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628 收稿日期 2008 10 12 作者简介 王金良 1955 男 江苏省人 高级工程师 主要研究 方向为化学电源 Biography WANG Jin liang 1955 male senior engineer 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 215006 2 中国电池工业协会技术服务委员会 江苏 苏州 215006 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 TM 61文献标识码 A文章编号 1002 087 X 2009 07 0628 05 Wind energy photovoltaic generation and energy storage WANG Jin liang1 2 1 Institute of Electrochemical Power Sources of Suzhou University Suzhou Jiangsu 215006 China 2 Technical and Service Committee of China Battery Industry Association Suzhou Jiangsu 215006 China Abstract It s significant that developing the renewable energy to meet the energy demands reducing environmental pollution and accelerating the sustainable economic development The global progresses of power generation industry with wind energy and solar energy were summarized in this paper The status market distribution and development goal of wind energy and solar energy in China were analyzed in detail Energy storage is an important part of power generation systems in wind energy and solar energy The technical demands of energy storage power sources were represented At present energy storage with secondary batteries was the most mature and credible ways The rapid development of power generation industry with wind energy and solar energy would bring new markets and opportunities for energy storage batteries and technique The development of new type of storage power sources and techniques would be the research hotspots in the field of battery industries in the future Key words renewable energy wind energy generation solar energy generation energy storage power sources energy storage technique 上世纪末 世界一次能源的大致构成比例见表 1 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 使其变得日益紧缺 化石燃料资源的储采比较见表 2 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 综述 2009 7Vol 33 No 7 629 来 全球风力发电平均以超过 50 的速度高速增长 全球风电 装机容量的增长见图 1 2007 年主要国家风电装机容量见图 2 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 2007 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 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 2020 年 全球风能发电将占世界总发电量的 12 发电总量将达到 3 万亿 kWh 根据中国 可再生能源中长期规划 2010 年全国风电 装机容量规划为 500 万 kW 形成江苏 河北 内蒙 3 个 100 万 kW 级风电基地 2020 年 全国风电装机容量将达 3 000 万 kW 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 200 万 kW 以上的风电大省 建成 100 万 kW 海上风电项目 2007 年我国风电装机容量实际已达 590 万 kW 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 40 年的发展目标预测见表 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 kW 加上近岸海域可利用风能 资源 7 5 亿 kW 共计超过 10 亿 kW 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 kWh 虽然距火力 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 35 左 综述 2009 7Vol 33 No 7 630 右 据有关方面预测 今后数年仍将以 30 以上的速度增长 2010年全球市场将发展到 23 GW 但太阳能发电占总能源的 比例仅 0 1 左右 2030 年将增加到 1 以上 全球光伏产量及预测见图 4 近几年主要国家和地区的 太阳电池产量见表 7 和图 5 2006 2007 年全球太阳电池市 场分布见图 6 7 中国光伏产业发展虽然落后于发达国家 10 15 年 但近 年来 在德国 日本等市场急剧增长的背景下 出现了跨越式 发展 平均每年以翻番的速度高速增长 2007 年 中国大陆光 伏产量已达 1 088 MW 约占全球总产量的 27 产业规模超 过整个欧洲国家跃居世界第一 近几年的增长见图 8 中国已有 10 家光伏企业在海外上市 1 家在国内上市 太阳电池是电池行业上市公司最多的产业 目前全国太阳电 池产业投资仍呈强劲增长势头 已有近 50 家上马多晶硅生产 线 规模超过 10 万吨 投资超过 1 000 亿元 其中在 2007 2010 年投产的规模已超过 4 万吨 投资约 400 亿元 据现有 的投资规模测算 2010 年中国太阳电池产能将超过 4 500 MW 但值得关注的是 我国太阳电池 95 以上出口 国内使用 量很小 2007 年中国消费市场仅占全球总量的 0 71 20 多 MW 累计安装 200 多 MW 绿色能源 的使用量仅占生产 量的 1 40 太阳电池使用 绿色环保 无可争议 但其主要原 综述 2009 7Vol 33 No 7 631 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 725 kWh kW 光伏组件 平均 为 1 275 kWh 而中国高达 3 275 5 450 kWh 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 60 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 kWh 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 小型光伏电站 BIPV 根据 国家可再生能源十一五发展规划 到 2010 年 我 国太阳能发电装机容量将达到 300 MW 其中大型光伏电站 并网 为 50 MW 城市屋顶计划为 50 MW 边远地区独立电 网或独立系统 离网 150 MW 太阳能热发电 50 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 7 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 10 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 储氢 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 家示范性应用 我国目前尚处于研究开发阶段 11 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 10 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 17 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 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 AGM 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 AGM 工业电池 包含少量工业胶体电池 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 8 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 2010 年国内太阳能装机容量将超过 30 万 kW 风 力发电将超过 1 000 万 kW 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 300 多万户 无电户 至少 50 需通过光伏 风能 风光互补来解决 总装机 容量超过 300 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 100 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 综述 2009 7Vol 33 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 kW 时 储能电池的容量须大 于 1 kWh 7 18 以太阳电池储能为例 如果用电器功耗为 1 kWh 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 kWh 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 kW 100 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 100 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 2010 年 中国光伏和风力发电配套的储能蓄电池市场将达 1 000万 kWh 左右 加上电信 UPS 等使用的储能电池 总量应在 2 000 万 kWh 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 19 21 其他新型蓄电池 蓄电池 超级电容器混合 电 电混合 储能系统 22 24 超电 池 储能技术 电池 超级电容器内部混合系统 8 液流电池 技术 11 16 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 EB OL 2005 11 10 06 html 2 刘峰 采取措施将绿色能源留在国内 N 消费时报 2008 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 2007 1 56 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 2006 05 16 5 国家发改委 可再生能源中长期发展规划 EB OL 2007 08 3745145 pdf 6 郗选金 太阳能电源的应用及发展前景 J 通信电源技术 2007 24 6 96 97 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 2008 13 1 50 54 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 2007 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 2006 50 15 54 58 10 郑立国 白树华 可再生能源独立系统简介 J 农村电气化 2007 11 50 11 JOERISSEN L GARCHE J FABJAN C et al Possible use of vana dium redox flow batteries for energy storage in small grids and stand alone photovoltaic systems J Journal of Power Sources 2004 127 98 104 12 KUNISCH H J KRAMER K G DOMINI K H Battery energy storage another option for load frequency control and instanta neous reserve J IEEE Trans on Energy Conversion 1986 1 3 41 46 13 ANDERSON M D CARR D S Battery energy storage technolo gies J Proceedings of the IEEE 1993 81 3 475 479 14 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 2005 10 2 96 99 15 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 2007 31 4 31