電力儲能技術

1、電力儲能技術摘要：一方面，隨著我國經濟的高速發(fā)展，用電量的需求逐年增長；另一方面，環(huán)境和資源的壓力使得新 能源的大量并網已成大勢所趨，由此帶來的電網安全穩(wěn)定性問題和電能質量問題也越來越受到重視。電力 儲能技術為解決這些問題提供了一條解決之道，圍繞電力儲能技術的相關研究和應用不斷涌現(xiàn)，目前已經 出現(xiàn)了一系列比較成熟可實際應用的或者尚在研究階段的儲能方法。本文介紹了一些常見的電力儲能方法。 關鍵詞：電力儲能，特性，現(xiàn)狀，應用；0引言近年來，隨著國民經濟的迅猛發(fā)展，我國的電力需求也迅速增加，帶動了電力行業(yè)的急 劇擴張，電網裝機容量實現(xiàn)了飛躍式增長。與此同時，一系列的問題也不斷出現(xiàn)。受自然環(huán)境和人類生

2、產生活習慣的影響，我國的電力負荷需求存在著巨大的峰谷差。往 往在一年中的某幾個月或者一天中的某幾個小時，電力負荷需求急劇增大，給電網和發(fā)電廠 帶來巨大的運行壓力。而在其他時間，用電量較少，機組運行在低負荷狀態(tài)，不能發(fā)揮出高 效的性能，使電力設備利用率和運行經濟性受到較大影響。如何進行大規(guī)模的電能削峰填谷， 實現(xiàn)負荷平穩(wěn)運行，成為我國電力行業(yè)需要面對的挑戰(zhàn)之一。目前全世界都面臨環(huán)境問題和資源壓力，我國也不例外。一方面嚴重的環(huán)境污染和巨大 的碳排放量已經對社會發(fā)展造成了巨大的困擾，另一方面煤炭石油等能源缺口也限制了我國 經濟的發(fā)展。有鑒于此，開發(fā)清潔可再生能源迫在眉睫，表現(xiàn)在電力行業(yè)，就是風能、光

3、伏 發(fā)電在近年來得到了蓬勃發(fā)展。然而這些能源隨自然條件的變化而變化，呈現(xiàn)間歇的特性， 不能提供穩(wěn)定的電力供應。因此存在大量的“棄風”、“棄光”現(xiàn)象，造成了資源的浪費。電動汽車是新型負荷，也是新型家電，具有較好的調控性，可以納入需求側管理、電網 調度，并與新能源發(fā)電配合，而且在保護環(huán)境和節(jié)約資源等方面具有傳統(tǒng)汽車難以企及的優(yōu) 勢。然而如何快速有效充電、如何保證電池的續(xù)航能力成為限制電動汽車發(fā)展的重要因素。以上種種都表明電力行業(yè)目前存在巨大的機遇和挑戰(zhàn)。而電力儲能技術是解決上述問題 的關鍵技術之一。目前電力儲能技術的研究和發(fā)展越來越受到各國能源、交通、國防等部門 的重視，電力儲能的大規(guī)模應用將對現(xiàn)

4、代化的電能生產、輸送、分配和利用產生深刻的影響 和重要的作用，已成為電力生產利用中的關鍵環(huán)節(jié)。經過長時間的研究和探索，目前已經有一些儲能方法投入了實際運行，例如抽水蓄能和 壓縮空氣儲能，還有一些儲能方法具有較好的應用前景，但距離大規(guī)模實際應用尚有一段距 離，例如飛輪儲能、超導儲能等。1儲能技術分類按照不同的分類方法，儲能技術可以分為以下幾類：1)按照儲能原理分類可以分為三類：物理儲能，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲 能等；化學儲能，主要是電池儲能，如鉛蓄電池、釩流體電池、鈉硫電池和鋰電池等；電磁 儲能，如超級電容儲能和超導儲能等。2)按照儲能時間劃分可以分為三類：短時儲能，通常放電時間為秒級

5、到分鐘級；中期 儲能，通常放電時間為數(shù)分鐘到數(shù)小時；長期儲能，通常放電時間為數(shù)小時至數(shù)天。3)按照功能劃分，可以分為可分為能量型儲能(Energy-usage energy storage, EES)和 功率型儲能(Power-usage energy storage, PES)兩種。能量型儲能特點是比能量高，主要用于高能量輸入、輸出場合；功率型儲能特點是比功率高，主要用于瞬間高功率輸入、輸出場 合。一般來說能量型儲能裝置放電相對較慢，例如抽水蓄能，壓縮空氣儲能；功率型儲能則 以高放電率快速放電，如飛輪儲能和超導儲能。2常見儲能技術2.1 抽水蓄能抽水蓄能是目前較為成熟的儲能方式，已經得到了較

6、為廣泛的應用，也是目前電力系統(tǒng) 中唯一大規(guī)模采用的儲能方式。抽水蓄能配備上、下游兩個水庫，在負荷低谷時，利用電網 中的電能通過水泵將下游水庫中的水抽到上游水庫保存；在負荷高峰時將上水庫的水放到下 水庫，并利用發(fā)電機進行發(fā)電，將電能輸送到電網中，補充高峰用電量，用于降低發(fā)電廠的 發(fā)電壓力。通過低谷時消耗電能，高峰時產生電能的方式，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的削峰填谷。抽水 蓄能電站的能量轉換過程如下圖所示：電的發(fā)電機機艇能水輪執(zhí)下水庫依靠不同的分類依據(jù)，抽水蓄能具有多種不同的分類方式。（1）按機組組成和功能作用來分類，可分為“純抽水蓄能電站”、“混合式抽水蓄能電站”、 “調水式抽水蓄能電站”.（2）按水庫調節(jié)

7、性能分類，可分為日調節(jié)、周調節(jié)、季調節(jié)、年調節(jié)等多種調節(jié)性能 的抽水蓄能電站。（3）按照布置特點來分類，可分為“地面式”、“地下式”和“半地下式”的抽水蓄能電站。（4）按水庫座數(shù)和位置分類，可分為“兩庫式”、“三庫式”、“地下下池式”這幾種抽水 蓄能電站。抽水蓄能電站在我國處于高速發(fā)展階段。截至2009年年底，我國抽水蓄能電站建成和投 產規(guī)模已達到1830.5萬千瓦，在建和籌建的大型抽水蓄能電站（超過100萬千瓦）超過20座。 到2014年底已建成24座抽水蓄能電站，總裝機容量2181萬千萬，占水電總裝機比重約7.2%。 預計抽水蓄能規(guī)模在2020年將達到5838萬千瓦。抽水蓄能是目前電力系統(tǒng)

8、最為可靠經濟、容量最大、技術最完善、壽命最長的大規(guī)模儲 能技術。儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，綜合效率70%85%之間，非常適合用 于電力系統(tǒng)調峰和用作長時間備用電源的場合，如削峰填谷、調頻、調相、緊急事故備用、 黑起動和提供系統(tǒng)的備用容量等。但其地理條件要求比較高，同時設計、施工難度高，機組 水工建筑方面也有其特殊要求，同時運行管理難度高，以現(xiàn)有操作管理水平較難提高運行效 率，所以其發(fā)展受到一些限制。2.2 壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能（CAES）主要是以燃 氣輪機為基礎的一種能量存儲系統(tǒng)。CAES在非高峰時利用電能壓縮空氣并將其儲存在地下洞穴或海底容器（如報 廢礦井、沉降的海底儲氣罐、

9、山洞、過 期油氣井或新建儲氣井）中；在用電高 峰時釋放空氣，高壓空氣從儲氣室釋放 出來，同燃料一同進入燃氣輪機燃燒室 燃燒后，驅動燃氣輪機發(fā)電。其儲能的壓縮機離合器離合器電動機/發(fā)電機空氣壓縮空氣儲氣裝置渦輪燃燒室原理主要是在發(fā)電時不需要通過壓縮機來壓縮空氣，從而節(jié)約了消耗渦輪的輸出功。由此就 相當于將空氣壓縮機壓縮空氣消耗的能量儲存了起來。因此，相比于消耗同樣燃料的燃氣輪 機系統(tǒng)，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以多產生1倍以上的電力，其工作原理如上圖所示。按照不同的分類方式，壓縮空氣儲能可以做出如下三種分類：（1）根據(jù)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的熱源不同，可以分為燃燒燃料的壓縮空氣儲能系統(tǒng)、帶 儲熱的壓縮空氣儲能

10、系統(tǒng)和無熱源的壓縮空氣儲能系統(tǒng)。（2）根據(jù)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的規(guī)模不同，可以分為大型壓縮空氣儲能系統(tǒng)（通常單臺 機組規(guī)模為100 MW級）、小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)（通常單臺機組規(guī)模為10MW級）、微型 壓縮空氣儲能系統(tǒng)（通常單臺機組規(guī)模為10kW級）。（3）根據(jù)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是否同其它熱力循環(huán)系統(tǒng)耦合，可以分為傳統(tǒng)壓縮空氣儲 能系統(tǒng)、壓縮空氣儲能-燃氣輪機耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲能-燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)耦合系統(tǒng)、壓 縮空氣儲能-內燃機耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲能-制冷循環(huán)耦合系統(tǒng)、壓縮空氣儲能-可再生能源 耦合系統(tǒng)。目前全世界僅有兩家大型壓縮空氣發(fā)電廠。分別位于德國和美國。前者于1978年開始運 行，發(fā)電功率

11、290MW，投運后獲得了良好的利用率。后者由Alabama電力聯(lián)合公司建在 Alabama州，于1991年投運，額定功率為110MW，并能在100MW負荷下連續(xù)運行26小時。 另外日本、意大利、以色列等國也分別有壓縮空氣儲能電站項目正在建設過程中。目前我國 尚沒有大規(guī)模的成熟應用。壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲能量大，儲能時間長，可以持續(xù)工作數(shù)小時乃至數(shù)天；建造成本 和運行成本比較低，低于抽水蓄能電站，具有較好的經濟性；壽命很長，可以循環(huán)上萬次， 壽命可達4050年；此外其效率可以達到70%左右，接近抽水蓄能電站。因此可用于削峰填 谷、平衡電力負荷、需求側電力管理和備用電源。但是壓縮空氣儲能并不是一項獨

12、立技術， 需同燃氣輪機配合使用，仍然依賴于化石燃料。另外高壓空氣儲存槽受限于地理結構，不是 所有地質結構均都適合建造人工儲存槽。所以其應用地域受到較大限制。電池儲能電池儲能是一項較早出現(xiàn)的技術，經過數(shù)年的發(fā)展，已經具備了一定的成熟度。到目前 為止出現(xiàn)了一些具有實用價值的電池種類。鉛酸蓄電池鉛酸電池已經有150年的發(fā)展歷史。到現(xiàn)在鉛酸蓄電池在理論研究與生產工藝和產品種 類以及產品電氣性能等方面都有了長足的發(fā)展?，F(xiàn)在使用較多的閥控式密封鉛酸蓄電池有兩 類，一類是使用玻璃纖維隔膜的緊裝配貧液式密封鉛蓄電池，簡稱八6乂電池，另一類使用 膠體電解液的富液式密封鉛蓄電池，簡稱膠體電池或GEL電池。目前鉛酸

13、蓄電池有用于機車 汽車啟動照明用的起動型蓄電池，用于電動車的牽引型蓄電池，用于風力、太陽能等發(fā)電中 電能儲存的新能源用蓄電池。1988年在美國CMifornia州建造了目前世界上最大的40MW鉛酸 蓄電池儲能系統(tǒng)。鉛酸蓄電池成本低廉、技術成熟，支持大電流放電、安全性高，在非動力應用場合中可 不配置電池管理系統(tǒng)使用。但存在維護困難，易造成二次污染，重量大、功率密度小，充電 效率較低、循環(huán)次數(shù)及使用壽命短等一系列問題。鋰電池根據(jù)鋰離子電池的正極材料可將鋰離子電池分為鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰等 種類。其中鈷酸鋰是現(xiàn)有正極材料中工業(yè)化程度最高、能量密度最高的品種，但主要用于小 型移動設備領域。

14、錳酸鋰和磷酸鐵鋰材料電池是熱門的電動汽車電池備選技術，在全球的動 力電池領域占有重要地位。我國目前在不同種類電池的開發(fā)生產上水平參差不齊，但落后于 世界先進水平。鋰電池具有比能量高，使用壽命長，單體額定電壓高，充電迅速，無記憶效應，無污染 等優(yōu)點。但鋰電池的生產要求條件高，制作成本高，影響了電池的一致性、低溫性能，此外 鋰離子電池均需保護線路，防止電池被過充過放電。釩流體電池釩電池全稱為釩氧化還原液流電池，是以金屬溶液作為電解質的氧化還原液流電池中的 一種。電池的正負極活性物質主要存在于電解液中，分別裝在兩個儲液罐中，電池內部正負 極之間由離子交換膜分隔，電池工作時正負極電解液由泵的驅動實現(xiàn)循

15、環(huán)和反應。經過數(shù)十 年的發(fā)展，釩電池技術已經趨近成熟。用于電站調峰和風力儲能的固定型釩電池發(fā)展迅速， 已有大功率的釩電池儲能系統(tǒng)已投入實用。釩電池不存在正負極相互污染的問題，電池維護更容易，理論壽命更長，可以通過串并 聯(lián)上大容量，而且生產和運行過程中無污染。但釩電池技術難度較高，使用和維護成本偏高。 2.3.4鈉硫電池鈉硫電池以熔融態(tài)的鈉作為負極，以熔融態(tài)的硫和多硫化鈉作為正極，電池的工作溫度 在300350。在放電時鈉被電離生成鈉離子，鈉離子通過電解質擴散到正極并與硫反應生 成多硫化鈉。在充電時，多硫化鈉變成分解為硫和鈉離子，后者擴散到負極后獲得電子形成 鈉原子。目前日本NGK公司已經有10

16、0余座鈉硫電池儲能電站在全球運行，現(xiàn)已建成用于風 電場的34MW鈉硫儲能電站。鈉硫電池的比能量高，充放電電流密度高，充放電效率高，響應速度塊，原材料和制備 成本低。但不能過充與過放，需要嚴格控制電池的充放電狀態(tài)。陶瓷隔膜脆弱，容易損壞， 循環(huán)壽命有限。高溫操作帶來結構、材料、安全方面的諸多問題。液態(tài)金屬鈉與液態(tài)硫腐蝕 性很強，也容易滲透，對材料要求苛刻。飛輪儲能飛輪儲能由電網提供電能，利用電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能以飛輪的動能形式存 儲起來。當需要供電時，由飛輪作為原動機拖動發(fā)電機發(fā)電，并輸出到用電設備。飛輪儲能 系統(tǒng)主要由轉子、電動/發(fā)電機、電力轉換器和真空室四部分組成。為減少損耗，現(xiàn)代

17、飛輪 儲能系統(tǒng)通常是由一個圓柱形旋轉質量塊和通過磁懸浮軸承支撐的機構組成。目前國外已經 有較為成熟的飛輪儲能系統(tǒng)運行，例如美國、德國等都有相應的系統(tǒng)運行。我國的飛輪儲能 系統(tǒng)由于起步較晚，目前還處于研究階段。飛輪儲能具有高比能量、高比功率、高效率、無污染、適用范圍廣、無噪聲、長壽命、 維護簡單、可實現(xiàn)連續(xù)工作、可進行模塊化設計制造等優(yōu)點，但是高速、大容量飛輪整體技 術難度高，儲能密度偏低，成本高，還存在噪聲、安全性等問題。超導儲能超導儲能系統(tǒng)（SMES）是利用電阻為零的超導磁體制成超導線圈，形成一個大電感， 在通入電流后，線圈的周圍就會產生磁場，電能將會以磁能的方式存儲在其中。需要時將儲 存的

18、能量經逆變器送回電網或作其它用途。SMES裝置一般由超導線圈及低溫容器、制冷裝 置、變流裝置和測控系統(tǒng)四個主要部件組成。目前，超導儲能的研究項目主要集中在美國、 日本及歐洲等發(fā)達國家，美國、日本和德國都已有超導儲能系統(tǒng)投入實際運行。超導儲能充放電次數(shù)多，使用壽命長，充放電效率高，速度快，響應速度快，控制方便， 功率密度高而且環(huán)保無污染，建造不受地點限制。但是儲能容量有限，成本高，維護成本較 高，還有超導失超引起的安全可靠性問題等。超級電容超級電容儲能根據(jù)電化學雙層理論研制而成。它的電極基于多孔炭材料，使得其表面積 可以達到2000m鈍，通過一些措施可實現(xiàn)更大的表面積。而超級電容中電荷分隔的距離

19、小于 10埃。巨大的表面積加上電荷之間非常小的距離，使得超級電容有很大的電容量。由此可以 存儲較大的能量。目前超級電容器已經投入了實際生產，形成了系列產品，用于電力儲能。超級電容有很多優(yōu)點，例如比功率密度大，使用壽命長，循環(huán)次數(shù)多，沒有“記憶效應”， 可大電流快速充放電，綠色環(huán)保，無污染，充放電原理簡單，易于實現(xiàn)等。但它屬于功率型 儲能裝置，比能量密度偏低，而且成本較高。3儲能技術主要特性參數(shù)儲能方法有很多，其原理和特性各不相同。為了衡量儲能方法的性能，應當有一些表征 儲能特性的參數(shù)。儲存容量儲存容量指的是儲能系統(tǒng)在充電后所具有的有效能量。由于充能過程中的能量損耗，有 效能量通常小于實際消耗的

20、能量。而在使用時由于實際使用能量通常會受到放電深度的限制， 在快速充放電時儲能系統(tǒng)效率會下降，再加上系統(tǒng)自身的能量耗散，所以實際使用能量要低 于儲存能量。能量轉換效率能量轉換效率是儲能系統(tǒng)放電時釋放出的能量與初始儲存能量之比。儲能系統(tǒng)的能量轉 換效率直接關系到系統(tǒng)的實用性。只有具有較高的能量轉換效率的儲能系統(tǒng)才能高效的運行。比功率與比能量比功率指的是儲能系統(tǒng)單位質量或者單位體積空間內，所具有的最大有效存儲功率，也 稱作功率密度。同樣包括質量比功率（質量功率密度）和體積比功率（體積功率密度），常 用的單位為W/kg和W/L。比能量指的是儲能系統(tǒng)單位質量或單位體積空間里，所具有的最 大有效存儲能量

21、，也稱作能量密度。包括質量比能量（質量能量密度）和體積比能量（體積 能量密度），常用的單位為Wh/kg和Wh/L。一般情況下，功率型儲能系統(tǒng)的比功率高，但 是比能量通常較低；同樣的，能量性儲能系統(tǒng)的比能量高，但是比功率不會太高。自損耗率儲能系統(tǒng)在存儲能量時，其中儲存的能量會自動耗散。對于不同的儲能系統(tǒng)，其能量耗 散的方式也是不同的。例如對于抽水蓄能系統(tǒng)，其能量的表現(xiàn)形式為水庫中水的勢能。而在 閑置時，其中的水會有部分蒸發(fā)和滲漏，由此造成儲存的能量耗散。而對于飛輪儲能，能量 是以飛輪旋轉時的動能形式存儲的，而在飛輪旋轉過程中由于各種阻力的作用，轉速會逐漸 變慢，能量逐漸耗散。表征儲能系統(tǒng)中能量耗散特性的參數(shù)稱為自損耗率。放電時間放電時間指的是儲能系統(tǒng)在最大功率狀態(tài)運行時的持續(xù)放電時間，放電時間影響因素較多， 包括儲能系統(tǒng)類型、結構、放電深度、運行條件以及放電時是否為恒功率放電等。使用壽命對于不同的儲能系統(tǒng)，其壽命的計算方式也是不同的。對于抽水蓄能等儲能方式，通常 以其所能正常工作的年限作為其使用壽命。而對于其他儲能系統(tǒng)，如電池等，除了使用年限 外，還應該考慮其循環(huán)次數(shù)。儲