储能技术在分布式发电中的应用(1)

摘要 储能方式主要有物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能四大类型。其中物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能;电磁储能包括超导、超级电容器储能;电化学储能包括铅酸、锂离子、钠硫和液流等电池储能;相变储能包括蓄热和蓄冷储能等。本文着重分析了它们的技术现状、发展前景及优缺点，并针对分布式发电不同应用场合进行了探讨。

1 引言

可再生能源在未来的能源结构中将占有极其重要的位置。风能、太阳能等可再生能源发电具有随机性和间歇性，会对电网将产生冲击，严重时将引发大规模恶性事故，这就需要在直流母线或交流系统中具备一定的储能以跟踪负荷的变化。因此，研发高效储能装置及其配套设备，与风电/光伏发电机组容量相匹配，支持充放电状态的迅速切换，确保系统的安全稳定已成为可再生能源充分利用的关键[1-2]。另外，分布式发电系统，特别是在基于可再生能源的分布式发电(distributed generation，DG)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[3-4]。

2 储能技术发展现状

2.1 飞轮储能

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—电能相互转换。飞轮储能功率密度一般大于5kW/kg，能量密度超过20Wh/kg，循环使用寿命长，工作温区较宽，无噪声，无污染，最大容量已达5kW·h[5]。主要用于不间断电源(uninterruptedpower supply，UPS)/应急电源(emergency powersystem，EPS)、电网调峰、频率和电能质量控制[6]。2000年，美国宇航局(NASA)Glenn研究中心及其合作单位研制的飞轮转速达60kr/min(revolutionsper minute)，这标志着飞轮电池在技术上可以取代化学电池。高温超导飞轮储能系统具有控制简单、储能密度大、效率高、寿命长、维护容易等优点，预计未来5年内将首先在电力调节、UPS等领域实现商业应用。

2.2 超导磁储能系统

超导磁储能系统(superconducting magnetic energystorage，SMES)利用超导线圈储存磁场能量，能量交换和功率补偿无需能源形式的转换。具有响应速度快、转换效率高、比容量/比功率大、寿命长、污染小等优点，且没有旋转机械部件和动密封问题。主要用于输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力[7-8]。已有研究表明，对于输配电应用而言，微型(<0.1MWh)和中型(0.1~100MWh)SMES系统更为经济[3]。

2.3 超级电容器储能

超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电速度快，放电电流仅受内阻和发热限制，能量转换率高，循环使用寿命长，放电深度深，长期使用免维护，低温特性好，没有“记忆效应”。历经纽扣型、卷绕型和大型三代，已形成电容量0.5~1000F、工作电压12~400V、最大放电电流400~2000A系列产品。但超级电容器价格较为昂贵，在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合。目前，基于活性碳双层电极与锂离子插入式电极的第四代超级电容器正在开发中[9-10]。

2.4 蓄电池储能系统

目前在分布式发电中应用最为广泛，但存在初次投资高、寿命短、环境污染等诸多问题。根据所使用的不同化学物质，蓄电池可以分为许多不同类型。

铅酸电池价格便宜，技术成熟，在发电厂、变电所供电中断时能发挥独立电源的作用，并为断路器、继保装置、拖动电机、通信等提供电力。然而，其循环寿命较短，具有较低的比功率，且在制造过程中存在环境污染。锂离子(钴酸锂为正极)电池比能量/比功率高、自放电小、环境友好，但性能易受工艺和环境温度等因素的影响。目前，磷酸基为正极材料的磷酸铁锂电池以其超长的循环寿命，良好的安全性能，较好的高温性能，有望在数年内成为铅酸电池的有力竞争者[11]。