儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的運(yùn)用探討

蒲楊

（貴州烏江能源集團(tuán)有限責(zé)任公司 貴州 貴陽 550081）

目前，我國居民的用電需求日益增加，要應(yīng)對這一壓力，就要有效提高新能源發(fā)電時(shí)的利用效率。在利用新能源進(jìn)行發(fā)電的過程中，儲(chǔ)能技術(shù)是其中一個(gè)重要的部分。儲(chǔ)能技術(shù)的合理應(yīng)用有利于保證整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定使用，提高電能質(zhì)量，保證電力需求，同時(shí)促進(jìn)新能源電力系統(tǒng)的有效發(fā)展。

1 儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值

目前，我國在新能源開發(fā)與應(yīng)用方面，使用較多的是自然能源，利用設(shè)備進(jìn)行能源轉(zhuǎn)化，使自然界的能源可以保證電力系統(tǒng)有效運(yùn)轉(zhuǎn)。在環(huán)境方面，這樣的方式較傳統(tǒng)的發(fā)電方式更為清潔，但缺點(diǎn)在于新能源的發(fā)電方式較為依賴環(huán)境的影響。例如：在利用太陽能進(jìn)行發(fā)電時(shí)，會(huì)受到天氣及晝夜的制約，使得整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性難以保障；在利用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電時(shí)，會(huì)受到風(fēng)力的制約，整個(gè)電網(wǎng)中風(fēng)電裝機(jī)較小時(shí)，受到的影響小一些，但在風(fēng)電裝機(jī)較大的情況下，環(huán)境影響格外明顯，發(fā)電量的波動(dòng)較大，電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，甚至可能影響居民的用電水平。而儲(chǔ)能技術(shù)則是通過儲(chǔ)電或儲(chǔ)熱等不同的方式，將多余的能量暫時(shí)存儲(chǔ)起來，并在發(fā)電受到制約時(shí)進(jìn)行釋放與應(yīng)用，可以有效降低新能源發(fā)電過程中不穩(wěn)定因素的影響，有效提高發(fā)電質(zhì)量。此外，儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)的應(yīng)用還可以有效促使依據(jù)居民需求進(jìn)行發(fā)電與供應(yīng)，在居民供電上更加靈活與環(huán)保。

2 新能源電力系統(tǒng)中常用儲(chǔ)能技術(shù)介紹

2.1 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在目前的新能源電力系統(tǒng)中較為廣泛，可以有效實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的儲(chǔ)能需要［1］。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)利用電池進(jìn)行反應(yīng)，使得電能和化學(xué)能之間相互轉(zhuǎn)化，有效滿足電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能與發(fā)電需求，提高新能源發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用效率，促使電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在利用電化學(xué)進(jìn)行儲(chǔ)能的過程中，電池的選擇至關(guān)重要，不同種類的電池往往會(huì)產(chǎn)生不同的效果，因此，在實(shí)際工作中，需要根據(jù)不同的需求進(jìn)行電池的選擇。目前較為流行的電池有3 種，分別為鉛酸電池、液流電池和鋰電池。鉛酸電池密封性較好，較為安全，便于維護(hù)，也是目前技術(shù)最為成熟的電池，但使用壽命較短，循環(huán)次數(shù)少，且容易造成污染；液流電池設(shè)計(jì)較為靈活，使用壽命長，安全性較，高操作也簡單方便，但缺陷在于占地面積較大，成本較高；鋰電池在使用時(shí)有較高的轉(zhuǎn)化效率，循環(huán)性能較好，使用壽命長，缺點(diǎn)在于成本較高，且有一定的安全隱患。因此，在具體的應(yīng)用中，要依據(jù)電力系統(tǒng)的需要，結(jié)合各電池的特點(diǎn)，合理進(jìn)行選擇。

2.2 物理儲(chǔ)能技術(shù)

物理儲(chǔ)能技術(shù)是目前常見的新能源電力系統(tǒng)儲(chǔ)能手段，主要分為抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能3種方式。其中，抽水儲(chǔ)能方式在3種方式中應(yīng)用較為廣泛。

抽水儲(chǔ)能技術(shù)是利用水的勢能進(jìn)行儲(chǔ)能，在建造時(shí)，需要在水流的上、下游建立2 個(gè)水庫，或者利用其他的方式使水流形成高度差，在需要發(fā)電時(shí)，利用水下落的能量進(jìn)行發(fā)電，在發(fā)電量充裕時(shí)，利用電力及抽水設(shè)備將水從下游運(yùn)到上游，從而實(shí)現(xiàn)勢能和電能的相互轉(zhuǎn)化。這項(xiàng)技術(shù)在我國已經(jīng)較為成熟，原料獲取方便。但缺點(diǎn)在于對于地理環(huán)境的要求較高，能量損耗較大，且建設(shè)時(shí)的資金和時(shí)間成本較高。

壓縮空氣儲(chǔ)能是利用空氣的壓縮與膨脹實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)與發(fā)電循環(huán)，這一技術(shù)方式需要的投資較少，不需要較高的維護(hù)費(fèi)用，使用時(shí)較為靈活，沒有太大的污染。但對地形與地質(zhì)的要求較高，且效率較低。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是利用飛輪的高速與減速旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與利用。儲(chǔ)能時(shí)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；發(fā)電時(shí)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在應(yīng)用過程中，由于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在真空的環(huán)境下進(jìn)行，所以，損耗極小，壽命較長，沒有污染，充放電的速度快，應(yīng)用范圍廣泛。但在安全方面需要付出較高的費(fèi)用。

2.3 電磁儲(chǔ)能技術(shù)

電磁儲(chǔ)能技術(shù)主要包括超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能等方式。（1）在使用超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)，是利用超導(dǎo)體電阻為零的特點(diǎn)，使超導(dǎo)線圈產(chǎn)生強(qiáng)力的磁場，直接將電磁能進(jìn)行存儲(chǔ)，在有需要時(shí)送回［2］。這種儲(chǔ)能方式結(jié)構(gòu)簡單，使用過程中損耗較小，使用壽命長，響應(yīng)速度快。但由于超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)需要的超導(dǎo)材料價(jià)格昂貴，難以進(jìn)行大規(guī)模的推廣。（2）超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)分為雙電層型超級(jí)電容器、贗電容型超級(jí)電容器和混合型超級(jí)電容器，其中，雙電層型超級(jí)電容器在目前的市場上應(yīng)用較為廣泛。超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)使用壽命長，能量密度高，適用的溫度條件較為廣泛，安全可靠，在目前有較為廣泛的用途。

2.4 相變儲(chǔ)能技術(shù)

相變儲(chǔ)能技術(shù)的原理是利用相變材料對于熱量進(jìn)行吸收和釋放，進(jìn)而達(dá)到能量的存儲(chǔ)與釋放的效果［3］，主要分為電儲(chǔ)熱技術(shù)、熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)和冰蓄冷技術(shù)。（1）電儲(chǔ)熱技術(shù)按照介質(zhì)的使用不同，分為水儲(chǔ)熱技術(shù)和金屬儲(chǔ)熱技術(shù)。水儲(chǔ)熱技術(shù)以水為介質(zhì)，取材容易，成本較低。金屬儲(chǔ)熱技術(shù)以金屬為介質(zhì)，具備導(dǎo)熱系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。（2）熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)成本價(jià)低，適用范圍廣，但利用率低。（3）冰蓄冷技術(shù)可以有效提高制冷效率，滿足制冷設(shè)備需要。

3 儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方法

3.1 光熱發(fā)電系統(tǒng)

光熱發(fā)電是目前太陽能發(fā)電系統(tǒng)的一大方面。太陽能是目前最常使用的新型能源，其強(qiáng)大的可再生能力為發(fā)電提供了良好的保障。這種發(fā)電系統(tǒng)會(huì)將來自太陽的能量轉(zhuǎn)化為熱能，然后結(jié)合傳統(tǒng)的發(fā)電工藝，通過制冷或供熱的控制，使熱能做功，最后轉(zhuǎn)化為電能。目前的光熱發(fā)電系統(tǒng)有槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)。由于光熱發(fā)電中有將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的步驟，所以，在進(jìn)行能量存儲(chǔ)時(shí)，可以廣泛采用相變儲(chǔ)能技術(shù)和其他儲(chǔ)電技術(shù)。不同形式發(fā)電系統(tǒng)可以采用不同蓄熱儲(chǔ)能媒介，例如：塔式光熱發(fā)電站可以采用熔鹽蓄熱儲(chǔ)能載體，美國110MW新月形沙丘塔式光熱電站就采用該儲(chǔ)能方案；槽式光熱電站可以導(dǎo)熱油為蓄熱儲(chǔ)能載體，美國280MW的Solana槽式光熱電站就是良好應(yīng)用實(shí)例。從理論上來說，通過光熱發(fā)電過程中的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行控制，在有限發(fā)電條件下，將多余的能量儲(chǔ)存，在沒有發(fā)電能力時(shí)，利用儲(chǔ)存的能量輸送電力，可以達(dá)到不間斷供電的效果。另外，儲(chǔ)能設(shè)備在光熱發(fā)電系統(tǒng)電力調(diào)峰、穩(wěn)定電網(wǎng)方面具有一定的優(yōu)勢［4］。

3.2 風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)能是目前最普遍也最典型的新型能源，在能量的儲(chǔ)備資源上來說，風(fēng)能儲(chǔ)備極其的豐富。風(fēng)力發(fā)電主要是利用風(fēng)力帶動(dòng)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)使發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能。目前，利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用。在利用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電時(shí)，儲(chǔ)能裝置也是重要的一部分，儲(chǔ)能裝置可以有效穩(wěn)定發(fā)電廠的發(fā)電效果，提升發(fā)電質(zhì)量。在用電高峰期，發(fā)電廠可以利用儲(chǔ)能裝置進(jìn)行調(diào)峰，滿足居民的用電需求；儲(chǔ)能裝備還可以安置在電源側(cè)，電網(wǎng)電力的輸送與調(diào)節(jié)可以更加靈活可靠、經(jīng)濟(jì)有效，滿足用戶多樣化需求。

風(fēng)電場功率波動(dòng)是目前影響風(fēng)電質(zhì)量的原因之一。風(fēng)速本身并不穩(wěn)定，而這樣產(chǎn)生的電能的功率也就有很大的不確定性，如果波動(dòng)較大，則會(huì)對電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生不利影響［5］。而要平息或抑制風(fēng)電廠的功率波動(dòng)，可以安裝儲(chǔ)能設(shè)備，利用儲(chǔ)能設(shè)備在功率過大時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)能，在功率不足時(shí)進(jìn)行放電，有效提高風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高風(fēng)電功率的穩(wěn)定程度，還可以考慮在風(fēng)機(jī)上安裝蓄電池。

此外，風(fēng)電場閃變是風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量不佳的主要原因之一。一般情況下，風(fēng)速的快速變動(dòng)、塔影效應(yīng)、偏航誤差、風(fēng)剪切等因素都有可能造成風(fēng)電場的閃變，單臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)生該情況尚且不會(huì)造成較大的影響，但數(shù)量上增加就有可能對風(fēng)力發(fā)電的質(zhì)量有較大的影響。而要減小風(fēng)電場閃變的影響，解決這個(gè)問題，可以考慮在風(fēng)力發(fā)電設(shè)施中安裝儲(chǔ)能裝置。由于對于調(diào)節(jié)能力的要求較高，在實(shí)際應(yīng)用中，一般以電磁儲(chǔ)能技術(shù)為主要應(yīng)用方案，由于超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能技術(shù)材料較為高昂，故超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)較為廣泛使用。通過儲(chǔ)能裝置的調(diào)控作用，可以有效遏制風(fēng)力環(huán)境影響對發(fā)電質(zhì)量的影響，提升發(fā)電質(zhì)量。

在新能源綜合應(yīng)用方面，“風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化”項(xiàng)目在我國多地進(jìn)行規(guī)劃與建設(shè)。由于“風(fēng)光水火儲(chǔ)一體化”存在多種表現(xiàn)形式，在使用時(shí)，可依據(jù)我國不同地區(qū)的不同資源特點(diǎn)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。在我國風(fēng)資源、光資源與水資源較好的地區(qū)，普遍采用“風(fēng)光水儲(chǔ)一體化”模式，使水、光、風(fēng)能源互補(bǔ)穩(wěn)定電力，目前，在我國西南較適合應(yīng)用?！帮L(fēng)光儲(chǔ)一體化”在應(yīng)用方面較為廣泛，不需要考慮水資源及火電站等要求，而風(fēng)光互補(bǔ)與儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合也讓該項(xiàng)目有更廣闊的應(yīng)用空間與體驗(yàn)。在風(fēng)光火儲(chǔ)方面，由于火電限制，很難大規(guī)模實(shí)施，但有一定火電項(xiàng)目基礎(chǔ)的地區(qū)會(huì)為該項(xiàng)目發(fā)展提供良好前期基礎(chǔ)［6］。

另外，風(fēng)光儲(chǔ)氫技術(shù)也是近年來清潔能源電力應(yīng)用的重要方面。在這一領(lǐng)域，國外起步較早并有良好應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)是利用風(fēng)電或光電將水電解，再將產(chǎn)生的氫氣儲(chǔ)存與發(fā)電應(yīng)用，使產(chǎn)生電力更平穩(wěn)。在制氫裝置中，存在3 種不同方式：堿性電解水制氫；高溫固體氧化物電解水制氫；固體聚合物電解水制氫。其中，堿性電解水制氫制備工藝簡單，造作容易，但在成本和能耗方面較高；高溫固體氧化物電解水制氫由于在高溫中進(jìn)行，能耗較低，整個(gè)系統(tǒng)及制氫效率較高；而固體聚合物電解水制氫獲得氫氣純度較高，效率好，無污染且更安全，逐漸應(yīng)用廣泛。此外，風(fēng)電儲(chǔ)氫技術(shù)中多余的熱量可用于供暖，多出來的氫氣也可投入到天然氣中，方便居民使用。我國目前已經(jīng)啟動(dòng)風(fēng)光儲(chǔ)氫示范項(xiàng)目，鼓勵(lì)與推動(dòng)該項(xiàng)目發(fā)展，促進(jìn)清潔能源發(fā)電過程中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用。

3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)同樣是利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，但與光熱發(fā)電系統(tǒng)不同，該發(fā)電系統(tǒng)在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不需要進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)化，而是與太陽能電池的原理相類似，直接在光子的影響下使電子移動(dòng)，產(chǎn)生電勢差，完成電能轉(zhuǎn)化。與光熱發(fā)電裝置不同的是，這樣的發(fā)電方式產(chǎn)生的電為直流電，并且，由于該種發(fā)電方式?jīng)]有其他能量的參與，因此，在選擇儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，選擇面比較小。在具體應(yīng)用中，主要采用蓄電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能4種方式。光伏發(fā)電有效抑制光照和環(huán)境溫度波動(dòng)而導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出電力的波動(dòng)，在電能穩(wěn)定方面起到重要作用，也可作為斷電保護(hù)裝置對電子設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。另外，儲(chǔ)能技術(shù)可以有效增加太陽能消納能力。由于我國光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍集中在地廣人稀的西北地帶，電能需要遠(yuǎn)小于其他地區(qū)，導(dǎo)致棄光效應(yīng)顯著，將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，可以在發(fā)電側(cè)進(jìn)行有效應(yīng)用，提高能源利用率。

3.4 電動(dòng)汽車入網(wǎng)

目前，電動(dòng)汽車入網(wǎng)技術(shù)在我國并沒有廣泛的研究與應(yīng)用。電動(dòng)汽車入網(wǎng)技術(shù)的核心思想在于電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間的互動(dòng)，將電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能設(shè)備，電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)備能源能夠成為電網(wǎng)和可再生能源的緩沖，使其起到調(diào)和的作用。當(dāng)電網(wǎng)的電量需求較高、負(fù)載過大時(shí)，有電動(dòng)汽車向電網(wǎng)輸送電力，當(dāng)電力需求較小且有過剩的發(fā)電量時(shí)，由電動(dòng)汽車進(jìn)行充電活動(dòng)，避免電量浪費(fèi)。這樣通過合理調(diào)度，可有效利用電動(dòng)汽車充、放電對電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。國外某研究團(tuán)隊(duì)對該項(xiàng)方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，電動(dòng)汽車入網(wǎng)技術(shù)對于電網(wǎng)確實(shí)有調(diào)節(jié)作用，但由于電動(dòng)汽車不能進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)動(dòng)，其充電時(shí)間和地點(diǎn)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，因此，調(diào)控效果無法得到有效保障，另外，大量電動(dòng)汽車的介入對于電網(wǎng)的穩(wěn)定性與安全性造成了沖擊，目前沒有較好的解決方案。但該項(xiàng)研究依然有其進(jìn)步的意義，在能夠解決電動(dòng)汽車充電時(shí)間、地點(diǎn)上的控制、合理的電網(wǎng)調(diào)度、高品質(zhì)電動(dòng)汽車電池等方面的問題后，將電動(dòng)汽車入網(wǎng)，可以有效抵消新能源電力系統(tǒng)的不確定性，促進(jìn)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.5 其他不同的供電場所

目前，在電力系統(tǒng)的工作中，往往會(huì)有不同供電場所，其需求也各不相同，因此，其儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用也應(yīng)根據(jù)供電場所的不同進(jìn)行調(diào)整。在電力調(diào)頻調(diào)壓系統(tǒng)方面，由于局部電壓在短時(shí)間內(nèi)的大幅波動(dòng)，因此，在儲(chǔ)能設(shè)備的選用時(shí)，要注意短時(shí)間內(nèi)電能調(diào)節(jié)的功率范圍，可以采用超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)或者其他電池進(jìn)行儲(chǔ)能。在針對新能源發(fā)電時(shí)選用的儲(chǔ)能技術(shù)，要依據(jù)其間歇性、波動(dòng)性特點(diǎn)進(jìn)行選擇，在發(fā)電和用電的高峰、低谷時(shí)盡力控制其穩(wěn)定性。在針對企業(yè)、工廠等商用電力系統(tǒng)選擇儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，需要按照可以穩(wěn)定電網(wǎng)并能保證短時(shí)間內(nèi)的應(yīng)急供電的實(shí)際要求來進(jìn)行選擇。除此之外，一些儲(chǔ)能設(shè)備是可以進(jìn)行混合使用的，將不同的儲(chǔ)能設(shè)備有效結(jié)合，可以使電能的質(zhì)量有效提高，實(shí)現(xiàn)不間斷供電的目標(biāo)。

4 結(jié)語

目前來看，新能源在電力上的應(yīng)用受到影響的因素較多，具有不穩(wěn)定的特征。為保證新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要依據(jù)不同使用條件與需求，在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中科學(xué)選擇和應(yīng)用，為人們提供穩(wěn)定的電力環(huán)境。同時(shí)，也應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對新型儲(chǔ)能技術(shù)的研究與探索，真正實(shí)現(xiàn)對電力輸出與使用的穩(wěn)定調(diào)控。