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[技术] 大型风场储电系统 电力转换与运用 吴元康 老师

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发表于 2008-12-1 12:17:51 | 显示全部楼层

大型风场储电系统 电力转换与运用 吴元康 老师

  大型风场之储电系统  

  吴元康 老师

  合适的储能系统

  * 大幅增加再生能源的发电比例

  * 降低尖峰时的供电成本,进而降低电价,提供经济效益

  * 替代投资新的传输线、配电线路、以及发电厂,降低系统成本

  * 提供有效的备载容量及电力品质改善(较发电机有更快的启动速度)

  * 提供有效的负载管理机制及策略性的商业工具

  * 改善系统的可靠度、稳定度,以及电力品质。

  * 在电力市场中,大幅避免中断能源交易,以及预测错误所带来的损失,进而提供稳定的电价

  典型能源储存的方式大约分成下列几类型  

  * 电能 (如超级电容器(supercapacitor))

  * 电化学能 (如传统铅酸电池、flow cell、燃料电池)

  * 动能 (如飞轮(flywheel))

  * 位能 (如空气压缩储能系统(CAES)、抽蓄电厂(pumped hydro))

  * 化学能 (如氢储能系统(Hydrogen-based))

  * 磁能 (如超导磁能储存系统(SMES))

  * 热能及热化学能

  超级电容器(supercapacitor)  

  * 有别于传统电容器,超级电容器使用碳或其他高表面积密度材质作为导体,且电极间的距离非常小。因此可储存较高的电能。它是介于传统电容器与电池之间的一种储能元件,一般应用于高功率短时间放电的储能系统,如行动通讯装置(GSM)以及电动车加速时使用。在电力系统的应用部分,主要使用于电力品质的改善。目前商业化的超级电容器大部分低于 100KW以及低于10秒的放电时间,因此常使用模组串联来提高输出电压。

  * 超级电容器的优点在于充放电的速度远快于传统的化学电池(30秒至40秒的时间内可充电至额定容量的60%至80%),且由于其成份没有电解液,因此在相同储存容量下的重量远轻于一般电池。此外,它几乎没有充放电次数(高于一百万次以上)以及最大放电量的限制,而且操作温度范围亦能下探至摄氏-25度,它的平均寿命可高达25年以上。但是它的最大缺点是储能密度低于一般的化学电池且放电时间很短。

  电化学 (Electrochemistry) 储能系统  

  * 电化学储能系统以电池为主,包含传统电池、改良式的液流电池,以及燃料电池等。一般电力系统所使用的较大型传统电化学电池包括铅酸(lead acid)、镍镉(Nickel cadmium)、钠硫(sodium sulphur)、锂离子(lithium ion)、以及氯化镍电池(sodium nickel chloride)。它们的最大优点在于响应时间快、不受地形及地理位置所影响,但缺点为拥有较低的能源及功率密度,因此不易建置大型储能系统。此种电池储能须注意放电次数的限制、放电的最大容许量、充放电速率,能源效率,以及使用寿命等。

  一般电化学电池的比较  

  90

  95

  90

  70

  80

  能源效率(%)

  2500

  1000~10000

  2500

  2500

  500~1500

  充放电次数

  (cycle)

  130~160

  200~315

  90~230

  150~300

  75~300

  输出功率范围

  (W/kg)

  125

  150~200

  150~240

  75

  35~50

  输出能量范围

  (Wh/kg)

  10~100 kW

  1~10 kW

  1~10MW

  1~10 MW

  10~100 MW

  功率上限

  氯化镍电池

  (Sodium nickel chloride)

  锂离子电池(Lithium ion)

  钠硫电池

  (Sodium sulphur)

  镍镉电池

  (Nickel cadmium)

  铅酸电池

  (Lead acid)

  电池

  特性

  铅酸电池优缺点

  * 在所有电池中,铅酸电池是最普遍亦是最便宜的电池之一,由于初始建置成本低,因此常是分散式发电系统的辅助储能设备。

  * 铅酸电池已经成功地应用在大型商业化的能源管理系统,早于1988年,美国南加州艾迪生公司及EPRI已在12KV 配电系统上建立一座铅酸电池示范储能系统,其容量为4小时内可供应10MW 储能电力,目的为藉由此示范系统深入研讨铅酸电池之特性与经济效益。

  * 铅酸电池重要的应用实例:包括铅酸电池应用于电力系统之备载容量、频率控制,不断电系统,以及电力品质。然而,它的最大缺点是储存能量密度低,因此若需要大规模的储能系统,需要相当大的电池体积空间。此外,它有充放电次数的限制,且温度对其使用寿命亦有所影响,而部分铅酸电池的低温特性差因此需要增加额外的加热管理系统。

  镍镉电池

  * 镍镉电池之储存能量密度高于铅酸电池,因此常替代铅酸电池作为电力系统或电动车之储能应用。此外,由于它具有高可靠度及低维护成本之特性,因此非常适合用于紧急照明电力、不断电系统、通信电源,以及发电启动装置。目前美国阿拉斯加黄金谷(Golden Valley)电池能源储存系统(GVEA)即是以此电池为主力

  * 此一系统为目前世界最大电池储能的系统,主要功能为提供电力系统之备载容量。它包含四组电池排,每排拥有3440颗电池。其额定容量为15分钟可供应27MW。此系统预期将扩增至额定容量为可放电46 MW达15分钟。

  美国阿拉斯加黄金谷(Golden Valley)电池能源储存系统(GVEA)

 楼主| 发表于 2008-12-1 12:18:15 | 显示全部楼层
  钠硫电池

  * 钠硫电池(NAS)亦常应用于电力系统之储能设备。它的操作温度为摄氏300至350度,藉以增进储能性能。它的优点包括:高储能密度(约为铅酸电池的三倍)、高效率 (约90%)以及高充放电次数(2500次)。由于钠硫电池的操作温度不是室温,因此需要配置加热系统,一般均利用其本身储能来加热。早在1984年,日本TEPCO 与NGK已发展钠硫电池之电力储能系统,如已经在日本设置48MWh钠硫电池储能系统。近年来,美国AEP已开始在俄亥俄州进行第一个使用钠硫电池连结电网的示范系统。此系统包含两组 50Kw,375kwh之并联电池模组,可供应250kw 30秒的短时间功率。此种电池虽然目前的产质较低,但据研究若建置大型电池系统,其成本将与铅酸电池相当。

  液流电池

  * 传统电池不易製作大规模之储能技术, 1974年由Thaller L.H 公开发表液流电池(flow redox cell)。相较于一般传统电池,其活性物质被包容于阴阳两电极,液流电池的活性物质是以电解液(liquid electrolyte solutions)型式存在。

  * 液流电池的活性物质可溶解于分装在两大储存槽中,各由一个帮浦将溶液流经液流电池,在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原与氧化反应。此化学反应为可逆的,因此可达到多次充放电的能力。此系统之储能容量由储存槽中的电解液容积决定,而输出功率取决于电池的面积。由于两者可以独立设计,因此系统设计的灵活性大而且受设置场地限制小。

  液流电池储能系统概要图

  液流电池

  * 目前液流电池有三种主要的型式,分别为全钒vanadium redox(VRB)、多硫化溴(polysulphide bromide(PSB)),以及锌溴电池(Zinc Bromine, ZnBr)。

  15

  5~10

  5~10

  平均使用寿命(year)

  n.a.

  大于2000

  大于12000

  充放电次数

  60~75

  65~75

  78~80

  效率(%)

  n.a.

  可达到60

  16~33

  能源密度(Wh/litre)

  可达到120

  0.05~1

  0.5~5

  储能额定容量(MWh)

  多硫化溴电池

  锌溴电池

  全钒电池

  燃料电池  

  * 它不像一般化学电池用完即丢弃,而是一种需要添加燃料(氢气)来产生与维持电力的系统。。它是由阴极、阳极,以及电解液所组成,燃料电池在工作时,阳极供给氢气或其他燃料,而向阴极供给氧化剂(空气或氧)。氢气在阳极分解成氢离子和电子,而电子便沿外部电路经负载流至阴极。因此,燃料电池即是利用水电解的逆反应原理来达成发电储能的效益,它所使用的氢燃料可从任何的碳氢化合物获得,例如天然气、甲醇、水电解等。

  燃料电池

  燃料 (H2)

  阳极

  阴极

  空气(O2)

  负载

  电解质

  排放 (H2O)

  排放 (H2O)

  燃料电池

  * 目前燃料电池的种类主要包括硷性(AFC)、磷酸型(PAFC)、质子交换膜(PEMFC)、熔融碳酸盐(MCFC)、固态氧化物(SOFC),以及直接甲醇(DMFC)燃料电池等。

  * 一般燃料电池的优点包括低污染、低噪音、燃料来源多元化、应用范围广。但它的主要缺点为成本较高、安全性要求高、单位体积及单位重量所产生的功率较小。此外,燃料电池是一种反应较为慢速的储能系统,它可能需要数十秒甚至数分钟的时间改变输出能量,因此单独搭配再生能源有其潜在的侷限。

  动能储存系统  

  * 最典型的动能储存系统为飞轮储能系统(flywheel)。此系统可视为一机械型式的电池:将能量以旋转动能的型式储存。它包含储存能量的飞轮、电能与机械能间转换用的电动机、用于支撑飞轮的磁悬浮系统、以及电力电子转换与其控制系统等

  * 目前飞轮储能系统一般分为两大类:一为传统的钢製低速转子(低于10,000 rpm)、另一为複合材料製的高速转子。目前全世界领先的钢製低速储能系统製造商包括德国的Piller公司、美国的Active Power、Satcon、以及Caterpillar公司等,其产品主要应用于短时间(10~100秒) 不断电系统(UPS)之储能装置以及使用于电力品质的改善。当电力中断时,此系统可维持约15至20秒的电力,足够克服高达94%左右的电力扰动。近期美国Active Power成功推出低速飞轮储能商品,可供应13秒内240KW的储能电力。 
 楼主| 发表于 2008-12-1 12:18:37 | 显示全部楼层
  飞轮储能系统

  * 低速飞轮储能系统製造技术已近成熟,因此可提供高可靠度低维护成本的短时间储能应用。然而由于飞轮储能的容量正比于转速的平方,飞轮系统的发展近年来已导向高速系统(转速达数十万rpm)

  * 其转速受限于飞轮材质与结构,由于碳纤维複合材料具有很高的强度,因此非常适合作为高速的飞轮转子,使得转子速度能加快、体积减少,并节省成本。而在轴承部分近年亦改良成磁浮轴承,以减少轴承高速转动时的热能损失,此外,亦可将飞轮置于真空槽中,减少阻力。目前也开始发展高温超导飞轮系统,以减少热能损失并提高系统稳定度。

  位能储存系统  

  * 一般典型的位能储存系统包括抽蓄水力储能(pumped hydro storage)以及空气压缩储能系统(Compressed Air Energy Storage, CAES)

  空气压缩储能系统

  * 此系统利用离峰电力将空气压缩灌入人造地下高压空气储存槽(典型压力约75 bar)。当系统负载处于尖峰时再释放此高压空气,并与燃料(一般为天然气)溷合燃烧产生蒸气推动发电机发电。由于高压空气可节省约一般天然气发电用量的三分之二,因此大幅降低发电成本。

  空气压缩储能系统

  空气压缩储能系统

  * 它的优点是储能量大,且储存高压空气的时间可长达一年,因此非常适合作为中长期的储能系统。缺点是高压空气储存槽受限于地理结构,并不是所有地质结构均可设计建造人工储存槽。而合适的地质环境并不见得拥有天然气及再生能源等资源,因此限制了与再生能源合成的应用。

  空气压缩储能系统

  * 空气压缩储能系统的概念早于三十多年前,目前全世界已有两座大型空气压缩储能系统:第一座位于德国Huntorf,由1978开始运转。它的主要功能是作为紧急备用电力或是替代尖峰高成本电厂的能源。此座储能系统包含两个高压空气储存槽(最大的气压达100 bar),共计容量为310,000 (m3),深度高达600m。空气经由60MW的空气压缩机灌入储存槽中,并每隔八小时充气一次。此系统能够在两小时内供应290MW的电力。

  * 第二座CAES建造于1991年,位于美国阿拉巴马州之Mclntosh。此系统之建厂时间约为30个月,共计花费6千5百万美金。它的功能亦为替代尖峰高成本电厂的能源,空气储存槽的容量超过 500,000 (m3),深度高达450m。此系统之额定容量为26小时可供应110MW。值得注意的是,此系统增加了废热回收系统,因此大幅降低25%的燃料使用。

  美国阿拉巴马州之Mclntosh

  空气压缩储能系统

  * 近年来,一些研究已报导结合生质能(biomass)发电、风力发电,以及大型空气压缩储能系统之可行性与经济效益。其概念为利用农作物之生质能燃料取代天然气,并搭配传统风能-空气压缩储能系统。因此当负载尖峰时,将高压空气释放,并与生质能溷合燃烧产生蒸气推动发电机发电。目前在美国中西部,拥有高密度的风能资源以及低成本的生质产能,因此这种系统biofueled wind/CAES系统将被研究评估中。此外,地面上之空气储存槽亦在研究之中。

  超导磁能储存系统(SMES)

  * 此系统为将交流电转换至直流后,将此直流电流引入金属超导电磁线圈(主要材质为Nb-Ti 或 Nb3Sn),并以直流电流流经线圈产生磁能方式储存能量。此线圈藉由冷凝系统保持低温超导温度(约摄氏-269度)以保持其超导特性,因此可近似为无电阻线圈,使能量损耗达到最小。其储能容量取决于直流电流的大小以及线圈的长度。理论上一公尺直径的线圈可在一秒钟供应1MW的储能,而1000公尺直径之超导线圈可供应五小时1000MW的储能。

  * 目前许多小型之超导磁能储存系统(如1MW-1秒)已经成功开发。近年来高温超导(HTS)的研究大幅提高此种储能系统在电力系统上的应用,但最大的缺点是所耗费的成本相当高,此外,由于超导特性对于温度相当敏感,因此需要维持高度的温控稳定性。而储能过程所产生强大的磁场(高于9特士拉),也是一项愈来愈关注的环境问题。

  * 超导磁能储存系统最大的两项优点便是高效率与高响应速度。此外,它并没有如电池储能有充放电的次数限制。一座超导储能系统的建置约只需两週左右的时间[23]。 
 楼主| 发表于 2008-12-1 12:18:49 | 显示全部楼层
  各种储能系统的功率-放电时间特性

  国外储能系统应用于风力发电系统之桉例  

  * 西班牙Canary岛设置一座风力发电海水澹化系统,此为风力发电结合飞轮储能系统的实例。此系统为一独立电力系统:包含两座风机(额定容量为460 kW)、一座飞轮储能系统,并将所发电力供应给八座海水逆渗透机组(RO)。据报导,在地中海周围及岛屿上,此种风能海水澹化系统将有相当大的发展潜力。

  美国ISEP计画中结合风力发电与CAES储能系统之概念图  

  Electric Power Substation at CAES Power Plant

  CAES Power Plant

  Operation During Energy Generation Phase

  CAES Power Plant Generates Power

  to Supplement and Firm Up Wind Farm Output

  PWind

  Air Flow

  Underground Aquifer

  Compressed Air Storage

  PCAES

  20 MW

  100 MW

  80 MW

  Local Wind Farm

  英国HaRI计画中结合之独立再生能源系统架构图

  加那利群岛(Canary islands)中的Gran Canaria

  岛之风力-抽蓄水力系统

  报告完毕

  敬请指教

发表于 2015-11-27 17:13:52 | 显示全部楼层
不错不错,楼主您辛苦了。。。
发表于 2016-1-3 12:20:26 | 显示全部楼层
这是什么东东啊
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