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储能效率

储能效率

分类: 储能
属性: 技术
最后修改时间: 2018年03月02日
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储能效率是指储能元件储存起来的电量与输入能量的比。

     储能技术主要分为物理储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、离子电池)和电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器储能等)三大类。

蓄电池储能效率关系到蓄电池的寿命和成本,要提高蓄电池储能效率就要了解储能效率都受哪些因素的影响,除了蓄电池自身构造会影响其储能效率,如元件材质、制造工艺、电解液配置等,蓄电池储能效率也与充电状态、充放电电流、充电电压、环境温度等一些外部因素有很大关系。

储能技术

储能技术主要分为物理储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池)和电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器储能等)三大类。根据各种储能技术的特点,飞轮储能、超导电磁储能和超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合,如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量,抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等;而抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源可再生能源并入等大规模、大容量的应用场合。

蓄电池储能效率测试系统的设计

蓄电池储能效率测试系统的基本原理见图,系统的主要元件有:单相智能电表、充电器、逆变器、单片机

负载等。工作过程可以简要的描述为:充电开始时,电表接在交流电源和蓄电池的充电模块之间,通过电表可以直接读出蓄电池充电完成消耗的电能,这部分电能包括两部分:充电器以及各种开关器件损耗的电能、蓄电池内阻耗能和储存的电能。当充电完成时,由充电模块向控制模块发出充电完成信号(持续高电平),控制模块此时将电表数据送至单片机,由单片机将数据记录并显示出来。然后控制模块向充电模块发出指令使充电电路停止工作,并向逆变模块发出指令使逆变电路工作,向负载供电。此时将电表接在逆变器与负载之间,通过电表可以直接读出负载从蓄电池获取的电能,由于电表只能检测220V交流电,所以从电表获取的电能实际上包含了逆变器消耗电能和负载消耗的电能。

当放电完成时,由逆变模块向控制模块发出放电终止信号,控制模块此时将电表发送过来的电量数据送至单片机,由单片机将数据记录并显示出来。然后控制模块向逆变模块发出指令使逆变电路停止工作,并断开负载。考虑到蓄电池充电和放电的不同步,单相电度表即可作为充电电能计量也可用作放电电能计量。若是要再次检测,重复以上的操作。

蓄电池储能效率影响因素

蓄电池储能效率关系到蓄电池的寿命和成本,要提高蓄电池储能效率就要了解储能效率都受哪些因素的影响,除了蓄电池自身构造会影响其储能效率,如元件材质、制造工艺、电解液配置等,蓄电池储能效率也与充电状态、充放电电流、充电电压、环境温度等一些外部因素有很大关系。

充电状态的影响

充电状态是指蓄电池在充电时达到的状态,简而言之满充时的充电状态为100%。根据国家的相关规定,在充电状态不同时对蓄电池的储能效率有不同的标准,在充电状态小于50%时,要求蓄电池储能效率大于95%;充电状态在75%的时候,要求蓄电池储能效率大于90%;充电状态在90%时,要求蓄电池储能效率大于85%。

充放电电流的影响

由蓄电池特性可知,在对蓄电池进行放电时,大电流放电蓄电池实际释放的能量小于小电流放电时蓄电池释放的能量,这说明蓄电池的储能效率与放电率有很大的关系。

通过图[1]能够看出蓄电池的库伦效率在电流变大时也不断增加,这是由于当大电流充放电时,会缩短蓄电池

的充放电时间,所以蓄电池由于自放电而损失的能量就比较小。而充电效率和放电效率,在电流比较小的时候,两者都会随着电流的增大不断的增大,当超过某一时刻后,两者就会随着电流的增大而减小,这是因为电流过大时电池内部的极化现象就会加剧,蓄电池的功率损耗就会变大,进而使得能量损耗的增加,所以导致蓄电池的效率下降。所以在选择充放电电流的时候不能盲目选择,电流过大或者过小都会降低蓄电池的效率,要根据实际的情况对蓄电池充放电电流进行选择。

充电电压的影响

充电效率实际也就是把硫酸铅转变成二氧化铅和铅活性物质的时消耗的电量和充电过程中输入到蓄电池电

量的比值,在此假设蓄电池没有自放电,那么蓄电池的储能效率就等于充电效率乘以放电效率。而在充电过程中消耗的电能主要由于蓄电池内析气和腐蚀等一些副反应。阀控式铅酸蓄电池的充电效率较高,充电效率和荷电状态有很大关系,一直到蓄电池满电荷之前蓄电池的充电效率都会很高,在接近完全充满电的时候由于产生过充电反应,所以充电效率就会降低。以单体蓄电池为例,其额定电压一般为2.0V,如图给出了在恒压充电方式下充电电压和储能效率的关系曲线,可以看出,在电压较小的时候随着充电电压的升高储能效率会增加,当超过一定值时由于副反应的发生,储能效率会下降。

环境温度的影响

将蓄电池的充电方式设置为恒压限流,在环境温度小于10℃时,会对蓄电池内的电流扩散造成影响使其降低,但是对交换电流的密度影响不大,所以加剧了蓄电池内部浓度差的极化,导致了储能效率的减小。低温条件下,对于放电过程中产生的,充电时其溶解的速度会降到很小,而且上的空隙不能够使电解液保持饱和度最小,对充电的化学反应有一定的阻碍力,最终导致的结果就会使储能效率下降。

其他储能效率

飞轮储能

近年来,飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展:一是高能永磁及高温超导技术的出现;二是高强纤维复合材料的问世;三是电力电子技术的飞速发展。 利用超导,我们可以把具有一定质量的飞轮放在永磁体上边,飞轮兼作电机转子。当给电机充电时,飞轮增速储能,变电能为机械能;飞轮降速时放能,变机械能为电能。储能飞轮装置示例:超导体是由钡钇铜合金制成,并用液氮冷却至77K,飞轮腔抽至10-8托的真空度(托为真空度单位,1Torr(托)=133.332Pa),这种飞轮能耗极小,每天仅耗掉储能的2%。

1994年,美国阿贡(ANL)国家实验室用碳纤维试制一个储能飞轮:直径38厘米,质量为 11千克,采用超导磁悬浮,飞轮线速度达1000米/秒。它储的能量可将10个100瓦灯泡点燃2~5小时。该实验室目前正在开发储能为50千瓦小时的储能轮,最终目标是使其储能达5000千瓦小时的储能飞轮。一个发电功率为100万千瓦的电厂,约需这样的储能轮200个。

1992年美国飞轮系统公司(AFS)开发了一种用于汽车上的机-电电池(EMB),每个“电池”长18厘米,直径23厘米,质量为23千克。电池的核心是一个以20万转/分旋转的碳纤飞轮,每个电池储能为1千瓦小时,它们将12个“电池”放在IMPACT轿车上,能使该车以100千米/小时的速度行驶480千米。机-电电池共重273千克,若采用铅酸电池,则共重396千克。机-电电池所储的能量为铅酸电池的2.5倍,使用寿命是铅酸电池的8 倍,且它的“比功率”(即爆发力)极高,是铅酸电池的25倍,是汽油发动机的10倍,它可将该车在8秒钟内由静止加速至100千米/小时。

飞轮电池是90年代才提出的新概念电池,它突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能。众所周知。当飞轮以一定角速度旋转时,它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能,就很像标准电池。飞轮电池中有一个电机,充电时该电机以电动机形式运转,在外电源的驱动下,电机带动飞轮高速旋转,即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能;放电时,电机则以发电机状态运转,在飞轮的带动下对外输出电能,完成机械能(动能)到电能的转换。当飞轮电池输出电的时,飞轮转速逐渐下降,飞轮电他的飞轮是在真空环境下运转的,转速极高(高达200000r/min),使用的轴承为非接触式磁轴承。据称,飞轮电池比能呈可达150W·h/kg,比功率达5000-10000W/kg,使用寿命长达25年,可供电动汽车行驶500万公里。

抽水储能

抽水储能电站储存能量的释放时间从几小时到几天,综合效率在70~85%之间。

水轮机的效率:现在的转轮技术模型最高有95%,80-90年代的水轮机模型效率最高只90%。中、小型水轮机的效率可能只有75~80%左右。 大型水泵的效率大约在85~90%之间。

再考虑发电机效率98%左右。看起来抽水储能的效率也就是70~80%左右。

超导储能

超导储能系统(SMES)利用超导体制成的线圈储存磁场能量,功率输送时无需能源形式的转换,具有响应速度快(ms 级),转换效率高(≥96%)、比容量(1-10 Wh/kg)/比功率(104-105kW/kg)大等优点,可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿。

SMES 可以充分满足输配电网电压支撑、功率补偿、频率调节、提高系统稳定性和功率输送能力的要求。

氢储能

氢储能在电力供过于求的时候采用电解水的方式获得氢,然后低温液态存储起来,在需要的时候通过燃烧产生能量,氢也是燃料电池的主要燃料之一。目前氢能的生产成本是汽油的4~6倍,其运输、存储、转化过程的成本也都较化石能源高。有人提出利用太阳能,风能水能发电电解水,真正实现新能源产生新能源,并达到储存能量效果,真正实现“清洁能源的可持续利用”。

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