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中国科学院重点部署项目“规模储能关键技术研发与示范预先研究”简介
发稿时间:2015-03-23         作者:贺凤娟、徐玉杰          来源:储能研发中心     【字号:

  该项目面向我国经济社会可持续发展的重大需求,围绕规模储能技术展开相关应用基础研究工作,执行期为三年。项目下设三个子课题,由中科院工程热物理研究所、中科院大连化学物理研究所、中科院上海硅酸盐研究所联合承担,其中研究所为该项目依托单位,同时负责子课题 “10MW先进高负荷透平技术研发”相关研究工作。 

  一、研究意义 

  通过研究,能够系统地解决压缩空气储能、液流电池和钠硫电池储能在基础理论、关键技术和系统集成等层面的科学难题,掌握具有自主知识产权的高负荷向心透平、Na-Beta″-Al2O3陶瓷管电解质规模化气烧技术、新一代高功率密度电堆技术等关键技术,开拓出多种先进的规模化储能系统,有助于建立和完善储能技术的理论体系,也有助于储能技术的工程化和产业化。 

  规模化储能技术是一个典型的涉及多领域、多学科有机融合的科学技术领域,本项目的实施不仅可以形成一套集理论分析、技术攻关、装备研制、工程示范为一体的储能技术研发体系,而且可以促进材料学、热力学、流体力学、传热学、控制科学等多学科的融合交叉,大幅提高我国在整个储能领域的持续自主创新能力,抢占世界储能高技术前沿,继而提升我国在能源技术领域的国际竞争力。 

  二、研究内容 

  (一)主要研究内容 

  1.10MW先进高负荷透平技术 

  1)大规模储能技术和政策发展战略研究:调研国内外储能技术与产业发展现状,分析我国不同应用领域的储能规模需求,解析国内外储能相关政策,研究未来国际储能技术与产业发展模式与未来储能技术经济环境区域四要素评价方法,在此基础上,提出我国电力储能技术、产业和政策发展路线图。 

  2)先进高负荷透平总体设计与热力学分析:调研国内特定参数下的换热器和变速箱的设计、加工水平,初步确定总体结构型式和各级流量、膨胀比参数等,并对各主要设计参数进行单变量和双变量分析,研究工作压力、工作温度、膨胀机及减速器效率等参数对系统性能影响的规律,得出先进高负荷透平的最优热力设计参数,为详细设计提供参考依据和设计指标。 

  3)高压高负荷多级向心轴流式叶轮的研究:开展高转速、高负荷向心+轴流式透平叶栅内附面层迁移、各种旋涡发生、发展,以及流动-传热耦合机理和特性研究;开展叶轮叶型、流道、轴系等的设计研究,完善已有设计程序和方法。 

  4)先进高负荷透平系统的研究:完成10MW级先进高负荷透平的详细设计,包括各级进出口参数、转速、叶型、蜗壳、级间换热器、变速箱、发电机、轴系等,通过对透平内部流动、传热特性进行详细的数值模拟来分析和优化设计结果、确定各级透平的转速、功率分配方式以及减速器的结构布置方案;完成透平强度和转子动力学计算,绘制工程图纸,并委托厂家加工、装配和初试。 

  5)先进高负荷透平系统的集成与验证:设计并建立10MW级先进高负荷透平的实验平台,并完成部件和集成验证实验;根据测试结果,改进数值模拟分析方法和设计方案。 

  2.高功率密度电堆及单元储能系统模块技术 

  1)高功率密度电堆的结构设计技术:研究电堆内部流体、浓度、温度等多场协同作用下的分布均匀性调控机制;高电流密度工作条件下极化分布特性、影响因素及调控机制,提出降低极化的解决方案。 

  2)高功率密度40kW级电堆的结构设计优化与集成:研究流场形状、结构参数,电解质溶液流动方式、流速参数对电解质溶液分布均匀性的影响规律,优化40kW级电堆的结构,完成电堆集成。 

  3)单元储能系统模块的在线模拟仿真与实时动态优化:研究电池系统结构对性能的影响机理和调控方法;高可靠性单元储能系统运行管理、监控、保护技术;电池系统在线模拟、优化,电池系统的智能控制;提高系统可靠性。 

  4250kW/500kWh级组合式集装箱单元储能系统模块的结构设计优化、加工制造及系统集成。 

  3.钠硫电池规模制备过程中关键技术 

  1Na-Beta电解质陶瓷管主料的均匀化与一致性控制:研究陶瓷管核心主料及后续相关粉体的均相分布技术与工程化合成方式,采取密封制备系统,循环式机械和气相结合的粉碎匀化工艺以及保护氛围下的物料输送系统设计,优化陶瓷主料的关键粉体成分,提高在液体介质中的分散均匀性和稳定性控制,进一步建立过程控制方式和在线检测手段,研究反应机制下的离子迁移机理,优化粒径分布、比表面积、显微结构、成份含量等参数,优化烧成后陶瓷晶粒均匀性、配向性、相成分、密度等的影响因素。 

  2)气态烧结气氛下Na-beta″-Al2O3陶瓷管制品的高精度控制与低成本化:以燃气窑炉为基础,设计能够批量烧结陶瓷的气烧系统,优化烧结炉中气体流动场的传热方式,建立陶瓷竖式烧成工艺,研究陶瓷烧结中碱金属元素的流失及腐蚀效应,优化烧成工艺结构和性能。设计封闭式工装保持烧结气氛,研究惰性坩埚封装系统在烧结中的稳定性以及坩埚与beta-Al2O3陶瓷的兼容特性,从而提高陶瓷的热稳定性和化学稳定性。研究竖式烧结中陶瓷体在高温下的蠕变特性,从而提高陶瓷的理化性能如圆整度,直线度等。研究温场的均匀性与烧结方式的同步性,以提高烧结过程中陶瓷制品的性能稳定性。 

  3)工况下电解质陶瓷管的疲劳机理解析及陶瓷可靠性在线检测:研究陶瓷的微裂纹/缺陷、气孔、几何参数、温度等可检测性能参数对陶瓷电解质机械和电性能的影响,建立在线检测手段和参数。建立陶瓷管结构在变温、钠负极和硫正极工作时压力差作用以及充放电过程中的电流作用等,建立机械强度分析模型。研究裂纹/缺陷尺寸、气孔率、几何参数、温度与钠硫电池陶瓷管机械强度之间的关系。建立陶瓷的内压强度测试手段,进一步建立陶瓷的电化学加速测试,测试陶瓷失效参数和使用寿命,实现陶瓷管的强度和电学校核。 

  4)应用于MW级电站的20kW钠硫储能单元模块批量化制备技术:通过研究电池单体大批量成组应用后的电化学行为特征,找到提高电池模块性能的手段,并优化电池组与相关配套设计,建设模块组装与检测平台。主要建设内容包括:电池规模化成组应用中的串并联设计与可靠性保障;电池规模化成组应用中连接材料设计及电池堆在工况条件下的热场模拟;电池模块保温箱的大体积轻量化设计、温度场精度控制技术与批量制备技术、保温寿命预测;20kW级及以上钠硫储能模块的批量制备工艺;建设模块的检测平台;储能钠硫电池系统中基于智能化管理模式的设计;针对不同应用领域的MW级储能电站的设计;储能模块的运输、安装、现场测试技术;MW级储能电站的组装技术。 

  ()拟重点解决的科学问题或关键技术 

  1.超常规状态工质在涡轮、换热器等部件内部的流动、传热和损失机理;大规模先进高负荷透平的设计技术;高负荷透平的涡轮厚壁机匣、密封及多轴转子系统稳定性的设计和运行问题。 

  2.高功率密度电池堆的结构设计技术;液流电池单元模块的在线模拟仿真与实时动态优化控制。 

  3.适用于工业化生产的钠硫电池电解质Na-Beta″-Al2O3陶瓷规模化气烧系统技术;应用于MW级电站的20kW钠硫储能单元模块批量化制备技术。 

  (三)创新点 

  1.揭示高入口压力、大膨胀比透平内部流动-传热耦合机理和特性,掌握10MW高负荷透平设计技术,研制出首套10MW超临界压缩空气储能系统中用高负荷透平样机。 

  2.掌握新一代高功率密度液流电池堆技术和高稳定性、高可靠性电池单元系统的多目标优化设计集成技术,电池堆功率密度提升1倍,大幅度降低关键材料用量,电池成本降低40% 

  3.掌握适用于Na-Beta″-Al2O3陶瓷管批量化烧成的气体烧结工艺与系统设计技术,掌握工况下陶瓷电解质的疲劳机理解析及批量无损型陶瓷在线可靠性检测系统;>20kW模块的安全体系建立和集成、运维技术。 

  三、项目目标 

  为满足可再生能源规模化接入、电网削峰填谷和区域能源系统等对储能的重大需求,本项目将攻破超临界压缩空气储能系统、液流电池和钠硫电池等规模储能的关键技术,为规模储能系统示范与产业化奠定基础。具体目标为: 

  1.揭示10MW级超临界压缩空气储能系统中高负荷透平内部流动-传热耦合机理及特性,掌握叶轮、级间换热器等核心部件及高负荷透平整体的设计技术,完善高负荷透平的设计体系,并研制出10MW级先进高负荷透平样机完成示范验证,为10MW级规模储能系统的研发奠定基础。 

  2.重点突破高功率密度液流电池堆设计与组装技术、高可靠性系统电池单元模块的集成与控制技术,掌握40kW级高功率密度电堆的设计和制造技术和250kW级组合式集装箱液流电池单元储能系统模块的集成技术,并进一步降低液流电池成本,提高其可靠性,推进液流电池的产业化进程。 

  3.面向产业化制备工艺路线,建立可规模化放大的beta-氧化铝陶瓷电解质管的气烧批量制备技术,用于合作生产企业开展生产;同时面向实际挂网运行和MW级钠硫储能电站集成,研制大于20kW钠硫储能单元模块,通过相关的型式试验,建立相关技术标准,进行规模示范应用推广。 

  四、项目进展 

  该项目自2013年启动以来,依据项目研究计划及目标,不断克服困难,进展顺利,取得的研究成果如下: 

  1.完成了大规模储能技术专利分析、技术研发和产业现状分析;初步建立了储能技术热经济学模型,为大规模储能技术战略和政策制订提供依据;完成了10MW级高负荷透平的总体设计,确定了先进空气膨胀机的最优热力设计参数;完成了透平的气动、结构与强度设计和校核,以及齿轮变速机构、换热器和试验装置关键部件的设计和定型;各主要部件已开始加工。 

  2.揭示了全钒液流电池在高工作电流密度条件下电堆的极化分布特性和调控机制;开发出40kW高功率密度液流电池电堆和125kW集装箱结构的全钒液流电池单元储能模块,完成了250kW级集装箱结构的单元储能模块的结构设计。 

  3.掌握了钠硫电池大容量气态烧结制备陶瓷管技术,形成了陶瓷管批量生产的工艺流程,陶瓷管成品率>90%;完成了5kW模块的产品化定型并批量生产;完成了25kW大容量模块的研制与定型工作;建成了2个钠硫储能电站。 

    今年22日,该项目顺利通过了中科院重大科技任务局组织召开的项目中期评估会,并获得与会专家的一致好评。
 
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