第一讲-储能技术与节能与新能源产业.ppt

2011-03月,全国信息专业技术人才知识更新工程培训蓄电池储能电源系统,第一讲,储能技术与节能与新能源产业,1、概述储能技术与节能与新能源产业,储能设备特指能够将电能储存起来，在需要的时候，再提供给用电设备的装置。,储能技术特指通过机械的、电磁的、电化学电等方法，将能量存储起来，在需要的时候，再通过机械的、电磁的、电化学的方法转变为电能，为用电设备提供电能的技术。,储能设备，在能源、交通、通讯、工业、军工等国民经济各领域，具有广泛的应用。,储能技术是涉及国民经济各领域的共性关键技术；,储能设备随用途不同，功能要求、技术要求、功率和能量大小、能量密度等方面存在很大区别。最小的储能装置仅几毫瓦，最大的储能系统可达吉瓦级。简单的蓄电池储能装置仅由一只电池组成，最复杂的蓄电池储能系统可达由几万几十万只蓄电池电池组成。,图1-2按存储技术储能技术的分类,图1-1储能设备分类（按用途和功率）,表11不同用途对能量和功率的要求,1.1、机械储能机械储能指电能通过转换为机械能的形态储存起来，在需要时，可再由机械能转换为电能为用电设备提供电能。抽水储能电站、飞轮储能、压缩空气储能、压缩弹簧储能等都属于机械储能技术。,1.1.1抽水储能电站（吉瓦级）抽水储能电站由高度不同的两个储水库、电动抽水设备、水轮发电设备、输变电设备及辅助设备组成。当需要储能时，利用电动抽水设备将下方水库的水抽到上方水库储存起来，实现将电能转换为机械能实现储能的过程。当需要释放电能时，将上方水库的水通过水轮发电设备排泻到下方水库，通过驱动水轮发电设备发电，实现从机械能转变为电能的过程。,抽水储能可以实现从几小时到几天的储能，储能效率在70%85%之间。储能量仅与水库容量和落差有关，可提供最大能量和最长时间的储能。抽水储能电站技术成熟，已经得到广泛应用，一般工业国家抽水储能电站可达总装机容量的10%左右。主要用于移峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、备用容量和黑启动等。,抽水储能的缺点是：1、只能建在符合条件的山区，距主要用电高峰的人口稠密的平原地区和城区距离远，输变电成本高。2、响应速度慢，不适用于需要快速启动的应用。,1.1.2飞轮储能飞轮储能是利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转换为机械能存储起来，需要时，由高速旋转的飞轮带动发电机发电，实现机械轮转换为电能。,飞轮储能主要用于不间断电源、电网调峰和调频等，只能用于蓄电池储能的补充设备。其优点是储能效率高达90%，使用寿命长，绿色无污染，可连续运行，使用维护简单。缺点是，能量密度低，在小功率场合性价比差。,1.1.3压缩空气储能压缩控制储能（compressedairenergystorage，CAES）是一种类似于燃气轮发电设备。需要储能时，采用电动空气压缩设备，将空气缩到大型储气设备中实现储能。需要释放能量时，利用压缩空气驱动气轮发电机组发电，实现机械能与电能的转换。,美国在2009年将压缩空气储能列为未来十大技术。德国在亨托夫建了一个290MW空气储能试验发电设备。美国电力研究协会（EPRI）建有220MW压缩空气试验站。压缩空气储能技术尚处于研究阶段，其经济性和实用性仍有待研究。,1.2电磁储能电磁储能主要有超导储能、电感储能、电容储能和超级电容储能。,1.2.1电感储能电感储能，是用线圈将流过线圈的电能通过磁能储存起来，能量传递不需要能量形态的转换，具有响应速度极快，能量转换效率高、比容量大的显著优点，在电力电子设备中有广泛应用。,1.2.2超导储能超导储能（SMES），是利用超导体制成的线圈储能。其储能原理与电感储能完全相同，比电磁储能损耗更小，效率更高，功率和能量密度更高。可以实现与电力系统大容量快速能量交换和功率补偿；可以很好满足输配电网的功率补偿、频率调整、提高系统稳定性、电压支撑和提高功率输送能力的要求。,超导储能已经在美国、日本和欧洲一些国家的电力部门得到初步应用，在维持电网稳定、提高输电能力和电能质量方面的作用已经得到初步体现。,1.2.3电容储能电容器是根据电化学双电层理论制成的储能产品。充电时，处于理想极化状态的电极表面电荷，将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，构成双电层电容，利于提供强大的脉冲功率。储能电容器种类繁多，在电力电子设备中应用十分广泛。,1.2.4超级电容储能超级电容器是根据电化学双电层理论研制成的电容家族中一种新型储能产品，仍遵循电化学双电层储能理论。与电容器比，具有更大的功率密度和能量密度。,超级电容在微功率电子设备中已经广泛采用替代蓄电池。在电力系统中，可用于提供短时大功率的峰功率和短时大功率负载平滑，抑制短时脉冲功率等，如大功率直流电机的启动功率补偿、瞬态电压恢复、抑制瞬态电压跌落和瞬态骚扰等。,1.3电化学储能,电化学储能具有悠久的历史，在能源、交通、通讯、国防等国民经济各领域都有广泛的应用。目前已经发展出包括铅系蓄电池、镍系蓄电池、锂系蓄电池、液流电池、钠硫电池、锌空气电池等众多产品。,1.3.1铅蓄电池铅蓄电池应用历史最悠久，早期应用最广泛。其缺点是功率密度和能量密度低，使用寿命短、存在严重的酸液污染和铅污染。储能效率一般只有60%80%。普通富液铅蓄电池，若采用两阶段恒流充电方法，后期充电效率不到10%。,1.3.2阀控铅蓄电池阀控铅蓄电池虽然仍同属于铅酸体系蓄电池,但已是一种结构和工作原理与铅蓄电池有显著区别的新型铅酸体系蓄电池。,阀控铅蓄电池的特点是：采用氧循环技术；采用贫液技术；实现了阀控密封结构。,阀控铅蓄电池与铅蓄电池比：大幅度降低了酸污染；提高了储能效率；实现了少维护；使用寿命大幅度延长。,铅已被列入六种有害物质限制范围。从节能和减排的角度考虑，铅蓄电池和阀控铅蓄电池将逐步被绿色高效新型蓄电池替代。最终退出市场将是必然趋势。但在较长时期内，仍将是常规储能应用蓄电池的主力产品。,1.3.3镉镍蓄电池,镉镍蓄电池也是具有悠久发展史的蓄电池，曾经得到广泛应用。由于电压低、能量密度低、有记忆效应、有腐碱液污染和严重的重金属污染，当前应用已经推出大多应用领域。随高性能绿色电池的发展，完全退出市场已是必然趋势。,1.3.4金属氢化物-镍蓄电池,金属氢化物-镍蓄电池是镍系家族中一种高性能绿色新型蓄电池。,金属氢化物-镍蓄电池：能量密度比铅蓄电池提高一倍左右；重量只有铅蓄电池一半左右；功率密度高；使用寿命长；技术和产业得到快速发展，是镉镍蓄电池的替代产品。,由于金属氢化物-镍蓄电池：仍有电压低；能量密度只有锂离子蓄电池的一半左右；当放电电压高于1.10V时，仍有明显的记忆效应；,原材料价格持续走高，使制造成本不断上升等原因，在锂离子蓄电池技术和产业快速发展背景下，大多应用被锂离子蓄电池替代，其应用和产业发展已经表现出持续下降的态势。,在高功率应用领域，与锂离子蓄电池比，当前仍具有明显优势。随高功率锂离子蓄电池技术的成熟和产业快速发展，也将逐步被替代。,1.3.5锂离子蓄电池,锂离子蓄电池与其它电化学电池工作原理完全不同上的新型蓄电池，其显著优势是：绿色无污染；高性能；长寿命；高效率；已成为新型蓄电池发展的趋势。,依据正极材料不同，锂离子蓄电池可分为多种体系。当前技术比较成熟的是：锰酸锂蓄电池；磷酸亚铁锂蓄电池；钴酸锂蓄电池等。钛酸锂蓄电池由于具有“零应变”特性，当前受到广泛关注。,当前，锂离子蓄电池的能量密度是阀控铅蓄电池的34倍;比金属氢化物-镍蓄电池高一倍以上;使用寿命是铅蓄电池的46倍。,虽然当前的制造成本仍高于阀控铅蓄电池；但从全生生命周期内经济性考虑，锂离子蓄电池已经显著优于阀控铅蓄电池和金属氢化物-镍蓄电池。,锂离子蓄电池可分为：能量型、功率型、高动率型。,能量型锂离子蓄电池，对功率要求相对比较低，一般最大放电电流等于或小于12I3。,高功率型锂离子蓄电池，一般最大放电电流应超过60I390I3，主要用于对比功率要求高的，如混合动力汽车等。,功率型锂离子蓄电池：放电电流比能量型蓄电池大，但小于高功率型电池。主要用于如Plug-INHEV等。,我国大容量锰酸锂和磷酸亚铁锂蓄电池产业发展已经处于国际领先地位。从技术性能和经济性方面考虑，大容量能量型单体蓄电池已经基本具备了规模化推广应用和产业化的条件。,由于锂离子蓄电池成组应用技术、系统集成技术和产品研究仍不能满足使用要求；锂离子蓄电池成组后，安全性大幅下降，使用寿命大幅缩短，甚至存在发生蓄电池燃烧、爆炸等恶性事故的危险。,成组应用技术已经成为制约锂离子蓄电池及相关产业发展的技术瓶颈。之后章节将重点讨论锂离子蓄电池成组技术和成组应用技术。,1.3.6钠硫电池,钠硫电池第一个发明专利是美国福特公司于1967年公布的。钠硫电池是以钠作为阳极，硫作为阴极,Beta氧化钼陶瓷为隔膜和电解质双重作用制成的电池。,其特点是：比能量高，重量轻；功率密度高，可大电流放电；使用寿命可达到1015年；理论比能量高达760Wh/kg；没有自放电现象；可以完全放电。,日本在2002年已经形成商品化，2007年产量已经超过100MW，技术已经基本成熟。,我国在钠硫电池研究方面也取得了初步进展；国家电网公司从2008年开始与中科院上海硅酸盐研究所合作，到2009年底，在百千瓦级储能设备研究方面取得了初步进展。,我国在钠硫电池研究方面也取得初步进展，有望未来在大功率电力储能设备领域得到应用。,在我国，当前仍处于发展初期，一些重大技术问题还需要研究和试验，规模化推广应用和产业化的条件仍不成熟。,1.3.7液流电池,液流电池（electrochemicalflowcell）：是一种结构与传统蓄电池完全不同的电化学储能装置。其特点是以各自单独循环的电解液为正极和负极。,按正极和负极使用的电解液不同，分为全钒液流电池、钒溴液流电池、多硫化钠/溴液流电池等多个体系。,液流电池的特点是:额定功率与容量没有关系，容量大小仅与作为正极和负极的电解液储存量的多少及电解液的浓度有关。可以通过增加电解液的储存量和提高电解液的浓度，增加电池的容量，为制造超大容量电池提供了条件。液流电池具有电化学极化小，可100%深度放电、储存寿命长的特点。,液流电池研究在国内外已有二十几年的研究历史。我国早在八五期间，北京大学在地矿部门的支持下，开始了全钒电池的研究，并取得了重要进展。,上世纪90年代，英国Innogy即研制成功多硫化钠/溴液流储能装置，并在UPS和电站调峰方面进行了试验；日本也进行了250kW和520kW全钒液流电池储能装置的试验运行。,随风能发电和光伏发电产业的快速发展，液流电池也重新被重视，欧、美、日都开展了与之配套的全钒电池储能装置的研究。,中科院大化所在100kW级全钒电池储能装置研究方面，已经取得实质进展。北京普能通过购买加拿大VRBPower的技术专利，也参与到全钒液流电池研发队伍。,从总体上看，液流电池仍处于研究阶段；诸多重大技术问题还有待研究；规模化推广应用和产业化的条件仍不成熟。,蓄电池技术和产业发展的基本现状,1.3.8电化学储能技术的发展趋势,铅系蓄电池在一定时期内仍将是非新能源领域储能蓄电池的主流产品。,钠硫电池、液流电池和锂离子蓄电池，是当前新型储能蓄电池技术和产业发展的热点。,从性能、技术成熟度和适用范围考虑，锂离子蓄电池在当前产业方面明显处于优势地位。锂离子蓄电池是当前最距商业化推广应用和产业化条件的新型蓄电池。,虽然锂离子等新型蓄电池关键技术和产业化已经取得重大进展。但成组应用技术和系统集成技术仍不能满足使用要求。成组后，安全性大幅下降，使用寿命大幅缩短，甚致发生蓄电池燃烧、爆炸等恶性事故。严重制约了锂离子蓄电池产业发展。也是节能与新能源汽车等低碳产业发展的技术瓶颈。,加快锂离子等新型蓄电池成组应用技术和系统集成关键技术研究，是当前迫切需要解决的重大课题。,下面讨论的重点是：根据能源、交通、通讯、风能和光伏发电、智能电网、节能与新能源汽车等具体要求，依据锂离子蓄电池总成通用要求等7项行业基础标准，以阀控铅蓄电池、锂离子蓄电池成组应用技术、系统集成技术和产品研究为重点，系统介绍蓄电池储能电源系统的组成、接口和通讯协议。,2蓄电池成组应用技术研究的目的、内容和目标,蓄电池与其它产品一样，只有在符合要求的环境和条件下运行，才能展现其应有的性能。,包括阀控铅蓄电池和锂离子蓄电池等新型蓄电池发展历程都还较短。对锂离子等新型蓄电池一些关键技术和认识，还需要一个过程。,1970年研制成功阀控铅蓄电池以来，有力促进了充电设备和放电设备的技术发展；充电技术、放电技术研究也取得了一些进展；,由于缺乏对阀控铅蓄电池成组技术和成组应用技术研究，适应阀控铅蓄电池特点的充电技术和放电技术研究，一直没有突破“基于端电压”的控制方法。现有“基于端电压”的成组应用技术，仍不能满足阀控铅蓄电池要求的。,新型蓄电池包括；锰酸锂蓄电池；磷酸亚铁锂蓄电池；金属氢化物-镍蓄电池；阀控铅蓄电池；钠硫电池；液流电池等。,当前，以下问题是可以基本达成共识的：(1)适用于现有铅蓄电池的充放电方法、维护管理技术和设备，是不适应锂离子等新型蓄电池的。,(2)单体锂离子蓄电池的性能已经基本能够满足设计要求。即是安全性相对最差的钴酸锂电池，也成功应用于手机等电子设备，就是有力证据。,(3)锂离子蓄电池成组后，安全性大幅下降，使用寿命大幅缩短，甚至发生电池燃烧、爆炸等严重事故。成组应用技术仍是制约其产业发展的技术瓶颈,下面将重点讨论：蓄电池应用技术；蓄电池成组应用技术、系统集成技术蓄电池储能电源系统。,蓄电池使用寿命缩短的主要原因,蓄电池使用寿命缩短的原因十分复杂，主要的有以下两个方面的原因：,第一是，蓄电池容量提前下降到最低允许值后，蓄电池寿命即终止。,引起蓄电池容量衰退的因素主要有：（1）活性物质晶型改变；（2）表面积收缩；（3）活性物质膨胀、脱落；（4）骨架或基板腐蚀等；（5）有记忆效应的蓄电池，没有实现完全充放电循环；,（6）工作于氧循环状态的阀控蓄电池，当过充电时不能实现完全氧循环时，内部压力将可能超过开阀压力，导致密封阀频繁开启而加速失水，造成电解质减少，容量下降。,(7)过充电、过放电和过大的充放电电流，造成嵌锂离子的空隙坍塌，导致不可逆容量丧失。,第二是，由于内部短路使寿命终止，主要原因有：（1）由于隔膜物质降解老化而穿孔造成内部短路；（2）因活性物质脱落沉淀聚集，造成正负极板通过活性物质沉淀物短路；,（3）正负极板变形，使正负极板连接造成短路；（4）不正常充电和放电导致产生枝晶刺穿隔膜引起短路。（5）制造工艺不正常或安装不正常，电池受过度,蓄电池的技术性能和技术指标，必须在最佳环境和技术条件下才能实现。若不能满足其需求的环境和技术条件，蓄电池性能即会发生很大改变，甚至造成蓄电池加速衰变。,造成蓄电池寿命提前终结问题的主要原因，主要是使用环境和技术条件没有满足蓄电池的基本要求所致,不同的蓄电池，应用环境和技术要求也不同。对铅系蓄电池性能影响最大的是环境温度和电池温度。温度过高或过低，使用寿命都将大幅减小。,表2-2温度对铅蓄电池寿命的影响,导致蓄电池寿命提前终结的另一个主要原因是：蓄电池过充、过放和过流。,蓄电池应用时，一般需要采用多只单体蓄电池串联和并联组成电压更高，功率更大，能量更大的蓄电池组。串联和并联组成的蓄电池组运行环境与单体蓄电池有很大不同。,由108只锰酸锂蓄电池串联组成的蓄电池组电压状态,由于蓄电池性能的差异（即不均衡），对于蓄电池组，难以实现所有蓄电池在充电过程中电压不会超过最高允许值、放电过程中电压不会低于最低允许值、电流不会超过最大允许值，温度不会超过最高允许值。,为蓄电池组所有单体蓄电池提供最优工作环境条件和技术条件，是维护蓄电池正常性能和使用寿命不缩短必要条件。,因为锂离子蓄电池成组和成组应用技术仍不能满足需求，成组锂离子蓄电池不仅安全性下降和使用寿命缩短，而且频繁发生电池燃烧或爆炸等恶性事故，引起了业界对其成组技术和成组应用技术深切关注。,对同样会造成性能衰变，使用寿命缩短，但发生电池燃烧或爆炸可能性相对较小的阀控铅蓄电池的成组技术和成组应用技术则重视不够，甚至完全忽视。,基于端电压的充电控制方法的充电方法（恒压充电、恒压限流、自动、智能充电方法）和充电设备，不能适应阀控铅蓄电池的要求。,本来使用寿命应更长的新型蓄电池，使用寿命大幅度缩短，已经被认为是正常的了。,图2-1不同体系蓄电池的充电特性曲线（a）铅蓄电池；（b）碱性蓄电池；（c）锂离子蓄电池,铅蓄电池的充电特性如图2-1（a）。充电开始阶段，由于极化的原因（建立充电必须的超电势），蓄电池电压快速上升；之后，电压的上升主要是电极反应会使电压继续缓慢上升。当充电电量超过70%以后，由于极化加剧，电压开始快速上升。随后将基本进入一个稳定值，电压基本不再上升。,碱性蓄电池的充电特性蓄电池如图2-1（b），与铅蓄电池充电特性曲线不同的是，充电后期，电极反应剩余的充电电流产生的热效应，使蓄电池温度快速上升。当充电达到100%后，若继续充电，蓄电池电压将快速下降，即“-V”特性。,若不能及时减小充电电流或停止充电，将随蓄电池电压的下降，充电电流大幅上升，造成温度集聚升高的恶性循环，即产生热失控。,锂离子蓄电池的充电特性如图2-1（c）与前面两类蓄电池不同，将充电终结后，若继续充电，电压将持续上升。,值得注意的是：阀控铅蓄电池，虽然同属于铅酸体系蓄电池，但其充电特性曲线业属于图2-1（c）。了解这个问题，对研究阀控铅蓄电池成组应用技术致关重要。,上述三类蓄电池的充电特性曲线完全不同，对充电方法和充电设备的要求也完全不同。,蓄电池成组应用技术就是根据蓄电池的不同特性及对充电和放电的基本要求，研究适应不同蓄电池组的充电方法、放电方法和维护管理方法及设备，为蓄电池组的运行，构建一个适宜的技环境。,2.2蓄电池成组应用技术研究的方法,主要讨论成组应用技术研究的基本目的、主要任务、和基本目标,蓄电池应用技术：能够使蓄电池处于最优性能的技术要求、环境要求和相关设备要求。蓄电池成组应用技术；蓄电池成组应用时，使组成蓄电池组的所有蓄电池都能够符合蓄电池应用技术要求的技术措施。,当前，锂离子蓄电池的安全性、使用寿命、功率密度、能量密度都表现得很优良，但成组后，安全性即大幅下降，使用寿命大幅缩短，甚至发生燃烧、爆炸等恶性事故。,其主要原因是，蓄电池成组后，在充放电过程中，部分蓄电池过充电、过放电、过电流，或温度超过允许范围造成的。,过高的环境温度除外，只要不发生过充电，过放电和过电流问题，蓄电池的温度一般是不会超过允许范围的。下面将主要讨论防止发生过充电、过放电和过电流问题。,图22是,由428只100AH锰酸锂蓄电池串联并联组成的城市电动公交电动汽车蓄电池组电压状况：,电池组端电压：440.8V；平均单体电池电压：4.12V；最高单体电池电压：4.18V；最低单体电池电压：4.02V。,其中超过平均电压的电池为37%，这部分蓄电池在充电过存在不同程度的过充电。其中4只电池（约4%）超过最高允许值，这部分电池属于严重过充电的电池。低于平均电压的电池约48%，这部分电池在放电过程中属于过放电。其中6只电池（占6%）低于最低允许值，这部分电池在放电过程中属于严重过放电。只有15%左右的电池为平均（额定）电压。,图2-3非正常蓄电池组充电时的状态,图23是一个由440只100AH锰酸锂蓄串并联组成的电动汽车用蓄电池组装车后初次充电的状况。当充电电流为28A时，蓄电池组端电压为431.2V。距额定充电电压（4.20V110)