储能技术的种类及其优缺点分析报告「储能技术主要分为哪几类」

时间：2023-04-09 10:37:04来源：搜狐

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储能技术是通过装置或物理介质将能量储存起来以便以后需要时利用的技术。储能技术按照储存介质进行分类，可以分为机械类储能、电气类储能、电化学类储能、热储能和化学类储能。
一、机械类储能

机械类储能的应用形式只要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。

1.1 抽水蓄能原理

说简单点，抽水蓄能电站就是在势能与电能之间相互转换。负荷低谷时段，利用电网内部消耗不掉的电能将下水库的水抽到上水库，转换成水的势能储存起来，此时抽水蓄能电站是电网内的一个用户;到电网用电高峰的时候，转化为水轮发电机模式，将上水库的水放到下水库来发电，从而完成水的势能到电能的转换，达到弥补用电缺口的目的。这时，抽水蓄能电站是电网内的一个发电站。

抽水蓄能分类

按电站有无天然径流分：纯抽水蓄能电站与混合式抽水蓄能电站

(1)纯抽水蓄能电站：没有或只有少量的天然来水进入上水库(以补充蒸发、渗漏损失)，而作为能量载体的水体基本保持一个定量，只是在一个周期内，在上、下水库之间往复利用;厂房内安装的全部是抽水蓄能机组，其主要功能是调峰填谷、承担系统事故备用等任务，而不承担常规发电和综合利用等任务。

(2)混合式抽水蓄能电站：其上水库具有天然径流汇入，来水流量已达到能安装常规水轮发电机组来承担系统的负荷。因而其电站厂房内所安装的机组，一部分是常规水轮发电机组，另一部分是抽水蓄能机组。相应地这类电站的发电量也由两部分构成，一部分为抽水蓄能发电量，另一部分为天然径流发电量。所以这类水电站的功能，除了调峰填谷和承担系统事故备用等任务处，还有常规发电和满足综合利用要求等任务。

按水库调节性能分：日调节、周调节、季调节抽水蓄能电站

(1)日调节抽水蓄能电站：其运行周期呈日循环规律。蓄能机组每天顶一次(晚间)或两次(白天和晚上)尖峰负荷，晚峰过后上水库放空、下水库蓄满;继而利用午夜负荷低谷时系统的多余电能抽水，至次日清晨上水库蓄满、下水库被抽空。纯抽水蓄能电站大多为日设计蓄能电站。

(2)周调节抽水蓄能电站：运行周期呈周循环规律。在一周的5个工作日中，蓄能机组如同日调节蓄能电站一样工作。但每天的发电用水量大于蓄水量，在工作日结束时上水库放空，在双休日期间由于系统负荷降低，利用多余电能进行大量蓄水，至周一早上上水库蓄满。我国第一个周调节抽水蓄能电站为福建仙游抽水蓄能电站。

(3)季调节抽水蓄能电站：每年汛期，利用水电站的季节性电能作为抽水能源，将水电站必须溢弃的多余水量，抽到上水库蓄存起来，在枯水季内放水发电，以增补天然径流的不足。这样将原来是汛期的季节性电能转化成了枯水期的保证电能。这类电站绝大多数为混合式抽水蓄能电站。

按站内安装的抽水蓄能机组类型分：四机分置式、三机串联式、二机可逆式

(1)四机分置式：这种类型的水泵和水轮机分别配有电动机和发电机，形成两套机组。已不采用。

(2)三机串联式：其水泵、水轮机和发电电动机三者通过联轴器连接在同一轴上。三机串联式有横轴和竖轴两种布置方式。

(3)二机可逆式：其机组由可逆水泵水轮机和发电电动机二者组成。这种结构为主流结构。

按布置特点分：首部式、中部式、尾部式

(1)首部式：厂房位于输水道的上游侧。

(2)中部式：厂房位于输水道中部。

(3)尾部式：厂房位于输水道末端。

（2）特点：属于大规模、集中式能量储存，技术相当成熟，可用于电网的能量管理和调峰；效率一般约为65%~75%，最高可达80%~85%；

负荷响应速度快(10%负荷变化需10秒钟)，从全停到满载发电约5分钟，从全停到满载抽水约1分钟；具有日调节能力，适合于配合核电站、大规模风力发电、超大规模太阳能光伏发电。

（3）缺点：需要上池和下池；

厂址的选择依赖地理条件，有一定的难度和局限性；

与负荷中心有一定距离，需长距离输电。

（4）应用

目前，抽水蓄能机组在一个国家总装机容量中所占比重的世界平均水平为3%左右。截至2012年底，全世界储能装置总容量为128GW，其中抽水蓄能为127GW，占99%。截至2012年年底，我国共有抽水蓄能电站34座，其中，投运26座，投运容量2064.5万千瓦约占全国总装机容量11.4亿千瓦的1.8%。（另在建8座，在建容量894万千瓦）

1.2飞轮储能

（1）基本原理

飞轮储能原理

飞轮储能的工作原理即在电力富裕条件下，由电能驱动飞轮到高速旋转，电能转变为机械能储存;当系统需要时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能，供用户使用。飞轮储能通过转子的加速和减速，实现电能的存入和释放。

飞轮储能结构

飞轮储能系统基本的结构包括以下五个组成部分：

飞轮轮子：一般为高强度复合纤维材料组成，通过一定的绕线方式缠绕在与电机转子一体的金属轮毅上。

轴承：利用永磁轴承、电磁轴承、超导悬浮轴承或其他低摩擦功耗轴承支承飞轮，并采用机械保护轴承。

电动发电机：一般为直流永磁无刷同步电动发电互逆式双向电机。

电力转换器：它是输入电能转化为直流电供给电机，输出电能进行调频、整流后供给负载的关键部件。

真空室：为减少风损、防止高速旋转的飞轮发生安全事故，飞轮系统放置与高真空密封保护套筒内。

（2）优点

寿命长（15~30年）；

效率高（90%）；

少维护、稳定性好；

较高的功率密度；

响应速度快（毫秒级）。

（3）缺点

能量密度低，只可持续几秒至几分钟；

由于轴承的磨损和空气的阻力，具有一定的自放电。

（4）应用

飞轮储能多用于工业和UPS中，适用于配电系统运行，以进行频率调节,可用作一个不带蓄电池的UPS，当供电电源故障时，快速转移电源，维持小系统的短时间频率稳定，以保证电能质量(供电中断、电压波动等)。

在我国刚刚开始在配电系统中安装使用。电科院电力电子研究所曾为北京306医院安装了一套容量为250kVA,磁悬浮轴承的飞轮储能系统，能运行15秒，2008年投运。

1.3压缩空气储能

（1）基本原理

压缩空气储能采用空气作为能量的载体，大型的压缩空气储能利用过剩电力将空气压缩并储存在一个地下的结构（如地下洞穴），当需要时再将压缩空气与天然气混合，燃烧膨胀以推动燃气轮机发电。

（2）优点

有调峰功能，适合用于大规模风场，因为风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转，减少了中间转换成电的环节，从而提高效率。

（3）缺点

需要大的洞穴以存储压缩空气，与地理条件密切相关，适合地点非常有限；

需要燃气轮机配合，并要一定量的燃气作燃料，适合于用作能量管理、负荷调平和削峰；

以往开发的是一种非绝热（diabatic）的压缩空气储能技术。空气在压缩时所释放的热，并没有储存起来，通过冷却消散了，而压缩的空气在进入透平前还需要再加热。因此全过程效率较低，通常低于50%。

二、电气类储能

电气类储能的应用形式只要有超级电容器储能和超导储能。

2.1超级电容器储能

（1）基本原理

根据电化学双电层理论研制而成的，又称双电层电容器，两电荷层的距离非常小（一般0.5mm以下），采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。

（2）优点

长寿命、循环次数多；

充放电时间快、响应速度快；

效率高；

少维护、无旋转部件；

运行温度范围广，环境友好等。

（3）缺点

超级电容器的电介质耐压很低，制成的电容器一般耐压仅有几伏，储能水平受到耐压的限制，因而储存的能量不大；

能量密度低；

投资成本高；

有一定的自放电率。

（4）应用

超级电容器储能开发已有50多年的历史，近二十年来技术进步很快，使它的电容量与传统电容相比大大增加，达到几千法拉的量级，而且比功率密度可达到传统电容的十倍。超级电容器储能将电能直接储存在电场中，无能量形式转换，充放电时间快，适合用于改善电能质量。由于能量密度较低，适合与其他储能手段联合使用。

2.2超导储能

（1）基本原理

超导储能系统是由一个用超导材料制成的、放在一个低温容器（cryogenicvessel）（杜瓦Dewar）中的线圈、功率调节系统（PCS）和低温制冷系统等组成。能量以超导线圈中循环流动的直流电流方式储存在磁场中。

（2）优点

由于直接将电能储存在磁场中，并无能量形式转换，能量的充放电非常快（几毫秒至几十毫秒），功率密度很高；

极快的响应速度，可改善配电网的电能质量。

（3）缺点

超导材料价格昂贵；

维持低温制冷运行需要大量能量；

能量密度低（只能维持秒级）；

虽然已有商业性的低温和高温超导储能产品可用，但因价格昂贵和维护复杂，在电网中应用很少，大多是试验性的。

（4）应用

超导储能适合用于提高电能质量，增加系统阻尼，改善系统稳定性能，特别是用于抑制低频功率振荡。但是由于其格昂贵和维护复杂，虽然已有商业性的低温和高温超导储能产品可用，在电网中应用很少，大多是试验性的。SMES在电力系统中的应用取决于超导技术的发展(特别是材料、低成本、制冷、电力电子等方面技术的发展)。

三、电化学类储能

电化学类储能主要包括各种二次电池，有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等，这些电池多数技术上比较成熟，近年来成为关注的重点，并且还获得许多实际应用。在这着重讲解锂电池：

3.1铅酸电池

（1）基本原理

铅酸电池是世界上应用最广泛的电池之一。铅酸电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电势，这就是铅酸电池的原理。

（2）优点

技术很成熟，结构简单、价格低廉、维护方便；

循环寿命可达1000次左右；

效率可达80%至90%，性价比高。

（3）缺点

深度、快速、大功率放电时，可用容量下降；

能量密度较低，寿命较短。

（4）应用

铅酸电池常常用于电力系统的事故电源或备用电源，以往大多数独立型光伏发电系统配备此类电池。目前有逐渐被其他电池（如锂离子电池）替代的趋势。

3.2锂离子电池

（1）基本原理

锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。充电时，Li 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li 从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。

（2）优点

锂离子电池的效率可达95%以上；

放电时间可达数小时；

循环次数可达5000次或更多，响应快速；

锂离子电池是电池中比能量最高的实用型电池，有多种材料可用于它的正极和负极（钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池、钛酸锂锂离子电池等）。

（3）缺点

锂离子电池的价格依然偏高；

有时会因过充电而导致发热、燃烧等安全问题，有一定的风险，所以需要通过过充电保护来解决。

（4）应用

由于锂离子电池在电动汽车、计算机、手机等便携式和移动设备上的应用，所以它目前几乎已成为世界上应用最为广泛的电池。锂离子电池的能量密度和功率密度都较高，这是它能得到广泛应用和关注的主要原因。它的技术发展很快，近年来，大规模生产和多场合应用使其价格急速下降，因而在电力系统中的应用也越来越多。锂离子电池技术仍然在不断地开发中，目前的研究集中在进一步提高它的使用寿命和安全性，降低成本、以及新的正、负极材料的开发上。

四、热储能

（1）基本原理

在一个热储能系统中，热能被储存在隔热容器的媒质中，以后需要时可以被转化回电能，也可直接利用而不再转化回电能。

热储能有许多不同的技术，可进一步分为显热储存(sensibleheatstorage)和潜热储存(latentheatstorage)等。显热储存方式中，用于储热的媒质可以是液态的水，热水可直接使用，也可用于房间的取暖等，运行中热水的温度是有变化的。而潜热储存是通过相变材料(PhaseChangeMaterials,PCMs)来完成的，该相变材料即为储存热能的媒质。

（2）缺点

n热储能要各种高温化学热工质，应用场合比较受限。

（3）应用

由于热储能储存的热量可以很大，所以在可再生能源发电的利用上会有一定的作用。熔融盐常常作为一种相变材料，用于集热式太阳能热发电站中。此外，还有许多其他种类的储热技术正在开发中，它们有许多不同的作用。

五、化学类储能

化学类储能主要是指利用氢或合成天然气作为二次能源的载体。不作赘述。