第9卷第4期 南京工程学院学报(自然科学版) Vo1.9.No.4 2011年12月 Journal of Nanjing Institute of Technology(Natural Science Edition) Dec..20l1 文章编号:1672—2558(2011)04—0021—07 储能技术在风光互补发电系统中的 应用及展望 李 冲 ,郑 源 ,周发州1 ,张艳丽 ,王宗荣 ,任 岩 (1.南京工程学院机械工程学院,江苏南京21l167; 2.河海大学水利水电学院,江苏南京210098; 3.华北水利水电学院电力学院,河南郑州450011) 摘要:讨论储能技术的分类、应用及风光互补发电系统的结构,主要介绍目前已经在风光互补发电系统 中使用或者试验的五种储能技术.对目前的研究进行总结,并对其未来发展趋势进行一定的展望. 关键词:储能技术,风光互补发电系统;抽水,超导,飞轮,超级电容器 中图分类号:TK01 9 Application of Energy Storage Technology in Independent Wind-Solar Power Supply System and Prospects LI Chong 一,ZHENG Yuan ,ZHOU Fa—zhou ,ZHANG Yan..1i,. WANG Zong.rong ,REN Yan。, (1.School of Mechanical Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 21 1 167,China; 2.School of Water Conservancy and Hedropower Engineering,Hohai University,Nanjing 2 1 1 1 67,China; 3.School of Electric Power,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 4500 1 1,China) Abstract:This paper discusses the classification and application of energy storage technology,as well as the structure of wind—solar hybrid power supply system.And five energy storage technologies that are currently used or experimented in independent wind・solar hybrid power supply system are also introduced.An overview of present study in this field is provided and the future prospects of its development trend aye presented. Key words:energy storage technology;wind—solar hybrid power supply system;pumping;superconducting;flywheel; super-capacitor 随着世界范围内的煤、石油和天然气等化石燃料日渐枯竭及对环境造成的污染,有必要紧急寻找可替 代的清洁能源来满足现在的能源需求.风能、太阳能、水能、地热能和海洋能等可替代能源由于其储量巨 大、清洁、使用过程中污染少等特性越来越受到人们的关注.风力发电和太阳能发电通常用于电网延伸不 可行及不经济的偏远地区或农村地区供电,而风能和太阳能具有天然的不可预测性、依靠天气变化和互补 特性,所以它们通常以混合发电系统的形式使用,采用风光互补发电系统可以很好地克服风能和太阳 收稿日期:2011—10—09;修回日期:201l—l1一l5 基金项目:南京工程学院大学生科技创新基金项目(N20100122);南京工程学院科研基金项目(KXJ08024) 作者简介:李冲,博士研究生,初级,研究方向为可再生能源发电,化工过程机械. E-mail:chongli630@163.COITI 22 南京工程学院学报(自然科学版) 能提供能量的随机性和间歇性的缺点,实现连续供电 卜 l l储能技术的分类及应用 储能技术就是将电能、热能等能源通过某种装置转换成其他便于储存的能量高效、可靠地存储起来, 在需要时,可将所存储的能量方便地转换成所需形式能量的一种技术【5]. 储能的形式可分为四类:物理储能(抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、电化学储能(如铅酸电 池、钠硫电池、液流电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和可再生燃料电池等)、电磁储能(超导电磁储 能、超级电容器和高能密度电容储能等)和相变储能(冰蓄冷储能等) 】. 储能技术的特点及应用现状如表1所示l卜 J. 表1储能技术的特点及应用现状 2风光互补发电系统结构 一个典型的风光互补发电系统主要包括风力发电机、太阳能光伏阵列、控制系统、整流器、逆变 器、储能装置、直流或交流负载、电缆和其它辅助设备或柴油(汽油)发电机等.风光互补发电系统结 构如图l所示. 风能和太阳能共同作用来满足负载的用电需求,当风能和太阳能能源充足满足负载用电需求时,多余 的能量给储能装置供电,相反,当风能和太阳能不足时,储能装置协助混合系统给负载供电.为了保证变频 器的正常工作,转储负荷(the dump load)用于系统所产生的剩余能源消耗.最大功率将使风力发电 机和光伏发电机始终在最大功率点运行,以提高系统的效率.在短时间内,当风能和太阳能无法满足高峰 负载用电需求时,这种混合风光互补发电系统通常配有柴油(汽油)发电机来供给负荷用电,但这增加了 整个系统的成本并对环境造成污染.因此,为了减少柴油发电机的使用,混合系统采用了储能技术. 1中 的不间断电源设备(UPS)用来稳定风力发电机的输出,保护敏感设备,防止意外电源的波动 . 第9卷第4期 李冲,等:储能技术在风光互补发电系统中的应用及展望 风力 最大功率 发电机F===={跟踪控制器 |叮1I:o负载 控制单元 妍器\、 \\ 、 、 最大 功率 跟踪 控制 器 太阳能电池板 数据输入 储能装置 ————— 控制器 图1 风光互补发电系统机构图 3储能技术在风光互补发电系统中的应用状况 在风光互补发电系统中,应用蓄能技术是解决风能和太阳能不稳定性、不可预测性、依靠天气变 化性和负荷峰谷比问题的极为有效的措施,将富裕的能量储存起来,以满足负荷高峰时需求,同时储能装 置还能尽量减少存储——转换过程中的能量损失.目前,经济可行的储能技术在风光互补发电系统中 的研究在国内外理论界、工程界得到了越来越广泛的重视.在风光互补发电系统中应用最多、技术最 成熟的储能技术就是铅酸蓄电池储能,但该电池具有存储电能时间短(数天)、使用寿命短、污染环境、功 率密度低、维护量大、需要回收等缺点 ].下面介绍目前已经在风光互补发电系统中使用或者试验的 其它储能技术. 3.1抽水蓄能 抽水蓄能电站一般安装抽水水泵和水轮机,在用电负荷低谷时,它将利用电力系统产生的部分剩余电 力将下水库的水抽到上水库,将这部分低谷电能转换成水的势能储存起来,待到次日电力系统用电负荷回 升时,再将上水库的水通过水轮发电机组放回下水库,将水的势能转换成电能送回电网.这样可以增加电 力系统峰荷供电能力,既解决了电力系统的调峰问题,又提高了电力系统的安全性和经济性¨ . 风光互补抽水蓄能发电系统包括风力发电、光伏发电、抽水、蓄水及水利发电等子系统.风光 互补抽水蓄能发电系统结构¨ 如图2所示. 图2风光互补抽水蓄能发电系统结构图 目前,这种风光互补抽水蓄能发电系统已经在阿里地区得到了应用,成为该地区一种有效 的能源利用方案 引. 3.2超导储能 超导储能(SMES)是通过把电能传换成磁能并储存在超导线圈中以应对可能出现的电力系统问题的 储能技术.典型超导储能系统结构一般由超导线圈、功率调节器、控制系统、冷却系统和保护系统等组成. 将超导储能引人风光发电系统,不仅是作为能量储存装置,更基于SMES响应快速、功率密度大的特性来 作为功率调节的装置.基于超导储能的风光互补发电系统结构一般有共直流母线和共交流母线两种. 南京工程学院学报(自然科学版) 共直流母线相比共交流母线结构来说,在整个系统中较少使用电力电子器件,可以降低成本. 3为基j 超导储能的共直流母线风光互补发电系统结构图[20 J. 流母线 图3 基于超导储能的共直流母线风光互补发电系统结构图 由于超导储能也具有功率密度大的优点,可以预测超导储能也可以和蓄电池储能混合使州在独 风光互补发电系统中,能起到更好的效果,但是未见报道,以后还需要试验验证. 3.3碳纳米管超级电容器储能 3.3.1 碳纳米管超级电容器 超级电容器的性能介于普通电容器和蓄电池之问,通过极化电解质来储能.超级电容器所用的电极材 料包括活性炭、金属氧化物、导电高分子、活性碳纤维、碳气凝胶、碳纳米管等.碳纳米管最初南lfijima r 1991年通过电子显微镜在富勒烯中观察到,其具有良好的导电 性、高的长径比、高的机械强度和良好的化学稳定性.碳纳米管 冈卷曲的石墨层数量不同可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米 管.冈4为两种碳纳米管的结构示意图 盟. 碳纳米管超级电容器可以获得超过1O 次的深度充放电循 环寿命,具有免维护、高可靠性等优点,所以,碳纳米管超级电 容器作为储能装置在风光互补发电系统中的应用具有很好 的前景 卜 . 3.3.2碳纳米管超级电容器储能系统的结构 —图4 单壁和多壁碳纳米管的 结构示意图 +—.1兰堕 [ 竺 用碳纳米管超级电容器储能,它的能量是通过逆变器释放 出来的.碳纳米管超级电容器储能系统的结构及连接方式如图5 所示 . 碳纳米管超级电容器 图5碳纳米管超级电容器储能 系统结构图 3.4基于氢储能的风光互补发电系统 燃料电池是将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转换成电能的一种电化学装置.燃料 电池的容量可以是无限的,根据电解质的不同可分为碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell,AFC)、磷酸燃料 电池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell,MCFC)、质f交 换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)、同体氧化物燃料电池(Solid Oxidant Fuel Cell,SOFC)、直接甲醇燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell,DMFC)、再生燃料电池(Regenerative Fuel Ce11,RFC)等.不同类型的燃料电池都是有阳极、阴极和电解质等单元构成,其工作原理是一致的.目前心 用于风光互补发电系统最多的燃料电池为质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池.质于交换膜 燃料电池的工作原理如图6所示 . 质子交换膜燃料电池的工作原理:燃料气体和氧气通过双极板上的气体通道分别到达燃料电池的 第9卷第4期 李冲,等:储能技术在风光互补发电系统中的应用及展望 极和阴极,通过膜电极组件(MEA)上的扩散层到达催化层.在膜的阳极,氢气在阳极催化剂表面上解离为 水合质子和电子,水合质子通过质子交换膜上的磺酸基传递到阴极,而电子则通过外电路流过负载到达阴 极.在阴极的催化剂表面,氧分子结合从阳极传递过来的水合质子和电子,生成水分子 . 飞轮储能、超级电容器储能、蓄电池等储能方式为短期储能,氢储能技术为长期储能提供了可能.燃料 电池、氢储罐和电解槽结合起来构成了储能装置.目前氢气储能的方法主要有氢气压缩存储、氢气液化存 储和金属氢化物存储 .基于氢气压缩存储的风光互补混合发电系统结构 如图7所示. 动 直流母线 交流母线 风力发电机 最大功率 交流  }用储能 负载 流r 光伏电池板 最大功率  回 悭 电解槽1 转储 负载 压力传动装置l 2H2+02=2H2O H 备用罐l I H 储罐 ———__4压缩机 图6质子交换膜燃料电池的工作原理 图7基于氢储能的风光互补混合 发电系统结构[26-32] 当有多余的风能和太阳能时,电解槽开始电解水生成氢,储存在氢储罐中;如果氢储罐已足够,则多余 的电力被转到转储负载;当系统发电赤字时,氢和氧在燃料电池中进行反应产生电能为负载供电.近年来, 随着燃料电池和电解槽等关键部件成本的降低,氢储能技术将显示出更大的优越性 j. 3.5混合储能技术 铅酸蓄电池储能具有成本低、技术成熟等优点,但是铅酸蓄电池功率密度低,寿命短.而飞轮储能、超 级电容器储能和超导储能都具有功率密度高等优点,因此铅酸蓄电池和飞轮、超级电容器或超导储能都具 有互补性.研究表明,把铅酸蓄电池和超级电容器或者铅酸蓄电池和飞轮储能混合使用,可以优化铅酸蓄 电池的充放电过程、延长铅酸蓄电池的使用寿命、提高系统的能量转化效率、经济性能和技术性能等,对于 风光互补发电系统的优化设计有着积极的作用.因铅酸蓄电池和超导储能的混合使用未见报道,以后 可以进行一定的研究.基于铅酸蓄电池和飞轮混合储能的风光互补发电系统结构如图8所示 . 超级电容器储能与铅酸蓄电池的并联方式一般分无源式结构和有源式结构两种.基于超级电容器储 能与蓄电池混合储能的风光互补发电系统如图9所示 图8铅酸蓄电池和飞轮混合储能的 图9超级电容器与蓄电池混合储能结图 风光互补发电系统结构图 南京工程学院学报(自然科学版) 4展望 1)锂离子电池具有储能密度高、储能效率高和使用寿命长等优点.近几年随着锂离子电池的快速发 展,该新型电池在风光互补发电系统中应用已见报道,可以预测发展新型电池储能系统是未来的一个 发展方向 . 2)燃料电池容量可以是无限、长期储能且极具环保的一种新型电池.基于氢储能的风光互补发 电系统的研究是目前国内外研究的热点,现在制约其发展的是价格昂贵,可以预测随着未来该项储能技术 的发展,将为风光互补发电系统安全、经济、可靠运行提供保证. 3)抽水蓄能是目前发展比较成熟的一种储能技术,在我国已经有广泛的应用,但是用在风光互 补发电系统中的例子还比较少,主要是为抽水储能的场地要求特殊、初投资高等缺点所,但是抽水蓄 能确是发展大型风光互补发电系统的一种最有前途的储能技术. 4)碳纳米管超级电容器储能是纳米技术在超级电容器中的具体应用,纳米技术是未来世界极具发展 前途的技术,可以预测基于纳米技术的风光互补发电系统的储能装置的研制将是以后研究的热点. 5)混合储能技术是综合两种或两种以上的储能技术的优点,基于蓄电池和超级电容器或飞轮储能或 超导储能的混合储能,目前仅仅停留在试验或者预测阶段,还没有具体应用在风光互补发电系统的例 子,这项混合储能技术将是以后研究的重点. 风光互补发电是优于单一风力发电或单一太阳能发电的一种具有发展前途的混合可再生能源发 电技术,随着科技的进步,人类对储能技术的认识不断深化,可以预测储能技术在风光互补发电系统的应 用中具有一定的前景. 参考文献: [1]MIGUEL R R.Small wind/photovoltaic hybrid renewable energy system optimization[D].Mayaguez:University of Pue ̄o Rico,2008. [2]ZHOU Wei.Simulation and optimum design of hybrid solar-wind—desel power generation systems[D].Hong Kong:The Hong Kong Polytechni(・ University,2007. [3] ORHAN E,BANU Y E.Size optimization of a PV/wind hybrid eneryg conversion system with battery storage using response surface methodology [J].Applied Energy,2008(85):1086—1101. [4] 姚兴佳,刘国喜,朱家玲,等.可再生能源及其发电技术[M].1版.北京:科学出版社,2010. [5]程时杰,李刚,孙海顺,等.储能技术在电气工程领域中的应用与展望[J].电网与清洁能源,2009,25(2):1—8 [6] IOANNIS H,ANDREAS P,VENIZELOS E.Overview of current and future eneryg storage technologies for electirc power applications[ Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009(13):1513—1522. [7] 张文亮,丘明,来小康.储能技术在电力系统中的应用[J].电网技术,2008,32(7):1—9. [8] 管俊,高赐威.储能技术在抑制风电场功率波动方面的研究综述[J].电网与清洁能源,201l,27(4) :48—53. [9] 程时杰,文劲宇,孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用[J].电气应用2005,24(4):1—7. [1O]程华,徐政.分布式发电中的储能技术[J].高压电器,2003,39(3):53—56. [11] 王金良.风能、光伏发电与储能[J].电源技术,2009,33(7):628—632. [12]李强,袁越,谈定中.储能技术在风电并网中的应用研究进展[J].河海大学学报:自然科学版,2010,38(1):115—122. [13]BOGDAN S B,ZIYAD M S.Optimum photovoltaic array size for a hybrid wind/PV system[J].IEEE Transactions(m Energy(ionVcrsion, 1994,9(3):482—488. [14]DIAF S,BELHAMEL M,HADDADI M,et a1.Technical and eeonomic assessment of hybrid photovohaic/wind system with battery storage in Corsica island[J].Energy Policy,2008(36):743—754. l二¨心 ¨ 纠 第9卷第4期 李冲,等:储能技术在风光互补发电系统中的应用及展望 [15] YANG Hong.xing,ZHOU Wet,LU Lin,et a1.Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar-wind system with LPSP technology by using genetic algorithm[J].Solar Energy,2008(82):354—367. [16] NAFEH A E.Optimal economical sizing of a PV・wind hybrid energy system using genetic algoirthm[J].International Journal of Green Ener- gY,2011,8:25—43. [17] AGUSTfN J L B.LOPEZ R D.Multi—objective design and control of hybrid systems minimizing costs and unmet load[J].Electirc Power Sys- tems Research,2009,79(1):170—180. 郭伟钊.抽水蓄能、风力和光伏电站群联合运行研究[D].北京:华北电力大学,2011. 陈新,赵文谦,万久春.涂强风光互补抽水蓄能电站系统配置研究[J].四川大学学报:工程科学版,2007,39(1):53—57. 窦海.超导储能装置应用于风光发电平滑功率输出的研[D].西安:西安理工大学,2010. 韦文生,梁吉,徐才录,等.碳纳米管超大容量电容器在光伏系统中的应用[J].太阳能学报,2002,23(2):223—226. 张燕萍.基于纳米碳及其金属氧化物复合电极的超级电容研究[D].上海:华东师范大学,2010. 汪娟华,叶钟海.可再生能源发电系统中的柔性储能技术[J].中国电力教育,2007(五):270—272. 逯红梅,秦朝葵.燃料电池混合发电技术[J].电池,2008,38(6):389—391. 毛宗强.燃料电池[M].第l版.北京:化学工业出版社,2005. WANG Cat.sheng. Modeling and contorl of hybrid wind/phot0voltaic/Fuel cell distirbuted generation system[D].Bozeman:Montana State University,2006. [27] 李炜.的太阳能燃料电池联合发电系统的协制设计与仿真研究[D].上海:上海交通大学,2007. [28] 逯红梅,秦朝葵.燃料电池混合发电技术[J].电池,2008,38(6):389—391. [29] 史君海,朱新坚,隋生,等.燃料电池光伏混合发电系统建模与仿真[J].电源技术,2007,31(9):728—731. [3O] NELSON D B,NEHRIRMH,WANG C.Unit sizing and cost analysis of stand-alone hybridwind/PV/fuel cell power generation systems[J]. Renewable Energy,2006(31):1641—1656. [31] L0PEZ R D.AGUSTIN J L B.Multi—objective design ofPV-wind—diesel-hydrogen—battery systems[J].Renewable Energy,2008(33)I 2559 —2572. [32] LOPEZ R D.AGUSTIN J L B,CONTRERAS J.Optimization of control strategies for stand—alone renewable energy systems with hydrogen stor- age[J].Renewable Energy,2007(32):1102一l126. [33] 程苗苗,康龙云,徐大明,等.风光复合发电系统中储能单元的容量优化设计[J].电气应用,2006,25(6):87—90. [34] 唐西胜。齐智平.光伏系统中超级电容器蓄电池有源混合储能方案的研究[J].电工电能新技术,2006,25(3):37—41. [35] 王斌.一种新型的风光互补发电系统优化设计[D].无锡:江南大学,2008. [36] 马建业.混合储能技术在变电站直流系统中的应用研究[D].北京:华北电力大学,2008. [37] 张国驹,唐西胜,齐智平.超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用[J].电力系统自动化,2010,34(12):85—89. [38] 刘正耀.应用锂离子二次电池的风光电能互补系统[J].北京大学学报:自然科学版,2006,(s1):66. [39] 沈晓彦,黄钟琪,周建新,等.锂电池在风光发电储能系统中的应用分析[J].电源技术,2011,35(5):602—6O4.