风能、光伏发电与储能.pdf

风能 光伏发 电与储能 王金 良 1 2 1 苏州大学 化学电源研究所 江苏 苏州 2 1 5 0 0 6 2 中国电池工业协会技术服务委员会 江苏 苏州 2 1 5 0 0 6 摘要 发展可再生能源对满足能源需求 减少环境污染和促进经济可持续发展具有重大意义 总结了全球风能 太阳能 发电产业的发展 详细分析了中国风能和光伏发电的现状 市场分布和发展 目标 储能是风能 光伏发电系统的重要组 成部分 阐述了储能电源的技术要求 蓄电池储能仍是 目前最成熟 最可靠的储能技术 风能 太阳能发电产业的高速 发展将为储能电池和储能技术的发展带来新的市场和机会 开发新型储能电源和技术将成为今后电池业界的研究热 点 关键词 可再生能源 风能发电 光伏发电 储能电源 储能技术 中图分类号 T M 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 2 0 8 7 X 2 0 0 9 0 7 0 6 2 8 0 5 W i n d e n e r g y p h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o n a n d e n e r g y s t o r a g e W ANG J i n l i a ng r J 如 s m o f El e c tr o c he mi c a l Po we rS ou r c e s o fS u z ho u U ni v e r s i t y S u z ho u J i a n g s u2 1 5 0 0 6 Ch i na 2 T e c h n i c a l a n d S e r v i c e C o mmi t t e e o f C h i n a B a tt e r y I n d u s t r y As s o c i a t i o n S u z h o u J i a n g s u 2 1 5 0 0 6 C h i n a Ab s t r a c t I t s s i g n if i c a n t t h a t d e v e lo p i n g t h e r e n e wa b l e e n er g y t o me e t t h e e n e r g y d e ma n d s r e d u c i n g e n v i r o n me n t a l p o l l u t i o n a n d a c c e l e r a t i n g t h e s u s t a i n a ble e c o n o mi c d e v e l o p me n t Th e g l o b a l p r o g r e s s e s o f p o we r g e n e r a t io n i n d u s t r y wi t h wi n d o n er g y a n d s o l a r e n e r g y we r e s u mma r i z e d i n t h i s p a p e r Th e s t a t u s ma r k e t dis t r ib u t io n a n d d e v e l o p me n t g o a l o f wi n d e n e r g y a n d s o l a r e n e r g y i n Ch i n a we r e a n a ly z e d i n d e t a i l En er g y s t o r a g e i s an i mp ort a n t p a r t o f p o we r g e n e r a t i o n s y s t e ms i n wi n d e n e r g y an d s o lar e n e r g y Th e t e c h n i c al d e ma n d s o f e n e r g y s t or a g e p o we r s o u r c e s we r e r e p r e s e n t e d A t p r e s e n t e n e r g y s t o r a g e wi t h s e c o n d a ry b a tt e r i e s wa s t h e mo s t ma t u r e a n d c r e d i b l e wa y s T h e r a p id d e v e l o p me n t o f p o we r g e n e r a t io n i n d u s t ry wi t h wi n d e n e r g y an d s olar e n e r g y wo u l d b r i n g n e w ma r k e t s a n d o p p o rt u n it i e s f o r e n e r g y s t or a g e b a t t e r i e s an d t e c h n iqu e Th e d e v e lo p men t o f n e w t y p e o f s t o r a g e p o we r s ou r c e s a n d t e c h n iq u e s wo u ld b e t h e r e s e a r c h h o t s p o t s i n t h e f i e ld o f b a tt e ry i n d u s t r ie s i n t h e f u t u r e Ke y wo r d s r e n e wa b l e e n e r g y wi n d e n e r g y g e n er a t i o n s o l a r e n er g y g e n e r a t i o n e n e r g y s t or a g e p o we r s o u me s e n e r g y s t o r a ge t e c h n iqu e 上世纪末 世界一次能源的大致构成比例见表 l 化石燃料资源 目前仍是一次能源的主要部分 由于储量 有限 使其变得 E l 益紧缺 化石燃料资源的储采比较见表 2 表 1 世界一次能源构成 化石燃料 类别 核能 可再生能源 石油 天然气 煤炭 构成比例 4 0 5 2 4 0 2 5 O 8 0 2 5 合 计 8 9 5 8 0 2 5 表 2 全球和中国化石燃料资源的储采比较 T a b 2 Th e r a t io o f s t o r a g e c ap ac i t y t o e x p l o i t a t i o n l 化石 燃料 l 煤 炭 石油 天然 气 I 全 球 I 2 0 0 年 4 O 年 6 O 年 l 中国 l 8 2 年 1 5 年 4 6 年 收稿 日期 2 0 0 8 1 0 1 2 作者简介 王金良 1 9 5 5 一 男 江苏省人 高级工程师 主要研究 方向为化学电源 B io g r a p h y WA N G J i n li a n g 1 9 5 5 一 m a le s e n io r e n g i n e e r 2 0 0 9 7 V e 1 3 3 N O 7 6 2 8 化石能源的使用还会带来严重环境污染 并使气候异常 能源供应不足已成为全球经济发展的瓶颈 同时 使用化石能 源造成的环境污染问题已受到全球的高度重视 积极开发替 代新能源和储能技术 减少人类对化石资源的依赖 已成为业 界和科技界研究的热门课题 在可再生能源 中 特别引起业界关注的是风能和太阳 能 1 2 一是来源丰富 取之不竭 用之不尽 二是它们在利用过 程中无环境污染或污染很小 但是他们也存在共同的缺陷 即 间歇性 不稳定性和不可控性 风能发电和光伏发电系统通常分小型离网使用系统 独 立电网 并网发电 3大类 风能和太阳能光伏发电系统分类见 表 3 由于风能和太阳能的间歇性和不确定性 为保证供电的 均衡和连续 储能成为风光发电系统的关键配套部件 因此 在利用太阳能和风能的同时 必须重视储能技术的开发 1风能发电 3 5 风能资源无尽 风力发电技术成熟 成本低廉 本世纪以 椽 扳 不 表 3 风能和太阳能光伏发电系统分类 类别 功率 k W 应用范围 应用举例 离网系统 O 0 5 1 0 小型独立运行系统 船用 广告灯箱 边防哨所 通讯中继站 信号灯 卫星 管道阴极保护 高山气象站 独立电网 1 O 2 0 0 边远地区集中供电 独立风能 太阳能发电站 风光 风油互补等小型发电站 并网发电 2 0 0 2 0 0 0 向中央电网供电 荒漠 风场电站 B I P V 光伏与建筑结合1 来 全球风力发电平均以超过 5 0 的速度高速增长 全球风电 装机容量的增长见图 1 2 0 0 7年主要国家风电装机容量见图 2 年 份 图 1 全球风电装机容量的增 长情况 Fig 1 Th e in cr ea s i n g o f ins t a l led c ap a cit y of glob al wi n d e n er g y g en er a t ion s y s t ems 222 4 7 l 5l 一 5 7 8 50 一 国家 图 2 2 0 0 7年主要国家风 电装机容量 F ig 2 T h e i n c r e a s i n g o f in s t a l le d c a p a c i o f wi n d e n e r g y g en emt ion s y s t e ms i n t h e ma i n c o u nt ri e s i n 2 00 7 虽然中国风电发展相比发达国家滞后 但近几年来发展 很快 特别是 可再生能源法 出台后 风电增长惊人 平均以 每年翻番的速度高速增长 2 0 0 7年 中国风能发电规模已居 全球第五 近几年装机容量的增长见图3 近两年风场 风电 机组等主要建设的变化见表 4 7O 60 5 0 删 枯 暴 隧 年份 图 3 中国风 电装机容量的增长情况 Fig 3 Th e i n c r ea s i n g o f ins t a l l e d c ap ac it y o f China wi n d e ri er gy g en er a t ion s y s t e ms 表 4 近几年中国风场 风电机组的变化 T a b 4 Ch a n g e s o f wi n d fi e l d s a n d wi n d en e r g y 年份 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 风场数 6 2 9 1 1 5 8 风电机组 l 8 6 4 3 3 1 l 装机容量 万 k W 1 2 6 6 2 5 9 9 5 8 9 9 风能发 电是今后较长时期内全球首选发展 的可再生能 源 据预测 2 0 2 0年 全球风能发 电将 占世界总发 电量的 1 2 发电总量将达到 3万亿 k Wh 根据中国 可再生能源中长期规划 2 0 1 0年全国风电 装机容量规划为 5 0 0万 k W 形成江苏 河北 内蒙 3个 l O 0 万 k W 级风电基地 2 0 2 0年 全国风电装机容量将达 3 0 0 0万 k W 在广东 福建 江苏 山东 河北 内蒙等地区集中连片开 发 形成多个装机容量 2 0 0万 k W 以上的风电大省 建成 l O 0 万 k W 海上风电项 目 2 0 0 7年我国风电装机容量实际已达 5 9 0万 k W 根据专家预测 在国家产业政策的推动下 中国风 电发展的速度将进一步加快 近 4 O年的发展 目标预测见表 5 表 5 中国风 电发展目标预测 低目标 中目标 高目标 全球 年份 总装机 年新增 年增长 总装机 年新增 年增长 总装机 年新增 年增长 年增长率 万 k W 万 k W 率 万 k w 矗 k W 率 万 k W 万 k W 率 2 0 1 0 8 0 0 1 3 5 3 2 4 l 0 0 0 1 8 5 4 0 0 1 31 6 2 6 4 5 5 O l 8 0 2 0 1 5 2 0 0 0 2 4 0 2 O 1 3 0 0 0 4 0 0 2 4 6 4 8 8 7 7 1 4 3 0 0 1 8 O 2 0 2 0 4 0 0 0 6 4 0 1 4 9 7 0 0 0 8 0 0 l 8 5 1 2 2 1 2 1 4 6 5 2 0 1 1 4 0 2 0 3 0 1 2 0 0 0 8 0 0 l 1 6 1 8 0 0 0 1 1 0 0 9 9 2 6 8 5 6 1 4 6 5 8 2 7 0 2 0 4 0 2 5 0 0 0 l 3 o 0 7 6 3 O O O O 1 2 0 0 5 2 4 2 9 2 0 1 6 0 6 4 8 2 0 2 0 5 0 4 0 0 0 0 1 5 0 0 4 8 4 5 0 0 0 1 5 0 0 4 1 6 11 3 0 1 8 21 3 6 0 5 我国风能资源丰富 根据最新风能资源评价 中国大陆陆 地可利用风能资源超过 2 5 亿 k W 加上近岸海域可利用风能 资源 7 5 亿 k W 共计超过 1 0 亿 k w 在可再生能源中 风能发电能形成规模 同时发电成本相 对较低 现有上网电价 已降至 0 5 0 7元 k Wh 虽然距火力 6 2 9 发电成本还有较大差距 上网电价仍须财政补贴 但随着装机 成本的降低 发电规模的增大 风电供电距商业运作已为时不 远 近 2年几个风场的中标电价见表 6 2 光伏发 电 5 6 近几来 全球光伏电池产量高速增长 年均增长达 3 5 左 2 0 0 9 7 Vo 1 3 3 No 7 O 0 0 O 0 O O O 0 0 O 0 0 0 O 0 O 0 0 0 0 0 0 0 O 0 O 0 0 0 0 O O 0 0 0 0 O O 0 0 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l l 参苫 暮 医 2 n 亭窆 再 暮 廿譬 0 z 槔 投 不 材料晶硅的生产 能耗高 污染大 也是不争事实 生产光伏 电池综合耗电国外先进指标为 7 2 5 k Wh k W 光伏组件 平均 为 1 2 7 5 k Wh 而中国高达 3 2 7 5 5 4 5 0 k Wh 化石资源发电 的能耗与污染成正比 目前中国太阳电池产业的现状是以国 内的高能耗和高污染换取了发达国家的 绿色环保 因此 从产业政策等方面支持扩大内需 把绿色留住 是我国发 展太阳能等 再生能源 可持续发展的当务之急 目前 德国等主要消费大国均采用政策性补贴扶持光伏 产业的发展 6 0 以上为并网发电 光伏发电由于投资大 目 前国内的发电成本约为 4元 k Wh左右 是风电成本的 6 8 倍 由于国内对太阳能发电的支持力度有限 绝大部分为离网 使用系统和少数独立电网样板 J b型光伏电站 B I P V 根据 国家可再生能源十一五发展规划 到 2 0 1 0年 我 国太阳能发电装机容量将达到 3 0 0 Mw 其 中大型光伏电站 并网 为 5 0 I V I W 城市屋顶计划为 5 0 Mw 边远地区独立 电 网或独立系统 离网 1 5 o MW 太阳能热发电 5 0 Mw 近期我 国太阳电池的发展仍将以非并网 独立光伏发电为主 专家对我国光伏市场的预测见表 8 t 表 8中国光伏发电市场现状与预测 T a b 8 S t a t u s a n d f o r e c a s t f o r PV ma r k e t s i n Ch i n a 2 0 f 5正 2 0 1 I 年 2 0 2 0矩 市场分类 装机 份额 装机 份额 装机 份额 MW M W MW 边远农村供电 3 0 4 3 l 8 0 5 l 4 0 0 2 2 通 信和工业 2 8 4 0 4 5 1 3 3 0 0 1 1 太 阳能产 品 1 0 1 4 3 2 9 2 0 0 1 7 并网m口v 2 3 7 3 2 l 7 0 0 3 9 并网 荒漠电站 2 0 6 2 0 0 l l 合计 7 0 1 0 0 3 5 0 1 0 0 1 8 0 0 l O 0 3储能技术和储能电源 除风 光 燃油互补的离网电站外 离网和独立的风力发 电和光伏发电必须使用储能系统 7 因为单独的太阳能或风 能系统受时间和地域的约束 很难全天候利用太阳能和风能资 源 对并网的大型风力发电和光伏发电 也可不采用储能系统 直接向中央电网供电 但电网功率和频率波动大 通常情况下 也要采用储能系统对电网进行调峰和调频 来保证发电 供 电 的稳定性 储能系统起平衡 调节 蓄电 削峰填谷的作用 目前已开发的储能技术主要分为物理储能和化学储能两 大类 物理储能主要包括扬水蓄水储能和压缩空气储能等 这 类储能系统虽然具有规模大 循环寿命长和运行费用低的优 点 但需要特殊的地理条件和场地 建设的局限性较大 且一 次性投资费用较高 也不适合较小功率的离网发电系统 化学储能主要包括各类蓄电池 超级电容器 可再生燃料 电池 如金属 空气电池 氢能 电解水制氢一储氢一燃料电池 发电 和液流电池等 大规模储氢投资大 燃料电池价格高 循环转换效率较 低 目前尚不宜作为商业化的储能系统 液流储能电池系统具有能量转换效率较高 运行 维护费 用低等优点 是高效 大规模并网发电储能 调节的首选技术 之一 液流储能技术早已在美国 德国 日本和英国等发达国 6 3 1 家示范性应用 我国目前尚处于研究开发阶段 l l 一 16 蓄电池储能是 目前最成熟 最可靠的储能技术 与一般蓄电池相比 储能电池除了要求大容量 还要求长 寿命Oo年以上 适应微电流充电 耐过充电和过放电 少维 护 可以任意方向放置 低成本等特点 主要二次电源的特性见 图 9 图 9 主要二次 电源 的特性 F i g 9 Th e c ha r a c t er i s t i c s o f ma i n s ec on da r y b at t er ie s 锂离子 氢镍电池等先进蓄电池成本较高 大容量储能技 术还不成熟f 特别是锂离子电池 产品的性能 目前尚无法满足 储能的要求 其经济性也无法实现商业化运营 铅蓄电池具有 技术成熟 可制成大容量 单位能量成本和系统成本低 安全可 靠和再利用性好等特点 也是目前最实用的储能电源系统 已 在小型风力 光伏发电独立系统以及中小型非并网电站获得广 泛应用 但常规 AG M铅蓄电池循环寿命较短 不可深度放电 电池组运行的维护费用偏高 很难满足大规模蓄电的要求 目前国内储能专用蓄电池较多企业处于研发阶段 少量企 业已进入小批量生产 国内储能大多为代用产品 主要是 A G M 工业电池 包含少量工业胶体电池1 循环寿命较短 环境适应性 差 使用成本较高 需要加水维护等 国外较成熟的储能电池多 采用胶体铅蓄电池 但价格高达国产电池的2 3 倍 目前国内 重要领域使用的储能电池仍以进 口电池为主 我国大量太阳电 池出口 配套的储能电池也基本被国外产品垄断 离网型光伏发电和风力发电 含独立系统 的发展将成为储 能蓄电池高速发展的主要推动力 今后较长时期内 很多因素 将支持中国储能蓄电池的高速发展 储能电池有可能成为继电 动 自行车电池后的又一个新的电池发展亮点 出现 跨越式 增长 目 国家 可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法 等法规或政策的实施 将促进城市屋顶计划 荒漠电站和风场 发电站的建设 2 0 1 0年国内太阳能装机容量将超过 3 0万 k W 风力发电将超过 1 0 0 0 万 k W 国家已启动的解决边远地区用 电的光明工程等项 目目前处于实施阶段 全国尚有约 3 0 0多万 户无电户 至少 5 0 需通过光伏 风能 风光互补来解决 总装 机容量超过 3 0 0 Mw 世博会等 形象工程 将加大可再生能 源的示范力度 通信 工业应用和光伏 风电产品所需的储能电 池将大幅度增加 全国约有 1 0 0万条捕鱼船 运输船等小型船 只 是推广风力和光伏独立发电系统的最佳应用领域 也是最 2 0 0 9 7 Vo 1 3 3 NO 7 适合使用储能蓄电池的领域 市场潜力很大 目前国内铅蓄电池市场已基本形成启动 动力 主要是电 动 自行车 其他工业用三分天下的局面 不久储能电池将可 能形成一个独立分支 成为铅蓄电池的主导产业之一 鉴于风 光的间歇性 如光照时间 强度 风力的大小 用 电时间以及储能蓄电池充电接受能力等因素 为防止电网电 力波动 实现连续 均衡送电 储能电池起平衡 调节和蓄电的 作用 储能电池的容量与太阳能 风电机组发电功率配备通常 以大于 1 配备 即发电功率为 1 k W 时 储能电池的容量须大 于 1 k Wh 以太阳电池储能为例 如果用电器功耗为 1 k Wh d 即 1 度电 考虑到连续阴天的可能性 则储能蓄电池的总容量一般 要求 5 k Wh 即 5 d内只要 1 d有阳光 就能保证 5 d内连续 正常供电 而太阳电池组件 的装机功率至少需 1 k W 1 0 0 发 电效率的光照时间达到 5 h才能将蓄电池充满电 由于光照 时间和强度因不同地区而异 晴天条件下 达到 1 0 0 发 电效 率的光照时间通常在 3 6 h 因此独立系统和独立电网的光 伏发电 发电组件的功率与储能电池通常以 1 5左右配备 对于重要的用电场合 实际应用时 比差更大 见表 9 储能电池的功率远大于系统发电的功率 保守估计 2 0 1 0 表 9 储能电池应用举例 直流供 电场合 供 电电压 v 光伏 电池 w 储能电池容量 光伏与储能功率比 超短波电台 小功率发射机 1 2 l 5 0 1 2V 2 0 0 Ah 1 l 6 微波通信 光缆 中继站 2 4 5 0 0 2 4V 5 0 0 Ah 1 2 4 邮电通信 基站 管道阴极保护 4 8 1 0 0 0 5 0 0 0 4 8 V 5 0 0 2 0 0 0 A h 约 1 2 0 年 中国光伏和风力发电配套的储能蓄电池市场将达 l 0 0 0 万 k Wh左右 加上 电信 UP S等使用 的储能 电池 总量应在 2 0 0 0 万 l h以上 开发适用于储能要求的长寿命 低成本专用储能电池既 是电池产业可持续发展的要求 也是市场发展的需要 新型储 能技术的研究将成为业界研究的热点 储能技术的突破将对 太阳能 风能等可再生能源的有效利用起促进作用 风能和光 伏发电的发展将推动电池产业的技术进步和发展 值得关注的储能电源系统和储能技术 新型铅蓄电池 如 胶体 卷绕式 陶瓷隔膜双电极电池等 一 其他新型蓄电池 蓄电池 一 超级电容器混合 电 电混合 储能系统 超电 池 储能技术f 电池 超级电容器内部混合系统 吲 液流电池 技术 1 大型金属 空气电池技术 氢燃料电池技术 与我国电动汽车的发展相同 发展储能电池和储能技术 不仅要重视 技术路线 的开发 同时还要重视 商业化路 线 的研究 特别是大型风场 光伏电站 要研究储能的循环 再利用技术 降低储能系统使用成本是储能系统大规模商业 应用的关键 参考文献 1 中 国 新 能 源 网 我 国 大 力 发 展 风 电 的 前 景 分 析 E B OL 2 0 0 5 1 1 1 0 h t t p l l ww w n e we n e r g y o r g c n H t ml 0 0 5 1 1 2 0 0 5 1 7 4 0 6 h t m 1 2 刘峰 采取措施将绿色能源留在国内 N 消费时报 2 0 0 8 6 4 A2 3 李俊峰 高虎 施鹏飞 中国风电发展报告 M 北京 中国环境 科学 出版 社 2 0 0 7 1 5 6 4 中 国风能协会 中国风 电产 业现状及发 展 R 北京 中 国可再生 能源学会 2 0 0 6 0 5 1 6 5 国家发改委 可再生能源中长期发展规划 E B O L 2 0 0 7 0 8 h t t p l l www c c c h i n a g o v c n W e b Si t e c c c h i n a Up F i v e 2 0 0 7 2 0 0 7 9 5 8 3 7 45 1 45 p d fi 6 郗选金 太阳能电源的应用及发展前景 J 通信电源技术 2 0 0 7 2 4 6 9 6 9 7 7 桂长清 风能和太阳能发电系统中的储能电池 J 电池工业 2 0 0 8 1 3 1 5 0 5 4 8 王金良 二次 电池工业现状与动力电池发展 J 新材料产业 2 0 0 9 7 V o 1 3 3 N O 7 6 3 2 2 0 0 7 2 9 9 张步涵 曾杰 毛承雄 等 电池储能在改善并 网风 电场电能质 量和稳定性 的应用 J 电网技术 2 0 0 6 5 0 1 5 5 4 5 8 1 0 郑立国 白树华 可再生能源独立系统简介 J l 农村电气化 2 0 0 7 1 1 1 5 0 1 1 J O E R I S S E N L G AR C HE J F A BJ A N C e t a 1 P o s s i b l e u s e o f v a n a d i u m r e d o x flo w b a R e fie s f o r e n e r g y s t o r a g e i n s m a l l g r i d s a n d s t a n d a l o n e p h o t o v o l t a i c s y s t e ms J J o u rna l o f P o w e r S o u r c e s 2 0 0 4 1 2 7 9 8 1 0 4 1 2 KU NI S C H H J KR AME R K G DO MI NI K H B a k e r y e n e r g y s t o r a g e a n o t h e r o p t i o n for l o a d e q u e n c y c o n t r o l a n d i n s t a n t a n e o u s r e s e r v e J I E E E T r a n s o n E n e r g y C o n v e r s i o n 1 9 8 6 l 3 4 1 4 6 1 3 A NDE R S O N M D C AR R D S B a k e r y e n e r gy s t o r a g e t e c h n o l o g i e s J P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E 1 9 9 3 8 1 3 4 7 5 4 7 9 1 4 赵平 张华民 衣宝廉 等 我国液流储能电池研究概况 J 电 池工业 2 0 0 5 1 0 2 9 6 9 9 1 5 吕正中 胡嵩麟 武增华 等 全钒氧化还原液流储能电堆 J 电源技术 2 0 0 7 3 1 4 3 1 8 3 2 1 1 6 崔艳华 孟凡明 钒 电池储能系统的发展现状与应用 J 电源 技术 2 0 0 5 2 9 1 1 7 7 6 7 8 0 1