新能源電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)分析與研究

王鵬鑫

【摘 ?要】?jī)?chǔ)能雖然在我國(guó)起步較晚，但隨著我國(guó)新電改方案的實(shí)施，清潔能源發(fā)電、智能微電網(wǎng)、電動(dòng)汽車等行業(yè)的發(fā)展將不斷提速，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將形成新的發(fā)展趨勢(shì)。在發(fā)電、輸電、配電以及用電等各個(gè)環(huán)節(jié)，儲(chǔ)能技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】新能源;電力系統(tǒng);儲(chǔ)能技術(shù);分析與研究

1導(dǎo)言

當(dāng)前的新能源電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)包括物理儲(chǔ)能技術(shù)、化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、電磁儲(chǔ)能技術(shù)與相變儲(chǔ)能技術(shù)四大類型，每一種類型又分成多種具體的技術(shù)應(yīng)用方法。新能源電力系統(tǒng)對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，不僅需要其具有較高的能源轉(zhuǎn)化效率與較大的儲(chǔ)能容量，還需要由較快的響應(yīng)效果。結(jié)合上述對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)性能的探討，可以將多種儲(chǔ)能技術(shù)相互配置，通過(guò)彼此協(xié)調(diào)來(lái)發(fā)揮更大的儲(chǔ)能效果。

2儲(chǔ)能技術(shù)的分類概述

電能可轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、機(jī)械能、電池能等形式達(dá)到儲(chǔ)存的目的。按不同的轉(zhuǎn)化方式進(jìn)行分類，可分為電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能以及電池儲(chǔ)能。而機(jī)械儲(chǔ)能主要包括了壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能以及飛輪儲(chǔ)能等;電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括了鋰離子儲(chǔ)能、鉛酸儲(chǔ)能、鈉硫儲(chǔ)能、鎳鎘儲(chǔ)能以及液流儲(chǔ)能等;相變儲(chǔ)能主要是指儲(chǔ)熱的物質(zhì)發(fā)生了相變進(jìn)而放出或吸收天熱能量，在夏季可以蓄熱，冬季可以蓄冷，主要應(yīng)用于冷空調(diào)系統(tǒng)、建筑節(jié)能以及熱電相變蓄熱裝置等;電池儲(chǔ)能主要包括了超級(jí)電容儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能以及高能密度電容儲(chǔ)能等儲(chǔ)能形式。

3新能源電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)具有的作用

（1）新能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性可通過(guò)采用具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力和快速響應(yīng)的儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)進(jìn)行提高。對(duì)于電力系統(tǒng)的無(wú)功和有功功率的需求，儲(chǔ)能技術(shù)能有效地進(jìn)行滿足，從而對(duì)電力系統(tǒng)的瞬時(shí)功率進(jìn)行改善，提高瞬時(shí)功率的平衡水平，進(jìn)而使得電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性得以增強(qiáng)。（2）在新能源電力系統(tǒng)中應(yīng)用具有快速響應(yīng)能力的儲(chǔ)能技術(shù)，再進(jìn)行科學(xué)合理的配置，將多余的能量吸收，能有效的對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行保護(hù)，是風(fēng)電機(jī)組的低電壓整體穿越能力得以增強(qiáng)。（3）新能源電力系統(tǒng)中應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)可以很大程度的提高新能源電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。在新能源電力系統(tǒng)中采用大容量的壓縮空氣以及抽水儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)，在時(shí)間軸上將風(fēng)電平移，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，擴(kuò)大電力企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中應(yīng)用面臨的問(wèn)題

由于新能源具有隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，容易對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性造成影響。比如一些薄弱電網(wǎng)的地區(qū)，新能源具有的這些特點(diǎn)將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生極大的影響。另外，新能源電力系統(tǒng)中的某些電子器件會(huì)出現(xiàn)諧波等問(wèn)題，使得系統(tǒng)的電能質(zhì)量被降低。由此可知，新能源中的太陽(yáng)能和風(fēng)能在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用中，新能源具有的不確定性是未來(lái)需要克服的難題。因此，相關(guān)工作人員和研究機(jī)構(gòu)必須加強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)開(kāi)發(fā)利用的力度，優(yōu)化儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)換功能，對(duì)電源的出力特征進(jìn)行改善，從而提高電能質(zhì)量，達(dá)到有效的運(yùn)用新能源的目的。

5新能源電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)

5.1物理儲(chǔ)能技術(shù)

物理儲(chǔ)能是常見(jiàn)的新能源電力儲(chǔ)能的方式之一，具體包括三種技術(shù)：抽水儲(chǔ)能技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)與飛輪儲(chǔ)能技術(shù)。其中，抽水儲(chǔ)能技術(shù)是利用低谷電價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力能源的存儲(chǔ)，是當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用最為成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能方法，具有運(yùn)行成本低、水資源消耗大、儲(chǔ)能消耗功率高等特點(diǎn)。這種技術(shù)的應(yīng)用需要在河流的上下游各配建一個(gè)水庫(kù)，波谷負(fù)荷時(shí)的蓄能技術(shù)，會(huì)使電動(dòng)機(jī)處于工作狀態(tài)，將下游水庫(kù)中的水泵出，到上游水庫(kù)中進(jìn)行保存;在波峰負(fù)荷時(shí)的儲(chǔ)能技術(shù)，會(huì)使發(fā)電機(jī)處于工作狀態(tài)，利用上游水庫(kù)中的水力進(jìn)行發(fā)電。這種儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn) 70% 左右的能量轉(zhuǎn)換。而壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，也能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模工業(yè)用電的能量?jī)?chǔ)存，在電力網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷波谷時(shí)，用電力能源來(lái)壓縮空氣，并將空氣通過(guò)高壓密封的方式，儲(chǔ)存在廢舊礦洞、儲(chǔ)氣罐、廢棄油井或儲(chǔ)氣井當(dāng)中，在電力網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的高峰時(shí)期，釋放經(jīng)過(guò)高壓壓縮的空氣，來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，具有相應(yīng)速度快、使用效率高等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn) 75% 左右的能量轉(zhuǎn)換，是一種發(fā)展空間較大的儲(chǔ)能技術(shù)。

5.2化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

化學(xué)儲(chǔ)能通常是利用電池來(lái)儲(chǔ)存能源，是以電池正極與負(fù)極之間的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)充電與放電，利用電力能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換進(jìn)行儲(chǔ)能，是應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展最為成熟的新能源電力儲(chǔ)能技術(shù)。由于電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展較為成熟，因而電池的種類也十分繁多，包括鋰電池、鉛酸電池、金屬空氣電池等?；瘜W(xué)儲(chǔ)能技術(shù)相較于其他形式的儲(chǔ)能技術(shù)，在能源轉(zhuǎn)化、電能容量、技術(shù)應(yīng)用成本等多方面，都具有較大的優(yōu)勢(shì)。其中，鋰電池是當(dāng)前應(yīng)用性能較佳的電池，能量轉(zhuǎn)換效率較高，約達(dá) 85%，能量密度也比較大。另外，金屬空氣電池是一種綠色電能儲(chǔ)能技術(shù)，是將氧氣作為正極，將活潑金屬如鋁等，作為負(fù)極，氫氧化鉀、氫氧化鈉或氯化鈉等作為電解液，使氧氣向化學(xué)反應(yīng)界面進(jìn)行擴(kuò)散，與活潑金屬發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生電力能源，具有成本低、低碳環(huán)保、可回收等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以快速完成充電過(guò)程，但還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化與規(guī)?；l(fā)展。

5.3電磁儲(chǔ)能技術(shù)

電磁儲(chǔ)能是一種實(shí)現(xiàn)電磁能與電能相互轉(zhuǎn)化的儲(chǔ)能技術(shù)，包括超導(dǎo)磁儲(chǔ)能與超級(jí)電容器儲(chǔ)能兩種技術(shù)應(yīng)用方式。其中，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)是將超導(dǎo)材料制成線圈，由電力網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)變流器進(jìn)行供電并提供工作磁場(chǎng)，能量轉(zhuǎn)換效率較高，約達(dá) 90% 左右。超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)具有高轉(zhuǎn)換效率、快速響應(yīng)及環(huán)保等特點(diǎn)，在超導(dǎo)狀態(tài)小，線圈的電阻可以忽略不計(jì)，對(duì)于能量的損耗極小，可以進(jìn)行長(zhǎng)期供能。但提供時(shí)，超導(dǎo)體線圈，需要在超低溫液體中保存，就需要投入大量的成本，且技術(shù)應(yīng)用較為復(fù)雜。超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，可以通過(guò)新能源電力系統(tǒng)合理控制電壓與頻率等，確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。另外，這種技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)時(shí)交換大容量電力能源，并且補(bǔ)償其功率，在瞬態(tài)的情況下提高電能質(zhì)量，在暫態(tài)的情況下提高電能穩(wěn)定性。

5.4相變儲(chǔ)能技術(shù)

相變儲(chǔ)能技術(shù)是通過(guò)相變材料進(jìn)行吸熱與放熱實(shí)現(xiàn)能量存放的技術(shù)，具有較高的能量密度，同時(shí)其相變儲(chǔ)能的裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能夠進(jìn)行靈活調(diào)整，便于使用與管理，包括電儲(chǔ)熱技術(shù)、熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)與冰蓄冷技術(shù)三種。其中，電儲(chǔ)熱技術(shù)是利用水與金屬的儲(chǔ)熱性能實(shí)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用的，水的熱能存儲(chǔ)技術(shù)，是將水作為介質(zhì)存儲(chǔ)熱能，便于運(yùn)維管理，成本投入較少;金屬的熱能存儲(chǔ)技術(shù)，是將金屬作為介質(zhì)存儲(chǔ)熱能，利用金屬的固體與液體之間的物態(tài)變化來(lái)進(jìn)行熱能的存放，具有高溫度、高導(dǎo)熱性等優(yōu)勢(shì)。

6結(jié)語(yǔ)

新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展，是人類不斷探索新能源與可再生能源應(yīng)用的產(chǎn)物，也必將在電力供應(yīng)系統(tǒng)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位，但現(xiàn)階段，新能源電力系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用還不夠成熟，還存在電力供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)等問(wèn)題，限制了新能源電力系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用，因而需要電力儲(chǔ)能技術(shù)，減少新能源電力系統(tǒng)不穩(wěn)定、不連續(xù)所帶來(lái)的弊端，提高新能源電力的應(yīng)用范圍與應(yīng)用效果。

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（作者單位：國(guó)電電力內(nèi)蒙古新能源開(kāi)發(fā)有限公司）