当今主流储能技术.docx

北京索英电气技术有限公司编制目录1. 储能技术概述22. 储能的类型32.1 主要的物理储能方式32.2 主要的化学储能方式42.3 主要的电磁储能方式63. 各种形式的储能分析83.1 飞轮储能83.2 抽水储能143.3 压缩空气储能213.4 铅酸蓄电池243.5 镍系电池储能303.6 全钒液流电池343.7 锂电池403.8 锂电池储能电站方案473.9 超导储能563.10 超级电容储能641. 储能技术概述储能概述从广义上讲，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。通常说的储能是指针对电能的存储，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。储能主要应用于电力系统、电动汽车、轨道交通、UPS系统、电动工具、电子产品等。随着电力系统、新能源发电（风能、太阳能等）、清洁能源动力汽车等行业的飞速发展，对储能技术尤其大规模储能技术提出了更高的要求，储能技术已成为该类产业发展不可或缺的关键环节。特别是储能技术在电力系统中的应用将成为智能电网发展的一个必然趋势，是储能产业未来发展的重中之重。储能产业的存在和发展，其意义在于：（1） 储能是未来电网的一个必要组成部分；（2） 储能的发展有利于促进可再生能源的大规模应用；（3） 负荷调节，削峰填谷，提高电能质量，孤网运行，提高电网利用率，减少线损，增加线路和设备使用寿命节约能源；（4） 提高突发事故的应对能力，保证电力系统安全运行；（5） 推进新能源汽车等产业的发展，有利于节能环保。储能的应用2. 储能的类型储能的主要类型有物理储能、化学储能、电磁储能。2.1 主要的物理储能方式飞轮储能：飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换;出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。优点是飞轮储能具有可快速充放电、循环次数多、使用寿命长、能量密度大。缺点是飞轮储能具有较高的自损耗、长期储能效率偏低、并且由于储能容量提高困难，因此比较适合于放电工作时间在秒、分级别的场合。 抽水储能：抽水储能广泛应用抽水储能利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。优点是技术成熟、低成本、循环水利用。缺点是建设抽水储能需要特殊的地理条件，大型抽水电站通常在山区，远离风电场，距离的增加意味着输电损失的增加，效率仅有70%左右，建设期长达810年。 压缩空气储能：压缩空气蓄能是利用电力系统负荷低谷时的剩余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入作为储气室的密闭大容量地下洞穴，即将不可储存的电能转化成可储存的压缩空气的气压势能并贮存于贮气室中。当用电高峰期时将压缩空气经换热器与油或天然气混合燃烧，导入燃气轮机做功发电，满足系统调峰需要。优点是技术成熟、储气库漏气开裂可能性极小、安全系数高、寿命长、响应速度快、容量大、成本低廉、减少排放。缺点是压缩空气储能电站建设投资和发电成本均低于抽水储能电站，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制。2.2 主要的化学储能方式铅酸电池：铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下，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。优点是无记忆效应、对环境污染少、成本较低。缺点是循环寿命短、比能量小、质量重、体积大、自放电大。镍系电池：分为镍镉和镍氢镍镉电池的电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其它电池相比，镍镉电池的自放电率(即电池不使用时失去电荷的速率)适中。镍镉电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，放出80电量后再充足电，该电池只能放出80的电量。这就是所谓的记忆效应。当然，几次完整的放电/充电循环将使镍镉电池恢复正常工作。由于镍镉电池的记忆效应，若未完全放电，应在充电前将每节电池放电至1V以下。优点是成本低，自放电小。缺点是循环寿命短、有较强的记忆效应、质量重、体积大、含有有害物质、对人体有害。镍氢电池是有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，无记忆效应。镍氢电池的缺点是价格镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。优点是循环寿命长、比能量大、重量轻、体积小、无环境污染。缺点是成本高、有记忆效应、自放电大。全钒液流电池：全钒液流电池是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。全钒电池是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极电极反应活性物质。方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。优点是使用寿命长、充、放电性能好，支持过充/过放/深度放电、支持频繁充放电、维护成本低、运营成本低、系统响应快、环保、无污染、无噪音等。缺点是体积相对较大，通常适合大容量存储钠硫电池：钠硫电池是以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池，在一定的工作度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。优点是原材料和制备成本低、能量和功率密度大、效率高、不受场地限制、维护方便缺点是制造成本高，安全性需提高，容易爆炸。高温350C才能熔解硫和钠，因此需要附加供热设备来维持温度。其工作温度在300350，所以，电池工作时需要一定的加热保温。而高温腐蚀严重，电池寿命较短。锂离子电池：锂离子电池是以含锂的化合物作正极，在充放电过程中，通过锂离子在电池正负极之间的往返脱出和嵌入实现充放电的一种二次电池。锂离子电池实际上是锂离子的一种浓差电池，当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，并嵌入到负极材料的微孔中；放电时，嵌在负极材料中的锂离子脱出，运动回正极。优点：高能量密度，超长寿命，使用安全，无记忆效应，体积小，重量轻，绿色环保开路电压高输出功率大低自放电工作温度范围宽：可在-2060之间正常工作。充放电速度快。缺点：生产成本高，一次性投入多，配组后一致性和循环寿命不高，不能大电流放电，需要保护电路控制，磷酸铁锂电池低温性能差，电池存在一致性问题2.3 主要的电磁储能方式超导储能：超导储能是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不低于10万年。显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。优点是功率大、体积轻、体积小、损耗小、反应快，维护简单、污染小。缺点是失超时会出现过热，高压放电，应力过载。超级电容器储能：超级电容器，也称为双电层电容器，其中的电荷以静电方式存储在电极和电解质之间的双电层界面上，在整个充放电过程中，几乎不发生化学反应，因此产品循环寿命长、充放电速度快。超级电容器主要采用具有高比表面积的碳材料作为电极，采用水系或有机系溶液作为电解液。优点是功率密度高，充放电循环寿命长，充电时间短，实现高比功率和高比能量输出，储存寿命长，可靠性高，环境温度对正常使用影响不大，可以任意并联使用，对环境无污染。缺点是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。75各种储能方式的比较：飞轮储能抽水储能压缩空气储能阀控铅酸电池镍系电池全钒液流电池磷酸铁锂电池超导储能超级电容器储能应用规模等级5 kW1.5MW1002000MW100300MW1kW50MWkW级MW级100kW100MWkW级MW级10kW1MW1100 kW应用类型功率型能量型能量型功率型功率型能量型功率型功率型功率型比较适合的应用场合不间断电源、电网调峰和频率控制调峰填谷、紧急事故备用、提供系统的备用容量峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用大规模削峰填谷、平抑可再生能源发电波动电力系统削峰填谷平衡负荷大规模削峰填谷、平抑可再生能源发电波动可选择功率型或能量型，适用范围广泛满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力的要求于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合安全性不可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计地震、滑坡、暴风雨、泥石流、岩石风化、坝体开裂、热胀冷缩破裂等等都存在风险储气库深埋于地下，比较稳定，温差变化小，储气库设置多道安全措施后，安全系数高安全性可接受，但废旧铅酸蓄电池严重污染土壤和水源安全性可接受，但有记忆效应电池系统无潜在的爆炸或着火危险，安全性高需要单体监控，安全性能已有较大突破无无能量密度80120 Wh/kg无无30-50 Wh/kg75-150Wh/kg80-130 Wh/kg120-150Wh/kg2.7MJ/m312Wh/kg倍率特性0.1c-2c无无0.1-1C1-5C1.5C5-15C无无转换效率85%95%60%80%70%95%90%无寿命50000次50年40-50年1000次1000次15000次2000次20年50100万次成本630元/kWh95元/kWh32元/kWh700元/kWh300元/kWh15000元/kWh3000元/kWh630元/kWh20.6万元/kWh资源和环保对环境没有污染需要考虑特殊的地理环境，特殊地质灾害的后果储气装置一般放置在地下，环境影响小资源丰富，存在一定的环境风险镍氢电池无污染，镍镉电池属于碱性，对环境有污染资源丰富，电解液不以铅和镉为主要反应物，对环境友好资源丰富，环境友好资源丰富，环境友好不排放污染，热辐射低，噪音小关注点可快速充放电、循环次数多、能量密度大技术成熟、低成本技术成熟、容量大、成本低廉、减少排放无记忆效应、成本较低一致性、寿命镍氢电池循环寿命长、比能量大可靠性、成熟性、成本高能量密度、超长寿命、使用安全、一致性功率大、体积轻、体积小、损耗小功率密度高，循环寿命长，实现高比功率和高比能量输出3. 各种形式的储能分析3.1 飞轮储能概念：飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。众所周知，当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。简介：飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池充电增加了飞轮的转速从而增大其动能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换。当飞轮电池发出电的时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高（高达200000r/min， 使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能可达150W h/kg，比功率达5000-10000W/kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶600km，由0到96km/h加速时间为6.5秒。飞轮电池组成图起源：飞轮储能电池的概念起源于上世纪70年代早期，最初只是在内燃机上广为使用，但仅作为运转平稳的调节部件。限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到上世纪90年代由于电路拓扑思想的发展，碳纤维材料的广泛应用，以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展，并且伴随着磁轴承技术的发展，这种电池显示出更加广阔的应用前景，现正迅速地从实验室走向社会。现在欧美国家已出现实用化产品，而我国在这方面的研究才刚刚起步。工作原理：何谓飞轮储能电池？飞轮储能电池系统包括三个核心部分：一个飞轮，电动机发电机和电力电子变换装置。 电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能）。当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。由于输入、输出是彼此独立的，设计时常将电动机和发电机用一台电机来实现，输入输出变换器也合并成一个，这样就可以大大减少系统的大小和重量。同时由于在实际工作中，飞轮的转速可达4000050000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，既轻又强，进一步减少了整个系统的重量，同时，为了减少充放电过程中的能量损耗（主要是摩擦力损耗），电机和飞轮都使用磁轴承，使其悬浮，以减少机械摩擦；同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦。这样飞轮电池的净效率（输入输出）达95左右。 实际使用的飞轮装置中，主要包括以下部件：飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器。飞轮是整个电池装置的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少。飞轮储能原理图飞轮是飞轮储能系统中能量的载体，储存的能量由公式E = 1/2 Jw2决定。式中J为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关； w为飞轮的旋转角速度。飞轮单位质量存储的动能即储能密度，飞轮结构设计目标是在最小的质量或体积内获得最大动能，但高速旋转的物体因离心力引起巨大的结构内部应力可能导致材料的断裂破坏，因此结构强度是限制提高转速的决定性因素，高强度、低密度的材料以及经优化设计的飞轮形状才能满足高速飞轮的要求。传统金属材料飞轮的储能密度小于30 Wh/kg (1 Wh=3.6kJ=0.001 度电能），采用玻璃纤维、碳纤维等增强复合材料结构的飞轮可以制造出80120 Wh/kg 的飞轮。轴承是飞轮绕中心轴旋转的约束。在储能飞轮系统中用到的支承方式主要有四种支承方式，各有优缺点，因此在实际应用中常将几种支承方式组合使用。飞轮轴承损耗功率小于电机功率的3%以下才有工程实用价值。下表为四种轴承的特点。四种支承方式电机高效率的电动/ 发电机是能量转换的关键。现代飞轮储能装置中只有一个电机，它既是电动机也充当发电机。常用的电机有永磁无刷电机、磁阻电机和感应电机。其中以永磁无刷直流/ 交流电机居多，特别是应用在转速30000 r/min 以上的系统中。永磁电机结构简单，成本低，恒功率调速范围宽，在各种条件下都有较高的效率。飞轮储能系统的特点可以实现快速充电、放电，快速充放电的基础条件是大功率电机，具有工程实用价值的电机功率应当大于100 kW。国内飞轮储能电动/ 发电机的高功率化是一大技术瓶颈。电力电子控制器通常是由MOSFET 和IGBT组成的双向逆变器，它们决定了飞轮装置能量输入输出量的大小。它是储能飞轮系统的控制元件，它控制电机，实现电能与机械能的相互转换。在输入电能时，可将交流电转换成直流，驱动电动机；而在输出电能时则将直流变成交流，并且具有调频、整流、恒压等功能。电力控制电子技术是实现高效率的交流- 直流、电机驱动、直流- 交流转换的功率电子技术。效率高于95%的控制系统才有足够的竞争力。辅助系统主要包括真空系统、冷却系统以及状态检测系统。真空系统包括真空泵、真空室（即外壳）和密封件，其主要作用：(1)提供真空环境，降低风损、提高效率；(2)屏蔽事故。高密封性能的真空保持只需要真空泵间歇工作。在飞轮储能电源系统中有很多发热因素，主要有电机损耗，飞轮风损及轴承损耗，需要冷却系统进行散热处理。常用的冷却方式有循环水冷、风冷和散热器冷却。状态检测对飞轮机械电池的安全可靠运行具有重要意义，利用各类传感器和检测仪器对飞轮充放电运行状态变化，飞轮轴承振动，控制系统的电流、电压，飞轮电机的温度进行监测。飞轮储能系统是一个典型的机电一体化系统，其系统组成的多样性、复杂性和高技术特性决定了其成本的高昂特性，这也是其应用缓慢的重要原因。性能：飞轮电池与其它电池的比较现在，使用最多最广的储能电池无疑是化学电池，它将电能转变为化学能储存，再转化为电能输出，它价格低廉，技术成熟，但污染严重，效率低下，充电时间长，用电时间短，使用过程中电能不易控制。 另一储能电池是超导电池，它把电能转化为磁能储存在超导线圈的磁场中，由于超导状态下线圈没有电阻，所以能量损耗非常小，效率也高，对环境污染也小。但由于超导状态是线圈处于极低温度下才能实现，维持线圈处于超导状态所需要的低温需耗费大量能源，而且维持装置过大，不易小型化，所以家用市场前景不强。 飞轮电池则兼顾了两者的优点，虽然近阶段的价格较高，但伴随着技术的进步，必将有一个非常广阔的前景。下面通过下表来具体比较三者的优缺点。用途：由于技术和材料价格的限制，飞轮电池的价格相对较高，在小型场合还无法体现其优势。但在下列一些需要大型储能装置的场合，使用化学电池的价格也非常昂贵，飞轮电池已得到逐步应用。 1、太空包括人造卫星、飞船、空间站，飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率，同负载的使用时间为化学电池的310倍。同时，因为它的转速是可测可控的，故可以随时查看电能的多少，美太空总署已在空间站安装了48个飞轮电池，联合在一起可提供超过150KW的电能。据估计相比化学电池，可节约200万美元左右。 2、交通运输包括火车和汽车，这种车辆采用内燃机和电机混合推动，飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时，给飞轮电池充电，飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳、最优的状态下的转速，可减少燃料消耗，空气和噪声污染，发动机的维护，延长发动机的寿命，美国TEXAS大学已研制出一汽车用飞轮电池，电池在车辆需要时，可提供150KW的能量，能加速满载车辆到100Km/h。在火车方面，德国西门子公司已研制出长1.5m，宽0.75m的飞轮电池，可提供3MW的功率，同时，可储存30%的刹车能。 3、不间断电源飞轮电池可提供高可靠的稳定电源，可提供几秒到几分钟的电能，这段时间足已保证工厂进行电源切换。德国GmbH 公司制造了一种使用飞轮电池的UPS，在5s内可提供或吸收5MW的电能。 4、军用战斗车辆美国防部预测未来的战斗车辆在通信、武器和防护系统等方面都广泛需要电能，飞轮电池由于其快速的充放电，独立而稳定的能量输出，重量轻，能使车辆工作处于最优状态，减少车辆的噪声（战斗中非常重要），提高车辆的加速性能等优点，已成为美国军方首要考虑的储能装置。 趋势：作为一种新兴的储能方式，飞轮电池所拥有传统化学电池无法比拟的优点已被人们广泛认同，它非常符合未来储能技术的发展方向。目前，飞轮电池除了上面介绍的应用领域以外，也正在向小型化、低廉化的方向发展。现在，最可能出现的是手机电池。可以预见，伴随着技术和材料学的进步，飞轮电池将在未来的各行各业中发挥重要的作用。3.2 抽水储能抽水蓄能电站的作用：抽水蓄能电站是水力发电站的一种特殊形式。它兼具有发电及蓄能功能。抽水蓄能电站有上、下两个水库(池)。当上库的水流向下库时，就如常规的水力发电站，消耗水的位能转换为电能；相反，将下库的水输到上库时就是抽水蓄能，消耗电能转换为水的位能。由于机械效率和各种损耗的原因，在同样水位差和同样水流量的条件下，抽水时所消耗的电能总是大于发电时产生的电能。水库释能水库蓄能随着电网的发展，抽水蓄能电站的作用就是在低谷负荷期间吸取电网中的电能将水抽至上库，积蓄能量；而在高峰负荷期间再将上库的水发电。抽水蓄能电站的综合效率一般在65-75，这数字包括了抽水和发电时所损耗的机械效率。然而，大火电机组利用率的提高即意味着煤耗的降低。如火电厂在30-40的额定工况运行时，其煤耗约比额定工况增加35，而且低负荷远行可能要用油助燃，厂用电率也要比正常增加1-2个百分点。煤耗和厂用电的减少也可认为是在同样的能耗时发电量的增加。常规水力发电站虽然也具备调峰功能，但其发电出力往往与灌溉、防洪等矛盾。因为常规水电站的水库调度是一个综合的系统工程。而抽水蓄能电站的发电量及蓄水量是可以按日调节的，可以做到按日平衡，不影响水库的中长期调度。抽水蓄能电站的优越性可以归纳为以下几点：(1)对电网起到调峰作用，降低火电机组的燃料消耗、厂用电和运行费用。(2)提高火电机组的利用率，火电装机容量可有所降低。(3)避免水电站发电与农业的矛盾，有条件按电网要求进行调度。(4)作为事故备用起动快，抽水工况与发电工况可以迅速转变，并可以调相，调频。(5)无环境污染。因此，国际上已经广泛地采用抽水蓄能站，并向大容量发展。抽水蓄能电站的容量有的国家已经占装机容量的7-10，占常规水电站装机容量的20-30。抽水蓄能电站的构成：抽水蓄能电站应有上水库(池)、高压引水系统、主厂房、低压尾水系统和下水库（池)。抽水蓄能电站结构图按水文条件来看，如果上库没有流域面积或流域面积甚小，没有天然入水流量，则这一类抽水蓄能电站称为“纯抽水蓄能电站”，厂房内安装流量基本相同的水轮机和(或)水泵。如果上库有天然入水流量，则这一类抽水蓄能电站称为“混合式抽水蓄能电站”厂房内除安装抽水蓄能机组外，尚可增装常规的水轮发电机，其容量与来水量相匹配。此外，下库还可另安装常规径流水轮发电机，其容量与上、下水库总来水量相匹配。此类电站可获得较佳的经济效果。水库的开发方式主要取决于站址的自然条件。可以有几种方式：(1)上、下两库均由人工围建。此种方式是只能建纯抽水蓄能电站。自然条件主要是地形上能建设合适库容和站址距电网的经济距离。水文条件是次要的。上库的调节库容量一般考虑5-l0小时的蓄放水量，而水位变化幅度不超过水轮机工作水头的10-20。(2)上库由人工围建，下库则利用天然河道、湖泊、海弯或利用已经建成的水库。此种开发条件与(1)相同。(3)人工围建下库，而上库则为已建成的水库。即对原有的常规水电站进行改造，成为混合式抽水蓄能电站。建站规模主要由下库的地形和库容来决定。(4)上、下两库均利用相近的天然河道或湖泊。这种站址比较难选，而且上、下库之间的水位差也不会很大。(5)在地形比较平坦的场合，只有上水库是露天的，而下水库、电站厂房及管道全部设在地下，也可利用报废的矿井。这种蓄能电站的水头可达1000米以上，可安装大容量、高水头、高效率的水轮机。抽水蓄能电站一般采用高水头以达到高效率低水耗，因此，压力引水管也同样承受高压。高压管道除了进入厂房部分采用大口径压力钢管外，其余部分均采用隧洞或竖井。洞的内部衬砌是影响压力的重要因素，一般情况下采用钢板衬砌。当地质条件较好时可将部份内水压力传递至周围岩石上，以减少钢板用量及工程费用。为增强衬砌刚度，防止压曲，对衬砌钢板再加焊劲环或劲带。为了防止水锤的发生，调压井的设置与常规水电站相同，特别要考虑过渡工况下的负水锤和涌流。如调压井的位置选择困难，亦可采用气垫式调压室，它与常规调压井起到同样的作用。抽水蓄能的水泵需要有正的吸入扬程，因此与常规水电站不同，尾水管道也是有压力的。常规水电站的进水口有拦污栅。抽水蓄能电站的进水口又是蓄能工况时的出水口。因此栏污栅的设计是一个专门问题。抽水蓄能电站的厂房一般采用地下式。厂房的标高应低于下库最低水位以下30-50米，以保证抽水工况时有一定的吸水扬程，防止气蚀。近年来各种高效施工机械的发展，以及隧洞施工方法的改进，突破了在恶劣地质条件下修建地下洞室的困难，地下厂房最大断面积可达1500m2以上，能满足大型机组的安装和维修。此外，采用地下厂房方案，使许多缺少适宜的地面厂房位置的优良站址得到了修建的可行性，对环境及旅游也是一种保护。抽水蓄能电站的机电设备：机电设备是抽水蓄能电站的核心设备。早期的抽水蓄能电站分别选用水轮机-发电机组和水泵-电动机组。即所谓“四机式”这种方式设备投资大，厂房面积大。现今抽水蓄能电站的机电设备有两种方式：即“三机式”和“两机式”。“三机式”是一台水轮机，一台水泵和一台兼作发电机和电动机的三相同步电机。这三台机又可分为横轴串联和竖轴串联。“两机式”是一台兼作水泵又作水轮机的水力机和一台兼作发电机和电动机的三相同步电机，又称为可逆式水泵水轮机。 “三机式”因为水泵和水轮机的参数选择与设计可以按各自的运行工况来决定，在发电工况和抽水工况都能保证有最高的效率。由于泵和水轮机旋转方向一致，简化了电气接线，便于操作，又可利用水轮机来起动水泵机组，工况转变和反应时间较快等优点。但泵和水轮机有各自的涡壳，设备尺寸较大，管道阀门投资大，土建工程大，且泵或水轮机在空转时有一定损耗。这类机组最大出力在300MW左右。其横断面见图：“两机式”机组只有一套水力机械，水泵和水轮机合二为一。有两个旋转方向，当它以一个方向旋转时，则作为电动机和水泵用，而向另一个方向旋转时，则作为水轮机和发电机用。这种可逆机组设备尺寸小，投资降低，更适宜于地下厂房的安装，只需要较小的洞室，节省土建工程量，且管道阀门亦简化。但机组效率受同一机械的限制，不能两者兼顾，此外机组运行中受多次重复应力的作用，造成一些电器和机械设备问题。可逆机组又分为导水机构可调节的单级机组和导水机构不能调节的多级机组。单级机组的应用受到运行水头的限制，最大水头约为600700米，单机容量300-400MW。多级机组运行水头可达1200米，由于不能调节，单机容量都不超过160MW。多级可逆机组的断面见图：近年来，水力机械已向高水头、高转速、大容量发展。高水头具有很多优点，一般说来水头愈高，则：可使用较高的转速，减小外形尺寸，增大单机容量，减小工程投资；减小引用水量，使上下库容减小，采用较小的管道直径；由于引用水量小，减小库内水位波动，使机组可在高效点运行。采用高转速可提高机械效率，泵的比转速已向q30-50方向发展。由于高的比转速会加速汽蚀，因此要求有较大的淹没深度。采用大的单机容量，可减小台数；降低基建费用和运行费用。目前国外已开始设计l000-1500米水头的可调式抽水蓄能机组。单机容量达600-700MW，在技术上认为是可行的。抽水蓄能电站的电气设备与常规电站基本相同。对电机而言，三相同步发电机兼作三相同步电动机在原理上和技术上都是可行的。蓄能电站对电机的特殊要求是起动频繁，增减负荷速度要求高。如电站水头变化大，应采用双速电机。此外，主机应有专用励磁装置供同步起动，或有专用的同轴起动电动机，或变频起动装置。在主接线方面，如果是可逆机组，则应设有相序转换开关等。抽水蓄能电站典型主接线如图：T常规水轮发电机，PT可逆式抽水蓄能机组，S转向倒换开关，B同步起动母线抽水蓄能电站的起动：由于单机容量大，静态起动会使电网波动。起动有以下几种方法：水力起动法适用于“三机式”机组。水泵侧用压缩空气排水或关闭进出口阀门，水轮机则用水力起动，直到同步转速。并网后使水泵接带负荷，水轮机压水充气。这种方法起动时间约需100秒以上，但对电网没有冲击。起动电机起动法在主机同轴安装一台专供起动用的电动机，该电动机的极数应少于主电机的极数，使其转速能高于主机的同步转速，电动机的功率一般为主机功率的6-8。起动时间约需5-8分钟。主机正常运行时，起动电机空转。这种起动方法适用于各类机组。起动电动机还可以作制动用。同步起动法即所谓“背靠背起动”。适用于混合式抽水蓄能电站。起动时，将待起动机组的定子通过起动母线与常规水轮发电机的定子相联结，然后分别加励磁，水轮发电机以同步方式带着起动机组升速，达到同步转速时用准同期方式并网。起动机的容量应大于主机容量的15-20，起动时间约需2-4分钟。变频起动安装一台专供起动用的可控硅变频电源，机组起动时将变频电源送至主机的定子。然后调整频率使转速逐步上升，到同步转速时退出变频电源，用自同期方式并网。降压异步起动法用升压变压器的抽头或串接降压电抗器，以异步电动机方式起动，当转速达80额定转速时加入励磁电流，使主机拉入同步转速。此种方法对电网冲击较大，适用于小机组。抽水蓄能机组工况转换：从抽水工况快速转换为发电工况，是抽水蓄能机组的一大特点，以适应电网的应急需要。为了实现快速转换，要求机组具有制动功能，使惰走时间减小一半以上。电气制动的措施是解列后迅速将定于绕组三相短路或经过外加电阻短路，转子继续励磁(用专用的励磁电源)，使定子产生电流加大有功损耗。另外，如果机组设有起动电动机，则将该电机反接，增加阻力距。抽水蓄能电站的调度：抽水蓄能电站的调度是牵涉面很广的系统工程。对抽水蓄能电站的机组来说，调度决定是开机还是停机，是抽水工况还是发电工况，至于机组的负荷般是固定在额定出力运行，不作调整。因为额定出力运行效率最高。对于一个抽水蓄能电站来说调度的任务是决定同一工况下开机的台数，一个站内不可能出现不同工况同时运行。至于混合式抽水蓄能电站，则调度的任务是分别决定常规水轮发电机开机的台数和抽水蓄能机组发电的台数。对于抽水蓄能电站调度的依据也是多方面的。如高峰时的功率、高峰持续时间，高峰电量；低谷时的功率、低谷持续时间；基荷向各电厂的分配、系统中的旋转备用量；各抽水蓄能电站上下库的水位；各火电机组的微增煤耗值；系统负荷潮流；峰谷的电价；次日是否节假日或星期日这么多因素一般是非常难于全面考虑的。使用电子计算机实现优化调度，达到系统的最经济运行是研究的方向。3.3 压缩空气储能理论的提出：从随机动能机械转换利用的角度, 提出了一种基于压缩空气的储能新技术。通过对现有电能利用途径改进,增加一个储能环节, 采用压缩空气作为储能介质, 通过对现有空气压缩装置的优化设计和改进, 将捕获到的电能尽可能高效率地转换为压缩空气内能。 然后根据压缩空气固有特性, 采用压缩空气降压时气体膨胀做功或压差直接发电。 实际上, 电能不像水能那样可容易地将其动能转化为水势能存储起来, 它们不能直接存储,目前只能通过能量表现方式的转化, 将其转化成一种合适的能量表现方式来存储。 为此, 人们已经探索和开发了压缩空气储能。 压缩空气从资源的角度看, 是无穷的。从当前国内外已有的研究基础来看, 采用压缩空气储能是一种经济可行的蓄能技术。利用捕获到风能将空气压缩储存在天然洞穴或人工密闭空间内, 在需要用电时才利用压缩空气, 控制其内能的释放速度推动发电机发电, 可解决发电和用电不同步的矛盾; 具有如下优点: ( 1) 保证各级能量转换环节之间在理论上不存在相互影响, 从而可通过机构的创新设计与研究, 提高同级能量转换效率。 如在当前的风能研究中, 风能捕获装置的设计必须考虑整个系统的各个环节, 而且不同容量的风电机组能利用的有效风速是不一样的, 其风速必须控制在一定范围内。而本研究线路中, 风能捕获装置能利用的风速只受其本身结构和材料的影响, 还可以通过风能捕获装置创新设计, 扩大风能利用的有效风速, 即利用过少或过大的风速, 进一步提高风能的利用效率。 ( 2) 控制储能装置中的能量释放速度和时间, 可使发电装置在需要的时候, 一直工作在额定功率下,高效率地转化能量, 并获得稳定可靠的电能, 解决发电与用电不同步的问题; ( 3) 可按能量捕获、 能量转换和存储以及控制能量释放速度这四个环节, 对系统进行模块化、 系列化设计, 简化系统的设计和生产成本。压缩空气发电机理与方法：根据压缩空气固有特性, 借鉴现有的压缩机和气体膨胀机的技术, 采用压缩空气降压时气体膨胀做功或压差直接发电,创新设计小规模的较高压压缩空气直接发电的机电装置。 这是基于压缩空气储能的小规模风能发电新技术的一个关键问题。当前研究的压缩空气蓄能发电技术, 主要应用于电网的修峰调谷, 它利用用电低谷富裕电力, 用空气压缩机产生压缩空气, 储存在封闭的岩洞内, 用电高峰时释放压缩空气发电, 压缩空气通过由燃气轮机废气加热的预热器加热以后, 输送到燃气轮机的高压燃烧室里, 在那里与燃气轮机的燃料-天然气燃烧所放出的热量混合、 膨胀并驱动燃气轮机旋转、 带动发电机发电。 因需燃烧油、 气, 使它对环境有一定的污染。 这种方式, 在小规模应用风能的角度来看, 其系统小型化成本太高。 近年来,国内外学者提出了另一个直接利用压缩空气的原理与方法, 即直接利用高压气体在降压时产生的能量发电, 亦称 “气体直接膨胀法” , 将较高压压缩空气直接在空气透平中膨胀做功并产出能量, 日本于 2003 年就拟建设一座利用天然气压差发电的发电厂。 目前这些研究都是建立在大规模应用压缩空气储能的基础上, 但在原理上,为如何利用压缩空气降压直接发电, 研发小规模的压缩空气直接发电装置提供了一定的理论基础。压缩空气蓄能电站示范效应与深远意义：压缩空气蓄能电站的重要意义在于：1 空气是“能源多媒体”的最佳选择大力开发太阳能、风能、波浪能以及核能是世界潮流，但往往都存在供需不同步、供需不均衡的状态，能够把各种形态能源转换、储存、取用的“能量多媒体”只有“空气”，它是这个“角色”的“最佳人选”。2经济效益、社会效益巨大按发电量的三分之一计算，每年可节约四五亿吨煤炭，相当于数十座中大型煤矿年产量，而且年年受益，经济效益、社会效益巨大，节约大量资源，促进经济社会可持续发展。3为“十一五”规划作贡献根据我国“十一五”规划，节能降耗指标要达到20%，压缩空气蓄能发电技术是一个很好的选择，而且会产生显著的示范效应。3.4 铅酸蓄电池引 言：用于储能系统蓄电池目前已有多种，包括铅酸蓄电池，镍镉(Ni-Cd)电池，镍氢(Ni-Mh)电池，钠硫(Na-S)电池，钒电池(VRB)等。这些电池中有些已在储能系统中开始试验性使用，但同样由于成本和技术等问题使它们的实用化进展缓慢。虽然铅酸蓄电池的主要原料1#电铅价格自2003年下半年以来不断猛涨，从2003年7月的4700元/吨上涨到目前(2007年5月)的16000元/吨，对应的铅酸蓄电池价格也已上涨到0.75元/Wh。但与其他储能技术相比，铅酸蓄电池仍然是唯一一种成本可以为用户所接受的大容量储能方式。目前世界各地已经建立了许多基于铅酸蓄电池的储能系统。1988年，美国在加利福利亚洲建立了10MW/40MWh铅酸蓄电池储能系统，用于电力调峰和电能质量控制。1981年，德国建成了一台基于VRLA的17MW蓄电池储能系统并于1987年投入商业运营。1996年，美国在阿拉斯加的Metlakatla岛上建立了另外一套基于VRLA的1.4MWh蓄电池储能系统，该系统作为离网式水力发电系统的后备电源，能够以800KVA的功率提供90分钟的应急电能。铅酸蓄电池简介：铅酸蓄电池基本原理铅酸蓄电池由G. Plant于1859年发明。1882年，J. H. Glastone和A. Tribe提出了著名的“双硫酸盐化理论”，根据这一理论，铅酸蓄电池的正负极在放电时都转化为硫酸铅，在充电时又会还原为初始状态。单格铅酸蓄电池的额定电压为2V，针对其应用范围不同，其容量从数Ah到上万Ah不等。目前已知的最大容量的单格铅酸蓄电池为美国“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇所使用的PDX-57型电池，单格容量为10,000Ah，体积为5851117cm，重量为953Kg。该艇采用128个单格电池串联构成额定电压256V的储能系统，额定容量为2.6MWh10。VRLA所采用的技术普通铅酸蓄电池需要定期管理的原因在于充电时水的损失以及开口状态下硫酸的挥发。针对这个问题，人们研制了新型阀控铅酸蓄电池(简称VRLA)。它的主要技术是使正极板在充电时析出的氧气扩散到负极板后会与负极板上的铅反应生成一氧化铅，氧化铅再与稀硫酸反应生成硫酸铅和水。阀控铅酸蓄电池解决了因为氧气析出造成的失水问题,同时VRLA在负极板采用铅钙合金等新型板栅材料，可将析氢电压提高200300mV。因此只要充电电压设定合理，在充电过程中就不会有大量氢气析出。同时，大部分蓄电池生产厂家生产的VRLA一般将负极板进行过量设计，这样负极板的充电容量总是达不到90%。这也是避免析氢的一个重要措施。此外，为了避免在充电电压过高或其他特殊情况造成的少量气体(主要是氢气)在电池内部累积，VRLA一般都设置有安全阀。安全阀可在内部压力超过一定值时开启，将内部气体排出以避免造成事故。分布式发电系统对于蓄电池的要求铅酸蓄电池按其工作方式的不同主要可分为两大类：一类用于汽车起动或UPS等设备中，主要起备用电源的作用，称之为后备型蓄电池；另一类用于的储能单元中，主要起能量储存的作用，称之为动力型蓄电池。动力型蓄电池结构与后备型蓄电池在结构上存在很大区别，不能混用，尤其不能将备用型蓄电池做动力型蓄电池使用。用于起动或UPS等设备中的蓄电池在寿命期的绝大部分时间是处于浮充状态。只是当车辆需要起动或市电掉电时蓄电池才会发挥作用，且放电容量一般不大。用于此类用途的蓄电池一般只要求上千次甚至数百次的充放电循环寿命。这种情况下，蓄电池的寿命是可以预测的，因为导致其失效的主要原因是板栅金属材料的腐蚀。为了保证较长的使用寿命，此类蓄电池中所使用的硫酸电解液浓度一般较低，这对延缓板栅金属材料的腐蚀有积极作用。目前，后备式蓄电池已全面采用VRLA。用于电动车以及离网型分布式发电系统动力型铅蓄电池则经常处于深充放电循环中，此类蓄电池失效的主要原因是正极板活性物质的软化和脱落。同时，为了保证蓄电池有足够的能量密度，往往采用浓度较高的硫酸电解液。正极板的活性物质状态随着蓄电池充放电循环的不断进行会不断变化，最终会软化或者脱落，导致蓄电池失效。为了防止正极活性物质的过早损失，用于深循环应用的蓄电池一般采用较厚的极板。如果将后备电源使用的铅酸蓄电池用于深放电循环的分布式发电系统中，会导致早期容量损失和蓄电池过早失效。放电深度对蓄电池放电寿命有重要影响。美国Trojan电池公司目前在深循环铅酸蓄电池的设计和生产中处于领先地位。Trojan电池公司的T105型蓄电池在放电深度为20%时，其循环寿命为3000次；而放电深度为40%时，其循环寿命仅为1500次。VRLA在储能系统中的应用研究也在进行中。早期的VRLA极板一般采用铅钙合金，这样的电池在深放电循环时很容易产生早期容量损失，蓄电池使用寿命较短。一个数据表明，国产矿灯用的铅酸蓄电池当使用普通开口防酸式蓄电池时，其循环寿命可达1500次，而采用VRLA以后，寿命不足500次。虽然如此显著差距有可能是由于充电措施不当产生，但VRLA的深循环寿命不如普通开口式蓄电池却是不争的事实。如果定期的检查和加水维护工作可以为用户所接受，目前开口式铅酸蓄电池系统一般会比VRLA系统具有更长的使用寿命。分布式发电系统中铅酸蓄电池的使用与维护：充电铅酸蓄电池充电过程一般分为如下图所示的4种充电模式恒流充电：充电器采用相对恒定的电流对蓄电池进行充电。在充电过程中由于电池容量的上升，端电压不断提高，当提高蓄电池生产厂商推荐的最高充电电压时，转为下一充电模式，此时蓄电池容量接近其额定容量的90%。恒压限流充电：在这种充电模式中，蓄电池电压恒定在最高充电电压，由于已蓄电池已接近其额定容量，蓄电池充电电流不断下降。铅酸蓄电池的一般充电过程浮充电：当恒压限流模式下，充电电流下降到电池生产厂商推荐的最小电流时，降低其充电电压，此时蓄电池进入浮充电状态，此时充电电流更小。均衡充电：当作为后备电源使用的铅酸蓄电池经过放电后，一般应对其进行一次均衡充电，以消除由放电造成的影响。所谓均衡充电，就是均衡电池特性的充电，是指在电池的使用过程中，因为电池的个体差异、温度差异等原因造成电池端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需要提高电池组的充电电压，对电池进行活化充电。在离网式分布式发电系统中所采用的铅酸蓄电池系统一般充电时间有限，充电功率有限，充电模式一般只限于恒流充电阶段。如果蓄电池系统长期充电不足，会导致负极板硫化，容量下降，电池过早失效。近年来国内外各公司研发出一种设备可以修复或缓解铅酸蓄电池的硫化。根据其工作方式的不同，有的被称为蓄电池活化仪，以美国PulseTech公司为代表；有的称为脉冲修复仪，以国内深圳维迪澳公司为代表。其基本手段是不采用稳恒的直流，而是采用一种脉冲的电流或电压对蓄电池进行充电。实践证明这种充电方式对消除铅酸蓄电池的硫化有显著效果，但目前为止还没有一种令人信服的理论可以解释这一现象。此外，人们还发展出一种快速充电技术。它以马斯三定律为理论基础，主要技术是在大电流充电的间隙对蓄电池进行短暂放电。目前一般采用12C的电流对电池进行短时间脉冲充电(一般为数毫秒)，在大电流充电的间隙对蓄电池进行短暂放电。这样做有三个好处：一是消除极化，提高极板的接受能力；第二是降低温升，蓄电池内部的化学反应为吸热反应；第三是减少析气，降低加水维护的工作量。国内部分单位已将其应用到产品中。由于它采用的也是一种脉冲充电