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浅谈能源存储及利用方式
浅谈能源存储及利用方式
摘要:
对电能存储技术进行了简要说明,并就其三类方式进行了介绍;就太阳能发电的原理、优缺点以及应用现状和前景进行了简要探讨;最后对于新能源在船舶上的应用现状做了大概描述。
关键字:
新能源电能存储太阳能电池
1.电能存储技术
电能无时无刻不影响着人类的生活,随着人类社会对电力需求的不断增加,世界各国的电网容量都在不断扩大,因此,电力系统的调峰问题显得尤为重要!
电能存储是一种很好的调峰手段,当用电负荷处于低谷时,将多余的电能储存在储能装置中;当负荷处于峰值需要电能时,再将储能装置中的能量输送回电网。
在新能源发电系统中,由于风能"太阳能等可再生资源具有随机性,使得电力的输出不能保持稳定!
采用储能技术可以改善电能质量,保障稳定的电力输出,还可以避免突发情况对系统的影响,保证系统稳定"可靠地运行。
目前已经应用或者有发展前景的电能存储方式主要可分为机械储能、化学储能和电磁储能三大类。
1.1机械储能
机械储能主要包括抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能。
下面单独介绍一下压缩空气储能。
1.1.1压缩空气储能
压缩空气储能(如图)是基于燃气涡轮机发展起来的技术,与燃气涡轮机不同的是压缩空气储能是在用电负荷处于低谷时,用电网多余的电能将空气压缩在密闭空间中,而并非消耗燃气。
当负荷需要电能时再释放高压气体,经燃烧室膨胀后通过燃气轮机发电机发电。
压缩空气储能方式中的存储介质是空气,容易获取且成本较低;其储存容量大,持续工作时间长,同时使用寿命也很长,效率在70%左右,但这种储能方式只适用于大型系统,同时需要洞穴、矿井等特殊的地形条件来实现空气存储,这极大地限制了压缩空气储能的发展。
压缩空气储能主要应用在削峰填谷、调频和系统备用电源方面。
德国的Huntorf电站是世界上第一座投入运行的压缩空气储能电站,其输出功率为290MW,美国的Alabama电站的发电功率是110MW,于1991年投入运行!
包括我国在内的许多国家都在对这种储能技术进行研究,其他一些国家也开始建造此类储能电站!
液化空气和超临界空气储能系统是在原有的基础上提出的新型系统,目前还在研究当中!
压缩空气储能总体来说由于其储能规模大/成本低,在全球范围内会有更大的发展空间。
1.2化学储能
化学储能主要包括锂离子蓄电池、铅酸电池、液流电池以及钠硫电池等储能方式。
各化学储能方式的优、缺点列于表。
下面单独介绍锂离子蓄电池。
1.2.1锂离子蓄电池
锂离子电池是日本SNOY公司于1991年研制成功的,它的独特设计在于应用了电化学嵌入/脱嵌反应原理,电池的两极都用嵌入化合物替代。
当电池充电时,锂离子从正极脱嵌,经过隔离膜,嵌入到负极;电池放电时,锂离子从负极又回到正极!
其中锂离子在正负极之间移动的过程实质上就是电池充放电的过程。
这种电池工作电压高"能量密度大,因此要提供相同的能量,所需锂离子电池的数量就会变少,当然重量也会变轻。
相较其他电池而言,锂离子电池的寿命长、自放电率低、无记忆效应,且锂离子电池不含有毒的重金属,对环境无污染。
正是由于具有这么多优势,锂离子电池才能够迅速发展,特别是小容量的锂离子电池,目前主要应用于手机、笔记本电脑等通讯设备中。
但也由于它成本高,使得在生产大容量锂离子电池方面还需进
一步的研究,电动汽车和大规模的电能储存都是当前研究的热点。
1.3电磁储能
电磁储能分为超级电容器储能和超导储能两种。
1.3.1超级电容器储能
超级电容器是受关注度比较高的储能器件,从原理上可以把超级电容器分为双电层电容器和电化学电容器两类!
双电层电容器电极上的活性材料采用活性炭等多孔介质,介质表面对电荷的吸附与释放就是电容器的充/放电过程;电化学电容器是通过电化学的方式来储存能量的,在电极表面的活性物质会发生电化学反应。
超级电容器虽然还在研究阶段,但是它有着巨大的优势:
存储电荷的能力强,可以具有更大的存储容量,目前单体的容量可达万法拉级;充/放电迅速,循环使用次数多,功率密度大,基本不受外部温度变化的影响;是一种环保的储能技术,对环境没有污染。
不过超级电容器也存在着不少
问题,如成本高、耐压低及储能密度低等。
该储能方式主要应用于电能质量、输配电系统稳定性和脉冲功率方面。
一些发达国家在这方面的研究较早,如美国的Maxwell、日本的松下及俄罗斯的Econd等公司在超级电容器这一领域占据着全球大部分的市场份额。
近年来,通过不断研究,我国在这个行业也具备了一定的基础,特别是在超级电容公交电车方面,我国自主研制的超级电容公交已经投入使用。
超级电容器储能已经在应用中证明其优越性,不过要使它得到更广泛的应用,就必须提高单位体积内的储能密度,这是未来发展中需要解决
的一个热点,同时也是一个难点。
1.3.2超导储能
超导储能是利用超导体制成的线圈存储电磁能,需要能量时再将存储的能量送回电网。
超导储能最显著的特点就是储能效率高,因为它不像其他的储能方式需要转换能量形式,超导储能直接储存电能,能量损失小,效率可达95%以上。
除此之外,其储能密度和储能容量都很大,也不受地理条件的限制,响应快、寿命长、维护简单。
它主要应用在电能质量改善"不间断电源和输配电系统稳定性方面。
但由于超导储能成本比较高,只有小规模的系统投入使用,大规模的超导储能装置仍在研究当中。
现今,超导储能系统在美国、欧洲一些国家的电力系统中已经得到了初步的应用。
2.太阳能电池
太阳能发电形式可分为热发电和光伏发电两种。
太阳能热发电是利用集热器,将太阳辐射能转换为热能,并通过热力循环过程进行发电。
光伏发电是利用光伏电池将太阳能直接转换为直流形式的电能。
是当今太阳能发电的主流,时下,人们通常所说的太阳能发电就是太阳能光伏发电(Photovoltaic,简称PV)。
2.1太阳能电池优缺点
太阳能光伏发电具有许多优点:
(1)结构简单,体积小且轻;
(2)易安装、易运输、建设周期短;(3)容易启动,维护简单。
随时使用,保证供应;(4)清洁安全,无噪声。
不向外界排除废物,无转动部件;(5)可靠性高,寿命长。
只要设计合理,选型适当电池寿命可达10年。
太阳能的主要缺点是能量密度低,且受天气和时间等因索的影响能量不稳定。
因此给人类利用太阳能带来了的很大困难。
由于太阳能使用的对象及其条件不同,太阳能储存的方式不同,主要有热能、生物质能、机械能、电能、化学能等方式:
其中,化学能储存是利用太阳能产生的氢气而加以利用,是一种很有价值的方法,即“太阳
能-氢能系统”。
为了进一步开发太阳能-氢能动力系统,必须开发先进的燃氢动力装置,以便高效、清洁地利用能源。
氢在空气中燃烧中,其产物中含有会污染环境的氮氧化物;而燃料电池以氢为燃烧时,其产物仅仅是水,对环境没有影响,所以发展氢燃料电池最为理想。
2.2太阳能电池工作原理
光伏电池是利用半导体材料的电子特性将太阳辐射能转换成电能的一种器件。
对于半导体材料而言,当其中的P-N结处于平衡状态时,在P-N结处会形成一个耗尽层,存在由N区指向P区的势垒电场(如图)当每一个入射光子的能量大于禁带宽度,即整个入射太阳光的能量大于硅禁带宽度时,太阳光子照射到半导体内,把电子从价带激发到导带,在价带中留下一个空穴,产生一个电子-空穴对。
因此,当能量大于禁带宽度的光子进入电池的N区、空间电荷区及P区时,会激发产生光生电子-空穴对。
光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后,立即被势垒电场分离,光生电子被推向N区,光生空穴被推向P区。
在N区和P区中产生的光生电子-空穴对会向P-N结交界面处扩散,当达到势垒电场边界时,立即受到势垒电场的作用,使光生电子留在N区,光生空穴留在P区。
而在N区中的光生空穴由于内建电场的作用被推到P区,P区中的光生电子同样被推到N区。
最后形成N区中积累过剩的电子,P区中积累过剩的空穴,而在P-N结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势。
这就是“光生伏打效应”。
当受光照的光伏电池接上负载时,光生电流流经负载,并在负载两端形成电压。
2.3太阳能电池开发现状和发展趋势
太阳电池(Photovoltaiccell),通常由半导体材料制成,太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元。
它的尺寸约4cm2到100cm2。
太阳能电池单体工作电压为0.45~0.5V,工作电流为20~25mA/cm2,由于单个光伏电池的功率极小,一般不单独作为电源使用。
将太阳能电池单体经过串、并联组合并进行封装后构成光伏电池组件使用,组件的性能与参数因生产厂家而异。
光伏阵列是根据用户需要的电流电压把光伏电池组件经串、并联组合而成。
目前用于光伏发电系统的光伏电池多为硅材料电池,其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅光伏电池。
其中,单晶和多晶电池用量最大,非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。
国产晶体硅电池效率在10-13%左右,国外同类产品效率约12-14%。
目前世界各国在追求太阳能电池高效率的同时,也开始研制各种新型太阳能电池来适应不同的发展需要。
据《科技日报》2005年8月19日报道,韩国科学家成功开发出一种太阳能薄板电池。
这种可弯曲的薄板电池将成为新一代移动通信终端配套电源。
它一面用不锈钢板制成。
另一面采用塑性材料,可以根据需要加以弯曲。
将来手表型电脑和穿着电脑等新一代移动通信终端问世后,这种太阳能薄板电池可以附着于衣服或书包上提供电源[4]。
俄罗斯的克尔德什研究中心开发出可用于火星探测的新型太阳能电池,这种全新的太阳能电池用廉价的非晶硅代替太阳能电池中昂贵的晶体硅或砷化镓半导体材料的基础上研制成功的。
在衬底上镀非晶硅膜要比生长单晶硅膜便宜得多,同时在技术上更为简单[5]。
日本北陆尖端科技研究生院大学日前宣布已成功开发出生产无结晶合金硅板太阳能电池的技术。
该技术所生产的太阳能电池虽然发电效率只有结晶型太阳电池的一半,但可以制作成各种曲面,具有良好的可设计性,1~2年内可投入实用,较等离子加热生产薄膜的方法具有明显优势,可以大幅度节省太阳能电池的生产成本并提高效率[6]。
据相关机构统计,到2007年年底,全球太阳能电池产能可望达4.8万千瓦,其中我国太阳能电池的全球市占率将达到16.7%,接近20%[7]。
世界光伏发电产业发展迅速,最近10年太阳电池及组件生产的年平均增长率为33%,最近5年的平均增长率为43%,2004年比上年增长61.2%。
随着光伏发电技术不
断提高,商品化电池效率在上世纪九十年代的10%至14%提高到目前的13%至17%;生产自动化程度不断提高、生产规模不断扩大,2003年前10名光伏电池及组件生产商占据总市场份额的85.5%。
并网发电在光伏市场中的份额逐年增加并占据主导地位,2003年并网发电的市场份额达到55.5%。
2004年世界光伏系统的总装机容量超过4000万kW。
随着光伏产业的发展光伏发电成本正不断降低。
美国是推广太阳能应用最积极的国家之一,各级政府推出了各种鼓励政策以促进太阳能的发展与应用。
如在洛杉矶地区,居民在房顶上安装一套太阳能发电设备,政府补贴6000美元。
去年7月,容量达500kW的太阳能发电系统在加州开始运转。
美国还将在太空建造世界上第一座太阳能发电站。
德国最大的太阳能电站2001年投入运营,这个电站装机容量为1.6MW预计能为500户居民提供电力。
丹麦将在今后4年内投资3500万丹麦克朗为1000座住宅安装太阳能发电装置。
日本把太阳能定为清洁能源的主要发展方向,计划在今后10年内,开发出高效的太阳能发电装置并达到商品化,其光电转换效率将比现在提高大约50%,成本也将降低大约30%。
日本还制定了宇宙太阳能发电站计划。
在我国,上海发展太阳能的总体目标是,力争3至5年内在光伏技术和产业方面走在全国前列,在太阳能光热利用上取得显著成效;应用目标是到2007年,安装与建筑结合的太阳能热水系统10万平方米(集热面积),光伏发电示范项目达到5MW以上;产业目标是到2007年产值达100亿元,成为先进制造业的新增长点。
太阳能利用技术已步入蓬勃发展的时期。
专家预测,到2050年,可再生能源占总一次能源的比例约为54%,其中太阳能在一次能源中的比例约为13%~15%;到2100年,可再生能源将占86%,太阳能占67%,其中太阳能发电占64%。
3.新能源在船舶上应用的国内外现状
早在2000年,澳大利亚即建成了利用太阳能、风能、燃料电池和燃油的混合能源双体渡船。
该船的8片可调控的翼覆盖着太阳能发电装置并可用作风帆,船长约21m,可搭载100人。
澳大利亚还设计了采用太阳能、风能、燃油混合动力能源的大型水船,用于给各大城市供水。
2006年美国与澳大利亚合作设计了太阳能风翼大型三体游船,该船可搭载600名乘客。
近年来,澳大利亚还有两个课题组提出了太阳能三体船的构想,都预期要实现环球航行。
中国船舶科学研究中心、中国船舶及海洋工程设计研究院以及上海大学等科研院校、高校也在开展或关注太阳能等可再生能源动力船舶的研制,并建造出了一些太阳能小艇。
总体上说,国内可再生能源动力船舶的研究与先进国家相比还较为薄弱,需要尽快展开这一新能源技术以及船舶与海洋工程、海事技术等学科交叉,学术理论与工程应用结合的领域内的理论、工程应用研究以及技术开发工作。
发展新能源动力船舶,还有多项关键技术有待于研究、解决、改进与完善,其中之一就是适合船舶环境应用,满足船级社要求的多种新能源构成的联合供电系统控制及能量分配问题。
针对陆上各种使用场合,在该领域中已有诸多的国内外学者研究探索,取得了不少具有创新性和实用价值的成果和产品。
在国外,RajeshKarki(Saskatchewan大学,加拿大)等研究了独立小型风/光发电系统的扩容问题,指出互补发电系统扩容的可行性。
RodolfoDufoLopez(Zaragoza大学,西班牙)等人用C++语言开发了一套用于光/风、光/柴油机等互补发电系统的基于遗传算法的优化算法的优化系统(软件),并对位于Zaragoza(西班牙)的光/柴油机互补发电系统进行了设计与优化,该系统能够根据负载和光照条件确定所用的光伏阵列、蓄电池和柴油机的数量与类型,能够找到蓄电池最佳SOC点(stateofchargeofthebatteries,蓄电池充电状态),能够以最小的成本获得最大的电能输出,证实了光/风、光/柴油机等互补发电系统比任何一种单独发电系统都更具有优势。
B.D.shakya(Melbourne大学,澳大利亚)等人设计了一种采用压缩氢气储能的风/光互补发电系统,并对该系统的技术可行性和经济性作了分析。
在国内,也有一些学者对大电场进行风/光联合发电的研究,而对于能量管理方面,我国张荣甫等人运用计算机控制技术和大功率集成电路技术对风/光综合电源系统进行了设计,实现了风能、太阳能、柴油机、蓄电池能源互补的一体化和智能化,可独立地向各种负载提供不间断的供电;中科院艾斌等人利用CAD(计算机辅助设计)开发风光互补的优化方法;北京理工大学冬雷等人的提出采用直流母线和开关磁阻电机飞轮储能的分布式风光互补发电系统方法来实现风光的有效开发,并提出了基于模糊推理算法的分布式风光发电系统多目标优化控制策略,改变了风电机组和光伏发电电池单一的MPPT工作模式,实现了供电单元的负载平衡;华南理工大学的吴捷教授等人提出一种基于分级模糊算法的互补发电场的能量管理控制系统。
目前,国内的新能源船舶技术水平与国外相比存在不少差距,应用于船舶的新能源混合动力推进系统,技术复杂、要求高,几乎全是外国配套设备,国内的研究应用还刚起步。
我国《公路水路交通“十一五”科技发展规划》中,节能环保技术被列为重点发展的技术领域之一。
新能源混合动力船舶在交通部“十二五”规划中已确定为水路交通科技进步的新方向。
因此,借鉴和吸取国内外学者在该领域的研究成果,结合船舶电力推进系统的特点,满足船级社的规范要求,开发具有自主知识产权且成本低的太阳能船舶及其控制设备,可以缩小我国在此领域与国外的差距,为提高我国太阳能船舶设计及生产奠定一定的技术基础。
新能源动力船舶的研发既是具有前瞻性、事关国家船舶科技可持续发展的远景课题,也是需要逐步研究实现的迫切课题。
结束语
社会在不断地向前发展,科学技术的发展更是到了一个异常活跃的时期,但也由此衍生了许许多多社会、环境相关问题,所以对于能源的存储、利用以及对于新能源开发的重要性越来越明显,以上只是对电能存储以及太阳能的利用方面进行了简要论述,我们对于更多能源的存储利用问题是不会止步的。
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