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储能
钠硫电池在光伏微网中的应用
发布时间:2016-10-27 10:31:16
 

储能的技术有很多,其中的一种就是钠硫电池。

 

介绍钠硫电池应从四个方面:一是钠硫电池的50 多年来的发展历程以及钠硫电池在全球储

能市场的装机情况;二来是钠硫电池的原理与特长;三是钠硫电池在电

力系统中的应用;最后是由爱索能源投资即将开工建设,位于北京的国内首个商

业化运行的钠硫电池储能电站。

 

1.     钠硫电池的发展历程及全球装机情况

1967年美国福特公司发现钠硫电池原理,1971年-1976年该技术在美国欧洲和日本进行研发,同期在日本政府主导的电动汽车项目中备受关注。日本NGK和东京电力公司于1984年开始研究开发钠硫电池,1989年设计出单电池,1991年电池模块/系统问世,1997年开始全面的试验/评估其中最起初的项目是6MW电池储能系统东京电力公司 变电站。2002年开始全面商业化。

日本NGK公司是国际上钠硫储能电池研制、发展和应用的标志性机构。至2002年已经有超过50座钠硫电池储能站在日本示范运行中。2002年NGK公司开始了钠硫电池的商业化生产和供应。2002年9月,在美国电力公司的主持下,由NGK提供的钠硫电池储能站在美国示范运行。目前NGK已有250余座钠硫电池储能站在全球运行。

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在全球范围内大规模储能电池的装机量中,锂离子电池包含磷酸铁锂,三元锂等占比40%钠硫电池占比其次达38%,再其次是铅蓄电池、液流电池,比例分别为13%和6%;


上图是NGK钠硫电池在全球的业绩分布,已经覆盖了北美(美国,加拿大),欧洲(德国意大利)还有中东的一些地区。NAS钠硫电池项目的气候范围从明尼苏达州寒冷的冬天到接近赤道终年炎热的阿布扎比。NGK的钠硫电池系统是电网规模电池储存的全球领先者。钠硫电池系统累积的经验远远高于其他电网规模的任何电池系统。时间上系统部署已经超过20年,总装机实绩为 530MW (3700MWh) 。NGK公司年生产能力为 150MW(1GWh)

2.    钠硫电池的原理和特长

钠硫电池以钠和硫分别用作阳极和阴极,Beta-氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。在一定的工作温度下,钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应,形成能量的释放和储存。基本的电池反应是:2N a + xS= Na2Sx。可以看出钠硫电池仅使用普通材料(钠和硫)没有使用稀有金属材料。氧化铝陶瓷管是钠硫电池的关键部件,其质量将很大程度上影响着电池的性能和寿命,因此它必须具有高的离子电导率、长的离子迁徙寿命、良好的纤维结构和力学性能,以及准确的尺寸偏差,这些都对陶瓷管的制备提出了很高的要求。

钠硫电池在作为大规模储能具有的优势主要有

持续时间长,使用寿命长:钠硫电池系统是储存大量电能的最有效的方法。 可持续放电6个小时。

最少的维护:预防性维护是最小的,并可以安排避免高峰期。可以对特定的集装箱做维护,而系统的其余部分可以继续运行

高速响应:当使用了高速双向储能逆变器(PCS)钠硫电池系统可以在几十毫秒内响应电网命令,存储或提供电能

紧凑化:钠硫电池可以被灵活的部署在比其他电池技术更少的空间。

高可靠性:拥有几十年的经验,钠硫电池系统已被现场验证每个模块的基础上超过99%可靠性,全系统基础上甚至有更高的可靠性。

安全性:钠硫电池系统的安全性,通过公司的测试,第三方官方机构的测试和丰富的现场经验已经被证明。

这些卓越的功能和性能,只有通过几十年的设计,测试,示范,先进的制造和和超过10年以上被验证的成熟商业运行,才成为可能。

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这张数据图显示了钠硫电池单电池的优秀长期稳定性,测试模块总计运行大约 4500 次循环 / 5200 日 (14.2 年)。钠硫电池在生命尽头的放电能量,被证实超过额定放电能量,放电能量的衰减为初始额定放电能量的10%以内。

 

所有的电化学电池都一样,都涉及到安全的问题。钠硫电池也同样采取了很完善的手段来避免安全事故的发生。每一节单电池都有高密度防火板保护相邻单电池。单电池燃烧试验中单电池燃烧并没有损害到周围的单电池,每一节电池设置防火板,即使在最坏的情况下单电池着火,顶端的熔融物质流下来和防火板一起可以有效防止火势蔓延。日本火灾和灾害管理机构(FDMA) 定义了钠硫电池的消防安全要求 所有的安全测试实验都由日本危险材料安全技术协会(HMSTA)现场见证了试验并验证了试验方法和结果的成功

3.    钠硫电池在电力系统中的应用

提到电网,大家都会知道从上到下有四个环节,发电,输电,配电,用电,再加上离岛电网与微电网,钠硫电池在每一个环节都有已被证实的作用。发电侧钠硫电池可以保证可再生能源稳定,调峰调频。输配电钠硫电池可以起到辅助服务投资延期的作用。用电侧能动性更大--削峰填谷,备用电源,弹性应用,存储本地太阳能发电,同时钠硫电池更是微电网不可缺失的重要角色。

钠硫电池可通过吸收可再生能源的波动,比如在风力发电和太阳能发电的非高峰时间,需求高峰时段,钠硫电池系统能提供额外的电力。一个钠硫电池系统每天可以提供6个小时或更多充足容量的能源,对化石峰值电厂提供绿色环保的代替。同一个钠硫电池系统还可以提供高峰/非高峰错时电价套利,调频,提升服务,无功支持 和其他电网功能。

供需之间的不平衡可以导致频率波动钠硫电池通过利用它高速的响应,可以实现频率波动最小化。钠硫电池系统可以推迟或取消输电和配电升级的需要。充电位于靠近负荷的钠硫电池系统,当负荷轻时,电力可以导入到输电受限制的区域。在负荷高峰期,钠硫电池系统放电来补充满负荷运行的输电线路的容量。

钠硫电池可以通过简单的设置峰值的临界值,自动减少高峰用电需求。随着波动负荷,用户这样可以用来减少需求费用。万一倘若电网故障断电时,一个钠硫电池系统可以对重要关键负荷提供持续功率供电6个小时或更多。除了提供多小时的备用电源外,一个单一的钠硫电池系统还可以管理电能质量。在微电网孤岛能力配置,通过使用钠硫电池系统可以提供附件弹性应用。太阳能成本的迅速下降,导致了最终用户对太阳能的广泛部署。钠硫电池存储通过时间平移,把白天多余的电力转移至夜间,能减少或消除电网用电量。一个钠硫电池系统,通过同时提供太阳能存储,调峰,减少需求费用,为最终用户降低电网成本。

一个钠硫电池系统可以为较小的电网提供基本的功能,比如微电网,离岛电网,以及遥远地方的电网。这些功能包括支持较高水平的可再生能源发电,时间平移以及稳定太阳能和风力发电,电压(无功)支持,调节频率,在突发事件时防止频率崩溃,黑启动电源和备用电源。NAS 钠硫电池存储允许化石和生物质发电机按一种固定的输出设置运行,最大限度的减少燃料的使用和排放。通过钠硫电池存储,其结果是较低的运行成本,更高的可靠性,一个更加绿色的电网。


介绍一个光伏过剩发电削峰填谷的项目,业主是日本九州电力公司,该项目被日本资源和能源厅 “大容量蓄电池系统改善供电与需求平衡的示范工程” 设备输出功率50MW,设备容量 300MWh,钠硫电池起到两个关键作用,一是高密度部署的太阳能发电可以导致中午过剩发电,电池系统存储这些过剩发电夜间使用。另一方面同一个电池系统也提供电压支持和平滑可再生能源的间歇性。

从图上可以看出,该电站占地面积一万四千平方米,由252个集装箱电池组成,采用双向pcs逆变器系统。地理位置靠近海岸,其可靠性对于潮湿恶劣的海岛环境可以说是基本无视。

再介绍一个位于阿联酋阿布扎比的电网规模负载均衡项目。该项目的业主(阿布扎比水电局ADWEA)被授予“2015阿联酋能源奖。该项目总计108MW,分布在各子变电站(4~40MW/站)的(650MWh/108MW)NAS® 钠硫电池 ,接入由NGK提供的中央集成系统控制器(CISC),起到电网规模的需求侧管理作用。