新能源電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)研究

中電大豐風(fēng)力發(fā)電有限公司 朱瑜

1 引言

新能源電力系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性，其中儲(chǔ)能技術(shù)又扮演著重要的角色，為確保新能源發(fā)電能夠取得實(shí)效性成果，技術(shù)人員對(duì)新能源電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了深度研究，最終確實(shí)取得了比較可觀的研究成果。為進(jìn)一步優(yōu)化我國(guó)新能源電力系統(tǒng)儲(chǔ)能效果，相關(guān)工作人員必須對(duì)新能源電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行更多了解，并確定不同儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)缺點(diǎn)等，以便更好地進(jìn)行應(yīng)用。

2 儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于新能源電力系統(tǒng)發(fā)展的重要性

第一，為新能源發(fā)電大規(guī)模使用創(chuàng)造條件。新能源發(fā)電技術(shù)具有清潔無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)出現(xiàn)就得到了眾多認(rèn)可與關(guān)注，其中風(fēng)能、太陽(yáng)能都是比較具有代表性的清潔能源，也是目前新能源發(fā)電技術(shù)的主要研究方向，其普遍具有化石能源不具備的環(huán)保價(jià)值和再生條件，但同時(shí)也具有間歇性、不連貫的問(wèn)題，很難像化石能源一樣持續(xù)不斷地發(fā)電。如要大規(guī)模推廣新能源發(fā)電技術(shù)，就必須克服這些問(wèn)題，才能保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行[1]。而儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)，則能夠讓上述問(wèn)題迎刃而解，能夠避免新能源發(fā)電技術(shù)的波動(dòng)性和間歇性所帶來(lái)的一系列負(fù)面影響，讓電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、使人民群眾生產(chǎn)生活有序進(jìn)行。儲(chǔ)能技術(shù)是新能源發(fā)電技術(shù)并網(wǎng)并推廣的必要手段。

第二，能夠改變能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)。新能源具有清潔無(wú)污染的特征，與可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)完全相符，這使越來(lái)越多的技術(shù)人員開(kāi)始投身此類能源的應(yīng)用研究。如果一味地使用化石能源進(jìn)行供能，其所造成的環(huán)境問(wèn)題將帶來(lái)巨大的負(fù)面影響，其本身的儲(chǔ)量也確實(shí)無(wú)法滿足繼續(xù)長(zhǎng)期大規(guī)模使用的需求，因此通過(guò)優(yōu)化儲(chǔ)能技術(shù)改變能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)是未來(lái)發(fā)展的不二之選。換而言之，可以推出儲(chǔ)能技術(shù)將新能源發(fā)電形成的電能儲(chǔ)存起來(lái)，使新能源發(fā)電系統(tǒng)得以獨(dú)立運(yùn)行或者并網(wǎng)運(yùn)行，在對(duì)新能源發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)的情況下，其完全能夠滿足特定用戶的用電需求，儲(chǔ)能技術(shù)在這個(gè)過(guò)程中發(fā)揮的作用可想而知。

第三，能夠調(diào)峰和平穩(wěn)輸出。目前我國(guó)的新能源開(kāi)發(fā)仍處在探索階段，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源的間歇性、波動(dòng)性問(wèn)題仍然沒(méi)有得到妥善解決，這使得新能源發(fā)電系統(tǒng)始終無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行或大規(guī)模推廣，而儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)則解決了這一問(wèn)題。合理應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電站調(diào)峰、保證電能穩(wěn)定供應(yīng)，對(duì)提升新能源發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用效果有不可忽視的重要作用。

儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中將發(fā)揮重要作用，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究也從未停止。有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)高度重視，對(duì)該類技術(shù)的應(yīng)用情況進(jìn)行深入分析以及研究，同時(shí)提出合理的改進(jìn)措施，讓該項(xiàng)技術(shù)能夠擁有更大的應(yīng)用空間，為我國(guó)新能源電力系統(tǒng)適應(yīng)新世紀(jì)發(fā)展需求提供有力支持。

3 新能源電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)

3.1 物理儲(chǔ)能技術(shù)

物理儲(chǔ)能技術(shù)是最具代表性的儲(chǔ)能技術(shù)之一，主要可以分成以下幾種。

一是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)的原理在于，儲(chǔ)能過(guò)程中風(fēng)電機(jī)組會(huì)輸出較大功率，除了供應(yīng)電網(wǎng)之外，多余的電能可通過(guò)壓縮空氣儲(chǔ)能電站進(jìn)行保存，在壓縮機(jī)的作用下對(duì)空氣進(jìn)行壓縮降溫，而后將這部分空氣儲(chǔ)存到特定的儲(chǔ)氣室中，即可達(dá)到儲(chǔ)能的目標(biāo)。在需要使用電能的時(shí)候，風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)輸出功率可能無(wú)法滿足用電要求，此時(shí)可將提前儲(chǔ)備的高壓低溫空氣升溫、使之成為助燃條件，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電設(shè)備等，完成整個(gè)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程，這一儲(chǔ)能技術(shù)的能源轉(zhuǎn)化率比較高，可以達(dá)到75%以上，在其他先進(jìn)技術(shù)的支持下，轉(zhuǎn)化率還能進(jìn)一步提升。從使用情況來(lái)看，壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，例如其儲(chǔ)能成本比較低、安全性比較突出、系統(tǒng)穩(wěn)定性比較可觀等。當(dāng)然其也具有一定的不足之處，例如壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度較低，對(duì)地形巖層等條件有一定的要求，很難在所有地區(qū)大規(guī)模推廣。

二是飛輪儲(chǔ)能技術(shù)[2]。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率比較高，在實(shí)際運(yùn)行中，其儲(chǔ)能效率最高可達(dá)80%左右。在進(jìn)行儲(chǔ)能時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電能會(huì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行，將電能通過(guò)旋轉(zhuǎn)體動(dòng)能的形式儲(chǔ)存，在需要釋放能量的過(guò)程中，飛輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，即可將儲(chǔ)存的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。從研究結(jié)果來(lái)看，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能密度較大、充放電次數(shù)不限制等優(yōu)勢(shì)，整體儲(chǔ)能效率比較高，因此得到了越來(lái)越多的認(rèn)可和關(guān)注。

三是抽水儲(chǔ)能技術(shù)。抽水儲(chǔ)能技術(shù)具有使用成本低的特點(diǎn)，但是水資源本身會(huì)隨著時(shí)間推移而不斷蒸發(fā)，這使得抽水儲(chǔ)能技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率只能維持在70%左右。目前常見(jiàn)的抽水儲(chǔ)能技術(shù)，可以通過(guò)海水、地下水及江河大壩等介質(zhì)而發(fā)揮作用，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，抽水儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能容量將會(huì)進(jìn)一步提升，系統(tǒng)的應(yīng)用成本也會(huì)逐漸下降，其未來(lái)的發(fā)展前景十分廣闊。

各類型物理儲(chǔ)能技術(shù)都有其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用過(guò)程中，工作人員應(yīng)當(dāng)高度重視，要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況，選擇合適的技術(shù)類型，同時(shí)也要不斷提升自身的實(shí)際水平，加強(qiáng)對(duì)于相關(guān)專業(yè)知識(shí)的了解，讓物理儲(chǔ)能技術(shù)為新能源電力系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行提供有力支持。

3.2 化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是比較常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)，可以理解為借助化學(xué)電池進(jìn)行儲(chǔ)能的技術(shù)，在化學(xué)電池正負(fù)極反應(yīng)的作用下進(jìn)行充放電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能的轉(zhuǎn)化儲(chǔ)存。新能源電力系統(tǒng)中的化學(xué)儲(chǔ)能電池主要包括以下幾種。

一是鈉硫儲(chǔ)能電池。這種化學(xué)電池具有十分可觀的能量密度，和普通的鉛酸電池比較起來(lái)，其儲(chǔ)能密度可高達(dá)鉛酸電池的3 倍以上，同時(shí)其還具有運(yùn)行空間需求小、充放電效率高等特征，建成后一般不需要反復(fù)多次進(jìn)行維護(hù)，應(yīng)用效果比較可觀。

二是鋰電池。鋰電池是一種十分常見(jiàn)的化學(xué)電池，其具有儲(chǔ)能效率高、能量密度大的特征，在長(zhǎng)期使用中仍然能保持穩(wěn)定性和安全性，在有必要的情況下，可以借助串并聯(lián)的方式提升鋰電池的儲(chǔ)能容量等，保證了鋰電池的使用適應(yīng)性。當(dāng)然也必須看到，鋰電池串并聯(lián)擴(kuò)容的方式需要耗費(fèi)大量資金，因此一般只在應(yīng)急供電的情況下進(jìn)行使用。

三是液流儲(chǔ)能電池，某型號(hào)液流儲(chǔ)能電池如圖1所示。液流儲(chǔ)能電池具有一定的先進(jìn)性，輸出功率比較大，電池組實(shí)際面積越大、輸出功率越高，通過(guò)提升電解液濃度和容積等手段可以有效增加液流儲(chǔ)能電池儲(chǔ)能容量。在實(shí)際應(yīng)用中，液流儲(chǔ)能電池具有安全性、穩(wěn)定性突出的特點(diǎn)，不需要進(jìn)行復(fù)雜的安全保護(hù)即可安全使用，在新能源電力系統(tǒng)中扮演了不可忽視的重要角色。這種儲(chǔ)能電池還具有能量轉(zhuǎn)化率高的優(yōu)勢(shì)，能夠在一定程度上將新能源電力系統(tǒng)產(chǎn)生的電能保存下來(lái)以備后續(xù)使用，目前已經(jīng)在許多地區(qū)的電力系統(tǒng)中發(fā)揮作用。這種化學(xué)電池也確實(shí)有一定的不足之處，例如其建造和使用成本比較高，很難大規(guī)模推廣使用。

圖1 某型號(hào)液流儲(chǔ)能電池

四是金屬空氣儲(chǔ)能電池。金屬空氣儲(chǔ)能電池是比較新型的化學(xué)儲(chǔ)能電池之一，利用氧氣作為電池正極、鎂鋁鋅鐵等化學(xué)性質(zhì)相對(duì)活潑的金屬元素作為電池負(fù)極，在金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，可產(chǎn)生一定的電能。在實(shí)際使用中，金屬空氣儲(chǔ)能電池的實(shí)用價(jià)值比較可觀，具有無(wú)污染、高效率的特征，電池原材料經(jīng)過(guò)處理也可以反復(fù)利用，這在一定程度上保障了金屬空氣儲(chǔ)能電池的應(yīng)用價(jià)值。特別需要提到的是，這種儲(chǔ)能電池只需要幾分鐘即可更換金屬燃料，整體運(yùn)行效率非常高，在新能源電力系統(tǒng)中占據(jù)重要地位[3]。

五是鉛酸儲(chǔ)能電池。鉛酸儲(chǔ)能電池指的是以稀硫酸溶液作為電解液、以絨狀鉛及二氧化鉛和蓄電池等作為正負(fù)極的儲(chǔ)能電池，其具有使用方法成熟、使用成本比較低的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，鉛酸儲(chǔ)能電池也具有儲(chǔ)能效率低、電池使用壽命比較短的問(wèn)題，稍有不慎還可能導(dǎo)致嚴(yán)重的重金屬污染問(wèn)題，因此逐漸被其他先進(jìn)的儲(chǔ)能電池所取代。

在化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，涉及多種化學(xué)反應(yīng)，也會(huì)使用到多種化學(xué)原料。因此，提升該類技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的安全性至關(guān)重要，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)于各類化學(xué)制造技術(shù)進(jìn)行深入分析以及研究，避免該類技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)安全問(wèn)題。對(duì)于一些重要的化學(xué)原料，應(yīng)當(dāng)采取有效的保管措施。

3.3 相變儲(chǔ)能技術(shù)

相變儲(chǔ)能技術(shù)是除了化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)和物理儲(chǔ)能技術(shù)之外，比較具有代表性的儲(chǔ)能技術(shù)之一，具有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活性突出的特點(diǎn)，整體運(yùn)行穩(wěn)定性比較可觀，工作人員不需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)管理，目前常見(jiàn)的相變儲(chǔ)能技術(shù)主要包括冰蓄冷儲(chǔ)能技術(shù)等。其中，冰蓄冷儲(chǔ)能技術(shù)最具有代表性，主要是通過(guò)儲(chǔ)存和釋放冷量完成儲(chǔ)能任務(wù)，能夠有效提升制冷機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行效率。另外，電儲(chǔ)熱技術(shù)也比較成熟，主要通過(guò)金屬材料和水完成儲(chǔ)能，具有使用成本比較低、使用穩(wěn)定性突出的特征，在新能源電力系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。

由于相變儲(chǔ)能技術(shù)是一種新型的技術(shù)，在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)存在相應(yīng)問(wèn)題。專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)從多角度考慮，對(duì)相變儲(chǔ)能技術(shù)的原理進(jìn)行深入研究，在條件允許的情況下，還應(yīng)當(dāng)對(duì)該類技術(shù)進(jìn)行不斷升級(jí)，以達(dá)到不斷提升應(yīng)用效果的目的。

3.4 電磁儲(chǔ)能技術(shù)

電磁儲(chǔ)能技術(shù)是新能源電力系統(tǒng)中比較常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)之一，可以分為超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)和超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)兩種。一是超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)。這種儲(chǔ)能技術(shù)主要是依托超導(dǎo)線圈中的直流電磁場(chǎng)進(jìn)行儲(chǔ)能，儲(chǔ)能效率非常高，最高可達(dá)到90%以上。在實(shí)際應(yīng)用中，其還具有響應(yīng)速度快、不造成環(huán)境污染等優(yōu)勢(shì)，特別需要提到的是，超導(dǎo)線圈的電阻值幾乎為零，因此利用這種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)能，不會(huì)造成嚴(yán)重的能量消耗，這有助于更好地儲(chǔ)存電能并根據(jù)用電峰值進(jìn)行釋放[4]。特別需要提到的是，超導(dǎo)線圈需要低溫保存，因此其使用成本相對(duì)來(lái)說(shuō)比較高。二是超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)。超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)也是比較先進(jìn)的技術(shù)之一，同時(shí)兼具電容器和儲(chǔ)能電池的特點(diǎn)，充放電過(guò)程可以根據(jù)需求進(jìn)行逆轉(zhuǎn)，儲(chǔ)能效率非常高且運(yùn)行安全穩(wěn)定，對(duì)優(yōu)化新能源電力系統(tǒng)運(yùn)行情況有一定的積極作用。

4 結(jié)語(yǔ)

新能源電力系統(tǒng)是清潔能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，能夠借助太陽(yáng)能、風(fēng)能等新型清潔能源實(shí)現(xiàn)發(fā)電供電，推動(dòng)新能源電力系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)步，是保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必要手段，也是建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)的重要舉措。但是，新能源電力系統(tǒng)存在供能不穩(wěn)定的問(wèn)題，只有借助儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)其產(chǎn)生的電力能源進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放，才能更好地解決這一問(wèn)題。除了文中提到的物理儲(chǔ)能技術(shù)、化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、相變儲(chǔ)能技術(shù)、電磁儲(chǔ)能技術(shù)之外，技術(shù)人員還需要結(jié)合新能源發(fā)展情況，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。