儲能技術在新能源電力系統(tǒng)中的應用

康世勇 王強

[摘 ? ?要]在能源緊缺的背景下，對新能源的開發(fā)和利用顯得尤為重要。在新能源的開發(fā)利用過程中，光伏發(fā)電和風力發(fā)電的發(fā)展十分迅速，越來越多的替代傳統(tǒng)電源。借助儲能技術，可以解決風電與光伏發(fā)電過程中存在的波動性以及隨機性問題，能夠更好地保障供電的穩(wěn)定性，降低對電力系統(tǒng)造成的沖擊，這對于提升電能質量以及保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行具有十分重要的意義?；诖?，就新能源電力系統(tǒng)中對儲能技術的應用措施進行探究。

[關鍵詞]新能源;儲能技術;電力系統(tǒng);應用

[中圖分類號]TM7 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–03

[Abstract]In the context of energy shortage， the development and utilization of new energy is particularly important. In the process of the development and utilization of new energy， photovoltaic power generation and wind power generation are developing rapidly， more and more replace the traditional power supply. With the help of energy storage technology， it can solve the volatility and randomness problems in the process of wind power and photovoltaic power generation， better guarantee the stability of power supply and reduce the impact on the power system， which is of great significance to improve the power quality and ensure the stable operation of the power system. Based on this， this paper explores the application measures of energy storage technology in new energy power system， for your reference only.

[Keywords]new energy; energy storage technology; power system; application

1 儲能技術的作用

儲能技術的作用主要體現(xiàn)在抑制電力系統(tǒng)中傳輸功率波動性、電力調峰以及提升電能質量等方面。儲能技術的應用，需要借助儲能裝置，通過儲能裝置來釋放功率或者吸收功率，起到對功率的有效調節(jié)作用。我國近年來在風力發(fā)電以及光伏發(fā)電中取得了十分顯著的成就。其中，以大規(guī)模風電場群的發(fā)展最為迅速，有效緩解了我國電能資源緊張的局面，但與此同時也使得電網(wǎng)的穩(wěn)定性面臨著更大的考驗。為了更好地保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，則需要應用儲能技術，借助相關的儲能裝置來合理調節(jié)電能。通過儲能技術，可以更好地保障新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時還可以對多余的能量進行吸收儲存，給予風電機組更好的保護。除此之外，借助儲能技術還可以實現(xiàn)風電在時間軸上的平移，進而提升電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

2 新能源電力系統(tǒng)中的儲能技術概述

在新能源電力系統(tǒng)中，電能的存儲和釋放主要通過其他能量轉換來完成，例如，將電池能與電能進行相互轉換，然后進行存儲和釋放，將化學能或機械能與電能進行相互轉換等。每種方式的能量轉換都需要有相應的系統(tǒng)作為支撐。在整個儲能過程中，很多帶有不同特征和特性的技術將被應用，有些具有能量密度高、容量大的特點，這些技術也被稱作能量型儲能技術，常用的技術包括電池儲能和抽水儲能;有些則具有功率轉換效率高的特點，這一類技術被稱作功率型儲能技術，比較典型的有飛輪儲能和超導儲能。按照技術應用類型進行劃分，當前最為主要的幾類儲能方式有：物理、化學、電磁、相變。

2.1 物理儲能技術

2.1.1 抽水儲能

抽水儲能優(yōu)點眾多，例如，儲能容量大，除此之外，成本低與運行靈活也是主要優(yōu)點。但需要注意的是，這種儲能方式需要大量水資源支持，而液態(tài)水本身易蒸發(fā)，并且需要耗費大量功率，因此實際能力轉換率僅為70%左右。另外，受諸多自然地理因素限制，電站站址選擇會比較困難，如水文質量、地質條件等，都是限制電站站址選擇的主要因素。包括新型海水抽水儲能在內(nèi)的多種抽水儲能技術，在實際應用中發(fā)揮了重要作用，且各具優(yōu)勢和特點，實際應用中可根據(jù)自然環(huán)境條件來進行選擇。

抽水儲能因自身的特點，在事故備用以及系統(tǒng)調峰等方面的作用十分顯著，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，使得抽水儲能的作用更加廣泛，已經(jīng)不再局限于儲能發(fā)電方面，而是會在緊急事故備用等方面發(fā)揮出更大的作用。抽水儲能在電力系統(tǒng)中的運用，能夠實現(xiàn)靜態(tài)與動態(tài)效益的結合，因此有著廣泛的應用前景。

2.1.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能有兩個比較主要的工作過程，一是儲能，二是釋能。在儲能過程中，空氣會在電動機驅動壓縮機作用下被壓縮和降溫，然后存儲到報廢礦井、海底儲氣罐等儲氣室中;在釋能過程中，空氣會在高溫作用下流動到燃燒室，受燃氣膨脹影響，燃氣輪機會帶動發(fā)電機進行發(fā)電。

壓縮空氣儲能具有能換轉化率高的優(yōu)勢與特點，通常情況下，其能源轉化率可以達到75%以上。在壓縮空氣儲能技術的基礎上，再配合其他相關先進技術，可以進一步提升能源的轉化率。壓縮空氣儲能技術還具有成本低以及能耗少的特點，但在技術的應用過程中，往往會受到地形條件的制約，這在很大程度上抑制了技術的推廣應用。目前，針對該技術的應用主要體現(xiàn)在保障大規(guī)模集中風力發(fā)電的平滑輸出方面，發(fā)揮了至關重要的作用。

2.1.3 飛輪儲能

相比抽水儲能，飛輪儲能效率更高，可達80%以上。與其他幾種儲能方式相同，應用系統(tǒng)是支持飛輪儲能技術得以發(fā)揮的重要平臺，在飛輪儲能系統(tǒng)的支持下，飛輪會在電機帶動下通過高速旋轉來完成能量存儲，主要存在于飛輪體內(nèi);當需要釋放能量時，高速運行狀態(tài)下的飛輪會充當電機角色，將其自身儲存的能量用過機械運轉方式轉化回電能，并輸出給外部負載。該技術具有眾多優(yōu)點，其中效率高和能量密度高最受人們青睞，且不受循環(huán)次數(shù)限制;缺點在于，一次性購置成本較高。

2.2 化學儲能技術

化學儲能技術也需要由相應的儲能系統(tǒng)支持，從而完成所需要的能量轉換。在不同類型與化學成分電池中，受電池正負極化學物質性質影響，各自釋放電能的效率會有明顯差別。因此，了解和區(qū)分各種類電池特點和差異，對完成高質量化學儲能具有積極幫助。

2.2.1 鋰電池

鋰電池儲能效率可達85%以上，這與其多樣化的儲能系統(tǒng)組成有關，其儲能系統(tǒng)除了包括單體電池外，還有充放電系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)支持。鋰電池儲能的優(yōu)點包括：儲釋能效率高、能量密度大、安全性強等;缺點在于，耗費成本高，且電站額定容量小，但在提供應急電源方面卻有著較好的應用效果。

2.2.2 鈉硫電池

鈉硫電池儲能效率基本在70%左右。與鋰電池相比，鈉硫電池耗費成本較低，且空間需求較小，維護和養(yǎng)護會更加方便。鈉硫電池正極由硫和多硫化鈉等物質組成，負極由熔融金屬鈉構成。需要指出的是，鈉硫電池放電縱深度比較有限，且循環(huán)壽命不高，若想保持住充放電效率高的特點，需要保證運行溫度達到300 ℃。

2.2.3 鉛酸電池

從功能特性及實現(xiàn)角度看，鉛酸電池的特點與鈉硫電池存在較多相似之處，其電解液主要為稀硫酸。在正負極構成上，由于制作所需要的化學成分不同，所以二者空間需求與能量密度差異較大。在空間需求方面，鉛酸電池是鈉硫電池的的3倍;而在能量密度方面，鉛酸電池卻僅為鈉硫電池的1/3。

2.2.4 液流電池

液流電池屬于高性能電池，電池的數(shù)量和電池組的面積會對液流電池的輸出功率產(chǎn)生直接影響，而液流電池的儲電容量則會受到電解液的影響，因此可以通過增加電解液濃度以及增加電解液的容積等方式來提升液流電池的儲電容量。

液流電池的優(yōu)勢十分顯著，主要體現(xiàn)在其電池配置靈活，并且在放電過程中的安全性較強，無需配置相關保護措施便可以實現(xiàn)安全放電。除此之外，液流電池的優(yōu)勢還體現(xiàn)在維護便捷、能量轉換率高等方面。正是由于液流電池的這些優(yōu)勢，使其在并網(wǎng)發(fā)電儲能中的應用十分廣泛。但是液流電池也存在一定的不足，例如應用成本高等，這些因素在一定程度上限制了液流電池的推廣應用。

2.2.5 金屬空氣電池

與其他類型電池不同的是，金屬空氣電池為綠色電池，同時還具有成本低以及性能穩(wěn)定的特點。金屬空氣電池的材料還可以實現(xiàn)回收再利用，金屬燃料的更換便捷，這使得金屬空氣電池更加節(jié)能環(huán)保，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。在金屬空氣電池的發(fā)展過程中，通過鋁空氣電池能夠幫助人們獲取更高的電壓，而相較于鉛酸電池，鋁空氣電池的比能更高。但是鋁空氣電池也存在一定的不足，例如其放電速度慢等，這使得鋁空氣電池通常只能作為備用電源使用。除了鋁空氣電池之外，鋅空氣電池的發(fā)展也十分迅速，目前已經(jīng)基本可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

2.3 電磁儲能技術

相比物理儲能與化學儲能，電磁儲能技術種類較少，超導儲能和超電容儲能。

2.3.1 超導磁儲能技術

相比上述幾種儲能技術，超導磁儲能效率更高，達到90%以上。線圈在超導狀態(tài)下電阻很小，小到可以忽略不計，因此，電能在整個儲釋過程中很少被消耗掉，消耗率幾乎為零。結合實際應用來看，超導線圈若想在整個儲能過程中發(fā)揮積極作用，需要被置于低溫液體環(huán)境下才可以，但這樣做會增加很多成本。超導磁儲能技術的優(yōu)勢在于無污染，并且響應快，同時還可以實現(xiàn)無損耗儲能，有效規(guī)避了能源的浪費。借助超導磁儲能技術，可以在很大程度上提升新能源發(fā)電機輸出穩(wěn)定性，并且該技術在提升瞬態(tài)電能質量方面也發(fā)揮著十分重要的作用。

2.3.2 超級電容器儲能技術

相比超導磁儲能，超級電容器儲能效率不算高，基本維持在75%上下。它同時具有電池儲能和電容器儲能特征，介于兩者之間。其儲能依據(jù)是雙電層原理。超級電容器儲能技術支持下的儲能應用，整個儲釋能過程具有良好可逆性，其反復次數(shù)可到十萬次以上。相比常規(guī)電容器，超級電容器優(yōu)點有很多，例如溫度閾限更寬、安全性更高、穩(wěn)定性更強等。同時也具備常規(guī)電容器所具有的優(yōu)點。超級電容器儲能技術還具有循環(huán)壽命長以及電容器響應快的特點，將其與電池相結合，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，這不僅可以促進電池充電和電池放電的效率，而且對于電池使用壽命的延長也具有十分重要的意義。采用超級電容器與蓄電池結合的方式，在風電場中得到了廣泛的應用，能夠起到更好地抑制風電功率波動的作用。因此，在應用超級電容器儲能技術的同時，應結合電池共同應用，這樣的效果更加顯著。

2.4 相變儲能技術

相變儲能主要以熱量為介質實現(xiàn)對能量的儲存與釋放，這種儲能技術能夠實現(xiàn)高密度的能量儲存，無需應用過于復雜的裝置便可實現(xiàn)儲能。相變儲能技術主要由冰蓄冷、電儲熱以及熔融鹽儲熱等技術共同構成。就冰蓄冷技術來講，需要借助蓄冷介質，在蓄冷介質融冰過程中進行冷量的儲存，在蓄冷介質結冰的過程中進行冷量的釋放。冰蓄冷技術的優(yōu)勢比較明顯，不僅可以促進制冷機組效率的提升，而且還可以在很大程度上減少機組的容量。就電儲熱技術而言，主要借助金屬或者水等介質實現(xiàn)對熱能的儲存。但無論應用哪種介質，該技術都具有成本低以及維修便捷的特點。以金屬儲熱為例，這種方式以金屬為介質實現(xiàn)對熱能的儲存與釋放。在金屬液化過程中實現(xiàn)熱能的儲存，在金屬固化的過程中實現(xiàn)熱能的釋放。由于該技術以金屬為介質，借助金屬導熱系數(shù)高的特點，能夠在很大程度上提升能量轉化率。就熔融鹽儲熱技術來講，該技術主要以無機鹽為介質，通過對無機鹽進行加熱，使其從固化狀態(tài)轉變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，進而實現(xiàn)對熱能的儲存。該技術的傳熱性能更高，并且應用成本較低，同時還具有腐蝕性不強等特點，因此應用效果比較顯著。

3 結束語

新能源的開發(fā)利用是緩解能源緊張問題，改善環(huán)境條件的重要舉措，而在新能源電力系統(tǒng)中，需要借助儲能技術來解決發(fā)電過程中存在的波動性以及隨機性問題，更好地保障供電的穩(wěn)定性。因此要積極探索更加有效的儲能技術，并實現(xiàn)多種儲能技術的合理搭配應用。

參考文獻

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