馬 麗 龐秀嵐 付少杰 李曉峰
(國家電投集團青海光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司,青海 西寧 810000)
近年來,“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”的理念逐步深入人心,大力發(fā)展可再生能源、加快能源轉(zhuǎn)型發(fā)展已成為全球共識,而風(fēng)電、光伏等新能源本身的波動性和間歇性決定了靈活性,將是以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)必不可少的組成部分。儲能作為靈活性調(diào)節(jié)資源在新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,是新能源成為主體電源后系統(tǒng)調(diào)節(jié)的必然選擇。本文主要對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配置儲能技術(shù)選型進行淺析。
儲能技術(shù)在新能源電站中的應(yīng)用場景主要有削峰填谷、能量搬移、跟蹤計劃出力、平抑波動、調(diào)峰、調(diào)頻、電壓支撐、儲能新技術(shù)戶外實證、混合儲能等,此外,《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》(GB 38755—2019)要求電源在電力系統(tǒng)中需為系統(tǒng)提供必要的慣量[1]。
根據(jù)能量儲存形態(tài)的不同,儲能技術(shù)可分為機械類儲能、電磁類儲能、儲熱類儲能、化學(xué)類儲能、電化學(xué)類儲能。
2.1.1 抽水蓄能(PHS)
抽水蓄能利用水作為儲能介質(zhì),通過電能與勢能相互轉(zhuǎn)化,實現(xiàn)電能的儲存和管理。其具有技術(shù)成熟、響應(yīng)速度快等優(yōu)點;但由于選址困難,對地形地質(zhì)等條件要求較高,且需要水源等原因,不適合應(yīng)用于光伏電站。
2.1.2 壓縮空氣儲能(CAES)
CAES主要利用電網(wǎng)負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣,形成高壓壓縮空氣將其儲藏在高壓密封設(shè)施內(nèi),在用電高峰釋放出來,驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電。其具有長時儲能、長壽命、具備轉(zhuǎn)動慣量等優(yōu)點,但其響應(yīng)速度慢、能量效率低,且存在對大型儲氣室、化石燃料的依賴等問題[2]。CAES適用于規(guī)模較大的儲能需求場景。
2.1.3 飛輪儲能
飛輪儲能通過電動/發(fā)電互逆式雙向電機,實現(xiàn)電能與高速運轉(zhuǎn)飛輪的機械動能之間的相互轉(zhuǎn)換與儲存[3]。飛輪在轉(zhuǎn)動時動能為,J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量,大小與飛輪質(zhì)量和半徑有關(guān);ω為飛輪旋轉(zhuǎn)角速度,飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時,會受到極大的離心力作用,因此絕大多數(shù)飛輪采用埋地式安裝。飛輪儲能具有壽命長、功率密度高等優(yōu)點,但其能量密度低且自放電率高。在調(diào)頻應(yīng)用場景下,可適當(dāng)配置飛輪儲能為電站提供調(diào)頻功能進行電能質(zhì)量保障。另外,雖然飛輪儲能電機具備轉(zhuǎn)動慣量,但飛輪儲能系統(tǒng)接入光伏發(fā)電系統(tǒng)仍需要通過飛輪電機變流器(AC/DC)及儲能變流器(PCS)等電力電子設(shè)備,因此在該種接入方式下飛輪儲能仍然不能為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)動慣量。
2.1.4 重力儲能
重力儲能以重力造成的位能來儲存能源,當(dāng)電力多余時驅(qū)動馬達將重物吊至高處,需要電力時再利用重物下降的力量來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。新型重力儲能主要有水介質(zhì)型、基于構(gòu)筑物高度差、基于山體落差、基于地下豎井重力儲能系統(tǒng)[4]。重力儲能具有壽命長、原理簡單等優(yōu)點,但對選址要求較高、能量密度低,在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)內(nèi)易造成光伏組件陰影遮擋,影響光伏系統(tǒng)發(fā)電量,根據(jù)技術(shù)現(xiàn)狀暫不適用于并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。
2.1.5 新型抽水壓縮空氣儲能
西安交通大學(xué)提出了新型抽水壓縮空氣儲能(PHCA),PHCA集成了抽水蓄能(PHS)和壓縮空氣儲能(CAES)的特點。與PHS相比,PHCA不需要建造大型水壩;與CAES相比,PHCA利用效率較高的水泵替代傳統(tǒng)壓縮機儲能,利用效率較高的水輪機替代傳統(tǒng)氣體透平釋能,且運行過程中趨于等溫壓縮和等溫膨脹。儲能開始前,由壓縮機或高壓氣瓶向水氣共容腔體充氣至某預(yù)定壓力;儲能時,高壓水泵克服水氣共容腔體內(nèi)外壓差,向共容腔注水,使水位升高從而對儲能容器內(nèi)高壓氣體壓縮做功,實現(xiàn)抽水儲能;發(fā)電時高壓氣體借助水推動水輪發(fā)電機組發(fā)電[5]。PHCA具有壽命長、無須加熱、具備轉(zhuǎn)動慣量等優(yōu)點,但儲能空間的選取可能會受到限制,且其能量效率和技術(shù)成熟度較低。
2.1.6 小結(jié)
綜上所述,根據(jù)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用場景,若地理條件等因素滿足,可適當(dāng)配置壓縮空氣儲能為系統(tǒng)提供慣量支撐;在調(diào)頻應(yīng)用場景下,可適當(dāng)配置飛輪儲能技術(shù)為系統(tǒng)提供頻率、電壓支撐。
2.2.1 超級電容器
2.2.1.1 雙電層電容器
通過正、負離子在固體電極和電解液之間的表面上分別吸附,造成兩固體電極之間的電勢差,實現(xiàn)能量的存儲[6]。其具有壽命長、功率密度高等優(yōu)點;但其能量密度較低、自放電率高,應(yīng)用在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)時受制于PCS電壓范圍,無法深度充放電。
2.2.1.2 法拉第贗電容器
在電極表面活體相中的二維或三維空間上,電極活性物質(zhì)進行欠電位沉積,發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附或氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。其具有高比電容、高比容量、高能量密度的優(yōu)點,但其可逆性和循環(huán)性能相對較差,且技術(shù)成熟度較低。
2.2.1.3 混合型超級電容器
一極采用傳統(tǒng)的電池電極并通過電化學(xué)反應(yīng)來儲存和轉(zhuǎn)化能量,另一極則通過雙電層來儲存能量的一種超級電容器,具有雙電層電容器和電池的雙重特征,但功率密度低,產(chǎn)業(yè)化正在推進中。
2.2.2 超導(dǎo)磁儲能(SMES)
SMES利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲存起來,需要時再將電磁能回饋電網(wǎng)或其他負載,并對電網(wǎng)的電壓凹陷、諧波等進行靈活治理,或提供瞬態(tài)大功率有功支撐的一種電力設(shè)施。其具有響應(yīng)速度快、效率高、有功和無功輸出可靈活控制等優(yōu)點,但過高的成本使其可靠性和經(jīng)濟性受到制約,還未能大規(guī)模進入市場[7]。
2.2.3 小結(jié)
對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),遇到混合儲能及調(diào)頻場景時,可適當(dāng)采用雙電層電容器及混合型超級電容器為系統(tǒng)提供頻率支撐及平抑波動功能。
2.3.1 顯熱儲熱
將提取的毒腺、毒管、肌肉組織的DNA樣品,分別取2 μL至1.5 mL離心管中用ddH2O稀釋50倍,使用核酸蛋白分析儀對稀釋后樣品進行測定波長260 nm和280 nm的光吸收值。計算A260/A280的比值,根據(jù)比值判斷芋螺DNA樣品的純度,依據(jù)A260值計算DNA的濃度。
利用儲熱材料的熱容與溫度變化,以儲熱材料為媒介,將太陽能、光熱、電制熱、工業(yè)余熱等熱能儲存起來,在需要的時候釋放熱能。
2.3.2 潛熱儲熱(相變儲熱)
利用儲熱材料相態(tài)變化的相變潛熱,以儲熱材料為媒介,將太陽能、光熱、電制熱、工業(yè)余熱等熱能儲存起來,在需要的時候釋放熱能。
2.3.3 熱化學(xué)儲熱
利用熱化學(xué)對(可逆反應(yīng)、吸附/解吸)的吸/放熱,以儲熱材料為媒介,將太陽能、光熱、電制熱、工業(yè)余熱等熱能儲存起來,在需要的時候釋放熱能。
2.3.4 小結(jié)
儲熱類儲能可應(yīng)用于光熱利用場景,在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)暫無可用場景。
化學(xué)類儲能主要有電力燃氣電廠、動力液系統(tǒng)、電力化工廠、氫能等。其中,電力燃氣電廠、動力液系統(tǒng)、電力化工廠不適用于新能源發(fā)電側(cè)應(yīng)用場景。氫能全產(chǎn)業(yè)鏈包含制氫、儲氫、輸氫、用氫等過程,儲能時利用光伏發(fā)電電解水制氫將富余電能轉(zhuǎn)化為氫氣儲存,釋能時通過氫燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能。
2.5.1 鉛酸電池
鉛酸電池主要有普通非密封富液鉛蓄電池、閥控密封鉛酸電池、鉛炭電池等,其技術(shù)雖已成熟,但壽命短、易產(chǎn)生環(huán)境污染,目前已逐漸被淘汰。
2.5.2 鋰離子電池
2.5.2.1 磷酸鐵鋰
鋰離子通過隔膜在正負極之間移動產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)。其具有技術(shù)成熟度高、效率高、可深度充放等優(yōu)點,但其低溫性能較差、電池一致性較三元鋰略差,安全性又優(yōu)于三元鋰。
2.5.2.2 三元鋰
三元鋰包括NCM和NCA兩種體系,NCM正極材料由鎳鈷錳組合而成,NCA正極材料由鎳鈷鋁組合而成,負極材料均采用石墨。其具有效率高、可深度充放等優(yōu)點,但其安全性及經(jīng)濟性較磷酸鐵鋰稍差。
2.5.2.3 鈦酸鋰
鈦酸鋰(Li4Ti5O12)是一種金屬鋰和低電位過渡金屬鈦的復(fù)合氧化物,正極活性物質(zhì)為三元鋰,負極為鈦酸鋰,電解液是六氟磷酸鋰有機溶液。其具有壽命長、工作溫度范圍寬、安全性高等優(yōu)點,但其能量密度較低,成本較磷酸鐵鋰略高。
2.5.2.4 固態(tài)鋰電池
固態(tài)電池是一種使用固體電極和固體電解質(zhì)的電池,固態(tài)鋰電池技術(shù)采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導(dǎo)物質(zhì),取代以往鋰電池的電解液,大大提升了鋰電池的能量密度。目前可量產(chǎn)的均為固液混合電解質(zhì)電池,全固態(tài)電解質(zhì)電池尚不能量產(chǎn)。
2.5.3 液流電池
2.5.3.1 全釩體系(VRB)
VRB是通過釩離子的價態(tài)變化實現(xiàn)化學(xué)能到電能的往復(fù)轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)電能存儲與釋放。
2.5.3.2 鐵鉻體系(Fe-Cr)
Fe-Cr是通過正負極電解質(zhì)溶液中的活性物質(zhì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化[8]。其具有環(huán)境適應(yīng)性強、壽命長等優(yōu)點,但其能量密度低、成本較VRB略高。
2.5.3.3 鋅溴體系(Zn/Br2)
Zn/Br2在循環(huán)泵的作用下,電解液在儲液罐和電池正負極構(gòu)成的閉合回路中流動,發(fā)生氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)電池的充放電。其具有壽命長等優(yōu)點,但存在漏液風(fēng)險且成本偏高。
2.5.3.4 多硫化鈉/溴體系(PSB)
電池充放電時由Na+通過離子交換膜在正負極電解液間的遷移形成通路。多硫化鈉的高溫合成法以及硫化氫合成法工藝復(fù)雜,成本高。2.5.4鈉系電池
2.5.4.1 鈉硫電池
鈉硫電池需要在300℃的環(huán)境溫度中運行,考慮到電池技術(shù)可能存在的高危險性,一般只應(yīng)用于固定場合。
2.5.4.2 鈉離子電池
鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池完全相同,組成結(jié)構(gòu)與鋰離子也完全相同,主要都包括正極、負極、電解質(zhì)、隔膜和集流體等,通過氧化還原反應(yīng)進行充放電。相比于鋰離子電池,鈉離子電池的優(yōu)勢在于原材料資源豐富,安全性能好等,但能量密度略低于鋰離子電池且發(fā)展尚不成熟。
2.5.5 金屬空氣電池
金屬空氣電池中鋅空氣、鋁空氣、鎂空氣電池等以氧為正極、金屬為負極,鋰空氣電池以鋰為正極、氧為負極,通過氧化還原反應(yīng)進行充放電。金屬空氣電池目前均處于研究階段,未大規(guī)模投入使用。
2.5.6 新型電池
隨著儲能技術(shù)日新月異的發(fā)展,行業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)出了一些新型電池儲能技術(shù),如斯坦福大學(xué)崔屹教授開發(fā)的新型鎳氫氣電池,其具有壽命長、高低溫運行性能好、成本低等優(yōu)勢,目前處于商業(yè)化階段。
2.5.7 小結(jié)
鋰離子電池、液流電池可應(yīng)用于能量搬移、調(diào)峰、跟蹤計劃出力、平抑波動、調(diào)頻、電壓支撐等場景;尚未規(guī)?;l(fā)展的,如固態(tài)鋰電、鈉離子、新型電池等可應(yīng)用于新技術(shù)戶外實證場景。值得注意的是,2022年6月,國家能源局綜合司發(fā)布了《關(guān)于征求〈防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求(2022年版)(征求意見稿)〉意見的函》,其中提到“中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池,不宜選用梯次利用動力電池”[9]。
在電力系統(tǒng)從傳統(tǒng)電網(wǎng)向新型電網(wǎng)轉(zhuǎn)型的過程中,儲能技術(shù)將扮演重要角色。本文主要開展了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配置儲能技術(shù)選型研究,根據(jù)各類型儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,可應(yīng)用于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能技術(shù)選型如表1所示。
表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)儲能技術(shù)初步選型
綜上所述,儲能技術(shù)的選型需在滿足相關(guān)國家規(guī)范要求的前提下,主要考慮儲能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀、儲能在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用場景、技術(shù)成熟度、運行可靠性以及儲能制造商的生產(chǎn)規(guī)模、行內(nèi)業(yè)績、制造水平等因素。