儲(chǔ)能技術(shù)綜述

儲(chǔ)能裝置快速的功率調(diào)節(jié)能力使其突破了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)主要依賴?yán)^電保護(hù)和自動(dòng)裝置的被動(dòng)致穩(wěn)框架，徹底改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中缺乏快速補(bǔ)償不平衡功率的手段的狀況，形成嶄新的主動(dòng)致穩(wěn)新思想。

在目前所提出的各種超導(dǎo)電力裝置中，儲(chǔ)能裝置具有較大的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此隨著高溫超導(dǎo)和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，開展儲(chǔ)能裝置的研制工作對(duì)各國電力事業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義，而且也是各國經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略發(fā)展的需要。

儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.電網(wǎng)調(diào)峰

2.系統(tǒng)備用容量

3.調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的過負(fù)荷沖擊

4.提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

5.靜止無功補(bǔ)償

6.改善電能品質(zhì)

7.分布式電源和可再生能源的功率平滑裝置

主要儲(chǔ)能技術(shù)

到目前為止，人們已經(jīng)探索和開發(fā)了多種形式的電能儲(chǔ)能方式，主要可分為：機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能等。

機(jī)械儲(chǔ)能：抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能

化學(xué)儲(chǔ)能：鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉流電池、鋰離子電池

電磁儲(chǔ)能：超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能

機(jī)械儲(chǔ)能-抽水蓄能

廣泛采用的大規(guī)模、集中式儲(chǔ)能手段。

利用自然界里數(shù)量最大的液體-水的勢能進(jìn)行儲(chǔ)能。需要配備上、下游兩個(gè)水庫。

在負(fù)荷低谷時(shí)段，抽水蓄能設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。

負(fù)荷高峰時(shí)，工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫中的發(fā)電。

一些高壩水電站具有儲(chǔ)水容量，可以將其用作抽水蓄能電站進(jìn)行電力調(diào)度。

優(yōu)點(diǎn)：

技術(shù)上成熟可靠，容量可以做的很大，受水庫庫容限制。

缺點(diǎn)：

建造受地理?xiàng)l件限制，需合適落差的高低水庫，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心;

抽水和發(fā)電中有相當(dāng)數(shù)量的能量被損失，儲(chǔ)能密度較差;

建設(shè)周期長，投資大;

機(jī)械儲(chǔ)能-飛輪儲(chǔ)能

Flywheel Energy Storage

將能量以動(dòng)能形式儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。由高強(qiáng)度合金和復(fù)合材料的轉(zhuǎn)子、高速軸承、雙饋電機(jī)，電力轉(zhuǎn)換器和真空安全罩組成。

電能驅(qū)動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能變飛輪動(dòng)能儲(chǔ)存，需要時(shí)，飛輪減速，電動(dòng)機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，飛輪的加速和減速實(shí)現(xiàn)了充電和放電。

特點(diǎn)：

儲(chǔ)能密度高、充放電速度快、效率高、壽命長、無污染、應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

目前用于調(diào)峰、分離發(fā)電，太陽能儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、UPS、低軌道衛(wèi)星、電磁炮、魚雷。

國內(nèi)相關(guān)單位：清華大學(xué)工程物理系飛輪儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)室、華科大、華北電大、中科院電工所。2009年8月5日，國內(nèi)最先進(jìn)和可靠的兩臺(tái)250kVA移動(dòng)式飛輪發(fā)電車落戶北京電力公司，執(zhí)行供電保障和應(yīng)急供電任務(wù)。

機(jī)械儲(chǔ)能-壓縮空氣儲(chǔ)能

上世紀(jì)50年代提出，目的是削峰填谷。

兩個(gè)循環(huán)構(gòu)成其儲(chǔ)能過程：一是充氣壓縮循環(huán);二是排氣膨脹循環(huán)。

壓縮時(shí)，雙饋電機(jī)做電動(dòng)機(jī)工作，利用谷荷時(shí)的多余電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，將高壓空氣壓入地下儲(chǔ)氣洞;峰荷時(shí)，雙饋電機(jī)做發(fā)電機(jī)工作，儲(chǔ)存壓縮空氣先經(jīng)過回?zé)崞黝A(yù)熱，再使用燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，進(jìn)入膨脹系統(tǒng)中做工(如驅(qū)動(dòng)燃汽輪機(jī))發(fā)電。

德國、美國、日本和以色列建成過示范性電站。

化學(xué)儲(chǔ)能-鉛酸電池

它是以二氧化碳和海綿狀金屬鉛分別為正、負(fù)極活性物質(zhì)，硫酸溶液為電解質(zhì)的一種蓄電池，距今140年歷史。

優(yōu)點(diǎn)：

自放電小，25℃下自放電率小于2%/月;結(jié)構(gòu)緊湊，密封好，抗振動(dòng)，大電流性能好;工作溫度范圍寬，-40℃～50℃;

價(jià)格低廉;制造維護(hù)成本低;無記憶效應(yīng)(淺循環(huán)工作時(shí)容量損失)。

目前，世界各地已建立了許多基于鉛酸電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)。例如：德國柏林BEWAG的8.8MW/8.5MWh的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于調(diào)峰和調(diào)頻。

中國加入WTO后，由于看好中國蓄電池市場巨大潛力以及發(fā)達(dá)國家對(duì)蓄電池行業(yè)的限制政策，越來越多國外大型電池制造商選擇在中國建廠和生產(chǎn)，目前我國鉛酸電池產(chǎn)量占世界的1/3，生產(chǎn)研發(fā)技術(shù)與國際先進(jìn)說平差距不明顯。保定風(fēng)帆、哈爾濱光宇，江蘇雙登、湖北駱駝等，都是主要電池制造企業(yè)。

化學(xué)儲(chǔ)能-鈉流電池、液流電池、鈉/氯化鎳電池

鈉流電池是一種新型蓄電池。采用熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)，其中，負(fù)極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉，正極活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽。

液流電池或稱氧化還原液流電池，是正負(fù)極活性物質(zhì)均為液態(tài)流體氧化還原電對(duì)的一種電池。最早由美國航空航天局(NASA)資助設(shè)計(jì)，1974年申請(qǐng)了專利。目前主流是全釩電池群雄并起，鐵鉻電池陷于停頓、多硫化鈉/溴電池剛剛興起。

鈉/氯化鎳電池是一種在鈉流電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型儲(chǔ)能電池，具有較高的能量密度和功率密度，具備可過充電、無自放電，運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)勢。

化學(xué)儲(chǔ)能-鋰離子電池

優(yōu)勢是儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)能效率高、循環(huán)壽命長等。鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了快速發(fā)展，隨著制造技術(shù)和制造成本的不斷降低，將鋰離子電池用于儲(chǔ)能非常具有應(yīng)用前景。

目前，單體電池標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命已經(jīng)超過1000次，僅從電池單體的角度來看，鋰離子電池的比能量和循環(huán)壽命已基本滿足儲(chǔ)能應(yīng)用需求，但在鋰離子電池組應(yīng)用時(shí)，循環(huán)壽命只有400～600次，甚至更低，嚴(yán)重制約了鋰離子電池儲(chǔ)能應(yīng)用。

鋰離子電池在電力系統(tǒng)的應(yīng)用方面，美國走在前面。2009年的儲(chǔ)能項(xiàng)目研究規(guī)劃中，擬開展鋰離子電池用于分布式儲(chǔ)能的研究和開發(fā)。

電磁儲(chǔ)能-超導(dǎo)儲(chǔ)能

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)單元是由一個(gè)置于低溫環(huán)境的超導(dǎo)線圈組成，低溫是由包含液氮或者液氦容器的深冷設(shè)備提供。功率變換/調(diào)節(jié)系統(tǒng)將SMES單元與交流電力系統(tǒng)想念，并且可以根據(jù)電力系統(tǒng)的需要對(duì)儲(chǔ)能線圈進(jìn)行充放電。通常使用兩種功率變換系統(tǒng)將儲(chǔ)能線圈和與交流電力系統(tǒng)相連：一種是電流源型變流器;另一種是電壓源型變流器。

電磁儲(chǔ)能-超級(jí)電容器儲(chǔ)能

超級(jí)電容器(SC)是近幾十年來，國里外發(fā)展起來的一種介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池二者之間的新型儲(chǔ)能元件。它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學(xué)電池儲(chǔ)能電荷的能力。與傳統(tǒng)電容相比，具備達(dá)到法拉級(jí)別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)達(dá)到十萬次以上，且不用維護(hù);與化學(xué)電池相比，具備較高的比功率，且對(duì)環(huán)境無污染。

綜上，SC是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲(chǔ)裝置，它優(yōu)越的性能得到各方的總是，目前發(fā)展十分迅速。

各種儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)

各種儲(chǔ)能技術(shù)在其能量密度和功率密度方面均有不同的表現(xiàn)，而同時(shí)電力系統(tǒng)也對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)不同應(yīng)用提出了不同的技術(shù)要求，很少有一種出儲(chǔ)能技術(shù)可以完全勝任電力系統(tǒng)中的各種應(yīng)用，因此，必須兼顧雙方需求，選擇匹配的儲(chǔ)能方式與電力應(yīng)用。

根據(jù)各種儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和電化學(xué)電池儲(chǔ)能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源接入等大規(guī)模、大容量的應(yīng)用場合，而超導(dǎo)、飛輪及超級(jí)電容器儲(chǔ)能適合于需要提供短時(shí)較大的脈沖功率場合，如應(yīng)對(duì)電壓暫降和瞬時(shí)停電、提高用戶的用電質(zhì)量，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等。

抽水蓄能電站在電網(wǎng)總可承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動(dòng)等多種任務(wù)，抽水蓄能電站的建設(shè)對(duì)優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、提高電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平、促進(jìn)電網(wǎng)節(jié)能降耗、改善電能質(zhì)量和供電可靠性等具有不可替代的作用。特別是隨著大核電、大水電和大風(fēng)電的建設(shè)，抽水蓄能電站的作用日趨明顯。而當(dāng)前我國的抽水蓄能電站裝機(jī)容量比重相對(duì)較低，遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

鉛酸電池盡管目前仍是世界上產(chǎn)量和用量最大的一種蓄電池，但從長遠(yuǎn)發(fā)展看，他尚不能滿足今后電力系統(tǒng)大規(guī)模高效儲(chǔ)能的要求，而鈉硫電池具有的一系列特點(diǎn)是他們成為未來大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能的兩種方式，特別是液流電池，它有望在未來的10~20年內(nèi)逐步取代鉛酸電池。而鋰電池在電動(dòng)汽車的推動(dòng)下也有望成為后起之秀。