1、儲能技術現狀與發展昝小舒應用電子技術專業應用電子技術專業儲能技術儲能技術儲能技術儲能技術 什么是儲能技術？什么是儲能技術？應用電子技術專業應用電子技術專業 特指通過機械的、電磁的、電化學電等特指通過機械的、電磁的、電化學電等方法，將能量方法，將能量存儲存儲起來，在需要的時候，再起來，在需要的時候，再通過機械的、電磁的、電化學的方法轉變為通過機械的、電磁的、電化學的方法轉變為電能，為用電設備電能，為用電設備提供電能提供電能的技術。的技術。 儲能技術儲能技術儲能產業是戰略性基礎產業儲能產業是戰略性基礎產業智能電網智能電網風能發電風能發電光伏發電光伏發電電動車電動車通信電源通信電源電子產品電子產品軍

2、工產品軍工產品儲能技術有什么用？儲能技術有什么用？儲能技術儲能技術功率等級功率等級能量等級能量等級設備類型設備類型用戶舉例用戶舉例1W1WMWhMWh便攜便攜儲能設備儲能設備電子表、手機電子表、手機1W1W100W100WWhWh電子設備、電動工具電子設備、電動工具500W500W500Wh500Wh移動移動儲能設備儲能設備電動自行車電動自行車10kW10kW200kW200kW2kWh2kWh200kWH200kWH節能與新能源汽車節能與新能源汽車100kW100kW500kW500kW500kWh500kWh鐵路機車、城市軌道交通車鐵路機車、城市軌道交通車1kW1kW5kWh5kWh固定固

3、定儲能設備儲能設備家用儲能設備家用儲能設備10kW10kW100kW100kW30kWh30kWh小型工業和商業設施小型工業和商業設施兆瓦兆瓦 吉瓦吉瓦MWhMWh、GWhGWh級級智能電網、風能、光伏智能電網、風能、光伏移峰填谷儲能電站移峰填谷儲能電站儲能設備分類儲能設備分類儲能技術儲能技術l 近幾十年來，儲能技術的研究和發展一直受到各國近幾十年來，儲能技術的研究和發展一直受到各國能源、交通、電力、電訊等部門的能源、交通、電力、電訊等部門的高度高度重視重視l 發展創新性儲能技術對加快發展我國新能源產業有發展創新性儲能技術對加快發展我國新能源產業有決定性意義決定性意義 儲能技術儲能技術l 儲能

4、技術分類：儲能技術分類： 機械儲能：抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能 化學儲能：鉛酸電池、鎳系電池、鋰系電池、液流電池、 鈉硫電池 電磁儲能：超導儲能、超級電容器儲能 機械機械儲能儲能l 抽水儲能抽水儲能l 壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能l 飛輪儲能飛輪儲能 機械儲能指電能通過轉換為機械能的形態儲存起機械儲能指電能通過轉換為機械能的形態儲存起來，在需要時，可再由機械能轉換為電能為用電設備來，在需要時，可再由機械能轉換為電能為用電設備提供電能。提供電能。機械機械儲能儲能抽抽水水儲儲能能機械機械儲能儲能抽抽水水儲儲能能機械機械儲能儲能抽抽水水儲儲能能發展現狀：發展現狀： 19世紀世紀90年代于意大利和瑞

5、士得到應用，據統計目年代于意大利和瑞士得到應用，據統計目前全世界共有超過前全世界共有超過90GW的抽水蓄能機組投入運行。的抽水蓄能機組投入運行。 日、美、西歐等國日、美、西歐等國20世紀世紀6070年代出現抽水蓄能年代出現抽水蓄能電站的建設高峰。其中日本是世界上機組水平最高的國電站的建設高峰。其中日本是世界上機組水平最高的國家，在技術方面引領世界潮流。家，在技術方面引領世界潮流。 我國上世紀我國上世紀90年代開始發展，有廣州抽水蓄能年代開始發展，有廣州抽水蓄能1期，期，十三陵，浙江天荒坪等抽水蓄能電站。資料統計，已裝十三陵，浙江天荒坪等抽水蓄能電站。資料統計，已裝機機5.7GW，占全國裝機容量

6、的，占全國裝機容量的1.8%。機械機械儲能儲能抽抽水水儲儲能能優點：優點： 技術上成熟可靠，容量可以做的很大，受水庫技術上成熟可靠，容量可以做的很大，受水庫庫容限制。庫容限制。缺點：缺點： 建造受地理條件限制，需合適落差的高低水庫，建造受地理條件限制，需合適落差的高低水庫，遠離負荷中心；抽水和發電中有相當數量的能量被遠離負荷中心；抽水和發電中有相當數量的能量被損失，儲能密度較差；損失，儲能密度較差； 建設周期長，投資大；建設周期長，投資大；機械機械儲能儲能壓壓縮縮空空氣氣儲儲能能 壓縮控制儲能（壓縮控制儲能（compressed air energy storage ，CAES）是一種類似于燃

7、氣輪發電設備。是一種類似于燃氣輪發電設備。需要儲能時，采用電動空氣壓縮設備，將空氣縮到需要儲能時，采用電動空氣壓縮設備，將空氣縮到大型儲氣設備中實現儲能。需要釋放能量時，利用大型儲氣設備中實現儲能。需要釋放能量時，利用壓縮空氣驅動氣輪發電機組發電，實現機械能與電壓縮空氣驅動氣輪發電機組發電，實現機械能與電能的轉換。能的轉換。機械機械儲能儲能壓壓縮縮空空氣氣儲儲能能機械機械儲能儲能壓壓縮縮空空氣氣儲儲能能 發展現狀：發展現狀： 世界上第一個商業化世界上第一個商業化CAES電站為電站為1978年在德年在德國建造，裝機容量為國建造，裝機容量為 290 MW，換能效率，換能效率77%。 美國在美國在2

8、009年將壓縮空氣儲能列為未來十大技年將壓縮空氣儲能列為未來十大技術。美國電力研究協會（術。美國電力研究協會（EPRI）建有）建有220MW壓縮壓縮空氣試驗站。空氣試驗站。 我國對壓縮空氣儲能技術尚處于初始研究階段。我國對壓縮空氣儲能技術尚處于初始研究階段。機械機械儲能儲能飛飛輪輪儲儲能能 飛輪儲能（飛輪儲能（ Flywheel Energy Storage ）將能將能量以動能形式儲存在高速旋轉的飛輪中。由高強度量以動能形式儲存在高速旋轉的飛輪中。由高強度合金和復合材料的轉子、高速軸承、雙饋電機，電合金和復合材料的轉子、高速軸承、雙饋電機，電力轉換器和真空安全罩組成。力轉換器和真空安全罩組成。

9、 電能驅動飛輪高速旋轉，電能變飛輪動能儲存，電能驅動飛輪高速旋轉，電能變飛輪動能儲存，需要時，飛輪減速，電動機做發電機運行，飛輪的需要時，飛輪減速，電動機做發電機運行，飛輪的加速和減速實現了充電和放電。加速和減速實現了充電和放電。機械機械儲能儲能飛飛輪輪儲儲能能1999 年歐洲年歐洲 Urenc Power 公司利用高強度公司利用高強度 碳纖維和玻璃碳纖維和玻璃纖維復合材料制作飛輪，轉速為纖維復合材料制作飛輪，轉速為 42 000 rad/min，2001 年年 1 月系統投入運行，充當月系統投入運行，充當UPS，儲能量達到，儲能量達到 18 MJ機械機械儲能儲能飛飛輪輪儲儲能能機械機械儲能儲

10、能飛飛輪輪儲儲能能機械機械儲能儲能飛飛輪輪儲儲能能特點：特點： 儲能密度高、充放電速度快、效率高、壽命長、無儲能密度高、充放電速度快、效率高、壽命長、無污染、應用范圍廣、適應性強等特點。污染、應用范圍廣、適應性強等特點。 目前用于調峰、風力發電，太陽能儲能、電動汽車、目前用于調峰、風力發電，太陽能儲能、電動汽車、UPS、低軌道衛星、電磁炮、魚雷。、低軌道衛星、電磁炮、魚雷。 國內相關單位：國內相關單位：清華大學工程物理系飛輪儲能實驗清華大學工程物理系飛輪儲能實驗室、華科大、華北電大、中科院電工所。室、華科大、華北電大、中科院電工所。2009年年8月月5日，國內最先進和可靠的兩臺日，國內最先進和

11、可靠的兩臺250kVA移動式飛輪發電移動式飛輪發電車落戶北京電力公司，執行供電保障和應急供電任務車落戶北京電力公司，執行供電保障和應急供電任務化學化學儲能儲能l 鉛酸電池鉛酸電池l 鎳系電池鎳系電池l 鋰系電池鋰系電池l 液流電池液流電池l 鈉硫電池鈉硫電池應用電子技術專業應用電子技術專業化學化學儲能儲能鉛酸電池鉛酸電池構成鉛蓄電池之主要成份如下：構成鉛蓄電池之主要成份如下： l 陽極板陽極板 ( 過氧化鉛過氧化鉛 .PbO2 )- 活性物質活性物質 l 陰極板陰極板 ( 海綿狀鉛海綿狀鉛 .Pb) - 活性物質活性物質l 電解液電解液 ( 稀硫酸稀硫酸 ) - 硫酸硫酸 ( H2SO4) +

12、 水水 ( H2O)l 電池外殼電池外殼 l 隔離板隔離板 l 其它其它 ( 液口栓液口栓 . 蓋子等蓋子等 ) 應用電子技術專業應用電子技術專業化學化學儲能儲能鉛酸電池鉛酸電池 原理：原理：鉛蓄電池內的陽極鉛蓄電池內的陽極 (PbO2) 及陰極及陰極 (Pb) 浸到電解液浸到電解液 ( 稀硫酸稀硫酸 ) 中，兩極間會產生中，兩極間會產生 2V 的電力。的電力。放電狀態，陰陽極及電解液即會發生如下的變化：放電狀態，陰陽極及電解液即會發生如下的變化： ( 陽極陽極 ) ( 電解液電解液 ) ( 陰極陰極 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb - PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (

13、放電反應放電反應 ) ( 過氧化鉛過氧化鉛 ) ( 硫酸硫酸 ) ( 海綿狀鉛海綿狀鉛 ) 蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應板上的活性物質產生反應 , 生成新化合物生成新化合物硫酸鉛硫酸鉛。 化學化學儲能儲能鉛酸電池鉛酸電池 充電，則陰陽極及電解液即會發生如下的變化：充電，則陰陽極及電解液即會發生如下的變化： ( 陽極陽極 ) ( 電解液電解液 ) ( 陰極陰極 ) PbSO4 + 2 H2O + PbSO4 - PbO2 + 2 H2SO4 + Pb ( 充電反應充電反應 ) ( 硫酸鉛硫酸鉛 ) ( 水水 )

14、 ( 硫酸鉛硫酸鉛 ) 由于放電時在陽極板，陰極板上所產生的硫酸鉛會在由于放電時在陽極板，陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸充電時被分解還原成硫酸 , 鉛及過氧化鉛鉛及過氧化鉛 。 充電到最后階段時，電流幾乎都用在水的電解充電到最后階段時，電流幾乎都用在水的電解 ，而陰，而陰極板就產生氫，陽極板則產生氧。極板就產生氫，陽極板則產生氧?；瘜W化學儲能儲能鉛酸電池鉛酸電池化學化學儲能儲能鉛酸電池鉛酸電池化學化學儲能儲能鉛酸電池鉛酸電池襄襄樊樊駝駝峰峰電電池池生生產產設設備備化學化學儲能儲能鉛酸電池鉛酸電池襄襄樊樊駝駝峰峰電電池池生生產產設設備備化學化學儲能儲能鉛酸電池鉛酸電池襄襄樊樊駝

15、駝峰峰電電池池生生產產設設備備化學化學儲能儲能鉛酸電池鉛酸電池優點：優點： 1 1 壽命長壽命長 2 2 價格低價格低 3 3 可以大電流放電可以大電流放電 缺點：缺點： 1 1 鉛的污染鉛的污染 2 2 能量密度低，也就是說過于笨重能量密度低，也就是說過于笨重 化學化學儲能儲能鎳系電池鎳系電池優點：優點： 1 1 良好的大電流放電特性良好的大電流放電特性 2 2 耐過充放電能力強耐過充放電能力強 3 3 維護簡單維護簡單 缺點：缺點： 1 1 鎘是有毒的，環境污染鎘是有毒的，環境污染 2 2 在充放電過程中如果處理不當，會出現在充放電過程中如果處理不當，會出現嚴重的嚴重的“記憶效應記憶效應”

16、，使得服務壽命大大縮短，使得服務壽命大大縮短 鎳鎘電池（鎳鎘電池（Ni-Cd，Nickel-Cadmiun Batteries, Ni-Cd Rechargeable Battery）是最早應用于手機、筆是最早應用于手機、筆記本電腦等設備的電池種類記本電腦等設備的電池種類 。Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2化學化學儲能儲能鎳系電池鎳系電池鎳氫電池鎳氫電池化學化學儲能儲能鎳系電池鎳系電池優點：優點： 具有能量密度高、充放電速度快、重量輕、壽命長、具有能量密度高、充放電速度快、重量輕、壽命長、無環境污染等優點無環境污染等優點 鎳氫電池能量密度比鎳鎘電池大二倍鎳氫電

17、池能量密度比鎳鎘電池大二倍 缺點：缺點： 1 1 輕微記憶效應輕微記憶效應 2 2 鎳氫電池串連電池組的管理問題比較多，一旦發鎳氫電池串連電池組的管理問題比較多，一旦發生過充電以后，就會形成單體電池隔板熔化的問題，導致生過充電以后，就會形成單體電池隔板熔化的問題，導致整組電池迅速失效。整組電池迅速失效。 鎳氫電池鎳氫電池化學化學儲能儲能鎳系電池鎳系電池鋰電池鋰電池 所謂鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物所謂鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉移來作為正負極構成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正

18、負極之間的轉移來完成電池充放電工作的，獨特機理的鋰離子電池形象地稱為完成電池充放電工作的，獨特機理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電搖椅式電池池”，俗稱，俗稱“鋰電鋰電”。 化學化學儲能儲能鎳系電池鎳系電池優點：優點： 具有能量密度高、充放電速度快、重量輕、壽命長、具有能量密度高、充放電速度快、重量輕、壽命長、無環境污染等優點無環境污染等優點 循環壽命長循環壽命長, ,一般均可達到一般均可達到500500次以上次以上, ,甚至甚至10001000次次 缺點：缺點： 鋰離子電池主要的問題是在過充電和過放電狀態電鋰離子電池主要的問題是在過充電和過放電狀態電池會發生爆炸，手機電池都是使用的單體電池，再

19、經過良池會發生爆炸，手機電池都是使用的單體電池，再經過良好的保護電路來配合使用，基本上杜絕了電池爆炸的問題。好的保護電路來配合使用，基本上杜絕了電池爆炸的問題。鋰電池鋰電池化學化學儲能儲能鋰系電池鋰系電池鋰電池鋰電池化學化學儲能儲能鋰系電池鋰系電池鋰電池鋰電池化學化學儲能儲能鋰系電池鋰系電池鋰電池鋰電池化學化學儲能儲能液流電池液流電池 電解質溶液（儲能介質）存儲在電池外部的電解液儲罐中，電池內部正負極之間電解質溶液（儲能介質）存儲在電池外部的電解液儲罐中，電池內部正負極之間由離子交換膜分隔成彼此相互獨立的兩室（正極側與負極側），電池工作時正負極電由離子交換膜分隔成彼此相互獨立的兩室（正極側與負

20、極側），電池工作時正負極電解液由各自的送液泵強制通過各自反應室循環流動，參與電化學反應。解液由各自的送液泵強制通過各自反應室循環流動，參與電化學反應。 化學化學儲能儲能液流電池液流電池 液流儲能電池是一類適合于液流儲能電池是一類適合于固定式大規模儲能固定式大規模儲能（蓄電）（蓄電）的裝置，相比于目前常用的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池等二次的裝置，相比于目前常用的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池等二次蓄電池，具有功率和儲能容量可獨立設計（儲能介質存儲蓄電池，具有功率和儲能容量可獨立設計（儲能介質存儲在電池外部）、效率高、壽命長、可深度放電、環境友好在電池外部）、效率高、壽命長、可深度放電、環境友好等優點，是規模儲能

21、技術的首選技術之一。等優點，是規模儲能技術的首選技術之一。 化學化學儲能儲能液流電池液流電池化學化學儲能儲能液流電池液流電池l 1984年澳大利亞新南威爾士大學的Maria Skyllas-Kazacos教授提出概念;l 1993年日本住友電工(SEI)獲得相關專利，并對關鍵材料和設計進行探索;l 1998年澳大利亞Pinnacle VRB獲得新專利許可，并在1999年將專利授予日本住友電工和加拿大的Vanteck公司;l 2001年Vanteck公司控股pinnacle VRB，更名為VRB Power Systems，并開始在大范圍內推廣釩電池;l我國于1995年開始VRB的研究工作，研究

22、單位主要有中國工程物理研究院電子工程研究所、中科院大連化學物理所、中南大學以及清華大學。全釩液流電池研究現狀化學化學儲能儲能鈉硫電池鈉硫電池 鈉硫電池是美國福特（鈉硫電池是美國福特（Ford）公司于）公司于1967年首先發明年首先發明公布的公布的 鈉硫電池，是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管鈉硫電池，是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過為電解質隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發生的可逆反應，形成能量的釋放和儲電解質隔膜與硫之間發生的可逆反應，形成能量的釋放和儲存。存?；镜碾姵胤磻牵夯镜碾姵胤磻牵?N

23、 a + xS= Na2Sx 化學化學儲能儲能鈉硫電池鈉硫電池優點：優點：l鈉硫電池的理論比能量高達鈉硫電池的理論比能量高達760Whkg，且沒有自放電，且沒有自放電現象。放電效率幾乎可達現象。放電效率幾乎可達100。l鈉硫電池的基本單元為單體電池，用于儲能的單體電池最鈉硫電池的基本單元為單體電池，用于儲能的單體電池最大容量達到大容量達到650安時，功率安時，功率120W 以上。將多個單體電池組以上。將多個單體電池組合后形成模塊。模塊的功率通常為數十合后形成模塊。模塊的功率通常為數十kW，可直接用于儲，可直接用于儲能。能。l 鈉硫電池在國外已是發展相對成熟的儲能電池。其壽命鈉硫電池在國外已是發

24、展相對成熟的儲能電池。其壽命可以達到使用可以達到使用1015年。年。缺點：缺點： 高溫高溫350C熔解硫和鈉熔解硫和鈉 化學化學儲能儲能鈉硫電池鈉硫電池國際：國際：l 1976年美國福特年美國福特(Ford)公司發明公布公司發明公布l 2002年日本東京電力公司年日本東京電力公司(TEPCO)和日本和日本NGK推出鈉推出鈉硫電池產品硫電池產品 目前只有東京電力和目前只有東京電力和NGK下屬企業生產鈉硫電池下屬企業生產鈉硫電池國內國內：l 2006年年8月上海硅酸鹽研究所與市電力公司開始研發月上海硅酸鹽研究所與市電力公司開始研發大容量鈉硫單體電池大容量鈉硫單體電池l 2007年年1月月650Ah

25、單體電池試制成功，標志我國單體電池試制成功，標志我國掌握掌握單體電池核心技術單體電池核心技術l 2007年年8月上海硅酸鹽研究所與市電力公司攻克制備月上海硅酸鹽研究所與市電力公司攻克制備關鍵技術，建成中試線關鍵技術，建成中試線研究現狀研究現狀電磁電磁儲能儲能超導磁儲能系統超導磁儲能系統(superconducting magnetic energy storage，SMES) 利用超導體的電阻為零特性制成的儲存電能的裝利用超導體的電阻為零特性制成的儲存電能的裝置，其不僅可以在超導體電感線圈內無損耗地儲存電置，其不僅可以在超導體電感線圈內無損耗地儲存電能，還可以通過電力電子換流器與外部系統快速交

26、換能，還可以通過電力電子換流器與外部系統快速交換有功和無功功率，用于提高電力系統穩定性、改善供有功和無功功率，用于提高電力系統穩定性、改善供電品質電品質電磁電磁儲能儲能 超導儲能系統用快速充放電高溫超導儲能系統用快速充放電高溫超導磁體超導磁體 用于維持超導磁體低溫環境的低漏用于維持超導磁體低溫環境的低漏熱低溫杜瓦，將與外部的熱交換降至熱低溫杜瓦，將與外部的熱交換降至最低最低中國科學院電工研究所 1.0MJ超導儲能系統電磁電磁儲能儲能優點：優點： 超導儲能系統由于其存儲的是電磁能，這就保證超導儲能系統由于其存儲的是電磁能，這就保證超導儲能系統能夠非常迅速以大功率形式與電網進行超導儲能系統能夠非常

27、迅速以大功率形式與電網進行能量交換。另外，超導儲能系統的功率規模和儲能規能量交換。另外，超導儲能系統的功率規模和儲能規?？梢宰龅暮艽?，并具有系統效率高、技術較簡單、模可以做的很大，并具有系統效率高、技術較簡單、沒有旋轉機械部分、沒有動密封問題等優點。沒有旋轉機械部分、沒有動密封問題等優點。缺點：缺點： 對材料要求高、結構復雜。對材料要求高、結構復雜。電磁電磁儲能儲能研究現狀：研究現狀： 70年代中期，美國的年代中期，美國的LASL和和BPA合作研制了一臺合作研制了一臺30MJ/10MW的的SMES，是超導技術在美國第一次大規模的電力應用。，是超導技術在美國第一次大規模的電力應用。 1993年底

28、，年底，R.Bechtel團隊建成了團隊建成了1MWh/500MW的示范樣機，可的示范樣機，可將南加里福尼亞輸電線路的負荷傳輸極限提高將南加里福尼亞輸電線路的負荷傳輸極限提高8%。目前，美國已有多。目前，美國已有多臺微型超導儲能裝置在配電網中實際應用。臺微型超導儲能裝置在配電網中實際應用。 1999年，德國的年，德國的ACCEL、AEG和和DEW聯合研制了聯合研制了2MJ/800kWSMES，解決，解決 DEW實驗室敏感負荷的供電質量問題。日本實驗室敏感負荷的供電質量問題。日本九州電力公司先后研制了九州電力公司先后研制了30kJ以及以及3.6MJ/1MW的的SMES。 在國內，中國科學院電工研究所、中國科學院合肥分院等離子體物在國內，中國科學院電工研究所、中國科學院合肥分院等離子體物理研究所等單位很早就開始了超導磁體的研究工作，清華大學研制了理研究所等單位很早就開始了超導磁體的研究工作，清華大學研制了150kVA的低溫超導磁體儲能系統。中