能源革命中的物理儲能技術(shù)
|
|
飛輪儲能
飛輪儲能是利用電能和飛輪動能相互轉(zhuǎn)化的能量存儲形式，具有單機(jī)功率大、效率高、循環(huán)壽命長、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，具體技術(shù)性能見表?4。該技術(shù)適用于調(diào)頻、調(diào)峰、移動應(yīng)急電源（EPS）和不間斷電源（UPS）等領(lǐng)域。
國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)出現(xiàn)了很多高性能的飛輪儲能產(chǎn)品。美國進(jìn)展最快：美國?Active Power?公司的?100—2000 kW UPS、Pentadyne?公司的?65—1000 kVA UPS、Beacon Power?公司的?25 MW Smart Energy Matrix、波音公司高溫超導(dǎo)磁浮軸承的?100 kW／5 kWh?飛輪儲能，以及?SatCon Technology?公司的?315—2200 kVA UPS?等產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制、電力質(zhì)量改善和電力調(diào)峰和風(fēng)力發(fā)電全頻調(diào)峰等領(lǐng)域。在高溫超導(dǎo)飛輪儲能系統(tǒng)的研制方面，美國波音、德國?ATZ?等公司處在世界前列，日本?ISTEC?和韓國?KEPRI?也進(jìn)行了卓有成效的研究。我國飛輪儲能處于關(guān)鍵技術(shù)突破階段，與國外先進(jìn)技術(shù)水平差距有?5—10?年，且多與其他儲能方式配合使用?。
飛輪儲能正朝著增加飛輪單機(jī)與單元儲能容量、增加功率、提高效率的方向發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)包括先進(jìn)復(fù)合材料飛輪技術(shù)、高速高效電機(jī)技術(shù)、磁懸浮軸承技術(shù)、飛輪陣列技術(shù)等。
超導(dǎo)儲能
超導(dǎo)儲能系統(tǒng)是目前唯一能將電能直接存儲為電流的儲能系統(tǒng)，具有響應(yīng)速度快、效率高，以及有功和無功輸出、可靈活控制等優(yōu)點，表?5?為超導(dǎo)儲能技術(shù)特征，主要應(yīng)用于提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量領(lǐng)域。
自?1969?年法國?Ferrier?提出超導(dǎo)儲能以來，只有美國等少數(shù)國家開發(fā)出商業(yè)性產(chǎn)品，日本、德國等國家開發(fā)出原理樣機(jī)。美國已有?6?臺?3 MJ／8 MVA?小型超導(dǎo)儲能系統(tǒng)成功地安裝在威斯康星州公用電力的北方環(huán)型輸電網(wǎng)。德國公司?ACCEL Instrument GmbHh?和?EUS GmbH?聯(lián)合開發(fā)了?2 MJ?超導(dǎo)磁體用于實驗室的?UPS?系統(tǒng)。日本?Chubu Electric Power?公司和國家能源開發(fā)組織啟動了一項?10 MW／19 MJ?超導(dǎo)儲能裝置研發(fā)項目。
我國較早地開展了超導(dǎo)儲能的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，并取得了顯著成果。中國科學(xué)院電工研究所于?2008?年完成?1 MJ／0．5 MVA?高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的研制，并在甘肅白銀實施了世界首座超導(dǎo)變電站限流－儲能示范工程，其具有目前世界上最大的高溫超導(dǎo)磁體，這標(biāo)志著我國超導(dǎo)技術(shù)基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，并在國際率先實現(xiàn)完整超導(dǎo)變電站系統(tǒng)的運行。
中、大功率（1—10 MW／10—50 MJ?級）是超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的研發(fā)方向，其關(guān)鍵技術(shù)包括超導(dǎo)材料技術(shù)、低溫制冷技術(shù)、超導(dǎo)限流技術(shù)、功率變換調(diào)節(jié)技術(shù)和系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)控技術(shù)等。
物理儲熱
根據(jù)儲熱形式，物理儲熱可分為顯熱儲熱和潛熱儲熱技術(shù)。其中，顯熱儲熱技術(shù)儲能密度低、體積大、溫度輸出波動大、成本低、裝置結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，已有商業(yè)化產(chǎn)品；潛熱儲熱技術(shù)具有儲能密度高、體積小、溫度輸出平穩(wěn)等優(yōu)點，但循環(huán)壽命有待提升，正處于低溫、小規(guī)模示范應(yīng)用階段，是目前的研究熱點。表?6?為物理儲熱技術(shù)特征，可廣泛應(yīng)用于能源網(wǎng)絡(luò)的“削峰填谷”、風(fēng)電儲存利用、太陽能熱發(fā)電、工業(yè)余熱利用、交通運輸過程中的溫度自調(diào)控、建筑物溫度自調(diào)節(jié)、電廠余熱回收及微型和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。
顯熱儲熱材料可分為低溫、中溫和中高溫儲熱材料。水的比熱大，主要用于低溫儲熱；導(dǎo)熱油、硝酸鹽的沸點比較高，常用于中溫儲熱；鎂磚、混凝土、熔融鹽等是主要的中高溫儲熱材料；高溫混凝土已應(yīng)用在太陽能熱發(fā)電等領(lǐng)域。2013?年，美國阿肯色大學(xué)開發(fā)出可耐?500oC?的中高溫新型混凝土；同年，國家電網(wǎng)公司在北京建成首個采用鎂磚為蓄熱材料的集中電采暖試點示范項目，工作溫度范圍?150oC—500oC。
潛熱儲熱材料可分為常低溫、中溫和中高溫相變材料。常低溫相變材料主要包括聚乙二醇、石蠟和脂肪酸等有機(jī)物及無機(jī)水合鹽，中溫相變材料主要包括硝酸鹽等無機(jī)鹽和有機(jī)糖醇等有機(jī)材料，中高溫相變材料主要包括氟化物、氯化物和鹽酸鹽等無機(jī)鹽、金屬和合金等。德國?ZAE?公司采用沸石為相變儲熱材料，建成?4 MWh?移動儲熱供熱裝置。江蘇啟能新能源材料有限公司采用相變溫度為?95oC?的水合鹽相變儲熱技術(shù)實現(xiàn)供暖，儲熱容量為?12 MWh。新疆阿勒泰市風(fēng)電清潔供暖示范項目采用南京金合能源材料有限公司的相變儲熱磚，儲熱密度超過?835 kJ／kg?和?1680?MJ／m3。綜上，相變儲熱技術(shù)具有儲能密度高、體積小、溫度輸出平穩(wěn)等優(yōu)點，但循環(huán)壽命有待提升，隨著國內(nèi)電能替代的發(fā)展需要，目前已經(jīng)成為研究熱點。