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儲(chǔ)能前沿技術(shù) 引領(lǐng)世界能源變革

發(fā)布時(shí)間: 2014-11-12 09:30:09    來(lái)源: 電氣中國(guó)雜志 
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[摘要]過(guò)去30年,中國(guó)經(jīng)歷了高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,但也為此付出了沉重的環(huán)境代價(jià),能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。伴隨我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,儲(chǔ)能技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日漸成為各方關(guān)注的重點(diǎn)。

  當(dāng)前我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)實(shí)需求有如下幾方面:

  1.風(fēng)力發(fā)電

  風(fēng)力發(fā)電自身所固有的隨機(jī)性、間歇性特征,決定了其規(guī)?;l(fā)展必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)顯著影響,另外風(fēng)力發(fā)電往往在后半夜進(jìn)入發(fā)電高峰,而此時(shí)正是用電低谷,所以棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重。因此必須要有先進(jìn)的大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)做支撐,以穩(wěn)定風(fēng)機(jī)輸出,且能錯(cuò)時(shí)發(fā)電,提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的利用率,降低損耗。

  研究表明,如果風(fēng)電裝機(jī)占裝機(jī)總量的比例在10%以?xún)?nèi),依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)以及增加水電、燃?xì)鈾C(jī)組等手段基本可以保證電網(wǎng)安全;但如果所占比例達(dá)到20%甚至更高,電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運(yùn)行將面臨巨大挑戰(zhàn)。目前為了減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊,每一臺(tái)風(fēng)機(jī)需要配備其功率4%的后備蓄電池。另外還需要大約相當(dāng)于其功率1%的蓄電池用于緊急情況時(shí)收風(fēng)葉以保護(hù)風(fēng)機(jī)。電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電輸出平穩(wěn)性的要求已成為風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。隨著風(fēng)電的快速發(fā)展,風(fēng)電與電網(wǎng)的矛盾越來(lái)越突出。如果需要平滑風(fēng)電90%以上的電力輸出,需要為風(fēng)電場(chǎng)配置20%左右額定功率的儲(chǔ)能電池;如果希望風(fēng)電場(chǎng)還能具有削峰填谷的功能,將需要配備相當(dāng)于40-50%功率的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池;如果風(fēng)機(jī)離網(wǎng)發(fā)電,則需要更大比例的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池。

  中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)2020年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)會(huì)突破150GW,將占到全國(guó)發(fā)電量的10%左右。

  風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,特別是我國(guó)的多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)屬于“大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送”,對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行和控制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。大容量?jī)?chǔ)能產(chǎn)品成為解決電網(wǎng)與風(fēng)電之間矛盾的關(guān)鍵因素。即使按照風(fēng)電調(diào)控最低要求計(jì)算,5%的風(fēng)電儲(chǔ)能比例,2009年儲(chǔ)能電池的需求就將達(dá)到1GW,2020年儲(chǔ)能電池的需求將達(dá)到5GW;如果需要平滑90%以上的風(fēng)電輸出,儲(chǔ)能電池的需求還要增加3倍以上。

  2.光伏發(fā)電

  光伏發(fā)電是顯著受天氣影響的,對(duì)于目前大型光伏發(fā)電場(chǎng)主要是并網(wǎng)發(fā)電,但總的說(shuō)來(lái)裝機(jī)容量在電網(wǎng)中所占比例非常小,其波動(dòng)可以忽略不計(jì)。但隨著時(shí)間推移,其所占比例越來(lái)越大之后,不得不考慮儲(chǔ)能技術(shù)以平滑其輸出,減小對(duì)電網(wǎng)的影響。

  目前來(lái)說(shuō),光伏發(fā)電對(duì)儲(chǔ)能電池的需求更多體現(xiàn)在離網(wǎng)型光儲(chǔ)或風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目上。

  3.電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻

  由于我國(guó)電力系統(tǒng)煤電比例較高,核電不參與調(diào)峰,水電、燃?xì)獍l(fā)電等調(diào)峰較好的電源所占比例較低,造成電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和調(diào)控管理困難。系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻也成為限制電網(wǎng)接受清潔能源的一個(gè)主要因素。

  為應(yīng)對(duì)城市尖峰負(fù)荷,電力系統(tǒng)每年都要新增大量投資用于電網(wǎng)和電源后備容量建設(shè),但利用率卻非常低。以上海為例,2004年~2006年間,為解決全市每年只有183.25小時(shí)的尖峰負(fù)荷,僅對(duì)電網(wǎng)側(cè)的投資每年就超過(guò)200億元,而為此形成的輸配電能力的年平均利用率不到2%。東北風(fēng)電在發(fā)展中首先面臨的也是調(diào)峰和調(diào)頻的問(wèn)題,需要儲(chǔ)能技術(shù)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)公司共同承擔(dān)責(zé)任并解決調(diào)峰問(wèn)題。

  電網(wǎng)調(diào)峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。由于抽水蓄能電站需建上、下兩個(gè)水庫(kù),受地理?xiàng)l件限制較大,在平原地區(qū)不合適。采用大容量?jī)?chǔ)能電池的小型調(diào)峰系統(tǒng)從微觀(guān)角度多點(diǎn)調(diào)峰,不受地理?xiàng)l件限制,可大可小設(shè)計(jì)靈活,是抽水蓄能電站的有益補(bǔ)充。

  4.通訊基站

  通信基站和通信機(jī)房需要蓄電池作為后備電源,且時(shí)間通常不能少于10小時(shí)。對(duì)通訊運(yùn)營(yíng)商來(lái)講,安全穩(wěn)定可靠和使用壽命是最重要的,在這一領(lǐng)域,流體釩電池有著鉛酸電池?zé)o法比擬的先天優(yōu)勢(shì):壽命長(zhǎng),維護(hù)簡(jiǎn)單,能量存儲(chǔ)穩(wěn)定、控制精確、自放電少,可便捷調(diào)整能量的存儲(chǔ)量,總體使用成本低。

  通信網(wǎng)絡(luò)中的基站動(dòng)力系統(tǒng)中通常使用柴油發(fā)電機(jī),在停電時(shí)提供長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)力。柴油機(jī)在備用動(dòng)力系統(tǒng)投資中占了很大一部分,而且需要持續(xù)不斷的機(jī)械維護(hù)以保證其可靠性;在實(shí)際應(yīng)用中,柴油機(jī)的利用率很低,因此其單位時(shí)間的使用成本比較高;系統(tǒng)中經(jīng)常使用的鉛酸電池由于自放電的原因,也需要經(jīng)常維護(hù)。流體釩電池完全可以替代動(dòng)力系統(tǒng)中的鉛酸電池和柴油機(jī)的動(dòng)力組合,提供高可靠性的直流電源的能量存儲(chǔ)解決方案。流體釩電池還可以很好地與網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域使用的地理分布很廣、數(shù)量眾多的太陽(yáng)能電池進(jìn)行很好的匹配,替代目前太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中通常使用的鉛酸電池,降低維護(hù)量,減少成本,提高生產(chǎn)率。

  5.分布式電站

  大型電網(wǎng)自身的缺陷,難以保障電力供應(yīng)的質(zhì)量、效率、安全可靠性要求,對(duì)于重要單位和企業(yè),往往需要雙電源甚至多電源作為備份和保障。分布式電站可以減少或避免由于電網(wǎng)故障或各種意外事件造成的斷電。醫(yī)院、指揮控制中心、數(shù)據(jù)處理和通訊中心、商業(yè)大樓、娛樂(lè)中心、政府要害部門(mén)、制藥和化學(xué)材料工業(yè)、精密制造工業(yè)等領(lǐng)域是分布式電站發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域,流體釩電池可以在分布式電站的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

  對(duì)于目前很多遠(yuǎn)離主電網(wǎng)的場(chǎng)合,如海島、哨所、采礦采油井、移動(dòng)牧場(chǎng)、野外施工地等,對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)一體化電站解決方案也提出了真實(shí)的需求。

  構(gòu)建智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

  在人類(lèi)現(xiàn)代文明的發(fā)展中,電網(wǎng)是迄今為止建造的最復(fù)雜的系統(tǒng)工程之一,從發(fā)電,輸電,配電直到用電,電網(wǎng)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和我們普通百姓的日常生活無(wú)不息息相關(guān)。但目前實(shí)際狀況是:一方面?zhèn)鹘y(tǒng)電網(wǎng)存在智能化程度低、運(yùn)行效率低等諸多亟待解決的問(wèn)題,另一方面又面臨全球范圍內(nèi)氣候變暖、能源短缺的窘?jīng)r。2003年,美國(guó)能源部組織相關(guān)專(zhuān)家對(duì)電力工業(yè)的現(xiàn)狀和未來(lái)進(jìn)行反思和展望,提出了“智能電網(wǎng)”的概念。中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司也明確提出了在2020年之前分三個(gè)階段實(shí)施智能電網(wǎng)建設(shè)的具體規(guī)劃。

  發(fā)展智能電網(wǎng)的目標(biāo)是建設(shè)節(jié)能、環(huán)保、高效、可靠、穩(wěn)定的現(xiàn)代化電網(wǎng),其中與之相配套的一個(gè)很重要的核心環(huán)節(jié)就是發(fā)展大規(guī)模的電力儲(chǔ)能技術(shù)。

  儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)、可再生能源接入、分布式發(fā)電、微電網(wǎng)以及電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展必不可少的支撐技術(shù),可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷,可以提高電力設(shè)備運(yùn)行效率、降低供電成本,還可以作為促進(jìn)可再生能源應(yīng)用,提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。智能電網(wǎng)的構(gòu)建促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)升級(jí)、推動(dòng)儲(chǔ)能需求尤其是大規(guī)模儲(chǔ)能需求的快速增長(zhǎng),從而帶來(lái)相應(yīng)的投資機(jī)會(huì)。

  隨著儲(chǔ)能技術(shù)的大量應(yīng)用必將在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制方面帶來(lái)變革。儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生,具有越來(lái)越重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值,目前儲(chǔ)能在中國(guó)的發(fā)展剛剛起步。國(guó)家應(yīng)該盡快研究?jī)?chǔ)能技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究的投入,切實(shí)鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新,掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán);從規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展起始階段就重視環(huán)境因素,防治環(huán)境污染;充分發(fā)揮儲(chǔ)能在節(jié)能減排方面的作用,把對(duì)新能源的鼓勵(lì)政策延伸到儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。近年來(lái),我國(guó)電網(wǎng)峰谷差逐年增大,多數(shù)電網(wǎng)的高峰負(fù)荷增長(zhǎng)幅度在10%左右,甚至更高。而低谷負(fù)荷的增長(zhǎng)幅度則維持在5%甚至更低。峰谷差的增加幅度大于負(fù)荷的增長(zhǎng)幅度,在電網(wǎng)中引入儲(chǔ)能系統(tǒng)成為了實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)峰的迫切需求。

  儲(chǔ)能技術(shù)擁有廣泛的應(yīng)用前景,但實(shí)現(xiàn)規(guī)?;瘍?chǔ)能當(dāng)前仍是一個(gè)世界性難題。目前,我國(guó)約有40個(gè)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目,而規(guī)模在1000千瓦級(jí)的項(xiàng)目為數(shù)不多。這些儲(chǔ)能項(xiàng)目多起到示范、探索性作用,并不具備產(chǎn)業(yè)化意義。

  由于我國(guó)的能源中心和電力負(fù)荷中心距離跨度大,電力系統(tǒng)一直遵循著大電網(wǎng)、大電機(jī)的發(fā)展方向,按照集中輸配電模式運(yùn)行,隨著可再生能源發(fā)電的飛速發(fā)展和社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高,儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。儲(chǔ)能技術(shù)主要的應(yīng)用方向有:風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)組成的局域網(wǎng),用于偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、工廠(chǎng)及辦公樓供電;通信系統(tǒng)中作為不間斷電源和應(yīng)急電能系統(tǒng);風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)整;作為大規(guī)模電力存儲(chǔ)和負(fù)荷調(diào)峰手段;電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能裝置;作為國(guó)家重要部門(mén)的大型后備電源等。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷進(jìn)步,安全性好、效率高、清潔環(huán)保、壽命長(zhǎng)、成本低、能量密度大的儲(chǔ)能技術(shù)將不斷涌現(xiàn),必將帶動(dòng)整個(gè)電力行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展,創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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