大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

□北京普能世紀(jì)科技有限公司俞振華

　　普能公司成立于2006年，專注于新型大容量?jī)?chǔ)能產(chǎn)品———全釩液流氧化還原釩電池（VanadiumRedoxBattery，簡(jiǎn)稱為釩電池）的技術(shù)研發(fā)與商業(yè)化應(yīng)用，面向全球市場(chǎng)以安全優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)能產(chǎn)品與解決方案來(lái)提高電力質(zhì)量、突破可再生能源應(yīng)用技術(shù)瓶頸、提升能源使用效率。目前，普能公司擁有全球釩電池領(lǐng)域核心發(fā)明專利的50%以上,共擁有核心專利15項(xiàng)，覆蓋全球24個(gè)國(guó)家和地區(qū)，并已經(jīng)成功突破釩電池技術(shù)的成本瓶頸。

　　近幾十年來(lái)，儲(chǔ)能技術(shù)的研究和發(fā)展一直受到各國(guó)能源、交通、電力、電訊等部門的重視。儲(chǔ)能技術(shù)已被視為電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中“采—發(fā)—輸—配—用—儲(chǔ)”六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。電力系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，不僅更有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，還可以促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用，也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。

　　國(guó)際儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢(shì)

　　目前電能儲(chǔ)存的形式可分為四類:物理儲(chǔ)能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）、電化學(xué)儲(chǔ)能（如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級(jí)電容器等）、電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等）和相變儲(chǔ)能（如冰蓄冷等）。

　　抽水儲(chǔ)能

　　抽水儲(chǔ)能技術(shù)在電力負(fù)荷低谷期將水從下池水庫(kù)抽到上池水庫(kù)，將電能轉(zhuǎn)化成重力勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放上池水庫(kù)中的水發(fā)電。抽水儲(chǔ)能的釋放時(shí)間可以從幾個(gè)小時(shí)到幾天，綜合效率在70%～85%之間，主要用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等。抽水蓄能電站的建設(shè)受地形制約，當(dāng)電站距離用電區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí)輸電損耗較大。目前，世界范圍內(nèi)抽水蓄能電站總裝機(jī)容量9000萬(wàn)千瓦，約占全

　　球發(fā)電裝機(jī)容量的3％。我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)劃2020年公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域內(nèi)抽水蓄能規(guī)模將達(dá)到2692萬(wàn)千瓦。

　　壓縮空氣儲(chǔ)能

　　壓縮空氣技術(shù)在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報(bào)廢礦井、沉降的海底儲(chǔ)氣罐、山洞、過(guò)期油氣井或新建儲(chǔ)氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮的空氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)于1978年建于德國(guó)，裝機(jī)容量為290兆瓦。另一個(gè)成功案例是1991年建于美國(guó)亞拉巴馬州的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，它把壓縮空氣儲(chǔ)存在地下450米的廢鹽礦中，可以為110兆瓦的汽輪機(jī)連續(xù)提供26小時(shí)的壓縮空氣。壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)受地形制約，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)有特殊要求。目前隨著分布式電力系統(tǒng)的發(fā)展，人們對(duì)于8~12兆瓦微型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)（micro-CAES）開始關(guān)注。

　　飛輪蓄能

　　飛輪蓄能利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。飛輪系統(tǒng)運(yùn)行于真空度較高的環(huán)境中，其特點(diǎn)是沒(méi)有摩擦損耗、風(fēng)阻小、壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響，幾乎不需要維護(hù)，適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障；缺點(diǎn)是能量密度比較低，保證系統(tǒng)安全性方面的費(fèi)用很高，在小型場(chǎng)合還無(wú)法體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)，目前主要應(yīng)用于為蓄電池系統(tǒng)作補(bǔ)充。

　　鈉硫電池

　　鈉硫電池在300℃的高溫環(huán)境下工作，其正極活性物質(zhì)是液態(tài)硫（S）；負(fù)極活性物質(zhì)是液態(tài)金屬鈉（Na），中間是多孔性陶瓷隔板。鈉硫電池的主要特點(diǎn)是能量密度大（是鉛蓄電池的3倍）、充電效率高（可達(dá)到80%）、循環(huán)壽命比鉛蓄電池長(zhǎng)等；然而鈉硫電池在工作過(guò)程中需要保持高溫，有一定安全隱患。東京電力公司在鈉硫電池系統(tǒng)開發(fā)方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，2004年在Hitachi自動(dòng)化系統(tǒng)工廠安裝了當(dāng)時(shí)世界上最大的鈉硫電池系統(tǒng)，容量是9.6MW/57.6MWh。

　　液流電池

　　液流電池的活性物質(zhì)可溶解分裝在兩大儲(chǔ)存槽中，溶液流經(jīng)液流電池，在離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原與氧化反應(yīng)。此化學(xué)反應(yīng)為可逆的，因此可達(dá)到多次充放電的能力。此系統(tǒng)之儲(chǔ)能容量由儲(chǔ)存槽中的電解液容積決定，而輸出功率取決于電池的反應(yīng)面積。由于兩者可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性大而且受設(shè)置場(chǎng)地限制小。

　　液流電池已有全釩、釩溴、多硫化鈉/溴等多個(gè)體系，液流電池電化學(xué)極化小，其中全釩液流電池具有能量效率高、蓄電容量大、能夠100%深度放電、可實(shí)現(xiàn)快速充放電，且壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，全釩液流電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作，能夠有效平滑風(fēng)能發(fā)電功率。在日本運(yùn)營(yíng)的容量為4兆瓦的全釩液流電池為當(dāng)?shù)?2兆瓦的風(fēng)電場(chǎng)提供儲(chǔ)能，并已運(yùn)行27萬(wàn)次循環(huán)，世界上還沒(méi)有任何其他儲(chǔ)能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一要求。

　　鋰離子電池

　　鋰離子電池的陰極材料為鋰金屬氧化物，具有高效率、高能量密度的特點(diǎn)，并具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、

　　自放電率低、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)及無(wú)公害等優(yōu)點(diǎn)。但目前鋰離子電池在大尺寸制造方面存在一定問(wèn)題，過(guò)充控制的特殊封裝要求高，價(jià)格昂貴，所以尚不能普遍應(yīng)用。目前世界上運(yùn)行的最大鋰離子儲(chǔ)能系統(tǒng)是A123公司投資建設(shè)的，裝機(jī)容量為2兆瓦。

　　鉛酸電池

　　鉛酸蓄電池的主要特點(diǎn)是采用稀硫酸做電解液，是用二氧化鉛和絨狀鉛分別做為電池的正極和負(fù)極的一種酸性蓄電池，具有成本低、技術(shù)成熟、儲(chǔ)能容量大等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的備載容量、頻率控制，不斷電系統(tǒng)；缺點(diǎn)是儲(chǔ)存能量密度低、可充放電次數(shù)少、制造過(guò)程中存在一定污染等。日本DEDO曾經(jīng)資助鉛酸電池與光伏發(fā)電配合使用的

　　示范項(xiàng)目，鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)總儲(chǔ)能容量為4.95兆瓦。

　　鎳鎘電池

　　鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，經(jīng)濟(jì)耐用，壽命比鉛酸電池更長(zhǎng)，其內(nèi)阻很小，可實(shí)現(xiàn)快速充電，又可為負(fù)載提供大電流，而且放電時(shí)電壓變化很小，是一種比較理想的直流供電電池；缺點(diǎn)在于其記憶效應(yīng)，而且鎘材料資源短缺，價(jià)格十分昂貴。目前在阿拉斯加GoldenValley運(yùn)行的的鎳鎘儲(chǔ)能系統(tǒng)配置為4兆瓦×15分鐘。

　　超級(jí)電容器

　　超級(jí)電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電時(shí)處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。超級(jí)電容器歷經(jīng)三代及數(shù)十年的發(fā)展，已形成容量0.5～1000F、工作電壓12～400V、最大放電流400～2000A系列產(chǎn)品，儲(chǔ)能系統(tǒng)最大儲(chǔ)能量達(dá)30MJ。但超級(jí)電容器價(jià)格較為昂貴，在電力系統(tǒng)中多用于短時(shí)間、大功率的負(fù)載平滑和電能質(zhì)量峰值功率場(chǎng)合，如大功率直流電機(jī)的啟動(dòng)支撐、態(tài)電壓恢復(fù)器等，在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。

　　超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能

　　超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）利用超導(dǎo)體制成線圈儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，功率輸送時(shí)無(wú)需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快(ms級(jí))，轉(zhuǎn)換效率高（≥96%）、比容量（1-10Wh/kg）/比功率（104-105kW/kg）大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)大容量能量交換和功率補(bǔ)償。目前，世界上1-5MJ/MW低溫SMES裝置已形成產(chǎn)品，100MJSMES已投入高壓輸電網(wǎng)中實(shí)際運(yùn)行，5GWhSMES已通過(guò)可行性分析和技術(shù)論證。

　　SMES可以充分滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求。和其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能仍很昂貴，除了超導(dǎo)本身的費(fèi)用外，維持系統(tǒng)低溫導(dǎo)致維修頻率提高以及產(chǎn)生的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。目前，在世界范圍內(nèi)有許多超導(dǎo)磁儲(chǔ)能工程正在進(jìn)行或者處于研制階段。

　　全釩液流電池的發(fā)展

　　全釩液流電池發(fā)展歷史

　　早期的全釩液流電池研究主要集中在澳大利亞的新南威爾士大學(xué)。MariaSkyllas-Kazacos等提出全釩液流電池體系以后，開展了大量關(guān)于電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)性研究，所發(fā)表的單電池研究結(jié)果，構(gòu)成了全釩液流電池發(fā)展的基礎(chǔ)。1988年，UNSW提出并開始建造1kW級(jí)全釩液流電池堆。該電堆由10個(gè)單電池組成，電極面積1500cm2，能量效率可達(dá)71.9%～88%。千瓦級(jí)電堆的開發(fā)和建造成功具有重大意義，標(biāo)志著全釩液流電池開始走出實(shí)驗(yàn)室，邁向工程化研發(fā)階段。

　　全釩液流電池工程發(fā)展的第二個(gè)階段主要集中在日本。從90年代初開始，以住友電工（SEI）和Kashima-kita電力公司為首的工業(yè)企業(yè)先后開發(fā)了一系列規(guī)模不一的試驗(yàn)性電堆。逐步把全釩液流電池系統(tǒng)推向商業(yè)化試運(yùn)營(yíng)階段。目前，位于日本北海道由J-power電源開發(fā)會(huì)社為30兆瓦的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的全礬液流電池，使用最大輸出功率6兆瓦、儲(chǔ)能容量6MWh的全釩電池，成為世界上最大的全釩液流電池系統(tǒng)。

　　全釩液流電池對(duì)于提高可再生能源的可預(yù)測(cè)性、可調(diào)度性的重大作用

　　風(fēng)電和太陽(yáng)能等新能源自身的不穩(wěn)定性和間歇性是對(duì)電網(wǎng)的重大挑戰(zhàn)，新能源并網(wǎng)應(yīng)用的規(guī)模越大，電網(wǎng)就越不安全。根據(jù)國(guó)內(nèi)外風(fēng)光電站并網(wǎng)的實(shí)踐，借助儲(chǔ)能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電功率的平滑輸出，并能在電壓、頻率及相位控制上方便地進(jìn)行控制，使大規(guī)模風(fēng)電及太陽(yáng)能電力方便可靠地并入常規(guī)電網(wǎng)。從一定意義上講，儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的程度將決定新能源發(fā)展的水平。儲(chǔ)能和風(fēng)機(jī)匹配后，平滑了風(fēng)機(jī)功率輸出曲線。

　　全釩液流電池發(fā)展前景

　　由于全釩液流電池容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模蓄電，具有規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、效率高、造價(jià)低、

　　安全可靠等基本特征，并已開始步入商業(yè)化運(yùn)行，有望在風(fēng)能等可再生能源發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用，存在廣闊的市場(chǎng)空間。

　　從目前的市場(chǎng)需求與液流電池的基本特點(diǎn)考慮，全釩液流電池將主要應(yīng)

　　用在以下幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，并逐漸成為蓄電儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)之一。

　　1.風(fēng)電與光伏互補(bǔ)系統(tǒng)組成的局域電網(wǎng)，用于偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、工廠及辦公樓供電；2.通訊系統(tǒng)中作為不間斷電源和應(yīng)急電能系統(tǒng)；3.風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電力質(zhì)量調(diào)整；4.電力公司作為大規(guī)模電力儲(chǔ)存和負(fù)載調(diào)峰手段；5.國(guó)家重要部門作為大型后備電源。