大規(guī)模電能存儲(chǔ)技術(shù)綜述

李曉靜 胡濱

摘要：本文由電力系統(tǒng)的供需矛盾入手，闡述了儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)新能源發(fā)電的影響，介紹了典型的儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用，分析了大規(guī)模電能存儲(chǔ)的應(yīng)用前景，并簡(jiǎn)單概述了儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；電能儲(chǔ)存；抽水蓄能；壓縮空氣儲(chǔ)能；飛輪；鈉硫電池

1 引言

為了滿足社會(huì)日益增長(zhǎng)的用電需求，電網(wǎng)的發(fā)展要解決“電能只能是即發(fā)即用”的難題，以減少發(fā)電廠的建設(shè)規(guī)模，提高能源的利用效率；要保證并網(wǎng)可再生能源系統(tǒng)的穩(wěn)定供電、提高電網(wǎng)對(duì)用戶的供電可靠性，就必須重視開發(fā)應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，這也是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要技術(shù)內(nèi)容。

在傳統(tǒng)能源日益枯竭、環(huán)境不斷惡化的今天，以太陽(yáng)能、風(fēng)能為代表的新能源產(chǎn)業(yè)成為未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要增長(zhǎng)點(diǎn)之一。安全優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過對(duì)能量的有效調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的平滑輸出，從根本上解決了新能源大規(guī)模應(yīng)用的問題，是推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

2 儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的必要性

在過去的幾十年間，電力供應(yīng)和基礎(chǔ)設(shè)施承擔(dān)了越來(lái)越多的壓力[1]。用電量顯著增加，波動(dòng)加劇。發(fā)電量必須滿足高峰用電量的要求，高峰用電量是電力生產(chǎn)的最低要求。因此，由于波動(dòng)的需求，對(duì)電網(wǎng)最低發(fā)電量要求有增加。必須建設(shè)更多的發(fā)電廠來(lái)滿足最大負(fù)荷的要求。由于高峰負(fù)荷持續(xù)的時(shí)間較短，造成了新建調(diào)峰電廠的發(fā)電效率較低。我國(guó)電力系統(tǒng)每年投資上萬(wàn)億元用于電力基礎(chǔ)設(shè)備投資，僅為滿足每年極短時(shí)間的尖峰負(fù)荷，投資回報(bào)率極低，在電力系統(tǒng)中運(yùn)營(yíng)大規(guī)模儲(chǔ)能產(chǎn)品將節(jié)約巨額基礎(chǔ)設(shè)備投資并能保證電力供應(yīng)的穩(wěn)定性與安全性，提高電力設(shè)備的利用率。

今天降低 CO 排放量和可再生能源發(fā)電的利用成為重要主題。然而，這些可再生資源主要是起伏不定、并且不可控的陽(yáng)光、水和風(fēng)力。這些可再生能源發(fā)電的模式與電力需求的模式有某些相似之處，但總體上來(lái)說(shuō)它們遠(yuǎn)不相等。為此，需要額外的電力生產(chǎn)以保證需求和供應(yīng)的平衡，從而造成了傳統(tǒng)的發(fā)電廠更加波動(dòng)的發(fā)電模式。

引進(jìn)新的高效節(jié)能的技術(shù)，如電動(dòng)汽車可能會(huì)導(dǎo)致更加波動(dòng)的電力需求。由于這些車輛需要快速充電以確保足夠的能量?jī)?chǔ)備來(lái)應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的旅行，因而這些電動(dòng)汽車不受控制的充電將推高電力高峰需求。

因而，新能源發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用及電動(dòng)汽車的推廣是儲(chǔ)能技術(shù)研究的主要推動(dòng)力。通過合理的設(shè)計(jì)與調(diào)度，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠給新能源發(fā)電的穩(wěn)定運(yùn)行以及提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提供保障，并有助于促進(jìn)新能源的大規(guī)模開發(fā)，達(dá)到更大的市場(chǎng)規(guī)模及經(jīng)濟(jì)效益。

3 儲(chǔ)能技術(shù)概述

從能量交換的角度，儲(chǔ)能技術(shù)可分為：機(jī)械儲(chǔ)能（抽水蓄能電廠，壓縮空氣儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能），電化學(xué)能（如傳統(tǒng)鉛酸電池、燃料電池等），電能（超級(jí)電容），化學(xué)能（如氫儲(chǔ)能系統(tǒng)），磁能（如超導(dǎo)磁能儲(chǔ)存系統(tǒng)（SMES）），熱能及熱化學(xué)能等。下面介紹下幾種應(yīng)用較廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)。

3.1 抽水蓄能

抽水儲(chǔ)能主要是利用電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)的多余電能，將水從低水位抽至高水位，將吸收的電能以水能（機(jī)械勢(shì)能）形式儲(chǔ)存起來(lái)，待負(fù)荷高峰時(shí)，利用高水位所儲(chǔ)水量發(fā)電，將水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。早?929年，第一個(gè)大容量（31MW）的抽水蓄能電站就在美國(guó)投入使用。據(jù)IEEE電力存儲(chǔ)協(xié)會(huì)的報(bào)告，截止2009年，世界上抽水蓄能電站的總裝機(jī)容量約為88 000MW[2]。

在電力系統(tǒng)中，用抽水儲(chǔ)能電站來(lái)大規(guī)模解決負(fù)荷峰谷差。在技術(shù)上成熟可靠，容量?jī)H受到水庫(kù)容量的限制。抽水儲(chǔ)能是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種儲(chǔ)能技術(shù)。抽水儲(chǔ)能必須具有上下水庫(kù)，利用電力系統(tǒng)中多余的電能、把下水庫(kù)（下池）的水抽到上水庫(kù)（上池）內(nèi)，以位能的的方式蓄能；現(xiàn)在抽水儲(chǔ)能電站的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)提高到了75%以上。

3.2 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣蓄能（CAES）指的是在高壓情況下通過壓縮空氣來(lái)存儲(chǔ)大量的可再生能源，然后將其存儲(chǔ)在大型地下洞室、枯竭井或蓄水層里。在非用電高峰期（如晚上或周末），用電機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)，將空氣壓縮進(jìn)一個(gè)特定的地下空間存儲(chǔ)。然后，在用電高峰期（如白天），通過一種特殊構(gòu)造的燃?xì)鉁u輪機(jī)，釋放地下的壓縮空氣進(jìn)行發(fā)電。雖然燃?xì)鉁u輪機(jī)的運(yùn)行仍然需要天然氣或其他石化燃料來(lái)作為動(dòng)力，但是這種技術(shù)卻是一種更為高效的能源利用方式。利用這種發(fā)電方法，將比正常的發(fā)電技術(shù)節(jié)省一半的能源燃料。

據(jù)IEEE電力存儲(chǔ)協(xié)會(huì)的報(bào)告，截止2009年，世界上壓縮空氣蓄能的總裝機(jī)容量排名第二，約為367MW[2]。壓縮空氣儲(chǔ)能有能力滿足清潔的用電低谷時(shí)發(fā)出的可再生能源電力的儲(chǔ)存需求。此外，由于其具有快速啟動(dòng)功能，壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目可以把附近大型風(fēng)電場(chǎng)釋放出的不穩(wěn)定電力平滑的持續(xù)性地輸入電網(wǎng)。同時(shí)，隨著風(fēng)能近來(lái)來(lái)的大力發(fā)展，對(duì)快速反應(yīng)并能夠穩(wěn)定電網(wǎng)的技術(shù)的需求越來(lái)越大。以壓縮空氣儲(chǔ)能的方式來(lái)滿足用電高峰時(shí)刻的電力需求對(duì)環(huán)境幾乎是沒有破壞影響的，并能支持可再生能源電力儲(chǔ)存和電網(wǎng)穩(wěn)定

3.3 電池儲(chǔ)能

電池是主要的儲(chǔ)能方式之一，應(yīng)用最廣泛。鉛酸電池是最常見的電池類型。公用事業(yè)和電力用戶在急需關(guān)鍵電力的時(shí)候把它當(dāng)作備份能源來(lái)使用。通常情況下，鉛酸電池由板、鉛、35%硫酸溶液和65%水浸泡而成的氧化鉛組成。目前，閥控式鉛酸電池和凝膠型鉛酸電池這兩種新型鉛酸電池已得到了廣泛地推廣。其中，閥控式鉛酸電池具有密封、不需要用水和比普通鉛酸電池需要較少維護(hù)的顯著優(yōu)點(diǎn)；凝膠型鉛酸電池由于使用凝膠（而不是充滿液體），則不易泄漏。

現(xiàn)階段，大規(guī)模應(yīng)用在電網(wǎng)儲(chǔ)能的是鈉硫電池。據(jù)IEEE電力存儲(chǔ)協(xié)會(huì)的報(bào)告，截止2009年，世界上鈉硫電池的總裝機(jī)容量約為250MW[2]，在各類儲(chǔ)能應(yīng)用中排名第三。鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)包括鈉硫電池子系統(tǒng)和功率轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)（PCS）兩部分。其中鈉硫電池子系統(tǒng)由電池儲(chǔ)柜、鈉硫電池模塊、模塊連接母線和直流斷路開關(guān)組成；功率轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)通常由電壓源逆變器（VSI）、監(jiān)測(cè)傳感器、系統(tǒng)控制器、變壓器構(gòu)成，是連接在儲(chǔ)能電池和交流電網(wǎng)之間的接口電路，實(shí)現(xiàn)鈉硫電池直流能量和交流電網(wǎng)之間雙向能量傳遞。在電池充電階段，電網(wǎng)為鈉硫電池組和負(fù)荷提供電力。開始充電的時(shí)間通常選擇在用電負(fù)荷低谷，PCS 在此期間工作在整流狀態(tài)，相當(dāng)于一個(gè)大功率充電器。在電池放電階段，PCS 控制儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)峰功能，電池通過放電向負(fù)荷提供電力，在此期間PCS 工作在逆變狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出。鈉硫電池因其儲(chǔ)能密度大、效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)較容易、不污染環(huán)境、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適合電力儲(chǔ)能使用。

此外，鋰離子電池、釩電池等液流電池近年來(lái)的發(fā)展也非常快。

3.4 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種機(jī)械儲(chǔ)能方式。早在20世紀(jì)70年代就有人提出利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來(lái)儲(chǔ)存能量，并應(yīng)用于電動(dòng)汽車的構(gòu)想。由于飛輪材料和軸承問題等關(guān)鍵技術(shù)一直沒有解決而停滯不前，20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于高強(qiáng)度的碳纖維材料、低損耗磁懸浮軸承、電力電子學(xué)三方面技術(shù)的發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能器才得以重提，并且得到了快速的發(fā)展[3]。

在各種儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪儲(chǔ)能是能量密度、功率密度、使用壽命等技術(shù)性能結(jié)合得非常好的一種儲(chǔ)能技術(shù)，在很多應(yīng)用中都具有優(yōu)勢(shì)。但飛輪儲(chǔ)能，尤其高速飛輪儲(chǔ)能是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)群，包括電磁、機(jī)械、材料、電力電子等，涉及很多關(guān)鍵技術(shù)問題。國(guó)外一些公司經(jīng)過幾十年的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)積累，目前已經(jīng)出現(xiàn)了高速飛輪系列產(chǎn)品。世界領(lǐng)先的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)供應(yīng)商Beacon電力近期即將完成世界上最大的20MW的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝運(yùn)營(yíng)。高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在瞬間釋放出巨大電力以穩(wěn)定電網(wǎng)波動(dòng)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰功能，從而替代燃?xì)獍l(fā)電廠，為電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商創(chuàng)造更可靠的電力供求系統(tǒng)。

3.5 超級(jí)電容

超級(jí)電容器（Super-capacitor）是電化學(xué)存儲(chǔ)設(shè)備，它像普通版本的電容器一樣工作，它們?cè)陟o電場(chǎng)而不是在化學(xué)形態(tài)下存儲(chǔ)能量。超級(jí)電容器可以迅速解決電力的緊張并能承受幾十萬(wàn)次周期的充放電循環(huán)，而電池只能承受幾百次或幾千次。缺點(diǎn)是他們的價(jià)格比電池高和使用的技術(shù)不夠成熟。超級(jí)電容器是20世紀(jì)60～70年代率先在美國(guó)出現(xiàn)，并在80年代逐漸走向市場(chǎng)的一種新興的儲(chǔ)能器件。由于使用特殊材料制作電極和電解質(zhì)，這種電容器的存儲(chǔ)容量是普通電容器的20～1 000倍，同時(shí)又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量速度快的特點(diǎn)[4]。

超級(jí)電容器與傳統(tǒng)的蓄電池比較具有能量密度高，充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)，能量?jī)?chǔ)存壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。與飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能相比，它在工作過程中沒有運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)工作極少，相應(yīng)的可靠性非常高。這樣的特點(diǎn)使得它在應(yīng)用于小型的分布式發(fā)電裝置中有一定優(yōu)勢(shì)。在邊遠(yuǎn)的缺電地區(qū)，太陽(yáng)能和風(fēng)能是最方便的能源，作為這兩種電能的儲(chǔ)能系統(tǒng)，蓄電池有使用壽命短，有污染的弱點(diǎn)，超導(dǎo)儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能成本太高，超級(jí)電容器成為較為理想的儲(chǔ)能裝置。目前，超級(jí)電容器已經(jīng)不斷應(yīng)用于諸如高山氣象臺(tái)、邊防哨所等的電源供應(yīng)場(chǎng)合。

超級(jí)電容器與常規(guī)電容器相比，具有更高的介電常數(shù)，技術(shù)難點(diǎn)在于耐壓能力仍然不夠高，雖然說(shuō)比起常規(guī)電容器，超級(jí)電容器的耐壓水平要高很多，但是仍然不夠高，目前即使是陶瓷超級(jí)電容器的耐壓水平最高也只能承受1 kV左右，我們知道電容器儲(chǔ)存的能量E=CV2/2。如果能解決耐壓能力這一技術(shù)難點(diǎn)，超級(jí)電容器的容量將大大提高。

3.6 超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能系統(tǒng)

超導(dǎo)儲(chǔ)能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）是利用由超導(dǎo)線制成的線圈，將電網(wǎng)供電勵(lì)磁所產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)再將此儲(chǔ)存的能量送回電網(wǎng)或作它用[5，6]。

由于超導(dǎo)儲(chǔ)能所儲(chǔ)存的是電磁能，因此它與其他形式的儲(chǔ)能，如蓄電池儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等相比，有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)。它不經(jīng)過其他形式的能量轉(zhuǎn)換，可長(zhǎng)期無(wú)損耗地儲(chǔ)存能量，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)通過電力電子器件構(gòu)成的變流器與電網(wǎng)和負(fù)載相連，響應(yīng)速度可快至幾個(gè)至幾十毫秒。此外，超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置還具有調(diào)節(jié)容易、建造不受地點(diǎn)限制、維護(hù)方便以及無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。所以，超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)在電力工業(yè)中將有廣泛的商業(yè)應(yīng)用前景。目前，國(guó)外小型超導(dǎo)儲(chǔ)能已形成商業(yè)產(chǎn)品，中大型超導(dǎo)儲(chǔ)能在國(guó)家支持下實(shí)施了一些項(xiàng)目，并在持續(xù)地進(jìn)行研究。

4儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

表1[7]列出了壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能等幾種典型儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用。這些應(yīng)用分類與儲(chǔ)能設(shè)施的容量大小及放電時(shí)間有關(guān)。

5 應(yīng)用前景分析

主要儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展成熟度及規(guī)模如圖1所示[8]。考慮到各種技術(shù)的差異性，有時(shí)可在具體應(yīng)用中同時(shí)采用多種儲(chǔ)能技術(shù)，以充分發(fā)揮每種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。如：聯(lián)合使用超級(jí)電容和電池，把超高電容器作為功率器件，把電池作為能源器件，聯(lián)合提供更有效的能量存儲(chǔ)，并在取代大型、昂貴的電池時(shí)候，減輕對(duì)保修問題的擔(dān)憂。

我國(guó)2020年大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)的市場(chǎng)需求約為2，500萬(wàn)kW，以4000元/kW計(jì)算，市場(chǎng)容量約為1000億?？傮w來(lái)說(shuō)，隨著新能源發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用及儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)需求越越來(lái)越大。

6 結(jié)束語(yǔ)

儲(chǔ)能技術(shù)能夠針對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行體系各個(gè)環(huán)節(jié)的特殊需求，滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，并已被視為電網(wǎng)運(yùn)行過程中“采-發(fā)-輸-配-用-儲(chǔ)”的第六個(gè)環(huán)節(jié)?？梢杂行У貙?shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負(fù)荷，不僅可以有效地利用電力設(shè)備，降低供電成本，也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。無(wú)疑，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將在未來(lái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來(lái)重大變革。

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分，可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷，可以提高電力設(shè)備運(yùn)行效率、降低供電成本，還可以作為促進(jìn)可再生能源應(yīng)用，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段。智能電網(wǎng)的構(gòu)建將促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)升級(jí)、推動(dòng)儲(chǔ)能需求尤其是大規(guī)模儲(chǔ)能需求的快速增長(zhǎng)，從而帶來(lái)相應(yīng)的投資機(jī)會(huì)。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的大量應(yīng)用必將在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制方面帶來(lái)變革。儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)系到國(guó)計(jì)民生，具有越來(lái)越重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，國(guó)家應(yīng)該盡快研究?jī)?chǔ)能技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究的投入，切實(shí)鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新，掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；從規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展起始階段就重視環(huán)境因素，防治環(huán)境污染；充分發(fā)揮儲(chǔ)能在節(jié)能減排方面的作用，把對(duì)新能源的鼓勵(lì)政策延伸到儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。

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作者簡(jiǎn)介：

李曉靜（1978-），女，河南南陽(yáng)人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事電氣二次設(shè)計(jì)。深圳供電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司。

胡濱（1973-），女，江西南昌人，高級(jí)工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事電氣二次設(shè)計(jì)。深圳供電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司。