新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的應(yīng)用探究

李中奇

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 211102）

0 引言

2022 年，我國發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干意見》，提出到2030 年建設(shè)一批示范性儲能項(xiàng)目，推動儲能技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在此背景下，儲能技術(shù)不斷創(chuàng)新，成本也逐漸下降，儲能系統(tǒng)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景更加廣闊。因此，深入探究儲能系統(tǒng)的應(yīng)用策略，優(yōu)化其在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的角色，將為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、穩(wěn)定地能源供應(yīng)體系提供有力支持。新能源發(fā)電在輸出波動性方面存在一定挑戰(zhàn)，而電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的引入有助于平衡電網(wǎng)負(fù)荷，提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，未來的發(fā)展趨勢將更加側(cè)重于探索可靠的電網(wǎng)儲能解決方案，以應(yīng)對電力系統(tǒng)的日益復(fù)雜的運(yùn)營環(huán)境。

1 儲能系統(tǒng)分類與工作原理

1.1 機(jī)械儲能

機(jī)械儲能系統(tǒng)是一類將能量以機(jī)械形式存儲的儲能技術(shù)，其工作原理基于能量的動態(tài)轉(zhuǎn)換和儲存，主要包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能和液壓儲能等不同類型[1]。

1）壓縮空氣儲能。壓縮空氣儲能系統(tǒng)通過將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，將空氣壓縮儲存于儲氣罐中，當(dāng)電力需求增加時(shí)，釋放壓縮空氣來驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電，此系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)電力需求，提供較大的儲能容量，適用于長時(shí)間的能量儲存和釋放。

2）飛輪儲能。飛輪儲能系統(tǒng)則利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來存儲機(jī)械能，通過電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為飛輪的旋轉(zhuǎn)動能，再在需要時(shí)將其轉(zhuǎn)化為電能[2]。飛輪儲能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)能力，適用于短時(shí)間內(nèi)的高功率輸出，如頻率調(diào)節(jié)和瞬時(shí)負(fù)荷平衡。

3）液壓儲能。液壓儲能系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，通過液壓泵將液體儲存于儲液器中，需要時(shí)通過液壓馬達(dá)將液體轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動發(fā)電機(jī)發(fā)電。液壓儲能系統(tǒng)在能量密度和響應(yīng)速度方面表現(xiàn)出色，適用于中長時(shí)間的能量儲存和釋放。

1.2 電化學(xué)儲能

電化學(xué)儲能是一種利用電化學(xué)反應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，或者將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的儲能技術(shù)。電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其內(nèi)部通過電化學(xué)反應(yīng)將儲存的能量轉(zhuǎn)化為電能輸出。電池技術(shù)的種類繁多，其中最常見的是鋰離子電池，被廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、電動車輛和儲能系統(tǒng)中。鋰離子電池通過鋰離子的嵌入和脫嵌來實(shí)現(xiàn)電能的儲存和釋放，具有高能量密度和較長的壽命。此外，鈉離子電池、鉛酸電池等也在特定領(lǐng)域得到應(yīng)用。電化學(xué)儲能系統(tǒng)具有能量密度高、響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，適用于多種應(yīng)用場景。然而，電池技術(shù)仍面臨著成本、循環(huán)壽命和環(huán)境影響等方面的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步地研究和改進(jìn)。

2 新能源發(fā)電系統(tǒng)中的新型技術(shù)分析

2.1 太陽能發(fā)電技術(shù)

通過光伏板將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，太陽能發(fā)電系統(tǒng)為新能源發(fā)電領(lǐng)域注入了更多的清潔、可持續(xù)能源。然而，太陽能發(fā)電具有間歇性和波動性，其能源輸出受到日照強(qiáng)度、天氣等因素的影響，限制了其穩(wěn)定供電能力。這時(shí)，新型儲能技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要。以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)，已成為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的主要儲能解決方案之一。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電化學(xué)儲能技術(shù)在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中能夠提高自給率約20%～30%。通過將白天過剩的太陽能儲存起來，晚上或陰雨天釋放，太陽能發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到了顯著增強(qiáng)。此外，壓縮空氣儲能技術(shù)也逐漸在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中得到應(yīng)用。通過將太陽能產(chǎn)生的電能用于壓縮空氣，存儲在儲氣罐中，然后在需要電能時(shí)釋放，壓縮空氣儲能系統(tǒng)為太陽能發(fā)電提供了一種高效的能量存儲方式，提升了系統(tǒng)的可用性。

2.2 風(fēng)能發(fā)電技術(shù)

風(fēng)能發(fā)電技術(shù)是一種重要的可再生能源形式，利用風(fēng)的動力將其轉(zhuǎn)化為電能，這一技術(shù)的核心是風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和塔架等組成。當(dāng)風(fēng)吹過風(fēng)輪時(shí)，風(fēng)輪葉片受到氣流的沖擊而轉(zhuǎn)動，驅(qū)動內(nèi)部的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。風(fēng)能發(fā)電技術(shù)有許多優(yōu)勢。首先，它是清潔能源，不產(chǎn)生溫室氣體和污染物，對環(huán)境友好。其次，風(fēng)能廣泛分布，可在全球大部分地區(qū)獲得，具有很高的可再生性。此外，風(fēng)能發(fā)電具有可預(yù)測性，通過氣象數(shù)據(jù)分析可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)能的產(chǎn)生，有助于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。風(fēng)能發(fā)電也可以與其他能源形式相結(jié)合，形成混合能源系統(tǒng)，進(jìn)一步提高能源的穩(wěn)定性和可靠性。然而，風(fēng)能發(fā)電技術(shù)也存在一些挑戰(zhàn)，風(fēng)能的利用需要具備適宜的風(fēng)速，因此并非所有地點(diǎn)都適合建設(shè)風(fēng)電場。此外，風(fēng)能的不穩(wěn)定性也可能影響電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，需要采取儲能等措施進(jìn)行調(diào)節(jié)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造和安裝需要大量投資，但隨著技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大，成本逐漸下降。風(fēng)能發(fā)電技術(shù)作為清潔、可再生的能源形式，在未來能源體系中將扮演越來越重要的角色。

2.3 地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)

地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)是利用地球深部的熱能來產(chǎn)生電力的一種可持續(xù)能源形式，這一技術(shù)主要利用地殼內(nèi)部的熱量積累，通常通過鉆探深井將地?zé)崮軒У降乇?。地?zé)崮馨l(fā)電可以分為直接利用和間接利用兩種方式。直接利用通過將地?zé)崴魵庵苯佑糜诩訜峤ㄖ?、溫室或工業(yè)過程，而間接利用則通過地?zé)崴魵怛?qū)動渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能[4]。地?zé)崮馨l(fā)電具有許多優(yōu)勢。首先，地?zé)崮苁且环N穩(wěn)定的能源來源，不受天氣條件和季節(jié)變化的影響，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的電力供應(yīng)。其次，地?zé)崮馨l(fā)電不會產(chǎn)生溫室氣體和空氣污染物，對環(huán)境友好。此外，地?zé)崮茉谶m宜的地區(qū)廣泛分布，尤其適合用于偏遠(yuǎn)地區(qū)或島嶼等電力供應(yīng)相對困難的地方。然而，地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)。首先，它的利用受限于地?zé)豳Y源的地理分布，只有在一些特定地區(qū)才能夠充分利用。其次，鉆探和開發(fā)地?zé)崮苜Y源需要高成本投資，可能存在經(jīng)濟(jì)上的考慮。此外，地?zé)崮荛_發(fā)過程中需要注意地下水的管理，以避免地下水資源受到破壞。

3 現(xiàn)階段我國儲能系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，隨著新能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，儲能系統(tǒng)作為其關(guān)鍵支撐正日益受到廣泛關(guān)注。不同類型的儲能技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出了卓越的潛力，從平衡能源波動到優(yōu)化能源管理，再到支撐電網(wǎng)穩(wěn)定，都在新能源領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的價(jià)值。然而，儲能系統(tǒng)的最優(yōu)應(yīng)用策略仍需深入探究，以更好地引領(lǐng)新能源發(fā)電系統(tǒng)朝著更穩(wěn)定、可持續(xù)的方向發(fā)展。

3.1 新能源電站建設(shè)

我國新能源電站建設(shè)模式目前呈現(xiàn)多元化趨勢，主要涵蓋了地面光伏電站、地面風(fēng)電基地以及抽水蓄能電站等多種模式。地面光伏電站的發(fā)展路徑主要集中在政府引導(dǎo)、開發(fā)商投資和企業(yè)運(yùn)營等途徑，在政府政策層面的引導(dǎo)下，為光伏+儲能模式的發(fā)展提供了支持。同時(shí)，不少開發(fā)商也將目光投向了光伏領(lǐng)域，通過投資建設(shè)光伏電站來獲取可再生能源的收益。2022 年，我國太陽能發(fā)電站建設(shè)取得了很大成果，具體建設(shè)情況及相關(guān)指標(biāo)見表1。此外，對于儲能技術(shù)的應(yīng)用，國家發(fā)改委也已制定了明確的政策，根據(jù)《可再生能源電價(jià)附加資金管理辦法》要求，儲能裝置在新能源發(fā)電系統(tǒng)調(diào)峰方面發(fā)揮著重要作用，作為補(bǔ)充能源的角色備受重視。

表1 太陽能發(fā)電站建設(shè)情況

3.2 大規(guī)模儲能電站建設(shè)

2022 年，作為全面推進(jìn)“十四五”規(guī)劃的重要節(jié)點(diǎn)，我國在可再生能源領(lǐng)域取得了令人矚目的進(jìn)展。過去的一年，可再生能源的增設(shè)規(guī)模達(dá)到1.52 億kW，占國內(nèi)新發(fā)電裝機(jī)容量的76.2%，成為新增電力裝機(jī)的主要來源[5]。這一趨勢推動可再生能源在全國發(fā)電總裝機(jī)容量中的比例提升至47.3%。并且，可再生能源在全社會用電量中貢獻(xiàn)了31.6%，總年發(fā)電量達(dá)到2.7 萬億kW·h。特別值得關(guān)注的是，風(fēng)電和光伏發(fā)電在這一年的年發(fā)電量首次突破1 萬億kW·h，幾乎接近國內(nèi)城鄉(xiāng)居民的日常用電總和，這無疑彰顯了可再生能源在國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)中的日益重要地位?？稍偕茉床粌H為中國的能源供應(yīng)安全提供了堅(jiān)實(shí)保障，同時(shí)也在全球范圍內(nèi)發(fā)揮著日益明顯的影響。數(shù)據(jù)顯示，2022 年全球新增可再生能源裝機(jī)容量達(dá)到2.95 億kW，增長率高達(dá)9.6%。中國成為全球可再生能源發(fā)電新增裝機(jī)容量最大的貢獻(xiàn)者，其占比高達(dá)全球新增裝機(jī)容量的51.7%?，F(xiàn)階段，我國可再生能源發(fā)電的新增裝機(jī)容量占全國新增裝機(jī)容量的76.2%，正成為電力裝機(jī)的主體力量，這一勢頭進(jìn)一步表明了中國在可再生能源領(lǐng)域的引領(lǐng)地位以及對可持續(xù)能源發(fā)展的堅(jiān)定承諾。

3.3 電化學(xué)儲能發(fā)電系統(tǒng)

電化學(xué)儲能發(fā)電系統(tǒng)作為一種關(guān)鍵的能源儲存技術(shù)，正在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，并在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著重要作用。其主要應(yīng)用于平衡能源供需、提升電網(wǎng)穩(wěn)定性以及促進(jìn)可再生能源的高效利用等領(lǐng)域，其現(xiàn)狀可從技術(shù)創(chuàng)新、市場應(yīng)用和發(fā)展前景等方面進(jìn)行分析。首先，在技術(shù)創(chuàng)新方面，電化學(xué)儲能發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)歷了顯著的進(jìn)步。新型電池技術(shù)如鋰離子、鈉硫、鈉離子等不斷涌現(xiàn)，提高了儲能密度和循環(huán)壽命。此外，電池的智能化管理和控制系統(tǒng)的不斷完善，使得儲能系統(tǒng)能夠更好地響應(yīng)電網(wǎng)需求，實(shí)現(xiàn)智能充放電，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的性能和可靠性。其次，在市場應(yīng)用方面，電化學(xué)儲能發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)在能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。不僅在大規(guī)模儲能電站中被廣泛采用，而且在分布式能源系統(tǒng)、微電網(wǎng)和家庭儲能方面也表現(xiàn)出強(qiáng)大潛力。此外，政策的支持和市場化機(jī)制的推動，加速了電化學(xué)儲能發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用。在電力市場中，儲能系統(tǒng)的靈活性賦予其調(diào)峰、削峰填谷等功能，提升了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語

本文對新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能系統(tǒng)的應(yīng)用策略進(jìn)行了探究分析，以及不同類型儲能技術(shù)在新能源發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了全面梳理。通過深入研究，深刻認(rèn)識到儲能技術(shù)在解決新能源波動性、提高電力系統(tǒng)魯棒性以及優(yōu)化能源管理等方面的重要作用。在國家政策的引領(lǐng)下，越來越多的地區(qū)將儲能技術(shù)作為能源領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向，并制定了一系列支持政策。儲能技術(shù)的進(jìn)步將不僅為能源結(jié)構(gòu)的升級換代帶來巨大機(jī)遇，更有助于構(gòu)建更加清潔、可持續(xù)的能源供應(yīng)體系。