氧化物(如Co2O3、RuO2)、导电高分子(如聚酯和聚亚胺)和比表面积比较碳基活性材料(如碳纳米管、活性炭纤维)。将石墨烯和其他碳质料相比很易发现石墨烯具有导电高、化学稳定性好等优点。
正是因为如此,石墨烯以及石墨烯基材料将会成为电容器电池材料最不可小视的竞争者[4]。石墨烯是公认的制作具有高效,柔韧性好,体积小的超级电容器很有潜力的材料。
2.3石墨烯在锂离子电池中的应用
石墨烯是一种由石墨制备的新型碳质材料,单层或者薄层石墨在化学电源里的应用潜力也越来越受关注[5]。
研究发现,墨烯在低电位下可作为负极材料,有比容量高和充放电能力强的优点;在高电位下,石墨烯可作为高倍率正极材料使用。
石墨烯作为负极材料的充放电特征与低温软炭材料类似,若用热还原石墨烯材料将会有相对更高的可逆储锂容量[6]。
在锂电池体系中,限制其电池性能的重要因素是正极材料的导电性的强弱。加入导电性强的石墨烯,有利于Li+传导;抑制了金属氧化物的溶解和相变;保持了充放电过程中电极材料的稳定性[7]。
因此将石墨烯引入到正极材料中,一方面提高电极的导电性;另一方面使电极材料活性表面积高,具有广阔的发展与应用前景。
2.4石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料
目前可应用于透光导电极的材料为透光导电薄膜金属氧化物膜系,如氧化铟锡(ITO)、氧化氟锡(FTO),俗称导电玻璃[8],导电玻璃在太阳能电池领域应用居多。
导电玻璃在太阳能电池方面发展同样存在缺点:
1)ITO里的金属离子不稳定,容易吸收红外光谱还有热稳定性较差;2)导电玻璃应用时,需要在其表面镀一层增强其导电性铂,增加了制备成本[9]。
石墨烯的用途之一是用于替代染料敏化太阳能电池(DSSC),以及有机聚合物太阳能电池(OPSC)等的透光导电极替代物。
石墨烯作为透光导电极材料的研究主要集中提高石墨烯薄膜的电性能、透光性等方面。通过科学家的不懈努力,具有这些优异性质的石墨烯将会更广泛应用于太阳能电池透光电极材料。
3结语
从学科领域来看,石墨烯的性能及制备是国内外对石墨烯研究的热点。石墨烯的研究方向也集中在纳米材料的性能以及材料应用方面等。通过对石墨烯的深入研究,将会发现其更加优越的特殊性能。
石墨烯特殊性能的问世,将会对整个世界有重大的研究和指导意义。通过更加深入的研究发现,可以建造出一系列的新材料,比如:“太空电梯”缆线,光子传感器,液晶显示材料,新一代太阳能电池等等。
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化学储能 篇2
随着磁悬浮技术的日益成熟、高强度碳纤维新型复合材料的逐渐开发成功, 飞轮储能系统在卫星储能、姿态控制等方面显示出强大地优势地位[1]。上世纪中后期, 对飞轮储能等新能源大规模开发利用就始于航空航天领域的军备竞赛[2,3], 资源的匮乏直接导致发达国家对这种清洁、无污染的储能方式的投入, 以美日英法等国的研究具有代表性[4]。我国向来重视新能源的开发利用, 飞轮储能作为可循环使用的绿色能源的重要形式, 已越来越受到我国政府和广大科研人员的关注[5], 逐渐利用到风能发电储能及电动汽车的能量转换领域。
卫星在日照区域内, 可充分吸收太阳能维持系统运转, 并完成能量存储。进入阴影区后, 由供能系统释放能量驱动控制系统, 完成对卫星的控制。储能飞轮系统不仅能完成能量储存, 还能通过平衡转矩来控制卫星姿态[6], 是卫星控制系统中重要的组成部分。高强度碳纤维复合材料以其优越的性能、独特的工艺方式和达到较高储能密度的特点, 成为制备飞轮的理想材料[7]。依据大量的文献及相关实验记载, 文献2中列出了复合材料飞轮技术指标, 代表了行业内不同国家达到的水平。国内对于飞轮系统的研究, 多集中的理论计算和实验分析, 量产及工业化应用尚不能普及。
储能密度是评价飞轮储能系统的主要指标, 选取高强度碳纤维复合材料, 为提高储能密度奠定了基础[8,9]。卫星储能/姿控飞轮需要具备两个功能, 储存能量和姿态控制, 提高储能密度是首要设计目标。目前卫星姿态控制多用滚珠轴承动量飞轮, 振动辐射及高能耗影响卫星稳定性[10], 选用磁悬浮飞轮系统, 可有效解决此类不足。本文主要针对碳纤维复合材料飞轮转子, 选用适当的优化设计方法, 在限定飞轮大小范围的基础上, 确定最佳尺寸, 使储能密度最大化。
2、飞轮储能密度影响因素
对飞轮储能系统而言, 单位质量的飞轮转子所储存的能量即为飞轮储能密度, 优化储能飞轮的宗旨是提高系统的储能量。在设计开发过程中由于客观因素诸多, 储能飞轮系统针对不同的应用环境, 整体所占空间也各不相同。因此, 选用高强度碳纤维复合材料制备飞轮, 辅以合理的结构设计, 对提高飞轮储能密度有直接的影响。
旋转体的动能表达式为:
针对飞轮转子, E为飞轮储能量, 也即最大动能, I为转动惯量, ω代表旋转角速度。则飞轮的储能密度为:
飞轮转动惯量为:
ir和or分别代表飞轮内外径, 设置飞轮轴向厚度h, 回代入式 (1) , 可得储能量为:
若定义转子内外半径比为转子的边缘线速度vo=rωo, 可求得系统的储能量和储能密度r为o:
从以上两式易知, 飞轮储能系统的储能密度和内外半径比及旋转角速度有直接关系, 其中角速度的影响更大。对飞轮转子的设计工作都是围绕提高转速进行的, 同时还要保证在极高转速下飞轮系统的安全性。不同复合材料其储能密度也有较大差别, 文献11及12的研究结果均证实高强度碳纤维/环氧树脂复合材料具有极高的储能密度, 本文的研究同样基于此类复合材料。
3、建立优化分析理论模型
3.1 确定优化设计模型
对飞轮系统储能密度优化, 首先简化设计变量, 置换成易于描述飞轮转子特点的要素, 采用周向缠绕工艺制备的飞轮体为环形或盘式飞轮, 对 (6) 式加以改进, 将内外半径比及外缘线速度变量替换后得:
此式即为优化问题的目标函数, 可描述为:
结合卫星飞轮系统实际, 磁悬浮技术有效保证了无阻力运转, 在飞轮正常工况下, 轴向应力相比环向应力和径向应力极其微小, 系统约束条件简化为二维应力状态下的Tsai-Hill强度准则[13]:
不等约束:gj (x) ≤0 (10)
其中:x= (x1, x2, L, xN) T
不等式 (10) 为约束条件, 因轴向应力及应变微小, 去除轴向应变等因素, 实为强度条件。约束条件简化为二维应力状态下的TsaiHill强度准则, 为寻求优化变量X的最优解, 只需在满足不等式 (11) 的条件下对目标函数做出非线性规划, 如果目标函数的最优解存在, 其最优解就在可行域边界的某一点上。
3.2 优化分析基本过程
复合形法基本思路是在可行域内构造一个具有k个顶点的初始复合形[14], 对该复合形各顶点的目标函数值进行比较, 去掉目标函数值最大的顶点 (最坏点) , 然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行新点, 并用此点代替最坏点, 构成新的复合形。复合形每改变一次, 就向最优点移动一步, 直至逼近最优点。
可按以下步骤生成复合形:
选定一个可行点, 其余k-1个可行点随机产生, 使用下式确定顶点:
式中:xj——复合形中的第j个顶点;
a, b——设计变量的下限和上限;
rj——随机数, 在 (0, 1) 内。
计算所得到的k-1个随机点不一定全部都在可行域内, 要将这部分不可行点移到可行域内, 利用下式求出在可行域内的L个顶点的中心cx,
用中心点cx进行如下迭代可将不可行点向中心点移动:
直到将点移动到可行域内, 迭代结束。如此, 随机产1k-1个点将全部成为可行点, 并构成初始复合形。
在可行域内生成初始复合形后, 采用反射搜索方法来改变复合形的形状, 使复合形逐步向约束最优点趋近, 使收敛条件满足下式后, 计算终止, 可得约束条件最优解。
基于以上的目标函数模型, 设计最高旋转角速度, 依据整个卫星储能/姿控飞轮系统的体积大小, 可将外径固定, 对初始点的选取放在内径的搜索上, 设置搜索区间, 遵循复合形法的原理, 可有效而快速的计算出结果。
4、飞轮转子的储能密度优化
通过以上分析, 对飞轮系统储能密度优化的物理意义可描述为:在已知飞轮转速和满足约束条件的情况下, 寻求使优化目标函数有最大值的一组飞轮转子内外半径值。当限定搜索范围后, 优化变量只有内外半径尺寸, 即是确定飞轮的形状尺寸。选用碳纤维/环氧树脂复合材料作为飞轮转子制备材料, 建立飞轮模型, 采用复合形法编制优化程序, 以此确定储能密度的最佳值。
复合材料碳纤维/环氧树脂飞轮转子厚度设置h=20mm, 为建模及分析方便, 旋转角速度为ω=3×104 r/min, 材料密度值为ρ=1.75×103kg/m3, 其他性能参数如表1。
设置转子内外径及初始值如表2:
利用复合形法优化后所得到的飞轮内外径分别ri=80m, ro=228m, 内外半径比α=0.35, 储能密度优化值达U=2.89×105J/Kg, 飞轮储能密度优化后达到优化前的A=204.87%储能密度提高一倍。
利用有限元分析软件ANSYS建立飞轮转子模型, 在优化尺寸基础上分析飞轮转子应力应变的变化, 符合平面应力盘形飞轮的形要求, 有限元模型采用Shell (板壳单元) 弹性四节点63单元自底向上模, 得到飞轮单元及节点的变形及受力应力分布状况如图1所
飞轮总体位移变化由内到外逐步增大, 在旋转角速ω=30000r/min的载荷下, 最小值在内径处为umin=.2169mm, 最值出现在外径处为umax=7.28mm。 (如图2)
径向应力在半径r=146.6mm处达到最大值σrmax=73.069MPa, 向内外半径处逐渐减小, 最小值。 (如图3)
飞轮总体位移沿半径由内向外逐渐增大, 外经处位移越大, 说明发生应变的几率就越大, 飞轮轮体在这一部位极易发生失效, 是需要注意的重点部位。
5、结语
本文通过分析影响飞轮储能密度的各种因素, 建立了碳纤维/复合材料储能飞轮转子的储能密度优化模型, 选用优化设计方法中的复合形法设置搜索路径, 建立系统的优化设计模型。
以储能密度为目标函数, 设置蔡-希尔强度准则为主要约束条件, 限定一定的转子结构尺寸, 在一定旋转速度条件下进行优化, 得出一组最优的内外半径值, 使得储能密度相比优化前增加一倍, 并编写出解答类似储能密度优化问题的通用程序, 大大缩短了计算时间, 对储能系统优化问题有重要的现实意义。
摘要：卫星在工作过程中需要不断调整飞行姿势, 并在阴影区利用自身能量提供工作能源, 储能/姿控卫星飞轮储能系统可以较好的完成这一使命。本文依据旋转体运动的基本规律, 通过动能转换得到飞轮转子储能密度的一般表达形式, 以此作为储能密度优化的基础, 建立优化分析的理论模型, 选用复合形法编制优化程序, 得到储能/姿控卫星飞轮储能密度优化问题的一般分析方法, 具有普遍的理论意义。
关键词：储能密度,储能/姿控卫星飞轮,复合形法,应力应变分布
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化学储能 篇3
随着经济社会的不断发展, 电力需求越来越大, 电力系统规模不断扩大, 电网复杂程度不断增加, 对电力供应的可靠性和电能质量要求越来越高;另一方面, 人类面临的能源、环境和气候问题日益突出, 推广清洁能源、可再生能源的国际呼声不断加大。大容量储能技术能够在一定程度上满足上述需求, 因此近年来引起了广泛关注。
1 大容量储能的作用[1]
⑴补充系统中的可调可控型电源, 弥补核电可调节性较差的缺陷, 平滑太阳能、风能发电出力, 提高太阳能、风能利用率;
⑵向负荷侧提供可调、可控、可移动式电力, 以满足各种新型负荷或分布式能源的需求;
⑶采用负荷平移技术, 实现在电价高位时段享受低谷电价, 以节省电费支出;
⑷适应负荷侧高质量、灵活、智能化的要求, 减小谐波源、冲击性或波动性负荷对电网的影响;
⑸实现集中式和/或分布式调控技术, 对电源侧出力和负荷侧需求进行灵活调控, 以保持电力供需的实时平衡, 提高电网安全性、供电可靠性和发、输、变、配电设备的利用率。
2 储能技术分类及比较[2]
电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储, 按照其具体方式主要分为物理、电磁、电化学三大类型。
2.1 物理储能
物理储能是指将电能转换为动能或势能存储的方式, 主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。
⑴抽水蓄能是利用电能与水的势能转变, 将电网负荷低谷时的多余电能, 转变为电网高峰时的高价值电能, 提高系统中火电站和核电站的效率。其特点是储存能量大, 但建设周期长, 且对地理条件有特殊要求, 功率转换效率在70%~75%左右。
⑵压缩空气储能是一种调峰用燃气轮机发电厂, 它在负荷低谷时利用电力将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞等地下洞穴内, 在需要时释放压缩的空气, 再添加燃气发电。1978年开始实际应用, 但其对地理条件有特殊要求。
⑶飞轮储能是在储能时由电动机带动飞轮旋转, 直至达到设计的转速, 放电时由飞轮靠惯性带动发电机输出电能。飞轮储能系统的特点是寿命长、无污染, 可在短时间内大功率放电, 但飞轮储能的能量密度较低, 且为了减小能量损耗, 需将飞轮和电机放置在真空度较高的环境中。
2.2 电磁储能
电磁储能是直接以电磁能的方式存储电能的技术, 主要包括超导储能、超级电容储能等。
⑴超导储能是利用超导体制成的线圈存储磁场能量, 具有响应速度快, 转换效率高等特点。目前超导储能十分昂贵, 包括超导体本身的费用和维持低温所需的费用。
⑵超级电容器的极板为活性炭材料, 充放电时无化学反应, 多用于高峰值功率、低容量的场合, 与常规电容器相比, 超级电容器具有更高的介电常数, 更大的表面积及更高的耐压能力。
2.3 电化学储能
电化学储能是目前进步最快的储能技术之一, 除铅酸、镍氢等常规电池技术外, 还包括液流、钠硫、锂离子电池等大容量蓄电池储能技术, 并在安全性、转换效率和经济性等方面取得重大突破, 生产水平显著提高, 产业化应用条件日趋成熟。
2.4 各类储能技术比较
各类储能技术在能量和功率密度等方面有着明显的区别, 也决定了其不同的应用方向, 具体比较见表1。
从目前技术水平看, 储能功率达到MW级, 储能时间达到小时级的大容量储能技术主要是抽水蓄能、压缩空气储能和电化学储能。其中电化学储能技术的应用不受场地限制, 性能有进一步提高的空间, 应用前景看好。
3 国内大容量蓄电池储能技术比较
蓄电池发展至今已有200多年的历史, 当前主要应用的有铅酸、锌锰、镍镉、锂离子等电池, 且技术在不断进步中。本文主要介绍性能较为突出的三种大容量蓄电池技术:磷酸亚铁钴锂、钠硫和全钒液流电池。
3.1 磷酸亚铁钴锂电池
3.1.1 磷酸亚铁钴锂电池基本特点和生产工艺
锂离子电池以工作电压高、体积小、储能密度高、响应速度快、循环寿命长、内阻小等特点而得到快速发展。锂离子电池因其正负极材料的变化衍生出众多系列, 且性能上不断有提高, 目前仍是蓄电池行业的研究热点, 具有较大发展潜力。
磷酸亚铁钴锂电池的正极材料含磷酸亚铁钴锂LiFeCoPO4, 与传统的钴酸锂电池相比, 其能量密度为钴酸锂电池的75%, 但在制造成本、安全性能、循环寿命、功率输出范围等方面都具有明显优势。
3.1.2 磷酸亚铁钴锂电池基本特性
(1) 单体容量达到2 0 0 Ah, 重量6.7kg, 充电电压3.6V, 放电终止电压2V, 储能容量约为0.65k Wh, 能量体积比为198.4k Wh/m3, 能量重量比为97k Wh/t。
(2) 充放电特性:充电初期为恒流充电, 当电池电压达到稳定值时, 进行恒压充电;放电曲线较平稳, 在大部分放电时间内能保持稳定的电压, 支持高倍率放电。但过放电性能差, 电池放至0V后难以恢复, 从放电终止电压降至0V的时间不超过20分钟, 需要电池管理系统提供良好的过放保护。
(3) 循环寿命:估算单体电池深度充放电的循环次数应在7000次以上。但受温度影响较大, 如长期工作于45℃, 循环寿命可能缩短50%, 而温度过低将影响电池性能, 需对运行温度进行控制。
(4) 充放电效率:直流充放电效率97%, 储能系统转换效率90%左右 (含PCS、变压器损耗) ;电池内阻小, 自放电小。
(5) 安全性:电池在高温情况下内部压力增大, 有爆炸隐患, 需采取一定的安全控制措施。
(6) 回收处理:制造电池的材料均为无毒材料, 材料本身不对环境构成污染影响, 与常规电池相比具有良好的环保性能。且利用回收技术, 可提取废弃电池中的有效成份进行重复利用, 降低资源消耗, 减少环境污染。
3.2 钠硫电池
3.2.1 钠硫电池原理和基本结构[4]
钠硫电池 (Sodium sulfur battery Nas) 由美国福特公司于1967年首先发明公布。电池通常由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。负极的活性物质是液态金属钠, 正极的活性物质主要是液体硫, 由于硫是绝缘体, 所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里, 固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Beta-氧化铝的陶瓷材料, 外壳则一般用不锈钢等金属材料, 如图1所示。
3.2.2 钠硫电池基本特性
(1) 钠硫电池单体最大容量为650Ah, 标称电压2V, 功率约120W, 能量体积比约为340.8kWh/m3。
(2) 目前设计为800次深度充放电, 预期将来实现使用寿命为15年。
(3) 直流充放电效率90%, 储能系统转换效率75% (含PCS、变压器损耗) 。
(4) 电池支持高倍率放电, 额定放电电流为80A, 短时可达到额定电流的3-5倍。
(5) 对环境影响小, 无污染气体, 无振动, 低噪声。
(6) 工作温度在300~350℃, 电池工作时需要加热保温, 消耗部分能量;
(7) 钠与硫直接反应将引起爆炸, 不宜使用于移动场合下 (如电动汽车) , 在固定场合下使用也应当充分考虑其安全性问题。
3.3 钒电池
3.3.1 钒电池原理和基本结构[5]
全钒液流电池 (all-vanadium redox flow battery, VRB) 于1984年, 澳大利亚新南威尔士大学 (UNSW) 的Marria Syallas-Kazacos教授提出将V2+/V3+电对和V4+/V5+电对应用于氧化还原电池中。钒电池以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正负电极反应活性物质, 通过外接泵把电解液从储液罐压入电池堆体内完成电化学反应。之后, 电解液又回到储液罐, 液态的活性物质不断循环流动。钒电池结构主要包括:电池堆、储液罐、质子交换膜等, 如图2所示。
3.3.2 钒电池基本特性
(1) 最重要的一个特点是:峰值功率取决于电池层总的表面积, 电池的电量取决于电解液的多少。它的电极和电解液不必放到一块, 意味着能量的存放可以不受电池外壳的限制, 功率配置与容量配置相对独立, 可根据需要灵活选择。
(2) 由于不存在不可逆的氧化还原反应, 活性溶液可重复循环使用, 因此电池寿命长, 更新维护费用较低。据介绍, 钒电池设计寿命20年, 承诺10万次深度充放电, 在实际项目中, 有运行3年内, 充放电循环次数达到27万次的记录 (浅充浅放) 。
(3) 钒电池中产生反应的是单一元素——钒, 即使隔膜损坏, 正负极元素直接反应也不会发生爆炸, 安全性较高。
(4) 在紧急情况下可通过更换溶液实现电池的“即时充电”。
(5) 储液罐占地面积大, 能量密度为15~25k Wh/m3。
(6) 由于钒电池通过外接泵将溶液压入电池堆体内, 因此需消耗一定电能。
(7) 工作温度要求在5~40℃, 温度过低电池停止出力, 温度过高也影响效率, 大系统通常配水冷装置, 推荐工作温度为30℃。
(8) 倍率特性不佳, 高倍率充放时极化电压急剧上升, 电池停止工作。
4 大容量蓄电池技术比较
以上三种大容量蓄电池技术中, 钒电池所有的专利、技术和设备已由国内公司通过资产收购方式转为国有, 磷酸亚铁锂电池和钠硫电池技术在国内尚处于探索尝试阶段, 暂时落后于国际先进水平, 几种技术比较如表2:
5 国内MW级储能电站简介
2011年1月, 我国大容量电池储能技术建设取得重大突破, 南方电网兆瓦级电池储能站成功并网, 标志着我国大容量电池储能集成应用技术取得实质性进展。
南方电网10MW级电池储能站最终建设规模1 0 M W×4 h, 一期工程建设5MW×4h, 目前首批1MW×4h电池储能系统已经成功并网投运。在电池选型上, 南方电网经过大量调研和分析, 综合考虑造价、寿命、效率以及国产化等方面的问题, 最终一期工程采用了锂离子电池, 远期考虑采用混合储能电池方案。
兆瓦级电池储能站在国内属于首创, 它的主要功能除了用于10k V配网侧的削峰填谷外, 更重要的是承担了高级应用的研究任务, 包括系统备用、独立供电、无功补偿、电网的黑启动、配合风电和光伏发电等新能源发电等应用模式。
6 总结
通过研究讨论四大类型的电能储能技术, 认为电化学储能虽然价格较高, 但在性能及应用前景上有较大优势。发展潜力较大的三种电化学储能技术是磷酸亚铁锂电池、钠硫电池、全钒液流电池, 进一步对这三种技术在国内的发展情况进行对比研究, 得出结论如下:
(1) 电化学储能总体来说性能优良, 技术发展较快, 且不受地形条件限制, 适宜安放在城市负荷区, 但目前价格仍然较高。
(2) 国内单体电池制造质量可达到国际先进水平, 但整组电池的循环寿命, 以及电池的一致性等仍待实际检验。
(3) 三种大容量蓄电池储能技术各有特色, 国内的技术水平尚处于探索尝试阶段, 南方电网在国内率先投运了1MW×4h的锂离子电池储能系统, 有关电池储能系统的性能指标、高级应用还有待时间检验。
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我国储能产业发展现状 篇4
前瞻产业研究院《2016-2021 年中国储能行业市场前瞻与投资预测分析报告》指出:制约储能行业发展的原因主要是3 个方面。
首先,新技术,特别是新能源的发展周期一般都比较长,在发展初期,通常需要国家的产业政策给予扶持。 像风能发电、太阳能光伏电池及电动汽车的发展都是如此。尽管党和国家高度重视储能产业发展,2015 年10 月, 党的第十八届五中全会上通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中明确指出,“推动低碳循环发展。推进能源革命,加快能源技术创新,建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系。 加强储能和智能电网建设,发展分布式能源,推行节能低碳电力调度。 ” 2014 年11 月19 日,国务院办公厅发布的《 能源发展战略行动计划(2014-2020 年)》 确立了储能为9 个重点创新领域之一, 大容量储能为20个重点创新方向之一。但由于没有颁布产业界期望的储能产业扶持政策,储能产业始终不温不火。
其次,社会对储能产业的战略意义和社会效益的认识有待提高。美国、德国、日本等工业先进国家都在大幅削减对环境造成严重污染的化石能源发电,普及应用风能、太阳能等可再生能源发电,储能技术是可再生能源普及应用的瓶颈技术。 所以,把储能定位为战略新兴产业加大支持力度。但我国煤炭消费量大,在造成了环境污染的同时,也造成大量的弃风、弃光。为治理雾霾,需要支付巨额环境成本,但治标不治本。 所以,储能必须从国家能源资源、能源安全和环境健康的战略高度去综合考虑。
再次,从电力市场化角度看,我国电力市场开放程度不高,储能的价值收益无法体现,储能的买单机制尚未形成,严重阻碍了储能产业的发展。 例如,储能在调峰和调频方面相比传统的水电、火电有明显的技术优势,但是目前从国家电网两个细则上看,没有将储能纳入到调峰、调频等辅助服务中并给予一定的经济补偿。
行业普遍认为现在储能技术不成熟且成本较高,难以形成规模化。 应该如何破局?其实任何新兴产业的建立和发展, 都要经过技术不断地提升、成本不断下降、产业规模不断扩大的过程。 储能是普及应用可再生能源的瓶颈技术,像液流电池等一些电池储能技术,其技术成熟度已经达到产业化应用的需要。其技术成熟度远高于当初国家制定产业化政策支持太阳能光伏电池、风能发电和电动汽车产业时的技术成熟度。
储能作为一种新兴产业, 正处于市场应用初期,处于技术、应用和市场机制都有待进一步创新、有待突破的焦灼时期。这一方面要求储能企业立足技术提升,降低成本,保障产品质量,练好“内功”;另一方面要求政府部门抓紧建立起有效的市场机制,营造出外部市场环境。因此,这个阶段的关键不是普遍全面开花, 而是要进行有目的的应用推广,即通过一定数量、规模的典型性项目实施,不仅达到技术验证与提升的目的,更重要的是验证储能价值、体现收益,探索政策支持方式,探索商业模式,最终形成可推广的技术、商业、政策模式。特别是可再生能源发电集中、储能产业基础好的地区,可以开展复制性强、具备推广意义的储能“先试先行”,利用地方政策和资源先行推进。
大型储能从未享受到政策和补贴。大型储能是解决弃风、弃光问题,实现可再生能源大规模发展的重要支撑技术,是涉及能源资源和能源安全的重大战略性技术。 并且大型储能投资大、效益惠及面更广,更需要国家政策和补贴的支持。
大规模储能也是可再生能源和电网发展到一定阶段客观需求的技术,从目前我国发展来看(可再生能源装机规模、并网情况以及电源结构),这种需求也日益迫切。 而且大规模储能从技术、应用角度也逐渐可以达到市场的要求,政策的引导和实施有利于加快这个产业的产业化进程。
复合相变储能材料的研究 篇5
随着微纳加工技术的发展, 航空航天领域中的电子元器件向高功率化、小型化等方向发展。随着飞行器速度不断提升, 电子元器件的温控问题已经成为影响器件可靠工作的关键。资料分析显示:电子元器件的温度每升高2℃可靠性下降10%, 因此航空航天领域中电子元器件可靠地温度控制是飞行器正常运行的重要保障。目前被广泛应用于解决电子元器件散热问题的导热界面材料不能满足航天领域电子元器件的温控需求, 对于此类处于较高温度的密闭环境体系中高密度电子元器件的热保护必须采用一种新型的热控技术, 即相变储热式温控技术。相变材料被提出装配于电子元器件和散热片之间, 通过相变过程的相变潜热吸收电子元器件工作产生的热量, 达到控制电子元器件温升, 保证电子元器件可靠性的目的。同时, 相变材料具有常温下呈固态, 可以制成垫片便于装配, 达到一定温度后融化润湿配合界面, 降低界面热阻, 是替代界面导热材料的新型热控材料。
针对目前复合相变储能材料存在的问题, 研制二元有机/无机纳米复合相变储能材料, 以无机层状化合物为载体基质、二元有机储能材料为工作成分, 利用插层离子交换技术将储能纳米粒子填充到无机片层纳米结构中, 提高单位质量导热性能, 通过溶胶-凝胶法制备出新型二元有机/无机纳米复合相变储能材料。在二元有机相变储能材料研究中, 从增加材料的导热系数和储能密度展开研究, 通过相变储能材料共混机理、复合相变储能材料优化设计, 为固-液相变储能材料的优化设计提供技术支持。最终研制出的二元有机/无机纳米复合相变储能材料兼具高储能密度与高导热性能, 将其应用于建筑节能领域 (如墙体保温材料、砂浆等) 、恒温保温纺织领域 (如冷库出入、井下作业人员等) , 可以有效提高能源的利用率。
1 复合相变储能材料优化设计
在复合相变储能材料的设计阶段, 体系的选取及合适的组分的确定都可以直接根据相图加以确定。
由于一些纯化合物具有较高的相变焓, 是很好的相变储能材料, 但其中大部分纯化合物的熔点高于实际应用要求的相变温度, 并不能直接应用。如果能把这些物质进行混合, 通过调节物质的比例来调节混合物相变温度, 使其相变温度范围落在具体应用领域的舒适度范围内, 并且具有较高的相变焓, 就获得了高品质的相变储能材料, 所以只有将它们进行复合, 才能制备出符合要求的相变储能材料, 即通过互相混合以降低相变材料的相变温度。
将两种纯化合物混合成理想溶液模型, 两组分体系混合能达到最低的熔点, 称为低共熔点。将纯化合物混合而成的溶液冷却, 则获得的低共熔点温度为混合后相变材料的计算相变温度。
通过施罗德 (Schroder) 公式计算可得到两种单体不同混合比例对应的不变温度。低共熔温度时呈三相平衡:
在定温定压时, 为使溶质A溶于溶剂B所形成的溶液和纯溶质A处于平衡, A在两相中的化学位必须相等。即:
公式中:µA* (S) (T, P) 为纯固体溶质A的化学位 (摩尔吉布斯能) 。在平衡时用饱和溶液中溶质A的摩尔分数xA为溶解度。
因为是理想溶液模型, 所以µAl=µA* (l) +RT lnx A, 因此,
对上式两边取全微分,
在一定压力时,
由此得出,
式中, xA为混合物主要成分A的摩尔分数;∆SlHA为纯化合物A的熔化潜热, J·mol-1;Tf为纯化合物A的熔化温度, K T含有化合物A的混合物的熔化温度, R为气体常数, 8.315 J·kmol-1。
材料的熔点受到材料纯度的影响, 纯度过低可能造成材料的熔点与其理论差值相差3℃, 因此选用的原材料首先要用DSC方法测量其相变温度和相变焓, 然后就可以利用测得的值 (Tf, ∆SlHA) 和公式 (4) 来计算二元混合物的低共熔点 (xA, T) 。
通过有机相变材料混合制成的二元复合相变材料, 属于新的混合有机相变材料, 其相变特性与原材料相比会发生很大改变, 相变温度区间一般相对较大。借鉴无机相变材料减小过冷度的方法, 在二元复合相变材料中添加形核剂, 加速相态转化, 可以减小材料相变温度区间。
2 复合相变储能材料制备研究
利用溶胶-凝胶法制备复合相变储能材料, 金属醇盐中加入纳米粒子经水解和缩聚反应形成溶胶, 通过搅拌使其混合均匀。在凝胶形成过程中, 相变储能材料与溶剂一起被裹入一定结构和尺寸的孔或“笼”维网络结构, 而相变储能材料则被均匀地分散、嵌入在二氧化硅的三维网络中, 使其很难再溢出;从而将有机相变材料和无机物的结构、物理和化学特性充分的结合起来。
此外, 凝胶孔大量地以闭合孔的形式存在, 在化学惰性的密闭孔中密封了大量的相变储能材料, 形成了所谓“笼效应”, 使得相变储能材料被包覆在“笼”中, 在宏观上始终呈现固体状态。
溶胶-凝胶法的主要原理是将酯类化合物或者金属醇盐溶于有机溶剂中, 形成均匀的溶液, 然后加入其他组分, 在一定温度下反应形成凝胶, 最后经干燥处理制成产品。基本反应为水解反应和聚合反应。
(1) 水解反应:对金属醇盐M (OZ) n而言 (其中n为M的原子价) , 金属醇盐的水解反应式如下:
(2) 缩聚反应:金属醇盐的缩聚反应与水解反应同时发生, 分为失水缩聚和失缩聚:
(3) 总反应:
式中, M为金属;Z为有机基团, 制备的溶胶中含有大量的水和醇, 经干燥、焙烘除去溶剂可得到具有网络结构的凝胶。
2.1 溶胶制备研究
溶剂:制取含金属醇盐和水的均相溶液是溶胶凝胶制备的关键, 以保证醇盐的水解反应在分子的水平上进行。
金属醇盐:过渡金属醇盐一般都具有配位数增高的趋向。带有部分正电荷的金属原子, 通过其空间轨道接受亲核配体提供的电子, 使配位数增高, 这通常要借助于溶剂化齐聚作用。
水的加入量:水的加入量习惯上以水与醇盐的物质的量比计量, 用R'表示。由于水本身是一种反应物, 水的加入量对溶胶的制备及其以后的工艺过程都有重要影响。研究表明水的加入量对溶胶的粘度, 溶胶向凝胶的转变以及胶凝化作用的时间均有影响。要获得清澈透明的凝胶必须在 的条件下。
水解温度:提高水解温度对醇盐水解速率是有利的, 特别是对水解活性低的醇盐 (如硅醇盐) 。为了缩短水解时间, 常常需要在加温条件下操作, 此时制备溶胶的时间和胶凝时间会明显缩短。
催化剂:催化剂可以是酸、碱或者它们的混合物, 在催化剂的作用下, 水金和属醇盐发生水解反应, 水解反应以及胶凝时间受到催化剂的种类的显著影响。
2.2 催化剂在溶胶-凝胶中的作用机理研究
溶胶-凝胶反应过程以及生成凝胶的结构及粒度受到催化剂的显著影响。在溶胶-凝胶法制各复合材料过程中, 胶体特性受催化剂种类的影响极大, 从而最终对复合材料的结构与性能起到只关注重要的影响作用。
加入溶液中的酸或碱起到调节溶液的酸碱度作用的同时具有催化作用。本文拟用氨水来调节溶胶的p H值。在氨水催化条件下, 氢氧根离子的作用使硅原子带负电性并导致其电子云向另一侧的-OZ基团偏移, 使该基团Si-OZ键减弱并最终断裂。水解机理如下:
水解过程由于位阻效应的影响, 通过不断聚合作用、水解作用形成一线性硅氧链, 随着硅氧链的伸展、交联, 最后形成了线性交联的三维无规网络结构。
3 复合相变储能材料的应用
我国大量的钢铁、机械制造等企业每年对于煤、电、天然气等需求非常严重, 尤其是电力负荷的需求, 日趋严重。采用复合相变储能材料, 可以用于工业余热回收、电力的峰调等, 有效解决我国日益严重的能源缺乏问题。
以普通的热水储热器与相变储能器为例, 同样的5 L供热水量, 同样的输出功率:200 k W, 同样的输入功率:19 6 k W。每天消耗的电费差别相当大, 相变储能器为379元/天, 热水储热器为1288元/天, 变储能器可节省电费:1288-379=909元, 单以次计算, 每年可节约电费33万余元, 节电效果非常明显。
节能环保、可持续发展是我国目前工业建设的发展趋势。相变储能材料能够有效地节约能源, 缓解能源问题, 提升能源利用效率, 提高热转换效率。尽管人们对相变储能技术的研究虽然只有几十年的历史, 但它的市场前景十分广泛己日益受到人们重视。
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电网级储能系统保持增长态势 篇6
目前, 储能行业关键性的设备提供商, 同时也是供应链上专门的主要系统集成商。Navigant Research的高级分析师Anissa Dehamna表示:“当前是先进储能行业十分关键的时刻。许多储能技术的市场已经开始快速增长, 但是, 为了该行业的持续增长, 将需要更多的系统集成商。”
在技术方面, 2013~2014年, 锂电池技术尤其活跃, 共计有168.6MW宣布开建。目前, 全球共计部署了236.3MW储能系统。得益于意大利和阿联酋的两个重大项目, 硫化钠电池成为第二活跃的储能技术。液流电池占据过去两年约6% 的新市场份额, 共计有21.8MW宣布开建。飞轮的市场活跃度也很高, 共计约15MW。
电力电池储能系统应用与展望 篇7
1 电力电池储能系统与电力系统的关系
当前,电力电池储能系统已被视为电力系统安全经济运行的重要环节(见图1)。电力电池储能系统主要应用在电力系统运行中的削峰填谷、新能源接入、电能质量改善和应急电源4个方面。
受发电设备固有惯性和运行经济性限制,传统的发电方式(水电、火电、核电)自身具有大规模、连续性的特点,而用电负荷固有的随机性和间断性造成了二者之间存在必然的矛盾。虽然可以通过加强电源和电网的建设与投资来解决,但这将导致发电、输电和变电设备的利用效率大大降低并严重影响一次能源的利用效率和电厂的运行经济性。
新型能源(风能、太阳能)的大规模开发和利用,将使这一矛盾进一步加剧和恶化。因此,亟需突破储能相关的关键技术,开发大容量、规模化电池储能系统,以提高一次能源和输变电设备的利用效率,减低温室气体排放[1,2,3]。
电力电池储能系统主要实现能量的储存、释放或快速功率交换,一般由2个系统组成:由电池模块组成的储能电池系统(BESS);由电力电子器件组成的能量转换系统(或称电网接入系统)。电网接入系统主要实现以下功能:①充放电控制;②交流-直流双向变换、直流-直流变换;③功率调节和控制;④运行参数检测和监控;⑤安全防护等。
应用于电力系统中大容量、规模化电池储能系统的相关技术,主要包括规模化系统集成技术和规模化系统接入技术。
2 电力电池储能规模化系统集成技术
电力电池储能系统的规模化系统集成技术,根据其应用情况可以分为大规模集中式储能系统和大规模分布式储能系统。
2.1 大规模集中式储能系统
大规模集中式储能系统以能量转换和电力系统削峰填谷功能为主,以实现电力系统的经济运行,其储能方式有抽水蓄能、压缩空气储能等。
这类储能电站一般规模较大(数兆瓦至数百兆瓦级),经常在有核电站、大型风电场和以火电为主的电力系统中应用,以满足调峰、快速备用、辅助服务和经济运行的要求。其优点是容量大,运行成本较低;缺点是受自然条件(选址)的约束较大。以前对这类储能系统的研究主要考虑与核电和大规模火电基地的配合调度较多,与大规模太阳能发电、风力发电等的配合较少。
2.2 大规模分布式储能系统
大规模分布式储能系统以平抑电源功率随机波动、维持局部电网或微型电网安全稳定运行为主,经常与可再生能源(如太阳能、风能等)配合使用,其储能方式有蓄电池、超级电容器、超导磁储能、旋转飞轮储能等。
这类储能电站一般规模较小(千瓦至兆瓦级),但如广泛应用,仍可占电力系统容量的相当比例并形成规模。其优点是布局灵活,可建在负荷中心;缺点是容量偏小、单位容量的投资较大。学术界对大规模分布式储能的研究刚刚开始。
3 电力电池储能规模化系统接入技术
电力电池储能系统规模化系统接入技术,目前根据其电网接入点应用情况可以分为以下4类:①新能源发电侧储能入网接入技术;②配电网储能入网接入技术;③用户侧储能入网接入技术;④电动汽车入网接入技术。
3.1 新能源发电侧储能入网接入技术
将电池储能系统用于新能源发电侧,可使新能源功率稳定,提高电网安全性和经济性。近几年,新能源发电发展迅猛,根据国家能源战略,到2020年,风力发电和光伏发电的总装机容量将分别达到1.5亿kW和3 000万kW。由于风力发电、光伏发电、地热发电等功率变动大,发电与用电需求不同步,因此储能系统将成为可再生能源发电设备中必不可少的辅助装备。有了储能装置的配合,这些不稳定的、与用电需求不同步的分布式发电设备才有可能向电网和用户稳定地供电。因此,新能源发电的快速发展对电池储能系统提出了更高的技术要求,也提供了更多的需求。
3.2 配电侧储能入网接入技术
将电池储能系统用于城市负荷中心区域的配电侧,可以减少用于发电、输电、变电、配电设备的投资,提高现有电力设备的利用率,降低发电煤耗、供电损耗以及提高供电可靠性。
随着城市电力需求的与日俱增,城市电网面临电力需求存在巨大峰谷差的挑战。目前城市电网系统,已从普遍缺电逐渐发展到局部地区负荷不稳定和不平衡造成的部分地区和部分时段的电力供应紧张,特别在城市中心负荷密度高的区域,经常有配电变压器过载的现象。然而从建设成本和资源保护的角度出发,通过新增发、输、配电设备来满足高峰负荷的需求变得越来越困难。在目前城市负荷中心区域,如采用大容量储能系统接入电网进行削峰填谷,替代常规的解决办法则可有效避免上述问题,不仅使得配电网安全、经济运行,也减少了巨大的增容费和社会环境影响,还提高了设备利用率、降低了线损。
3.3 用户侧储能入网接入技术
将储能电站用于用户侧,可以提高电网的电能质量,增强电网的供电可靠性。目前越来越多具有高度自动化生产线的工业企业和涉及信息、安全领域的用户对负荷侧电能质量提出更高的要求。例如,对于电子企业,1次0.1 s的停电,就将导致整条生产线上芯片的全部报废,损失可达数千万美元。如果使用基于大容量储能技术的电能质量装置作为备用电源,可提高这些企业用电的安全性和可靠性。
现在已经可以利用储能装置为每一个用户(家用、商用或者工业用户)提供不间断的、高质量的供电电源,而且可以让用户自主选择何时通过配电回路从电网获取电能或向电网回馈电能。
3.4 电动汽车入网接入技术
电动汽车是解决能源供需和环境问题的重要手段。按照我国新能源汽车产业发展规划,未来5 a电动汽车将产业化和大规模推广应用,并在2016年进入高速成长期。但大量的车辆充电将带来新一轮的电网负荷快速增长,使得用电负荷峰谷差日益加大的城市电力系统发、输、配电压力巨增。因此,采用电动汽车入网接入技术,将电动汽车能量在受控状态下实现与电网之间双向互动和交换,不仅可解决大规模电动汽车集中充电对电网冲击的影响,而且电动汽车作为移动备用储能装置的分散储能功能,在负荷用电高峰期对电网放电,可减缓电网高峰负荷用电的压力[4]。
将电动汽车和智能电网相结合的V2G技术,可实现电网与车辆的信息和能量双向互动,电动汽车作为电网能量系统的有机组成,可提高电网安全性、稳定性、可靠性和经济性。V2G是一项较前瞻性的技术,目前仅少数机构涉足,具有代表性的研究与示范都在美国。丹麦、英国和澳大利亚正开展这方面研究,大多数为新能源接入方面的示范应用。上海市电力公司是国内最早开展V2G技术研究的企业,目前已在上海漕溪能源转换综合展示基地和上海世博会国家电网馆建成2座具有V2G功能的充放电装置与电网实现双向互动,并在国内首次系统提出了电动汽车入网的研究框架体系以及系统化的充放电策略方案。
4 我国电力电池储能系统技术存在的问题
我国在规模化电池储能关键技术研究领域与国外相比存在以下主要问题。
4.1 电池本体工艺落后
电池本体即化学储能电池的研究、设计、工艺、制造、筛选以及组合等基础工作的任何不足或缺陷,都有可能成为整个储能系统的瓶颈。尽管我国电池的生产技术在总体上已经取得长足进展,但仍有不少技术,尤其是涉及大容量、高功率电池的研究、设计与生产技术,以及电池模块组合与电池组工程应用、运行与管理等诸多关键技术问题还有待于克服和解决。
4.2 大规模应用一直没有进展
尽管电池储能技术有很多的优点,但是由于技术、成本等原因,其在电力系统中的大规模应用一直没有进展。国内实际应用中的电池储能系统储能电站容量都很小,无法形成规模化。随着风力发电、光伏发电等可再生能源发电电源的大规模并网利用,这些电源所固有的随机性和间歇性使得电力系统的安全性和经济性面临巨大的挑战,急需大规模储能系统的支持。
4.3 电网接入技术研究落后
大规模电池储能系统接入到电网,在一定程度上会影响电网。如含有的大功率电力电子变流设备,会导致电网出现谐波、功率因数低等问题;存储设备投入和切除瞬间的过电压和电压暂降问题;存储设备的运行故障对电网的不利影响等。电网的电能质量问题和运行故障也会对存储设备产生影响,轻者缩短储能设备寿命,重者导致储能设备损坏。对此,一些国际组织制定了能量存储设备并网的标准(如IEEE Std. 1547—2003)。我国因尚未建设大规模电池储能系统示范应用工程,导致电网接入技术的相关研究落后。
5 结语和展望
建设坚强智能电网是国家电网公司必须实现的目标,电池储能的规模化系统集成及接入关键技术是实现这一目标的有力技术支撑,符合国家能源战略,也符合公司促进发展低碳经济的基本方针。以上海为例[5],电池储能系统一旦形成规模效应,将从以下几个方面产生经济效益和社会效应:①有效提高现有发电、输电、配电、用电设备的利用率,改变电力建设的增长模式;②降低发电企业和电网企业的运行成本,减少用户的用电费用;③减少停电损失;④节能减排。
随着智能电网的建设,将促进储能技术升级、 推动储能需求尤其是大规模储能需求的快速增长,从而带来相应的投资机会。随着储能技术的大量应用,必将在传统的电力系统规划、设计、调度、控制等多方面带来变革。但是,目前由于国外少数企业的技术垄断,造成价格过高,电网对电力储能系统的需求被压制。因此,国家应该尽快研究储能技术的相关产业标准,加强储能技术基础研究的投入,鼓励技术创新,掌握自主知识产权,从而降低产品价格,推动电力储能系统在电网中的规模化应用。如能抓住这一发展机遇,储能技术将可能取得重要进展,形成新的储能产业。
摘要：阐述了电力电池储能系统规模化的集成技术和接入技术的研究和应用现状。分析了我国电力电池储能系统存在的主要问题,从需求、技术和经济的角度出发,指出了我国储能产业的发展前景,提出了促进大容量储能产业发展的政策建议。
关键词：电池储能系统,分布式发电,电能质量,智能电网
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