新能源電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)

張鵬，周建波，郭愷超

（弘正儲(chǔ)能（南京）數(shù)字技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們?cè)谏a(chǎn)和生活中對(duì)能源的需求越來越大，能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題越來越受到人們的重視。為了有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，電力行業(yè)不斷探索和應(yīng)用新能源系統(tǒng)技術(shù)。只有合理應(yīng)用新能源系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)，才能有效解決我國(guó)嚴(yán)重的能源短缺問題，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。在滿足社會(huì)實(shí)際能源需求的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)節(jié)能環(huán)保，為能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1 儲(chǔ)能技術(shù)的實(shí)施意義

隨著石油資源的不斷開發(fā)，人類面臨著日益嚴(yán)重的能源短缺。因此，當(dāng)前的能源技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展，而儲(chǔ)能技術(shù)作為一種長(zhǎng)期保持能源效率的技術(shù)，是發(fā)展的核心。儲(chǔ)能在一定程度上解決了新能源發(fā)電的波動(dòng)性和間接性，使現(xiàn)有電網(wǎng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。此外，它還可以提高能源效率，減少電力損耗。在傳統(tǒng)的發(fā)電和電網(wǎng)負(fù)荷連接中，兩者都處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。簡(jiǎn)言之，電力系統(tǒng)總發(fā)電量與電力系統(tǒng)總用電量相同。然而，該系統(tǒng)已不能滿足當(dāng)今社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的能源需求，電網(wǎng)在日常維護(hù)和管理方面面臨著更大的挑戰(zhàn)。

為了保證電網(wǎng)高峰期設(shè)備的正常運(yùn)行，需要大量的人力、物力和財(cái)力來支撐整個(gè)設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備負(fù)荷率低，即利用率低。隨著新的儲(chǔ)能技術(shù)的引入，電能可以轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)能產(chǎn)品，最終改變生產(chǎn)、輸電、配電、工藝和運(yùn)行方式。在這一概念下，電網(wǎng)的運(yùn)行方式和結(jié)構(gòu)將發(fā)生重大變化，使電力系統(tǒng)的各項(xiàng)功能得到充分發(fā)揮。近年來，新型儲(chǔ)能技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。從經(jīng)濟(jì)角度看，新的儲(chǔ)能技術(shù)給整個(gè)電力系統(tǒng)帶來了創(chuàng)新和發(fā)展。提高儲(chǔ)能技術(shù)，快速降低儲(chǔ)能成本，是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵。同時(shí)，重點(diǎn)介紹了建筑行業(yè)節(jié)能技術(shù)的新業(yè)務(wù)模式，為企業(yè)創(chuàng)造了價(jià)值。

2 新能源電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)

2.1 物理儲(chǔ)能技術(shù)

（1）抽水儲(chǔ)能。抽水蓄能具備了儲(chǔ)量面積大、成本低、操作靈活的特性。但是，值得注意的是，該種儲(chǔ)量方法要求巨量的自然資源，而且由于液體水能本身就比較易揮發(fā)，又要求巨大的功率，所以實(shí)際的容量轉(zhuǎn)換率也只有70%左右。另外，由于水文地質(zhì)條件、自然資源環(huán)境和多種物理地質(zhì)原因使廠址的選定更加復(fù)雜，也成為制約廠址選定的重要原因。雖然包括海水抽水蓄能新技術(shù)在內(nèi)的各類抽水蓄能方法都在實(shí)際運(yùn)用中起到了很大作用，各有其自身的優(yōu)越性與特色，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)自然環(huán)境條件來進(jìn)行選擇。由于抽水蓄能的特點(diǎn)，抽水蓄能在降低事故儲(chǔ)備和降低系統(tǒng)頂部起著非常重要的作用。在電力系統(tǒng)的發(fā)展中，泵送蓄能發(fā)揮了日益廣泛的功能，但并不僅限于蓄能發(fā)電，而且還在應(yīng)急儲(chǔ)備中發(fā)揮了日益巨大的功能。抽水蓄能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的結(jié)合，具有廣泛的應(yīng)用前景。

（2）飛輪儲(chǔ)能。與抽水式儲(chǔ)能相比，飛輪的儲(chǔ)能有效率達(dá)到了80%以上。與其他儲(chǔ)能方法相比，應(yīng)用技術(shù)已成為支撐儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵。在發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能體系的幫助下，飛輪利用電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，主要存在于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體中；在需要產(chǎn)生動(dòng)力時(shí)，高速飛輪作為發(fā)電機(jī)，利用其運(yùn)轉(zhuǎn)將儲(chǔ)存的動(dòng)力轉(zhuǎn)換為能量，并將其釋放到外部負(fù)載中。該技術(shù)具備低成本、能源密集程度高、不受循環(huán)時(shí)間影響等優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)則是一次性購(gòu)買成本高昂。

2.2 電磁儲(chǔ)能技術(shù)

（1）超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)。與上述儲(chǔ)能技術(shù)比較，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能有效率達(dá)到了90%以上。在超導(dǎo)狀態(tài)下，繞組電流變化極小，可忽略不計(jì)。這樣，在整個(gè)儲(chǔ)存與釋放的過程中極少耗費(fèi)電能，總消耗率也幾乎為零。但隨著實(shí)際使用的越來越廣泛，超導(dǎo)線圈往往需要放在低溫液體環(huán)境下，才可以在整個(gè)儲(chǔ)能流程中起到積極效果，而這將大大提高生產(chǎn)成本。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)還具有無污染、快速響應(yīng)、無損耗儲(chǔ)能、有效防止能源浪費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。超導(dǎo)儲(chǔ)能材料可大幅度提高新型發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出性能，對(duì)提高暫態(tài)電能質(zhì)量起到重要作用。

（2）超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)。超級(jí)電容器儲(chǔ)能比超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的效率低，基本保持在75%左右。它兼有蓄電池儲(chǔ)能和電容儲(chǔ)能的特點(diǎn)。這種能量的儲(chǔ)存的依據(jù)是雙電層原理。以超級(jí)電容器儲(chǔ)能工藝為基礎(chǔ)的存儲(chǔ)能量應(yīng)用，整個(gè)存儲(chǔ)放電過程中有著良好的可逆性，重復(fù)次數(shù)能夠到達(dá)10萬次以上。與常規(guī)電器皿相比，超級(jí)電容器具有溫度閾值較寬、安全和穩(wěn)定性更高等優(yōu)勢(shì)。也同樣擁有了常規(guī)電容器所具有的優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)還具有循環(huán)壽命長(zhǎng)以及電容器響應(yīng)快的特點(diǎn)，和蓄電池技術(shù)相結(jié)合，不但大大提高了蓄電池的充放電效能，也同樣增長(zhǎng)了蓄電池的性能。而且超級(jí)電容器與蓄電池的結(jié)合，在風(fēng)電場(chǎng)中也獲得了較普遍的使用，以更好地控制風(fēng)能的波動(dòng)。也因此，在應(yīng)用超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)，應(yīng)與蓄電池相結(jié)合，使其效果更加顯著。

2.3 相變儲(chǔ)能技術(shù)

相變儲(chǔ)能主要利用熱能作為儲(chǔ)放電環(huán)境。這種儲(chǔ)能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高密度的儲(chǔ)能，而不需要太復(fù)雜的設(shè)備。相變儲(chǔ)能技術(shù)主要包括冰儲(chǔ)能、電儲(chǔ)能和熔鹽儲(chǔ)能。在蓄冰技術(shù)方面，蓄冰環(huán)境融化時(shí)需要利用蓄冷能力蓄冰，蓄冰環(huán)境凍結(jié)時(shí)需要釋放蓄冷能力。冰蓄冷技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅提高了制冷設(shè)備的效率，而且大大減少了設(shè)備的體積。電蓄熱技術(shù)主要利用金屬或水來儲(chǔ)存熱能。但無論使用何種環(huán)境，該技術(shù)都具有成本低、維護(hù)方便的特點(diǎn)。以金屬儲(chǔ)熱為例，這種方式以金屬為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能的儲(chǔ)存與釋放。在金屬液化過程中實(shí)現(xiàn)熱能的儲(chǔ)存，在金屬固化的過程中實(shí)現(xiàn)熱能的釋放。由于該技術(shù)以金屬為環(huán)境，金屬的高導(dǎo)熱率可以大大提高能量轉(zhuǎn)換率。在熔鹽蓄熱技術(shù)中，無機(jī)鹽主要作為無機(jī)鹽的加熱介質(zhì)，將無機(jī)鹽的凝固狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。該技術(shù)傳熱能力強(qiáng)，應(yīng)用成本低，腐蝕性低，應(yīng)用效果好。

2.4 化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)需要獲得適當(dāng)儲(chǔ)能體系的支撐，以完成所需要的化學(xué)能量轉(zhuǎn)移。針對(duì)不同種類的動(dòng)力電池，因?yàn)殡姵氐恼瘜W(xué)性質(zhì)，其電能釋放效果差異較大。所以，認(rèn)識(shí)并區(qū)別不同種類動(dòng)力電池的特性與區(qū)別，可以達(dá)到高效的化學(xué)儲(chǔ)能。

（1）鋰電池。鋰離子電池的儲(chǔ)能效率可以達(dá)到85%以上，這和儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本構(gòu)成密切相關(guān)，其儲(chǔ)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。其具備儲(chǔ)放能更高效、能量密集程度大、安全穩(wěn)定性更高的特征。但其缺點(diǎn)是造價(jià)高，電站設(shè)計(jì)容量小。但在實(shí)際應(yīng)用中卻有很好的節(jié)能效果。

（2）鈉硫電池。鈉硫電池的儲(chǔ)能利用率僅為70%。和鋰電池相比，鈉硫電池成本低，占地面積小，維護(hù)方便。硫由硫磺和多硫化鈉等化合物所構(gòu)成，而負(fù)極材料則為已熔化的金屬鈉所構(gòu)成。值得注意的是，由于鈉硫電池縱向放電深度比較有限，循環(huán)壽命也不高。因此，如果必須保證充放電量效果，工作溫度應(yīng)達(dá)到300℃。

（3）鉛酸電池。鉛酸電池在其原理與實(shí)現(xiàn)等方面，和鈉硫電池都有相似之處。對(duì)于正負(fù)極的組成，由于化學(xué)成分的不同，對(duì)空間和功率密度的要求也有很大的不同。在小空間應(yīng)用上，鉛酸電池的總用量約是鈉硫電池的3倍。從容量密度來說，鉛酸電池僅為普通鈉硫電池的1/3。

（4）液流電池。液流蓄電池是一種高性能蓄電池。關(guān)部分還存在缺陷或不足，相應(yīng)的儲(chǔ)能效果有限，以盡可能提高儲(chǔ)能效率。儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是應(yīng)用儲(chǔ)能優(yōu)化技術(shù)的前提，這意味著相關(guān)技術(shù)人員必須詳細(xì)了解新能源系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況和儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際情況，并從不同角度分析系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

探索提高系統(tǒng)性能的方案，大膽創(chuàng)新，積極改進(jìn)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助設(shè)備進(jìn)行全面改造，使儲(chǔ)能系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)備，制定可行的處理方案，了解和分析電力系統(tǒng)各單元的運(yùn)行狀況。當(dāng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取糾正措施。記下儲(chǔ)能模塊和轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)置，以便它們能夠有效地連接到儲(chǔ)能系統(tǒng)，以便后續(xù)的電力系統(tǒng)操作可以通過操作模塊控制儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存的目標(biāo)?？紤]到相關(guān)人員的總體水平直接影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以期使電力系統(tǒng)的開發(fā)和配置專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和合理化，應(yīng)組織人員進(jìn)行深入的職業(yè)培訓(xùn)、職業(yè)培訓(xùn)和新技術(shù)學(xué)習(xí)，逐步提高員工的專業(yè)素質(zhì)，在實(shí)踐中提出并實(shí)施建筑改進(jìn)方案，實(shí)現(xiàn)新能源系統(tǒng)的更新。電池的數(shù)量和面積直接影響著液流電池的輸出功率，電解液對(duì)液流電池的存儲(chǔ)容量也有影響。因此，增大電解液的濃度和體積可以提高液流電池的存儲(chǔ)容量。液流電池的優(yōu)點(diǎn)是非常重要的，主要是由于其靈活的電池配置和強(qiáng)大的放電過程安全性。此外，液流電池的優(yōu)點(diǎn)是易于維護(hù)和高能量轉(zhuǎn)換率。由于這些優(yōu)點(diǎn)，液體電流電池在并網(wǎng)發(fā)電和儲(chǔ)能中得到了廣泛的應(yīng)用。但液流電池也存在應(yīng)用成本高的缺點(diǎn)，在一定程度上限制了液流電池的推廣和應(yīng)用。

3 應(yīng)用情況

3.1 合理借助化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)輔助工作

在供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了保證供電質(zhì)量，必須使用各種儲(chǔ)能裝置?；瘜W(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是一種理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其反應(yīng)速度比其他儲(chǔ)能技術(shù)快。為了保證供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，必須合理利用蓄電池的正負(fù)效應(yīng)，使蓄電池更加方便。為了保證上述工作的質(zhì)量和電池的使用符合轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，有必要對(duì)電池的類型進(jìn)行研究和分析。根據(jù)蓄電池的實(shí)際情況，合理利用目標(biāo)蓄電池的輔助電源，可以有效地應(yīng)用化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。

3.2 合理借助物理儲(chǔ)能技術(shù)輔助工作

在應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)，物理技術(shù)也可用于促進(jìn)新能源系統(tǒng)的日常運(yùn)行。飛輪、抽水、氣壓儲(chǔ)能等先進(jìn)應(yīng)用技術(shù)是目前常用的物理儲(chǔ)能技術(shù)。為保證系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)的使用質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇相應(yīng)的輔助儲(chǔ)能技術(shù)。在上述工作中，還應(yīng)遵循各種技術(shù)的應(yīng)用要求。具體表現(xiàn)為：采用抽水技術(shù)支護(hù)時(shí)，應(yīng)合理利用地形進(jìn)行支護(hù)。這種行為可以有效地控制能量的損耗，達(dá)到理想的儲(chǔ)能效果。為保證上述工程的施工質(zhì)量和泵送技術(shù)的有效應(yīng)用，可在大壩上下游修建水庫(kù)。經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在無法保障電力負(fù)荷量的基礎(chǔ)上，借助水庫(kù)蓄能作用輔助工作能使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行質(zhì)量得到保障。通過儲(chǔ)能，下游水源可以有效地向上游輸送和儲(chǔ)存。這種發(fā)電方式可以保證新能源系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，節(jié)約資源；在使用螺旋槳或氣壓等儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)，還應(yīng)分析具體問題，以確保我們的工作符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 合理借助電磁儲(chǔ)能技術(shù)輔助工作

實(shí)踐表明，在合理儲(chǔ)能技術(shù)的幫助下，可以將大量的能量?jī)?chǔ)存在系統(tǒng)中，然后通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換技術(shù)將所有的自然資源無縫地轉(zhuǎn)化為能量，使目標(biāo)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，充分發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)的內(nèi)在價(jià)值。為保證上述工作的實(shí)施質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的順利進(jìn)行，應(yīng)合理利用電磁儲(chǔ)能技術(shù)，方便工作。在這種情況下，電阻和電流得到有效控制，能量得到最佳利用。此外，在電磁學(xué)實(shí)踐中，儲(chǔ)能技術(shù)可以成功地轉(zhuǎn)化為電能，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和目標(biāo)系統(tǒng)的性能質(zhì)量。

4 新能源電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用的措施

4.1 完善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新能源系統(tǒng)的發(fā)展還處于初級(jí)階段，儲(chǔ)能系統(tǒng)的相

4.2 加強(qiáng)儲(chǔ)能控制

儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用可能導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換不良、能量浪費(fèi)或電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，這充分說明了儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用效果不佳。為了避免這種情況的發(fā)生，不僅要注意儲(chǔ)能技術(shù)的配置，同時(shí)，還要根據(jù)實(shí)際工作需要和電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，建立一個(gè)合理可行的最優(yōu)控制指標(biāo)體系。以往的工作經(jīng)驗(yàn)表明，蓄能系統(tǒng)異常放電的概率很高。如果發(fā)生異常放電，將導(dǎo)致能量浪費(fèi)。因此，從業(yè)人員應(yīng)進(jìn)行深入的分析和研究。利用信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，建立與儲(chǔ)能系統(tǒng)有效連接的管理信息系統(tǒng)，通過信息分類、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，利用實(shí)時(shí)傳感器，不僅可以首次檢測(cè)到儲(chǔ)能系統(tǒng)的異常狀態(tài)。同時(shí)，還可以檢測(cè)到儲(chǔ)能系統(tǒng)的異常狀態(tài)。指導(dǎo)員工處理異常情況，制定處理方案和實(shí)施方案，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)分配，優(yōu)化系統(tǒng)，確保系統(tǒng)長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

總之，在新能源系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展中，科學(xué)應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)是保證供電效率的關(guān)鍵。加強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)研究，利用儲(chǔ)能材料、設(shè)備和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新能源系統(tǒng)的高效儲(chǔ)能，為電力系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)。只有這樣，才能有效地保證新能源在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)發(fā)電的節(jié)能環(huán)保，滿足電力系統(tǒng)的實(shí)際需要。促進(jìn)資源、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。