電能儲存技術(shù)的分類及特點分析

摘 要：通過分析電網(wǎng)工作過程可以得知，其同時進行發(fā)電和供電工作。但對于熱電站來說，其發(fā)出的電能無法儲存，需要立即消耗掉，進而導(dǎo)致即使使用最大功率發(fā)電依然無法滿足用電高峰期的用電需求;與此同時，用電低谷期又造成了電力過剩，導(dǎo)致電力浪費。水力發(fā)電的特點是豐水期大量的水資源得不到充分利用只能排出，而到了枯水期，水資源的量又無法滿足發(fā)電的需求。這些問題也存在于風(fēng)力和太陽能發(fā)電領(lǐng)域。因此，如何將剩余的電能進行儲存是非常值得研究和探討的問題。首先，對不同的電能儲存技術(shù)根據(jù)其能量轉(zhuǎn)換方式進行了分類;其次，對不同種類的電能儲存技術(shù)特點進行了系統(tǒng)介紹，并分析了其實際應(yīng)用過程中存在的各種問題;最后，總結(jié)出電能儲存技術(shù)對于實現(xiàn)碳中和目標(biāo)有很重要的實際意義。

關(guān)鍵詞：發(fā)電;供電;電能;儲存;高峰期;低谷期;豐水期;枯水期

0? ? 引言

電能是表示電流做多少功的物理量。日常生活中使用的電能，主要來自其他形式能量的轉(zhuǎn)換，包括水能、熱能、風(fēng)能及光能等。電能也可以轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。

我國是世界上電力生產(chǎn)最多的國家，也是發(fā)電量增幅最大的國家。2019年，全球發(fā)電量為26 990.64億kW·h，我國發(fā)電量達7 503.4億kW·h，占比27.8%，比2018年同期增長4.7%，穩(wěn)居世界第一。發(fā)電廠發(fā)出的電能無法直接儲存，需要立即消耗掉，從而造成用電高峰期時電力需求無法滿足，而用電低谷期時電力過剩。研究如何將多余的電能儲存起來，是非常重大的民生問題。

1? ? 電能儲存技術(shù)的分類

根據(jù)能量守恒定律，無論是電能的儲存還是電能的釋放，都可以借助于物理變化完成。電能儲存可以根據(jù)不同的能量形式分為兩類，分別是物理形式和化學(xué)形式，如圖1所示。

下文在此基礎(chǔ)上討論如何用不同的形式儲存電能。

1.1? ? 抽水儲能

該類型電站的構(gòu)成包括兩部分，即上水庫和下水庫，分別位于電站的上方和下方，這是一種機械儲能方式。上水庫中水的重力勢能可以借助于逆勢水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。

1.2? ? 壓縮空氣儲能

即密閉氣室當(dāng)中存儲的空氣勢能可以借助于空氣壓縮機和渦輪機轉(zhuǎn)換成為電能，如圖2所示，這也是一種機械儲能方法。

1.3? ? 飛輪儲能

飛輪轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的動能可以借助于發(fā)電機或者電動機轉(zhuǎn)換成為電能，也屬于機械儲能。

1.4? ? 超導(dǎo)線圈儲能

利用磁場的方式將直流電存儲于超導(dǎo)螺旋管當(dāng)中，如圖3所示，其屬于電感儲能方式。

1.5? ? 超級電容儲能

超級電容包括兩種，分別為雙電層電容和法拉第電容，其中雙電層電容能夠儲存電場能，其工作原理與普通電容相似;而法拉第電容的工作原理是氧化還原反應(yīng)，從本質(zhì)來看，其儲存的能量為化學(xué)能，但是無論其充電還是放電都具有電容特性。

1.6? ? 蓄電池儲能

鉛酸電池在過去比較常用，現(xiàn)在逐漸為鋰電池所取代，其共同特點是存在著電化學(xué)變化，因此該方式屬于化學(xué)儲能。

1.7? ? 氫儲能

其最常應(yīng)用于燃料電池中，無論是充電還是放電，都發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，如圖4所示，因此這屬于化學(xué)儲能。

綜上所述，只有超導(dǎo)和超級電容的存儲方式為直接儲存電磁場能量，除此之外電站都是使用其他形式儲存電能，其工作原理是完成電能和其他能量的互相轉(zhuǎn)換。

2? ? 各種電能儲存技術(shù)的特點

2.1? ? 抽水儲能電站

自20世紀90年代起，意大利和瑞士就開始使用抽水儲能方式儲存電能，距今已有100多年的歷史。對于當(dāng)前存在的電力系統(tǒng)峰谷難題，解決方式之一就是建設(shè)抽水儲能電站。這種水電站的工作方式是使用一定量的水當(dāng)作能量載體，然后將其轉(zhuǎn)換為電能提供至電力系統(tǒng)。其可以將電力負荷低谷期和豐水期的過剩電能進行存儲，工作原理是將水從下水庫中抽取到上水庫，使用位能的形式保存電能。這些過剩的電能可以在電力系統(tǒng)負荷高峰期和枯水期，被輸送至電力系統(tǒng)中。綜上所述，抽水儲能電站有雙重身份，其既可以作為電力用戶來存儲低谷電能，同時也可以作為水電站提供峰荷電力。

其優(yōu)勢表現(xiàn)為，經(jīng)過長期的發(fā)展，技術(shù)相當(dāng)成熟，具有一定的可靠性和大容量性，但受限于水庫庫容。如果抽水儲能和風(fēng)電系統(tǒng)合作，并結(jié)合火電機組，建立含抽水儲能的風(fēng)—水—火聯(lián)合機組，可以節(jié)省抽水儲能有限的調(diào)節(jié)資源，提高火電機組備用響應(yīng)的有效性，并且可以避免火電機組的頻繁啟停[1]。

其不足之處在于，受地理位置限制嚴重，必須有合適的位置可以分別建設(shè)高低水庫。除此之外，在抽水和發(fā)電的過程中都存在一定的能量損失，并且在地理位置的制約下，通常無法靠近負荷中心。除電能損失之外，如果系統(tǒng)因為重大事故導(dǎo)致無法正常工作，抽水儲能電站也無法發(fā)揮作用。例如在抽水調(diào)相工況下發(fā)生失磁時，現(xiàn)有的失磁保護有缺陷，機組勵磁不能及時切換，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[2]。

2.2? ? 壓縮空氣儲能

20世紀50年代出現(xiàn)了壓縮空氣儲能電站，其可以存儲廉價的電力，然后輸送至用電高峰期的電力系統(tǒng)中。其工作原理為借助于電力負荷低谷期的過剩電能驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)，使空氣能夠?qū)⒌叵聝鈳斐錆M，需要使用的時候，釋放儲存的空氣即可驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。其工作原理類似于抽水儲能，最早應(yīng)用于氣動工具，只要具有足夠的規(guī)模，即可有效解決峰谷差問題。最為關(guān)鍵的就是尋找適合的場所來存儲壓縮空氣，類似的場所包括廢氣礦井和具有較好密封性的山洞等。

現(xiàn)階段，全球范圍內(nèi)僅有幾個國家成功建設(shè)了示范性壓縮空氣儲能電站。擺脫對可提供熱源的天然氣等化石燃料、大型洞穴的依賴，同時提高系統(tǒng)效率，是壓縮空氣儲能廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題[3]。

2.3? ? 飛輪儲能

飛輪儲能（電池）內(nèi)置電機可以用作發(fā)電機和電動機。當(dāng)進行電能儲存的時候，其可以發(fā)揮電動機的作用，實現(xiàn)飛輪加速;當(dāng)輸出電能的時候，其可以發(fā)揮發(fā)電機的作用，為外部設(shè)施供電，降低飛輪轉(zhuǎn)速;當(dāng)飛輪停止工作的時候，系統(tǒng)保持最小損耗運行。其主要借助于飛輪的加減速來完成充放電，應(yīng)用了變速恒頻的電力電子技術(shù)，因此輸出電能頻率不會發(fā)生改變。

除此之外，飛輪機組還可以作為單元型機組使用，能夠結(jié)合實際需求進行組合，形成的裝置具有更大的功率，并且能夠在負荷周圍進行安裝。這種用法既可以結(jié)合實際需求完成相應(yīng)的擴展，又能夠保證電能不發(fā)生損耗。

飛輪儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)控制的效果優(yōu)異，能夠有效提高電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性，保證電網(wǎng)運行的可靠性和安全性[4]。

通常情況下，使用碳纖維材料制作飛輪，因為其實際轉(zhuǎn)速可以達到40 000～500 000 r/min，這是其他材料制作的飛輪達不到的轉(zhuǎn)速。除此之外，其不僅重量輕，而且強度高，有效降低了系統(tǒng)重量，并且充放電過程中的能量損耗尤其是摩擦力損耗也顯著下降。電機和飛輪均選擇應(yīng)用了磁軸承，其優(yōu)點是懸浮狀態(tài)能夠有效減少機械摩擦;二者在真空容器中運行，有效減小了空氣摩擦。這種情況下，飛輪電池能夠獲取約為95%的凈效率。

對于該領(lǐng)域的專家學(xué)者而言，其研究的重點是研發(fā)復(fù)合材料和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。前者可以有效提升儲能密度，并實現(xiàn)系統(tǒng)體積和重量的縮減;后者是目前最主要的降低損耗的方式。

2.4? ? 磁場儲能（超導(dǎo)線圈儲能）

磁場儲能指的是將電流輸入至電感中儲存磁場能。其與電力系統(tǒng)借助于換流器相連，換流器具有快速高效的特點。

超導(dǎo)線圈之所以具有較高的儲能效率，是因為其在運行狀態(tài)下不存在任何電阻。除此之外，相較于常規(guī)線圈，超導(dǎo)線圈具有更高的電流密度和儲能密度。不僅如此，其還具有非?？斓捻憫?yīng)速度，這是因為其僅受到控制回路時間常數(shù)和換流器開關(guān)時間的制約，尤其適用于電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程等瞬變狀態(tài)。

其不足之處在于，必須配置深冷設(shè)備，就算是高溫超導(dǎo)線圈的運行也無法脫離液氮溫度?，F(xiàn)階段，超導(dǎo)線圈儲能技術(shù)的應(yīng)用還存在諸多困難，需要進行大量的研究，包括其成本、制作材料、性能等。如果對勵磁線圈進行優(yōu)化設(shè)計，可以削弱最大垂直磁場，提高臨界電流，并能提高超導(dǎo)帶材的利用率[5]。

2.5? ? 電場儲能（超級電容儲能）

電場儲能指的是借助于電容器的電荷存儲能力完成電能的存儲。傳統(tǒng)電容器的缺點是電容量過小，因此僅能應(yīng)用于弱電和高壓脈沖技術(shù)領(lǐng)域。超級電容器問世之后，其可以應(yīng)用于能源領(lǐng)域。超級電容器，顧名思義具有超級大的電容量，其電介質(zhì)的介電常數(shù)極高，能夠制作小體積的電容器，單位為法拉，相較于普通電容器，數(shù)量級顯著增加。

相較于超導(dǎo)線圈，電容儲能器具有更快的充放電速度，并且無須配置深冷設(shè)備。其不足之處在于，電介質(zhì)耐壓水平比較低，采用其制作的電容器耐壓僅為幾伏。

當(dāng)前研究的主要方向包括兩個方面，首先隨著電壓的不斷增加，儲能能夠成平方地增加;其次，超級電容器往往工作電壓比較低，所以在實際應(yīng)用中，多個電容器需要串聯(lián)應(yīng)用，因此其充放電控制回路需要增多，確保所有電容器都能夠獲得最佳工作條件。

基于上述特點，超級電容儲能將被廣泛應(yīng)用于交通和能源領(lǐng)域。例如將超級電容儲能與光伏系統(tǒng)組合成一種混合級聯(lián)型光伏逆變器，超級電容儲能單元既可以平抑有功功率波動，又可以通過輸出無功功率來擴大光伏單元的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍，有利于光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和提高供電可靠性[6]。再如將超級電容儲能系統(tǒng)應(yīng)用到永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的直流側(cè)，并配上合適的控制策略，可以改善風(fēng)電機組的低電壓穿越能力[7]。

2.6? ? 可充電電池儲能

可充電電池儲能又被稱為“二次電池”或“蓄電池”，其本質(zhì)為電化學(xué)儲能。過去在價格和儲能密度等因素的制約下，可充電電池儲能并不在儲能領(lǐng)域考慮范圍。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，可充電電池得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其已經(jīng)成為風(fēng)力和太陽能等獨立運行的發(fā)電站中不可或缺的儲能裝置。

可充電電池種類繁多，其中最為常見的就是鉛酸電池，目前該類電池的代表為密封型免維護鉛酸電池;同時，堿性電池也不斷更新?lián)Q代，鎳氫電池逐漸取代了傳統(tǒng)的鎳鎘電池。對比鉛酸和堿性電池可以發(fā)現(xiàn)，前者的特點包括具有比較大的容量，結(jié)構(gòu)比較堅固，能夠多次進行充放循環(huán);其不足之處在于價格更貴，導(dǎo)致其無法在能源領(lǐng)域廣泛使用。鉛酸電池亟需在輕量化、長壽命、低成本、快充等方面再來一次技術(shù)革命，未來必須借鑒如材料科學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科的先進技術(shù)及先進理念，才能在日益激烈的競爭中獲得一席之地[8]。

最近幾年，最為常用的就是鋰離子二次電池，其性能良好，徹底解決了充電電池普遍存在的充放電記憶效應(yīng)問題，使用更加方便，同時其制作過程幾乎不會產(chǎn)生污染，因此又被稱為“綠色電池”。其不足之處在于價格高昂，假如可以在提升儲能密度的同時實現(xiàn)成本的縮減，其應(yīng)用于供電設(shè)備儲能領(lǐng)域的可能性也就更大。同時還需考慮其安全可靠性，提高電池能量密度和保障安全性，這兩項是相互對立的，解決鋰電池安全問題之路任重而道遠[9]。

蓄電池與超級電容組成的新型混合儲能系統(tǒng)的出現(xiàn)，既滿足了直流系統(tǒng)的要求，又實現(xiàn)了蓄電池充放電的靈活控制，延長了蓄電池的使用壽命，提高了直流系統(tǒng)運行的技術(shù)經(jīng)濟性[10]。

2.7? ? 氫儲能（燃料電池）

在燃料電池成功研發(fā)的基礎(chǔ)上，提出了氫儲能的概念，現(xiàn)階段，燃料電池已經(jīng)能夠?qū)嶋H應(yīng)用于能源供應(yīng)領(lǐng)域。

氫儲能的優(yōu)勢表現(xiàn)為：首先，具有非常高的能量，氫的發(fā)熱值僅次于核燃料;其次，具有良好的燃燒性能，能夠快速點燃;再次，氫氣屬于綠色純凈能源，具有無色、無臭、無毒的特點，其燃燒產(chǎn)物主要是水，此外包含極少的氮化氫，不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，例如CO、CO2、碳氫化合物、鉛化物和顆粒粉塵等，而少量的氮化氫在處理之后也不會對環(huán)境造成污染，且它燃燒后生成的水可以用來制備氫氣，能夠循環(huán)利用;最后，有多種不同的利用方式，包括氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)金屬氫化物3種不同的形態(tài)，能滿足不同的存儲和使用需求。

基于上述優(yōu)點，氫儲能是當(dāng)前專家學(xué)者研究的主要對象。通過建立氫燃料電池模型，可得到氫電池的電壓輸出特性和功率特性，再配上合適的控制系統(tǒng)，可以有效抑制系統(tǒng)振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11]。

目前，東莞市麻涌鎮(zhèn)已經(jīng)聚集了氫藍時代、中汽宏遠、祥鑫科技新能源汽車零部件等相關(guān)氫能產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè);未來，將著力打造更大規(guī)模的企業(yè)集群，構(gòu)建東莞氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心力量。依靠氫能產(chǎn)業(yè)，東莞將走出一條特色發(fā)展之路，在全國層面樹立一個標(biāo)桿。

3? ? 結(jié)語

通過以上介紹可知，發(fā)電站發(fā)出的多余電能是可以被儲存的，只不過因為系統(tǒng)設(shè)計和運行因素的制約，電能不能大量儲存。當(dāng)前電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展目標(biāo)主要包括環(huán)保、可靠、高效靈活等，其中重要的一環(huán)就是電能儲存技術(shù)的實現(xiàn)，其不僅可以實現(xiàn)電能質(zhì)量的提升，同時還可以為供電的可靠性提供保障。對于風(fēng)能、太陽能等可再生資源而言，其需要以電能儲存技術(shù)的削峰填谷能力為基礎(chǔ)完成大規(guī)模并網(wǎng)。

2020年9月，中國向世界宣布了2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，時間短，任務(wù)重。未來新能源發(fā)電將成為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵路徑，而大部分可再生能源都具有間歇性的特點，假如完全依靠可再生能源提供不間斷的電力，配套儲能系統(tǒng)將是唯一選擇。

2021年6月，西門子與協(xié)鑫集團簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，將在可再生能源制氫方面開展合作，共同在該領(lǐng)域打造數(shù)字化超級工廠。西門子在引領(lǐng)全球低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面積累了豐富且可借鑒的經(jīng)驗，期待其能夠為中國推進碳中和進程貢獻一份力量。

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收稿日期：2021-08-12

作者簡介：黃俊（1982—），男，江蘇南京人，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護的研發(fā)工作。