储能技术分类介绍及其应用

储能技术分类介绍及其应用第一章储能技术分类介绍1.1储能技术的定义储能技术是指使能量转化为在自然条件下比较稳定的存在形态，再通过介质或者设备把能量存储起来以备在需要时利用的技术。1.2储能技术分类储能技术作为未来推动新能源产业发展的前瞻性技术，目前已发展出十数种技术类型。储能技术按照储存介质进行分类，可以分为机械类储能、电气类储能、电化学类储能、相变储能和化学类储能五大类型。图1.2-1储能技术分类示意图1.2.1机械类储能机械储能是电能与机械能之间的相互转换。机械储能寿命一般较长，容量较大。目前机械储能技术主要包括：抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能等。不同机械储能有着较明显的技术特性上的差别。抽水蓄能1、技术原理抽水储能是在电力系统中应用最为广泛的一种储能技术，其配备上、下游两个水库，负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电。抽水蓄能电站根据上水库有无天然径流汇入，分为纯抽水蓄能电站、混合抽水蓄能电站和调水式抽水蓄能电站。图1.2-2抽水蓄能电站原理示意图2、技术特点和应用（1）储能容量大。抽水储能电站特别适合大容量开发，装机规模可以达到1000MW以上，目前世界最大的抽水蓄能电站为我国的丰宁蓄能电站，完全建成后总装机容量将达到3600MW。抽水储能的抽水或者放水发电的时间可以从几小时到几天不等，储能总规模远大于其他所有储能设备，是目前世界上规模最大的电力系统储能技术，主要用于电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。（2）技术成熟可靠。抽水蓄能电站发展历史悠久，在世界各国得到广泛的发展应用，技术成熟可靠。我国抽水蓄能电站虽起步晚，但由于常规水电开发技术基础雄厚，起点较高，蓄能电站发展较迅速，同时规划建设有序，建设水平目前已居世界先进水平。（3）循环次数多，使用寿命长。抽水储能电站一般使用年限在50年及以上，其蓄水坝体使用年限可达100年。抽水蓄能在抽水或者放水过程中，只受到相关设备机械性能的限制，因此其充放电循环次数可以达到无限次。（4）能量转换效率较高。抽水储能储存能量时靠水泵抽水，释放电能时靠水推动水轮机发电，受电气设备损耗以及外部输电线路损耗的限制、水库蒸发等因素的影响，其能量转换效率在70%～85%左右。（5）经济指标好。抽水蓄能电站单位千瓦投资较低，一般在3000～6000元，经济指标优越，是目前最经济的储能技术。（6）建设周期较长，对场地条件有要求。抽水储能电站的建设周期一般为3～5年，电站选址对地质、地形条件及水环境等有要求。抽水蓄能电站是国内外电力系统中应用最为广泛的储能电站，它具有两大特性：一是它既能是电源，又能是负荷，它的填谷作用是其他任何大型发电站所没有的，详见下表；二是启动迅速，运行灵活、可靠，对负荷的急剧变化可以快速反应，除调峰填谷外，还适合承担调频、调相、紧急事故备用、黑启动和系统备用容量等。与其它电源联合运行时，可提高系统中火电站和核电站等的效率。表1.2-1各类大型电站运行特性一览表3、国内外发展现状和趋势抽水蓄能技术是世界各国目前普遍采用的电力系统大规模储能技术，也是迄今最经济、高效的一种储能技术。目前，抽水蓄能机组在一个国家总装机容量中所占比重的世界平均水平为3%左右。根据相关统计，截止到2017年底，全球已投运储能项目累计装机规模为175.4GW，其中抽水蓄能占比达96%。具体到中国市场，截至2017年底中国已投运储能项目累计装机规模为28.9GW，其中抽水蓄能占比接近99%。美国和西欧经济发达国家抽水储能装机容量占世界抽水蓄能电站总装机容量的55%以上，抽水蓄能电站资源已开发殆尽。上述各国国内抽水蓄能电站装机容量比例较高，如美国抽水蓄能电站占国内总装机的比例约占3%，日本抽水蓄能电站占国内总装机的比例为10%左右，法国抽水蓄能电站占国内总装机的比例为13%，德国为11.2%。近年国外投入运行的八个大型抽水蓄能电站的情况如下表所示。表1.2-2国外投入运行的八大抽水蓄能电站我国抽水蓄能电站的建设虽起步较晚，但起点却较高，且建设资源优越，如十三陵抽水蓄能电站、天荒坪抽水蓄能电站等均为世界知名抽水蓄能电站，近年建设的多座大型抽水蓄能电站技术已处于世界先进水平，如张河湾、西龙池、呼和浩特抽水蓄能电站等。至2013年底，我国抽水蓄能电站装机近2200万千瓦。我国“十二五规划”抽水蓄能电站装机为2800万千瓦，“十三五规划”为7000万千瓦。目前，我国有多座大型抽水蓄能电站处于规划设计阶段或建设阶段，如文登、敦化、丰宁等抽水蓄能电站，保持了一定的项目储备量，我国抽水蓄能电站正在稳步有序发展。图1.2-3国内大中型抽水蓄能电站分布图抽水蓄能发展趋势为机组向高水头、高转速、大容量方向发展，重点对振动、空蚀、变形、止水和磁特性方面研究，着眼于运行的可靠性和稳定性，在水头变幅不大和供电质量要求较高的情况下使用连续调速机组，实现智能自动化频率控制。压缩空气储能1、技术原理压缩空气储能是在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在典型压力7.5MPa的高压密封设施（如报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井）内，在电网负荷高峰期释放压缩的空气推动汽轮机发电。压缩空气储能根据过程形式的不同主要分为先进绝热压缩空气储能、非冷却压缩空气储能、传统压缩空气储能、封闭式液气压缩空气储能和开放式循环液气压缩空气储能。图1.2-4燃气补热压缩空气储能原理示意图图1.2-5压缩空气储能电站结构示意图图1.2-6压缩空气储能分类示意图2、技术特点和应用（1）可无限次充放电循环、使用寿命长。压缩空气储能充放电循环的限制只与空气压缩机和汽轮机的机械性能有关，没有循环次数的限制。其使用年限在20年以上。（2）响应速度慢，能量转换效率低。压缩空气储能充放电需要设备压缩或者释放空气推动汽轮机发电，其响应时间受到空气压缩或者释放时间的限制，无法快速响应，一般需要数秒的响应时间。另外压缩空气储能在存储和释放电能的过程中，需要以压缩空气作为中间物质，经过多重能量转换，能量转换效率不高，大型压缩空气储能技术能量转换效率在70%左右。（3）设备规模较大，要求较大的放置空间。大型压缩空气储能在建设中需要建造一个巨大的储存压缩气体的空间，储气空间一般在洞穴、海底、或者地底建造。3、国内外发展现状和趋势目前，压缩空气储能发电已有成熟的运行经验，最早投运的机组已安全运行30多年。目前已有两座大规模压缩空气储能电站投入了商业运行，分别位于德国和美国。一座是1978年投入商业运行的德国Huntorf电站，二座是1991年投入商业运行的美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站。目前除德、美、日、瑞士外，俄、法、意、卢森堡、南非、以色列和韩国等也在积极开发压缩空气储能电站。我国对压缩空气储能系统的研究开发开始比较晚，大多集中在理论和小型实验层面，目前还没有投入商业运行的压缩空气储能电站。中科院工程热物理研究所正在建设1.5MW先进压缩空气储能示范系统。据悉，江苏金坛利用地下盐穴建设的首座50MW/200MWh非补燃型压缩空气储能电站，作为国家压缩空气储能试验示范工程正在建设中。压缩空气储能技术的主要发展趋势包括带储热的压缩空气储能技术、液态空气储能、超临界空气储能技术、与燃气蒸汽联合循环的压缩空气储能技术、与可再生能源耦合的压缩空气储能技术等。随着风能和太阳能可再生能源的迅速发展，压缩空气储能和可再生能源的耦合系统成为研究方向，通过压缩空气储能将间歇式可再生能源“拼接”并稳定输出，提高大规模可再生能源利用效率。尤其是，和大规模风电场配套建设，风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转，减少中间与电能的转换损耗，提升系统能量利用效率。和大规模光热电站配套建设，通过带储热的压缩空气储能系统，可以将热能存储在储热装置中，在需要时加热压缩空气，驱动透平发电。同时，随着分布式能量系统的发展以及减小储气库容积和提高储气压力至10～14MPa的需要，8～12MW微型压缩空气蓄能系统（micro-CAES）逐渐成为人们关注的热点。飞轮储能1、技术原理飞轮蓄能利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机械能储存起来，在需要时飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。图1.2-7飞轮储能原理示意图2、技术特点和应用飞轮储能功率密度大于5kW/kg，效率在90%以上，工况环境适应性好，-20℃～50℃下都能正常工作。飞轮系统运行于真空度较高的环境中，其特点是没有摩擦损耗、风阻小、寿命长（长达20年）、无噪音、无污染，几乎不需要维护，适用于不间断电源(UPS)/应急电源(EPS)、电网调频和电能质量保障。飞轮储能的主要缺点在于其空载下的能量损失大，每小时超过2.5%。尽管飞轮储能理论能量密度高达200～400Wh/kg，但是在实际应用过程中，限于材料的因素，安全稳定运行的飞轮的储能密度通常不高于100Wh/kg，放电时间较短。此外，保证系统安全性方面的费用很高。3、国内外发展现状和趋势从技术研发的角度看，一方面将飞轮国产化以降低成本是大势所趋，另一方面寻求新型飞轮材料以提升能量密度或者降低成本是飞轮储能应用推广的关键。近年来，一些新技术和新材料的应用，使飞轮储能技术取得了突破性进展，例如：磁悬浮技术、真空技术、高性能永磁技术和高温超导技术的发展，极大地降低了机械轴承摩擦与风阻损耗；高强度纤维复合材料的应用，飞轮允许线速度大幅提高，大大增加了单位质量的动能储量；电力电子技术的飞速发展，使飞轮储存的能量交换更为灵活高效。随着磁悬浮技术、复合材料技术和电力电子转换技术取得突破性进展，飞轮储能作为一种新的储能方式得到了各国的普遍关注，并且已经成功应用于许多领域。美国、德国、日本等发达国家对\o"飞轮储能技术研究"飞轮储能技术的开发和应用比较多。日本已经制造出在世界上容量最大的变频调速飞轮蓄能\o"发电发展趋势预测分析"发电系统。美国罗特尼克在国内积极参与储能示范站的建设，推广其飞轮储能系统在国内智能电网、微电网、新\o"能源发展趋势预测分析"能源、轨道交通等领域的应用。同时，罗特尼克还将在国内建立一个在未来几年内具备5000台左右产能的生产基地，以实现飞轮储能系统的大规模产业化。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导\o"磁悬浮轴承市场前景分析预测"磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。与国外相比，我国的飞轮储能技术还相对落后，但是近期在关键技术方面有所突破，部分大学和研究机构完成了集成装置研究。2016年6月盾石磁能科技GTR飞轮储能系统跻身国家863计划项目，得到国家科技部门认可，将在微电网电能质量调节领域发挥重要作用。2016年7月18日，中石化中原\o"石油未来发展趋势"石油工程有限公司与清华大学联合研制的我国首台MW级飞轮储能新型能源钻机混合动力系统达到国际技术标准。可以说现在我国的飞轮储能技术，已经处于从实验室研究向企业转化的过程中，未来仍需长足的发展。1.2.2电气类储能电气类储能又称为电磁储能，是利用电容器或超导体线圈等电力器件将电能进行电荷或者磁场能量储存的技术。由于电气类储能不需要进行能量形式转换，较其他储能技术具有响应快、效率高的天然优势。电气类储能主要包含超级电容器储能和超导磁储能。超级电容器储能1、技术原理超级电容器储能根据电化学双电层理论，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，形成双电荷层，构成双电层电容。由于电荷层间距极小并采用特殊电极结构，电极表面积成万倍增加，产生极大的电容量。图1.2-8超级电容器储能原理示意图2、技术特点和应用超级电容器是技术比较成熟的电磁储能技术，目前应用也较为广泛，其主要有以下一些技术特点：（1）响应速度较快，能够瞬间释放功率电能。超级电容器在充放电循环过程中，放电过程仅是极板间电荷的释放，可以在瞬间释放大量电荷，因此超级电容器一般应用在功率型储能领域。（2）充放电循环寿命长。超级电容器在充放电过程中，不会像电化学电池那样，电池原件损耗或者发生副反应限制充放电循环次数，其充放电过程完全属于电荷运动的物理过程，其循环寿命在50万次以上（一些超级电容器产品能达到100万次的循环寿命）。（3）单体容量小，功率密度高，成组应用时需要保证充放电一致性。超级电容器极板间产生的电场能够存储的电荷有限，因此超级电容器的单体容量较小。超级电容器能量密度在4Wh/kg左右，功率密度能够达到1200W/kg以上。实际应用时超级电容器一般需要通过串并联组成模组使用，以满足电压和容量的需求。超级电容器成组应用时，如果出现电流或者电压不一致，会使超级电容器的使用寿命造成较大的衰减；且很容易发生过充电或者过放电，导致超级电容器温度会急剧升高，存在安全隐患，通过配置电池管理系统保证其充放电一致性。超级电容器在使用和控制中，其典型充电曲线如下图所示。图1.2-9超级电容器充电特性曲线超级电容器在充电初始阶段，电压快速上升，随后电压变化相对平缓，在充电末阶段，电压又再次快速上升。在充电初始以及最后阶段，超级电容器的电压有明显的波动。上图中三条曲线为不同电流下超级电容器的充电特性，可以看出充电电流越大，超级电容器满充时间越短，并对充电效果几乎没有影响。超级电容器技术成熟并已经有大规模的商业化生产，主要用于军工领域、特种车辆和船舶等大型机械的辅助或动力电源以及太阳能或风电系统的储能电源等。3、国内外发展现状和趋势世界上许多国家积极开展超级电容相关的研究开发工作，美国、俄罗斯、日本、韩国等国均已有较为成熟的厂商。目前，国外企业处于领先地位，占据着全球大部分市场，其中领导厂商为美国的MAXWELL。Maxwell科技在创新型高性价比储能和输电解决方案的开发和制造领域居全球领先地位。它的产品在中国超容混合动力客车的保有量已超过一万辆。我国研制超级电容器起步较晚，与国外先进水平还有一定的差距。技术相对落后，中国市场的超级电容器绝大部分依赖进口。国内从事超级电容器研发的厂家50多家，能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有10多家。国内厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司等十多家。超级电容的研究方向包括复合电极材料和电解液材料技术、提高超级电容的能量密度和功率密度等。超级电容器已经历了三代发展，形成电容量0.5～1000F、工作电压12～400V、最大放电流400～2000A系列产品，储能系统最大储能量达到30MJ。基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极的第四代产品正在开发中。超导磁储能1、技术原理超导磁储能是将进入超导体制成的线圈的电能转换为磁场能量进行储存的一种储能技术。超导储能系统是由超导材料制成并放在低温容器中的线圈、功率调节系统（PCS）和低温制冷系统等组成，能量以超导线圈中循环流动的直流电流方式储存在磁场中。正常运行时，将电网中多余的电能通过整流向超导电感充电，然后保持恒流运行(由于采用超导线圈储能，所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去，直到需要释放时为止)。当需要用电时，可从超导电感提取能量，经逆变器转换为交流，并输出可灵活调节的有功或无功，从而保障电网的瞬态电压稳定和有功平衡。图1.2-10超导磁储能原理示意图2、技术特点和应用（1）响应时间短，能够瞬间释放大功率的电能。超导磁储能具有快速响应能力，其响应时间在1～5ms左右。超导磁储能的反应原理与电化学电池不同，磁场在释放电荷时不会受到类似电化学储能的充放电倍率限制，可以瞬间释放大功率电能。（2）循环次数多，能量转换效率高。超导磁储能充放电仅仅是磁场释放电荷的过程，不会出现内部材料的损耗，因此其循环次数在10万次左右；超导磁储能由于线圈采用超导材料，在电能储存和释放的时候几乎没有损耗，因此能量转换效率在95%左右。（3）技术不够成熟，应用不广泛。超导磁储能的核心技术是超导线圈，这也是该储能技术的发展瓶颈之一，由于超导材料以及相关技术成熟度还不够高，超导材料价格非常昂贵；另外超导磁储能技术为了保持线圈的超导性能，需要保持低温工作环境，这样需要额外的降温设备，额外增加相应的成本。因此超导磁储能技术门槛比较高，目前在国内仅处在试验研究阶段。超导磁储能不仅可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡，还可以调节无功功率和有功功率，对于改善供电品质和提高电网的动态稳定性有巨大的作用。3、国内外发展现状和趋势超导磁储能的研究方向将集中在如何降低成本、优化高温超导线材的工艺和性能、开拓新的变流器技术和控制策略、降低超导储能线圈交流存耗和提高储能线圈稳定性、加强失超保护等几方面。高温超导材料的不断发展，极大推动了超导磁储能的发展，许多国家采用高温超导材料进行超导磁储能系统的研究实验，包括日本和韩国，得出结论：高温超导材料会极大降低超导磁储能的成本，并提高性能。可以预见，高温超导材料的不断发展成熟，将会降低整个超导磁储能系统的价格，极大地简化冷却手段和运行条件，提高其性能和寿命。超导磁储能技术将加速发展，并可望成为主要电力基础应用装备之一。高温超导体发现之前以及之后的很长时间，研究都主要集中与低温超导磁储能。美国、日本、法国、韩国和中国等国家先后开发出示范系统，1～5MJ/MW低温超导磁储能装置已形成产品，100MJ装置已投入高压输电网运行，5GWh装置已通过可行性分析和技术论证。目前超导磁储能的发展重点在于高温超导涂层导体研发适于液氮温区运行的MJ级系统，解决高场磁体绕组力学支撑问题等。近年来，有代表性的高温超导磁储能项目如下表所示。表1.2-3近年来代表性的高温超导磁储能项目1.2.3电化学类储能电化学类储能是通过各类化学电池将电能储存的方式，主要包括各种二次电池，有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等，这些电池多数技术上比较成熟，近年来成为关注的重点，并且还获得许多实际应用。铅酸电池1、技术原理铅酸电池是由铅和二氧化铅做正负极活性物质，硫酸水溶液为电解液的二次电池。铅酸电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电势。经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：PbO2+2H2SO4+Pb--->PbSO4+2H2O+PbSO4(放电反应)PbSO4+2H2O+PbSO4--->PbO2+2H2SO4+Pb(充电反应)图1.2-11铅酸电池原理示意图2、技术特点和应用（1）技术成熟，电池材料来源较为广泛，成本较低。（2）循环次数少，使用寿命短。铅酸电池电解液采用酸性溶液，对设备本身的腐蚀较为严重，另外在应用过程中，铅酸电池充放电过程中会发生副反应，降低了化学反应效率，因此铅酸电池循环寿命（满充满放）通常在1000次以下，铅酸电池的电极和电解液损耗也较大，实际使用年限一般为3～5年。（3）对环境有一定污染。铅酸电池在使用过程中，酸性电解液挥发会排放出酸性刺鼻气体；电池在使用一段时间后，酸性电解液容易发生泄漏，这些对环境都有一定污染。图1.2-12铅酸电池充放电特性曲线铅酸电池会有放电截止电压和充电截止电压的限制，即放电时不能低于某个电压值，充电时不能高于某个电压值，否则电池将会出现故障或者寿命受到很大影响。图中是铅酸电池恒压限流充电特性曲线，该铅酸电池充电截止电压为2.35V，电池的充电过程一般分为预充电、恒流充电、恒压充电以及浮充阶段。电池进入浮充阶段以后，由于电池存在的自放电现象，电压会有一定的下降。铅酸电池作为发展时间较长的电化学电池，目前广泛应用于汽车、摩托车、通信、新能源、交通、电力等众多领域。按照应用领域划分，我国的铅酸蓄电池主要可分为备用电源电池、储能电池、起动电池和动力电池四大类。图1.2-13铅酸电池应用分类3、国内外发展现状和趋势从全球铅酸蓄电池产能规模来看，中国是生产大国，产量占全球的比重达到45％左右，其次是美国，产量占比约为32％，日本位居第三，占比接近13％，此外还有德国等。全世界铅酸蓄电池销售额位居前列的生产企业主要有美国瑞奥特集团、EXIDE集团（含德国阳光公司）、日本汤浅公司、西恩迪公司和日本松下公司等。提高比容量和比功率、提高循环寿命以及提供快速充电能力一直是铅酸蓄电池的研发趋势。目前，铅酸蓄电池行业主要向新材料、新结构和综合技术等方向发展。新材料电池包括陶瓷隔板电池和泡沫石墨铅酸蓄电池，其中陶瓷隔板电池的隔膜材料有新突破，循环寿命长、充放电效率高；泡沫石墨铅酸蓄电池采用泡沫石墨代替铅板栅，在板栅材料方面有新突破，相对原板栅用铅量减少70%。新结构电池包括双极性铅酸蓄电池和双极耳卷绕式电池，其中双极性铅酸蓄电池可减少用铅量50%、寿命延长、容量提高；双极耳卷绕式电池能量密度高、高低温性能好、超高倍率放电。锂离子电池1、技术原理锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。图1.2-14锂离子电池原理示意图2、技术特点和应用在电化学电池中，锂离子电池储能性能较好，目前在各个领域的应用广泛。锂电池主要具有以下一些技术特点：（1）使用寿命长、循环次数高。锂离子电池电解液不是酸性溶液，其内部材料不易腐蚀，因此使用寿命较长，一般在10年左右。锂离子电池采用化学性质更强的材料作为电极和电解液，因此其满充满放循环寿命在2000～3000次左右，一些特殊材料的锂电池循环次数可以达到8000次。（2）能量密度高、转换效率高。锂离子电池电解液为非水性电解液，其化学性质比较稳定且化学反应效率较高，因此其能量密度为100Wh/kg，其功率密度可以到1000W/kg；锂电池在充放电过程中没有副反应，减少了电池自放电损耗，因此能量转换效率一般在95%左右。（3）价格相对较高。锂离子电池目前因受到电极材料、电池隔膜材料技术的限制，价格远高于铅酸电池，略高于镍氢电池。锂离子电池的隔膜材料采用聚合物材料，而国内生产这种材料的厂家屈指可数，大量需要国外进口，这就造成了锂离子电池价格很高，也是限制锂离子电池技术发展以及大规模应用的瓶颈；另外锂离子电池在成组后，对充放电一致性要求很高，需要配置较好的BMS系统，也相应增加锂离子电池使用成本。（4）有的锂离子电池存在安全隐患。锂离子电池采用非水性电解液，在电池内部发生短路温度急剧上升时，由于非水性电解液吸热效果不好，因此会造成锂离子电池内部温度过高，可能发生燃烧和爆炸。所以在实际工程建设中，对锂电池的设计应考虑防火、防爆要求。锂离子电池自放电损耗小、能量转换效率较高，相比较其他电化学电池，在性能方面都有较大的提高。锂离子电池的典型充放电特性曲线如下图所示。图1.2-14锂离子电池充放电特性曲线锂离子电池是电池中比能量最高的实用型电池，有多种材料可用于它的正极和负极（钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池、钛酸锂锂离子电池等）。锂离子电池不含有毒有害物质，也被称为绿色电池。锂离子电池目前主要应用在电动工具、家用电器、照明灯具、通讯设备以及电动汽车等方面。3、国内发展现状和趋势近几年，全球锂离子电池出货量实现快速增长，2010-2015年复合增长率达32.81%。从全球范围来看，除去抽水蓄能后，锂离子电池的项目数占比和装机容量占比最大，是增长幅度最快的电化学储能技术。图1.2-15各储能类型项目数占比图1.2-16各电化学储能类型装机容量占比从各国别来看，由于锂离子电池是由日本企业第一个推向市场，在过去很长一段时间内，日本一直是最大的锂离子电池产业聚集地；在20世纪最后几年，韩国和中国开始涉足锂离子电池产业，并在近几年快速崛起，其中，凭借国内智能手机及新能源汽车市场的爆发，中国超越了日本和韩国，成为全球最大的锂离子电池出货国。2015年，中国锂离子电池出货量为35.30GWh，占全球的39.64%，2010-2015年复合增长率达53.08%，是全球锂离子电池市场增长的主要驱动力。图1.2-172010-2015年全国锂离子电池出货量情况（GWh）锂离子电池技术发展很快，近年来，大规模生产和多场合应用使其价格急速下降，因而在电力系统中的应用也越来越多。锂离子电池技术仍然在不断地开发中，目前的研究集中在进一步提高它的使用寿命和安全性，降低成本、以及新的正、负极材料的开发上。钠硫电池1、技术原理钠硫电池是一种以液态的钠为负极，液态的硫为阳极，陶瓷材料的贝塔铝管为电解质隔膜的二次电池。电池运行时，温度保持在300℃以上，使电极处于熔融状态，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生可逆反应，形成能量的是否和储存。图1.2-18钠硫电池原理示意图2、技术特点和应用钠硫电池最大的特点就是改变了常规电化学电池采用固体电极液态电解质的结构，采用熔融状的电极材料和固态的电解质。正因为这种特殊的结构，钠硫电池具有以下一些技术特点：（1）能量密度高、转换效率高。由于钠硫电池中β—Al2O3同时充当电解质和隔膜，它只对钠离子进行传导，所以钠硫电池充放电过程中没有副反应。因此钠硫电池能量转换效率很高，钠硫电池没有自放电现象，能量转换效率接近100%，其理论能量密度高达760Wh/kg。（2）使用寿命长，循环次数多。钠硫电池在使用过程中不会产生腐蚀性物质，不会对设备本体有腐蚀，一般的使用寿命为15年；钠硫电池采用熔融状的电极和固体电解质，化学反应效率很高，电池的循环次数可以达到2500次甚至更高。（3）价格比较昂贵。目前世界上只有日本的NGK公司较为成熟掌握了钠硫电池生产技术，存在对钠硫电池的技术垄断，因此钠硫电池目前价格为2000美元/kW左右。不过随着技术的进步以及材料价格的下降，钠硫电池的价格将会大幅下降。（4）对工作环境要求苛刻。钠硫电池工作时在300℃才能启动，因此保温措施要求很高，需要额外配备温控装置。另外如果钠硫电池出现短路故障其温度还会更高（2000℃左右），存在一定的安全隐患。因此要保证钠硫电池运行，需要提高电池隔膜的可靠性，保证电池的正负极能有效隔离。目前钠硫电池已成功应用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出和提高电能质量等方面。3、技术发展现状和趋势目前在日本、德国、法国、美国等地已建有200多台钠硫电池储能电站在运行，涉及工业、商业、交通、电力等行业。目前国内在钠硫电池技术上还处于研发和示范应用阶段，还不具备商业化生产运营的能力。国内目前主要是中国科学院上海硅酸盐研究所在进行钠硫电池的研究，2010年世博会期间启动了百千瓦级城网储能钠硫电池示范电站。钠硫电池在国内目前只是在技术研究定型阶段，后期也仅做一些示范工程。而目前国内在钠硫电池研究和生产领域遇到了一些技术瓶颈，相关技术还在研发之中。钠硫电池具有高的比功率和比能量、低原材料成本、温度稳定性以及无自放电等方面的优势，是重要的储能技术之一，但是钠硫电池仍然需要进一步降低成本，提高电池系统的安全性，因此降低电池运行温度的中温平板式和常温钠硫电池为研究方向之一。液流电池1、技术原理在液流电池中，能量储存在溶解于液态电解质的电活性物种中，而液态电解质储存在电池外部的罐中，用泵将储存在罐中的电解质打入电池堆栈，并通过电极和薄膜，将电能转化为化学能，或将化学能转化为电能。图1.2-19液流电池原理示意图2、技术特点和应用液流电池采用正负极电解液单独循环的特殊结构，能够提高化学反应效率，因此其在储能方面有较好的特性，具有以下技术特点：（1）能量效率高、使用寿命长、循环次数高。液流电池便于规模化应用，能够储存和释放的电能容量较大。液流电池能量转换效率可以达到96%以上，能量密度为92Wh/kg，循环次数为13000次左右。液流电池的使用寿命在20年左右。（2）使用过程中便于实现模块化配置。液流电池电极和电解液是单独的结构，并且正负极电解液都有独立的循环，因此液流电池可以比较容易的实现模块化。在使用过程中，根据不同的容量和功率的需要，可以方便的修改配置不同的液流电池模块。（3）技术成熟度不高，受技术瓶颈限制。液流电池目前技术成熟度不高，其电极、电解液以及隔膜材料技术都存在技术瓶颈，造成其价格比较昂贵，相关的应用也不广泛。（4）体积较大，占据较大的放置空间。由于液流电池特殊的结构，整个液流电池系统体积比较庞大，除了电池以外还有其他附属的设备，在实际应用中需要专门安排一个较大的空间放置。图1.2-19液流电池典型充放电曲线从以上充放电曲线可以看出，该液流电池在充电时以额定电流50A恒流充电至限压电压64V，然后转为恒压充电；放电时以额定电流50A放电至截止电压40V。液流电池可以广泛地应用于电力储能方面。但是由于其技术成熟度不高，技术瓶颈较多、价格较贵。3、国内外发展现状和趋势液流电池在我国投入市场使用时间不长，在国内相关技术还不够成熟，国外对液流电池技术的掌握程度较高。液流电池在我国有了一定规模的生产，但其实际应用并不广泛。液流电池有多个体系，其中全钒氧化还原液流电池最受关注。这种电池技术最早为澳大利亚新南威尔士大学发明，后技术转让给加拿大的VRB公司。在2010年以后被中国的普能公司收购，中国的普能公司的产品在国内外一些试点工程项目中获得了应用。电池的功率和能量是不相关的，储存的能量取决于储存罐的大小，因而可以储存长达数小时至数天的能量，容量也可达MW级，适合于应用在电力系统中。虽然目前液流电池相关研究已取得较大进展，但其真正实现大规模应用还需在一些关键技术方面取得进一步突破，比如高性能低成本专用离子交换膜、高稳定性高活性专用电极材料及电极制备等，这样才能降低成本、形成批量生产的能力。1.2.4相变储能相变储能是利用相变材料在物态变化时，吸收或放出大量潜热而实现。它可以利用电热蓄能（冷和热）来实现对电力系统的削峰填谷，也可用于新能源、工业余热利用、新型家用电热电器的开发等。在风能、太阳能等间歇性新能源的应用方面，储能技术也可发挥重要的作用。相变储能技术同时对提高我国能源的利用效率可起到作用。相变材料主要包括无机PCM、有机PCM。其中，无机类PCM主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类PCM主要包括石蜡、醋酸和其他有机物。相变蓄能包括蓄冷和蓄热技术。蓄冷蓄热技术是电力需求侧最优秀的蓄能技术之一。蓄冷技术中最常用的是冰蓄冷技术，蓄热技术中主要介绍光热发电技术等。冰蓄冷1、技术原理蓄冷技术中最常用的是冰蓄冷技术。冰蓄冷技术，主要是指在电力负荷低谷时段，采用电动制冷机组制冷，利用相变材料的潜热（显热）以冰（低温水）的形式将冷量贮存起来，在用电高峰时段将其释放，以满足建筑物的空调或生产工艺需冷量，从而实现电网移峰填谷的目的。图1.2-20冰蓄冷系统原理示意图2、技术特点和应用冰蓄冷技术之所以得到各国政府和工程技术公司的重视，是因为它不仅是平衡电网负荷的一种有效手段，而且对常规空调的空气品质、稳定性及运行经济性也有促进作用。冰蓄冷技术的突出优点在于：（1）削峰填谷，提高电力设备使用效率，降低用电费用。充分利用电网低谷电力和可再生能源发电，将制冷机组的用电时间由负荷高峰期转移至低谷期，对城市电网有明显“削峰填谷”作用，能从整体上提高发输电设备的使用效率。在实施分时电价的区域，使冰蓄冷空调充分、合理地利用负荷低谷期的低价电力，与常规中央空调相比，可以节省大笔电费开支。（2）降低设备投资，提供用电设备利用率，提高设备热效率。冰蓄冷空调系统具有储存冷量的能力，无需按照峰值负荷配置制冷机组，大大降低了制冷机组的装机容量和冷却塔、冷却水泵配管等辅助设备的安装规模，节省投资和建设费用。与普通空调相比，冰蓄冷空调系统制冷机组满负荷运行的比例增大，提高了制冷设备的利用率和运行效率，使制冷机组保持稳定的工作状态，延长使用寿命。另外，冰蓄冷空调在夜间低温时段制冰、白天高温时段释冷，热效率更高。（3）优化供冷质量。冰蓄冷空调的启动时间短、制冷速度快，比普通空调相比，室内空气的湿度低、空气质量好。冰蓄冷作为一种能源存储方式，结构简单、方便安装，相比于其他储能材料，冰作为蓄冷介质优势非常明显，在负荷周期长、夏季日负荷高的夏热冬暖地区应用经济性效益显著。另外，在商业建筑中，由于空调系统的能耗占到建筑总能耗的40%～50%，国内部分大城市的高峰用电中空调用电达30%以上，并且空调系统的运行机制具有昼行夜停的特点，因此也具备应用冰蓄冷系统的先天条件。使用相变蓄冷空调，不仅达到了“移峰填谷”，平衡电网负荷的目的，同时也减少了空调装机容量和相应的配套设施，节省了运行费用。3、国内外发展现状和趋势美国在20世纪30年代开始应用冰蓄冷空调系统，其后停顿了较长时间，80年代初，世界性能源危机后，冰蓄冷技术在美国重新受到重视，并得以广泛应用。1983年，美国能源部首次提出与冰蓄冷相结合的低温送风系统。1985年末，两座安装了冰蓄冷空调的建筑在美国投入运行。此后采用冰蓄冷与低温送风的空调建筑物不断增加。近年来，冰蓄冷设备和控制策略得到快速发展，在美国、日本、加拿大、英国等国得到大幅推广和应用。目前，冰蓄冷技术的研究开发主要集中在以下几个方向：（1）建立区域性蓄冷空调供冷站。目前，日本、法国等国家都在大力推行智能城市建设，建立区域性蓄冷空调供冷站，不仅有利于区域能源管理系统统一调配电力消耗，增强区域能源利用效率，而且与单个供冷机组相比，还能够节约大量初始投资和运行费用。（2）建立与冰蓄冷相结合的低温送风空调系统。所谓低温送风，即空调系统的送风温度为4~10℃，大大低于常温空调系统12~16℃的送风温度。将低温送风技术和冰蓄冷技术相结合，可进一步减少空调系统的运行费用，降低一次性投资，提高空调品质，改善储冷空调系统的整体效能。（3）开发新型蓄冷、蓄热介质。目前水仍然是冰蓄冷技术最常用的介质，为了进一步提高热效率，有必要开发固液相变潜热更大、无毒无腐蚀性的新型蓄冷介质和保温效果更好、使用寿命更长的蓄冰材料。光热发电储热1、技术原理光热发电属于蓄热技术中的一种。蓄热技术，是指在电网低谷时段运行电加热设备，对存放在蓄热罐中的蓄热介质进行加热，将电能转换成热能储存起来，在用电高峰期将其释放，以满足建筑物采暖或生活热水需热量，从而实现电网移峰填谷的目的。太阳能光热发电的原理是，通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置，利用太阳能加热收集装置内的传热介质（液体或气体），再加热水形成蒸汽带动或者直接带动发电机发电，太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电，从而达到储能的目的。依照聚焦方式及结构的不同，光热技术可以分为塔式、槽式、碟式、菲涅尔式四种。图1.2-21光热发电系统原理示意图2、技术特点和应用近年来，太阳能光热发电成为新能源利用的一个重要方向，光热发电再一次在全世界范围引起高度关注，光热发电技术也不断得到发展和更新。光热发电主要技术特点有：（1）大规模、长寿命、廉价的蓄能技术是光热电站具备竞争优势的核心所在，光热发电具备稳定、时间长等优点。通过规模化储热实现连续发电，且储热的技术成熟、成本低，已有电站实现24小时连续发电。（2）转换效率相对较高。太阳能光伏发电的光电转换率大约在15％～18％，光伏电站的年效率通常在10%～15%。而光热发电的组件光热转化效率已经大于70%，一般的工业热应用中对于太阳能的总利用率大于65%，光热电站年效率通常在15%～20%。（3）环保。光热项目使用的原材料主要是钢材和平面玻璃，不会像光伏发电应用硅电池板会形成二次污染。因而是真正的清洁能源。（4）发电成本相对较低。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。光热发电产业链是传统产业的升级和优化，对下游产业链拉动巨大，比如钢铁、玻璃、高端装备制造、化工产品与工程、电力产品与工程、物流等。光热发电可应用于电力供应、常规电站联合循环及工业供热等方面。3、国内外发展现状和趋势目前，全球范围内已经掀起了新的光热投资和建设热潮，光热发电总装机规模持续上升。根据国际可再生能源署的统计数据，全球太阳能光热发电装载机容量已经达到了4652兆瓦，其中美国、西班牙处于行业领跑地位，超过全球总量的80%，印度、南非、阿联酋等国家相对靠前。虽然中国目前在运行的装机容量很低，但是由于光热发电兼具环保性、稳定性等特点，中国已经意识到其巨大的发展潜力，在建装载机容量达到300兆瓦，处于全球第二位，其他主要在建工程集中在非洲、印度、智利等地区和国家，西班牙、美国在建工程较少，全球范围内整个产业呈现出蓬勃发展的局面。光热发电作为新兴的可再生能源技术，近年来已经成为新能源发展的热点领域。我国非常重视光热发电技术与产业的发展，并将其作为未来替代能源的重要组成部分。早在2007年国家发改委发布的《可再生能源中长期发展规划》中，就把太阳能热发电明确列为重点和优先发展方向。2016年，国家开始加大对太阳能光热发电行业的支持力度。《电力发展“十三五规划”（2016-2020年）》规划建成太阳能光热发电项目500万千瓦，预计市场规模达到1500亿元。大规模、长寿命、廉价的蓄能技术是光热电站具备竞争优势的核心所在。太阳能热发电技术在国际上已经成熟，但中国还需要追赶和学习。我国的光热发电还有待于掌握核心技术形成自主知识产权，并形成完整的产业链，以便向产业化、规模化方向发展。1.2.5化学类储能化学类储能是利用氢或合成天然气作为二次能源的载体，利用多余的电制氢，可以直接用氢作为能量的载体，也可以将其与二氧化碳反应成为合成天然气(甲烷)，因为氢或者甲烷作为能量载体可储存的能量很大，可达TWh级，而且储存的时间也很长，氢或者合成天然气除了可用于发电外，还有其他利用方式如交通等。德国热衷于推动此项技术，并有示范项目投入运行。化学类储能的缺点是它的全周期效率较低，制氢效率仅40%，合成天然气的效率不到35%。氢储能1、技术原理利用过剩的电能制氢，通过电解水，将水分解为氢气和氧气，从而获得氢。以后可直接用氢作为能量的载体，再将氢与二氧化碳反应成为合成天然气(甲烷)，以合成天然气作为另一种二次能量载体。图1.2-22氢储能系统原理示意图2、技术特点及应用（1）容量规模大。采用这两种物质作能量载体的好处是储存的能量很大，可达TWh级。（2）储存时间长。储存的时间长达几个月。（3）能量密度高，运行维护成本低，环境友好。（4）多种利用方式。另外氢和合成天然气除了可用于发电外，还可有其他利用方式，如交通、冶金等工业领域进行直接利用。（5）效率低。制氢效率只有70%左右，而制合成天然气的效率60-65%,从发电到用电的全周期效率更低，只有30%-40%

以天然气为燃料的热电联产或冷、热、电联产系统已成为分布式发电和微电网的重要组成部分，在智能配电网中发挥着重要的作用，氢和合成天然气为分布式发电提供了充足的燃料。3、国内外发展现状和趋势目前欧、美、日等都制定了氢能发展战略和详细的计划，并在迅速而有步骤地推进，已经取得了积极成果。欧盟目前的通过发展Power-to-Gas(P2G)技术路线，即把可再生能源以氢气或甲烷等方式进行大规模储存，来促进可再生能源大力发展。在氢储能系统示范应用方面，我国刚刚开展相关建设，在氢储能系统关键技术环节的氢燃料电池和加氢站方面有示范工程建设，主要用于示范新能源汽车和分布式电源。国家电网公司也开展了相关项目的立项和研究，如国网上海市电力公司于2009年承担了“风光电结合海水制氢技术前期研究”项目，对风电、光电制氢提出了多种应用方案，并以东海风电场为例，开展了风、光电制氢的综合效益评价；国网智能电网研究院也于2014年10月启动了“氢储能关键技术及其在新能源接入中的应用研究”，初步具备氢储能系统试验能力。氢储能技术可与可再生能源发展进行结合，有效解决“弃风弃光”问题。目前，氢储能技术还应在高压水电解、高效制氢、低成本储氢等关键技术进行深入研究。第二章储能技术发展现状及趋势2.1储能技术发展现状2.1.1国内发展现状2.1.2国外发展现状

2.2储能技术发展趋势其他认为可增加的内容

第三章储能电池市场现状3.1国内现状3.2国外现状

其他认为可增加的内容

第四章储能电池项目投资情况第二章储能电池在微电网上应用5.1储能对微电网的作用5.1.1提供短时供电微电网存在两种典型的运行模式：并网运行模式和孤岛运行模式。在正常情况下，微电网与常规配电网并网运行；当检测到电网故障或发生电能质量事件时，微电网将及时与电网断开独立运行。微电网在这两种模式的转换中，往往会有一定的功率缺额，在系统中安装一定的储能装置储存能量，就能保证在这两种模式转换下的平稳过渡，保证系统的稳定。在新能源发电中，由于外界条件的变化，会导致经常没有电能输出（光伏发电的夜间、风力发电无风等），这时就需要储能系统向系统中的用户持续供电。5.1.2电力调峰由于微电网中的微源主要由分布式电源组成，其负荷量不可能始终保持不变，并随着天气的变化等情况发生波动。另外一般微电网的规模较小，系统的自我调节能力较差，电网及负荷的波动就会对微电网的稳定运行造成十分严重的影响。为了调节系统中的峰值负荷，就必须使用调峰电厂来解决，但是现阶段主要运行的调峰电厂，运行昂贵，实现困难。储能系统可以有效地解决这个问题，它可以在负荷低落时储存电源的多余电能，而在负荷高峰时回馈给微电网以调节功率需求。储能系统作为微电网必要的能量缓冲环节，其