储能类负极
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储能电源的应用及其意义
来源:kok平台 | 作者:kok平台买球赛hiveyan | 发布时间: 2021-07-01 20:20:40 | 17 次浏览 | 分享到:

  储能电源的应用及其意义 储能系统可以说是调节微电源性能、保证负荷供电质量、维持电网稳定的重 要环节, 因此研究储能系统设计、开发储能在微网技术中的应用具有十分重要的 意义。 1、微网的储能技术种类及其特性 伴随着科技的发展,已发明的储能技术形式多种多样。根据微网的特点,适 用于微网的储能技术可以分为物理储能、电化学储能和电磁储能,电化学储能可 以分为铅酸电池、 镉镍电池、 氢镍电池、 锂离子电池等。 物理储能包括抽水蓄能、 压缩空气储能、飞轮储能,电磁储能包括超级电容储能和超导磁储能等。 1.1 蓄电池储能系统构成 蓄电池储能系统主要由电池组、电池管理系统(BM S)、(PCS)、隔离变压器、 双向变流器、 变流器监控装置及辅助设备。系统可以满足频繁充放电及微网孤岛 运行功能的需求。 系统可根据上级调度指令完成各种充电、 放电等高级控制策略, 在微电网中应用最为广泛且最具有发展前途。 能量控制装置 PCS 控制器通过 LAN 通信信道接收后台控制指令, 根据功率指 令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电, 实现对电网有功功率及无功 功率的调节。PC S 控制器通过 CA N 接口与电池管理系统通讯,获取电池组状态 信息,可实现对电池的保护性充放电,确保电池运行安全。 1.2 铅酸电池 铅酸电池主要由铅及其氧化物构成,电解液是硫酸溶液。荷电状态下,主要 成分为二氧化铅,主要成分为铅;放电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅, 以密度为 1.28~1.32 g/m L(浓度为 27%~37%)的硫酸溶液作为电解液,统 称为铅酸蓄电池(亦称“铅蓄电池”)。目前铅酸蓄电池在电力系统应用领域的研 究重点是电力调峰、 提高系统运行稳定性和提高供电质量。阀控铅酸电池的电化 学反应式如下: 充电:2 PbSO 4+2 H 2O=PbO 2+Pb+2 H 2 SO 4(电解池)阳极:PbSO 4+2 H, O 一 2 e=PbO+4 H S0 4 2 一阴极:PbSO 4+2 e=Pb+SO 4 z 当溶液的密度升到 1.28 m L 时,应停止充电:放电:PbO 2+Pb+2 H SO 4=2 PbSO 4+2 0(电解池) 负极: Pb+S0 4 2 一一 2 e-=PbSO 4 正极: PbO 2+4 H S0 4 一+2 e~PbSO 4+2 H 2O 1.3 锂离子电池 目前锂离子电池的负极一般采用石墨或其嵌锂化合物,正极为氧化钴锂 LiC oO:、Li N i O:及 L i M n O 等过渡金属氧化物,电解液采用锂盐液态非 水电解液。 锂离子电池的性能主要取决于正负极材料,磷酸铁锂作为新兴的正极 材料, 其安全性能与循环寿命较其它正极材料具有明显优势。锂电池具有以下几 个特点:能量密度高,其理论比容量为 170 m A h/g,产品实际比容量可超过 140 m A W g(0. 2 C, 25℃); 储能密度高; 工作电压适中(单体工作电压为 3. 7 v 或 3.2 V);寿命长;正常使用条件下,2 500 次循环后电池放电容量不低于初 始容量的 80%; 无害, 不含任何对人体有害的重金属元素; 充放电转化率高(90% 以上)。但是,锂离子电池性能易受工艺和环境温度等因素的影响。 1.4 超级电容器 超级电容器是一种新型储能装置,通过极化电解质来储能。由于随着超级电 容器放电,正、负极板上的电荷被泄放,电解液的界面上的电荷响应减少。由此 可以看出:超级电容器的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应,因此性能 是稳定的,与利用化学反应的蓄电池是不同的。超级电容器具有比功率大、充电 速度快的优点,适合大电流和短时间充放电的场合,且使用寿命长,不易老化, 是一种绿色能源,缺点是能量存储率有限,价格较为昂贵,还不能完全取代蓄电 池提供能源,在电力系统中多用于短时间、大功率功率输出的场合。 1.5 飞轮储能技术 飞轮储能以动能的形式存储能量,经过功率变换器,完成机械能一电能相互 转换。飞轮储能比功率一般大于 5 kW/kg,比能量超过 20 W h/kg,循环使用 寿命长,工作温区较宽,无噪声,无污染,最大能量已达 5 kWhp。飞轮储能的 特点是寿命长、 无污染、 维护量小, 但能量密度较低, 可作为蓄电池系统的补充。 1.6 超导磁储能技术 超导磁储能系统利用由置于真空绝热冷却环境的超导线圈把电网供电励磁 产生的磁场能量储存起来, 需要时再将储存的能量送回电网或作它用。超导磁储 能系统功率密度高,响应时间短,储能量大。 1.7 其他储能技术 除了上述的几种储能方式外,在电力系统中储能方式还有抽水蓄能、压缩空 气储能等。抽水储能在现代电网中大多用来调峰,在集中式发电中应用较多。压 缩空气储能通常应用在调峰用燃气轮机发电厂,对于同样的电力输出,它所消耗 的燃气要比常规燃气轮机少 40%。 镉镍蓄电池与铅酸蓄电池一样,被列为不环保电池,充电效率较高,放电时 端电压变化不大,内阻较小,且对充电环境要求不高。氢镍电池是镉镍电池的改 良, 无记忆效应且无环境污染。 但以上两种储能技术在电力系统中的实际应用较 少,在推广应用前仍需经历长期的安全性和可靠性的运行检验。 钠硫电池正、负极活性物质有强腐蚀性,对电池材料、电池结构及运行条件 的要求苛刻; 电池的充放电状态(so c)不能准确在线测量,需要周期性的离线℃,需要附加供热设备来维持温度;并且钠硫电池仅 只在达到 300℃左右下才能运行,由此造成启动时间很长,这在一定程度上限制 了其应用,而且技术门槛较高。 液流电池具有循环寿命长(大于 16 000 次)、蓄电容量大、能量转换效率高、 可以频繁充放电, 已成为规模储能领域的重要技术。输出功率为数千瓦至数十兆 瓦, 储能容量数小时以上级的规模化固定储能场合,液流电池储能具有明显的优 势,液流电池还没有进入大规模商用阶段。 2、储能技术的混合应用 2.1 微电网对储能设备的要求 储能技术应用模式可以分为容量型和功率型两种, 不同的应用模式和应用场 合对储能技术性能指标提出了不同的要求。 电力系统削峰填谷、 频率调节以及系统备用等应用模式对储能设备的容量提 出了较高的要求,是容量型的储能应用模式。另一方面,系统稳定控制和电能质 量调节应用模式则是功率型的储能应用模式,要求储能系统具备快速的响应速 度,能给予电网足够的瞬时功率动态支撑。 大容量储能技术的应用打破了电力供需实时平衡的限制, 其大规模应用可有 效降低昼夜峰谷差、 提升电网稳定性和电能质量水平、促进新能源大规模接入电 网。储能技术在电力系统中的应用已成为未来电网发展的一个必然趋势。 2.2 选择方案比较 在物理储能方式中抽水蓄能和压缩空气储能具有规模大、能量转换效率高、 循环寿命长和运行费用低等优点,但要受到外部条件的限制,需要特殊的地理条 件和场地,建设的局限性较大,且一次性投资费用也较高,满足响应速度慢,无 法满足微电网并、 离网转换及正常运行时实时控制的动态需求。电磁储能供电力 系统调峰用的大规模超导蓄能装置、大型线圈产生的电磁力的约束、制冷技术等 方面还未成熟,该项技术尚不能进入大规模业化应用。 目前储能主要采用的铅酸蓄电池存在循环寿命较短、不可深度放电、其容量 与放电的功率密切相关、 运行维护费用高等缺点,如不进行技术方面的提高很难 满足作为未来电力系统储能设备大容量发展的要求。 镉镍蓄电池与铅酸蓄电池相比具有体积小,可深放电,耐过充和过放电,以 及使用寿命长,维护简单等优点。主要缺点是内阻大,电动势较低,造价高,有 记忆效应。同低成本的铅酸电池比较,镉镍电池初始成本高 3~4 倍,因此在微 电网供电系统中较少采用。 与飞轮储能和超导储能相比,超级电容器在工作过程中没有运动部件,维护 工作极少,可靠性非常高,使得它在小型的分布式发电装置中应用有一定优势。 2.3 储能设备的复合应用 分布式发电系统,特别是在基于可再生能源的分布式发电 (dist ribut ed generati on, D G) 中加入蓄能装置可以有效地提高能源利用 率、降低环境污染、改善系统的经济性。使 D G 按照预先制定的规划进行发电, 提高并网运行的可靠性和调度灵活性。 超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位,且可以完全放出。 而蓄电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围, 如果过放可能造成永久 性破坏。如果蓄电池经常受高功率脉冲影响,其寿命将会大打折扣。蓄电池与其 体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。 超级电容器可以快速充电并且 反复循环数十万次, 而蓄电池仅允许几百个循环。超级电容器目前由于受容量和 价格方面的限制, 不适合于大规模储能场合。因此将超级电容器的高功率特性和 蓄电池的高能量存储能力结合起来,是一种较好的储能方式。 3、结论 目前锂离子电池产业基础较好,在安全性、能量转换效率和经济性等方面取 得重大突破, 锂电池是能量密度和综合循环效率最高的储能电池,产业化应用的 条件日趋成熟, 被认为是未来储能技术发展的主要方向之一,在车用动力电池领 域备受青睐。 超级电容器价钱较贵, 基于铅酸电池和超级电容器的复合电池储能技术已在 孤网电力系统中与可再生能源系统的混合技术得到初步应用。 根据技术条件及经济技术比较,工程中目前常用铅酸蓄电池,随着技术的发 展磷酸铁锂电池与超级电容器相结合成为微电网储能发展的方向, 分布式发电与 储能技术的结合将大大提高系统的能源利用率和经济性。