電能儲(chǔ)存技術(shù)的分類及特點(diǎn)分析

引言

電能是表示電流做多少功的物理量。日常生活中使用的電能,主要來(lái)自其他形式能量的轉(zhuǎn)換,包括水能、熱能、風(fēng)能及光能等。電能也可以轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。

我國(guó)是世界上電力生產(chǎn)最多的國(guó)家,也是發(fā)電量增幅最大的國(guó)家。2019年,全球發(fā)電量為26990.64億kw·h,我國(guó)發(fā)電量達(dá)7105.4億kw·h,占比27.83,比2018年同期增長(zhǎng)4%7.,穩(wěn)居世界第一。發(fā)電廠發(fā)出的電能無(wú)法直接儲(chǔ)存,需要立即消耗掉,從而造成用電高峰期時(shí)電力需求無(wú)法滿足,而用電低谷期時(shí)電力過(guò)剩。研究如何將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái),是非常重大的民生問(wèn)題。

1電能儲(chǔ)存技術(shù)的分類

根據(jù)能量守恒定律,無(wú)論是電能的儲(chǔ)存還是電能的釋放,都可以借一于物理助化完成。電能儲(chǔ)存可以根據(jù)不同的能量形式分為兩類,分別是物理形式和化學(xué)形式,如圖1所示。

圖1儲(chǔ)能技術(shù)的分類

下文在此基礎(chǔ)上討論如何用不同的形式儲(chǔ)存電能。

1.1抽水儲(chǔ)能

該類型電站的構(gòu)成包括兩部分,即上水庫(kù)和下水庫(kù),分別位于電站的上方和下方,這是一種機(jī)械儲(chǔ)能方式。上水庫(kù)中水的重力勢(shì)能可以借一于逆勢(shì)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。

1.2壓縮空氣儲(chǔ)能

即密閉氣室當(dāng)中存儲(chǔ)的空氣勢(shì)能可以借一于空氣壓縮機(jī)和渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換成為電能,如圖2所示,這也是一種機(jī)械儲(chǔ)能方法。

圖2TlCC%500壓縮空氣儲(chǔ)能電站效果圖

1.3飛輪儲(chǔ)能

飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能可以借一于發(fā)電機(jī)或者電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成為電能,也屬于機(jī)械儲(chǔ)能。

1.4超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能

利用磁場(chǎng)的方式將直流電存儲(chǔ)于超導(dǎo)螺旋管當(dāng)中,如圖5所示,其屬于電感儲(chǔ)能方式。

圖3日本2GJ環(huán)形結(jié)構(gòu)型超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈概念設(shè)計(jì)圖

1.5超級(jí)電容儲(chǔ)能

超級(jí)電容包括兩種,分別為雙電層電容和法拉第電容,其中雙電層電容能夠儲(chǔ)存電場(chǎng)能,其工作原理與普通電容相似:而法拉第電容的工作原理是氧化還原反應(yīng),從本質(zhì)來(lái)看,其儲(chǔ)存的能量為化學(xué)能,但是無(wú)論其充電還是放電都具有電容特性。

1.6蓄電池儲(chǔ)能

鉛酸電池在過(guò)去比較常用,現(xiàn)在逐漸為鋰電池所取代,其共同特點(diǎn)是存在著電化學(xué)變化,因此該方式屬于化學(xué)儲(chǔ)能。

1.7氫儲(chǔ)能

其最常應(yīng)用于燃料電池中,無(wú)論是充電還是放電,都發(fā)生了氧化還原反應(yīng),如圖4所示,因此這屬于化學(xué)儲(chǔ)能。

圖4氫燃料電池結(jié)構(gòu)原理示意圖

綜上所述,只有超導(dǎo)和超級(jí)電容的存儲(chǔ)方式為直接儲(chǔ)存電磁場(chǎng)能量,除此之外電站都是使用其他形式儲(chǔ)存電能,其工作原理是完成電能和其他能量的互相轉(zhuǎn)換。

2各種電能儲(chǔ)存技術(shù)的特點(diǎn)

2.1抽水儲(chǔ)能電站

自20世紀(jì)90年代起,意大利和瑞士就開(kāi)始使用抽水儲(chǔ)能方式儲(chǔ)存電能,距今已有100多年的歷史。對(duì)于當(dāng)前存在的電力系統(tǒng)峰谷難題,解決方式之一就是建設(shè)抽水儲(chǔ)能電站。這種水電站的工作方式是使用一定量的水當(dāng)作能量載體,然后將其轉(zhuǎn)換為電能提供至電力系統(tǒng)。其可以將電力負(fù)荷低谷期和豐水期的過(guò)剩電能進(jìn)行存儲(chǔ),工作原理是將水從下水庫(kù)中抽取到上水庫(kù),使用位能的形式保存電能。這些過(guò)剩的電能可以在電力系統(tǒng)負(fù)荷高峰期和枯水期,被輸送至電力系統(tǒng)中。綜上所述,抽水儲(chǔ)能電站有雙重身份,其既可以作為電力用戶來(lái)存儲(chǔ)低谷電能,同時(shí)也可以作為水電站提供峰荷電力。

其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展,技術(shù)相當(dāng)成熟,具有一定的可靠性和大容量性,但受限于水庫(kù)庫(kù)容。如果抽水儲(chǔ)能和風(fēng)電系統(tǒng)合作,并結(jié)合火電機(jī)組,建立含抽水儲(chǔ)能的風(fēng)一水一火聯(lián)合機(jī)組,可以節(jié)省抽水儲(chǔ)能有限的調(diào)節(jié)資源,提高火電機(jī)組備用響應(yīng)的有效性,并且可以避免火電機(jī)組的頻繁啟停。

其不足之處在于,受地理位置限制嚴(yán)重,必須有合適的位置可以分別建設(shè)高低水庫(kù)。除此之外,在抽水和發(fā)電的過(guò)程中都存在一定的能量損失,并且在地理位置的制約下,通常無(wú)法靠近負(fù)荷中心。除電能損失之外,如果系統(tǒng)因?yàn)橹卮笫鹿蕦?dǎo)致無(wú)法正常工作,抽水儲(chǔ)能電站也無(wú)法發(fā)揮作用。例如在抽水調(diào)相工況下發(fā)生失磁時(shí),現(xiàn)有的失磁保護(hù)有缺陷,機(jī)組勵(lì)磁不能及時(shí)切換,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2壓縮空氣儲(chǔ)能

20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了壓縮空氣儲(chǔ)能電站,其可以存儲(chǔ)廉價(jià)的電力,然后輸送至用電高峰期的電力系統(tǒng)中。其工作原理為借助于電力負(fù)荷低谷期的過(guò)剩電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),使空氣能夠?qū)⒌叵聝?chǔ)氣庫(kù)充滿,需要使用的時(shí)候,釋放儲(chǔ)存的空氣即可驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。其工作原理類似于抽水儲(chǔ)能,最早應(yīng)用于氣動(dòng)工具,只要具有足夠的規(guī)模,即可有效解決峰谷差問(wèn)題。最為關(guān)鍵的就是尋找適合的場(chǎng)所來(lái)存儲(chǔ)壓縮空氣,類似的場(chǎng)所包括廢氣礦井和具有較好密封性的山洞等。

現(xiàn)階段,全球范圍內(nèi)僅有幾個(gè)國(guó)家成功建設(shè)了示范性壓縮空氣儲(chǔ)能電站。擺脫對(duì)可提供熱源的天然氣等化石燃料、大型洞穴的依賴,同時(shí)提高系統(tǒng)效率,是壓縮空氣儲(chǔ)能廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.3飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能（電池）內(nèi)置電機(jī)可以用作發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。當(dāng)進(jìn)行電能儲(chǔ)存的時(shí)候,其可以發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的作用,實(shí)現(xiàn)飛輪加速:當(dāng)輸出電能的時(shí)候,其可以發(fā)揮發(fā)電機(jī)的作用,為外部設(shè)施供電,降低飛輪轉(zhuǎn)速:當(dāng)飛輪停止工作的時(shí)候,系統(tǒng)保持最小損耗運(yùn)行。其主要借助于飛輪的加減速來(lái)完成充放電,應(yīng)用了變速恒頻的電力電子技術(shù),因此輸出電能頻率不會(huì)發(fā)生改變。

除此之外,飛輪機(jī)組還可以作為單元型機(jī)組使用,能夠結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行組合,形成的裝置具有更大的功率,并且能夠在負(fù)荷周圍進(jìn)行安裝。這種用法既可以結(jié)合實(shí)際需求完成相應(yīng)的擴(kuò)展,又能夠保證電能不發(fā)生損耗。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)控制的效果優(yōu)異,能夠有效提高電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性,保證電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性。

通常情況下,使用碳纖維材料制作飛輪,因?yàn)槠鋵?shí)際轉(zhuǎn)速可以達(dá)到40000～500000r/min,這是其他材料制作的飛輪達(dá)不到的轉(zhuǎn)速。除此之外,其不僅重量輕,而且強(qiáng)度高,有效降低了系統(tǒng)重量,并且充放電過(guò)程中的能量損耗尤其是摩擦力損耗也顯著下降。電機(jī)和飛輪均選擇應(yīng)用了磁軸承,其優(yōu)點(diǎn)是懸浮狀態(tài)能夠有效減少機(jī)械摩擦:二者在真空容器中運(yùn)行,有效減小了空氣摩擦。這種情況下,飛輪電池能夠獲取約為95%的凈效率。

對(duì)于該領(lǐng)域的專家學(xué)者而言,其研究的重點(diǎn)是研發(fā)復(fù)合材料和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。前者可以有效提升儲(chǔ)能密度,并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)體積和重量的縮減:后者是目前最主要的降低損耗的方式。

2.4磁場(chǎng)儲(chǔ)能)超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能）

磁場(chǎng)儲(chǔ)能指的是將電流輸入至電感中儲(chǔ)存磁場(chǎng)能。其與電力系統(tǒng)借助于換流器相連,換流器具有快速高效的特點(diǎn)。

超導(dǎo)線圈之所以具有較高的儲(chǔ)能效率,是因?yàn)槠湓谶\(yùn)行狀態(tài)下不存在任何電阻。除此之外,相較于常規(guī)線圈,超導(dǎo)線圈具有更高的電流密度和儲(chǔ)能密度。不僅如此,其還具有非常快的響應(yīng)速度,這是因?yàn)槠鋬H受到控制回路時(shí)間常數(shù)和換流器開(kāi)關(guān)時(shí)間的制約,尤其適用于電力系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程等瞬變狀態(tài)。

其不足之處在于,必須配置深冷設(shè)備,就算是高溫超導(dǎo)線圈的運(yùn)行也無(wú)法脫離液氮溫度?，F(xiàn)階段,超導(dǎo)線圈儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用還存在諸多困難,需要進(jìn)行大量的研究,包括其成本、制作材料、性能等。如果對(duì)勵(lì)磁線圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),可以削弱最大垂直磁場(chǎng),提高臨界電流,并能提高超導(dǎo)帶材的利用率。

2.5電場(chǎng)儲(chǔ)能)超級(jí)電容儲(chǔ)能）

電場(chǎng)儲(chǔ)能指的是借助于電容器的電荷存儲(chǔ)能力完成電能的存儲(chǔ)。傳統(tǒng)電容器的缺點(diǎn)是電容量過(guò)小,因此僅能應(yīng)用于弱電和高壓脈沖技術(shù)領(lǐng)域。超級(jí)電容器問(wèn)世之后,其可以應(yīng)用于能源領(lǐng)域。超級(jí)電容器,顧名思義具有超級(jí)大的電容量,其電介質(zhì)的介電常數(shù)極高,能夠制作小體積的電容器,單位為法拉,相較于普通電容器,數(shù)量級(jí)顯著增加。

相較于超導(dǎo)線圈,電容儲(chǔ)能器具有更快的充放電速度,并且無(wú)須配置深冷設(shè)備。其不足之處在于,電介質(zhì)耐壓水平比較低,采用其制作的電容器耐壓僅為幾伏。

當(dāng)前研究的主要方向包括兩個(gè)方面,首先隨著電壓的不斷增加,儲(chǔ)能能夠成平方地增加:其次,超級(jí)電容器往往工作電壓比較低,所以在實(shí)際應(yīng)用中,多個(gè)電容器需要串聯(lián)應(yīng)用,因此其充放電控制回路需要增多,確保所有電容器都能夠獲得最佳工作條件。

基于上述特點(diǎn),超級(jí)電容儲(chǔ)能將被廣泛應(yīng)用于交通和能源領(lǐng)域。例如將超級(jí)電容儲(chǔ)能與光伏系統(tǒng)組合成一種混合級(jí)聯(lián)型光伏逆變器,超級(jí)電容儲(chǔ)能單元既可以平抑有功功率波動(dòng),又可以通過(guò)輸出無(wú)功功率來(lái)擴(kuò)大光伏單元的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍,有利于光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和提高供電可靠性。再如將超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用到永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的直流側(cè),并配上合適的控制策略,可以改善風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。

2.6可充電電池儲(chǔ)能

可充電電池儲(chǔ)能又被稱為"二次電池"或"蓄電池",其本質(zhì)為電化學(xué)儲(chǔ)能。過(guò)去在價(jià)格和儲(chǔ)能密度等因素的制約下,可充電電池儲(chǔ)能并不在儲(chǔ)能領(lǐng)域考慮范圍。然而,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,可充電電池得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,其已經(jīng)成為風(fēng)力和太陽(yáng)能等獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電站中不可或缺的儲(chǔ)能裝置。

可充電電池種類繁多,其中最為常見(jiàn)的就是鉛酸電池,目前該類電池的代表為密封型免維護(hù)鉛酸電池:同時(shí),堿性電池也不斷更新?lián)Q代,鎳氫電池逐漸取代了傳統(tǒng)的鎳鎘電池。對(duì)比鉛酸和堿性電池可以發(fā)現(xiàn),前者的特點(diǎn)包括具有比較大的容量,結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)固,能夠多次進(jìn)行充放循環(huán):其不足之處在于價(jià)格更貴,導(dǎo)致其無(wú)法在能源領(lǐng)域廣泛使用。鉛酸電池亟需在輕量化、長(zhǎng)壽命、低成本、快充等方面再來(lái)一次技術(shù)革命,未來(lái)必須借鑒如材料科學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)及先進(jìn)理念,才能在日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)中獲得一席之地。

最近幾年,最為常用的就是鋰離子二次電池,其性能良好,徹底解決了充電電池普遍存在的充放電記憶效應(yīng)問(wèn)題,使用更加方便,同時(shí)其制作過(guò)程幾乎不會(huì)產(chǎn)生污染,因此又被稱為"綠色電池"。其不足之處在于價(jià)格高昂,假如可以在提升儲(chǔ)能密度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本的縮減,其應(yīng)用于供電設(shè)備儲(chǔ)能領(lǐng)域的可能性也就更大。同時(shí)還需考慮其安全可靠性,提高電池能量密度和保障安全性,這兩項(xiàng)是相互對(duì)立的,解決鋰電池安全問(wèn)題之路任重而道遠(yuǎn)。

蓄電池與超級(jí)電容組成的新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的出現(xiàn),既滿足了直流系統(tǒng)的要求,又實(shí)現(xiàn)了蓄電池充放電的靈活控制,延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命,提高了直流系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

2.7氫儲(chǔ)能燃料電池

在燃料電池成功研發(fā)的基礎(chǔ)上,提出了氫儲(chǔ)能的概念,現(xiàn)階段,燃料電池已經(jīng)能夠?qū)嶋H應(yīng)用于能源供應(yīng)領(lǐng)域。

氫儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為:首先,具有非常高的能量,氫的發(fā)熱值僅次于核燃料:其次,具有良好的燃燒性能,能夠快速點(diǎn)燃:再次,氫氣屬于綠色純凈能源,具有無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)毒的特點(diǎn),其燃燒產(chǎn)物主要是水,此外包含極少的氮化氫,不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì),例如C0、C02、碳?xì)浠衔铩U化物和顆粒粉塵等,而少量的氮化氫在處理之后也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,且它燃燒后生成的水可以用來(lái)制備氫氣,能夠循環(huán)利用:最后,有多種不同的利用方式,包括氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)金屬氫化物3種不同的形態(tài),能滿足不同的存儲(chǔ)和使用需求。

基于上述優(yōu)點(diǎn),氫儲(chǔ)能是當(dāng)前專家學(xué)者研究的主要對(duì)

象。通過(guò)建立氫燃料電池模型,可得到氫電池的電壓輸出特性和功率特性,再配上合適的控制系統(tǒng),可以有效抑制系統(tǒng)振蕩,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

目前,東莞市麻涌鎮(zhèn)已經(jīng)聚集了氫藍(lán)時(shí)代、中汽宏遠(yuǎn)、祥鑫科技新能源汽車零部件等相關(guān)氫能產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè):未來(lái),將著力打造更大規(guī)模的企業(yè)集群,構(gòu)建東莞氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心力量。依靠氫能產(chǎn)業(yè),東莞將走出一條特色發(fā)展之路,在全國(guó)層面樹(shù)立一個(gè)標(biāo)桿。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上介紹可知,發(fā)電站發(fā)出的多余電能是可以被儲(chǔ)存的,只不過(guò)因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行因素的制約,電能不能大量?jī)?chǔ)存。當(dāng)前電力系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展目標(biāo)主要包括環(huán)保、可靠、高效靈活等,其中重要的一環(huán)就是電能儲(chǔ)存技術(shù)的實(shí)現(xiàn),其不僅可以實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的提升,同時(shí)還可以為供電的可靠性提供保障。對(duì)于風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生資源而言,其需要以電能儲(chǔ)存技術(shù)的削峰填谷能力為基礎(chǔ)完成大規(guī)模并網(wǎng)。

2020年9月,中國(guó)向世界宣布了2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo),時(shí)間短,任務(wù)重。未來(lái)新能源發(fā)電將成為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵路徑,而大部分可再生能源都具有間歇性的特點(diǎn),假如完全依靠可再生能源提供不間斷的電力,配套儲(chǔ)能系統(tǒng)將是唯一選擇。

2021年6月,西門(mén)子與協(xié)鑫集團(tuán)簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議,將在可再生能源制氫方面開(kāi)展合作,共同在該領(lǐng)域打造數(shù)字化超級(jí)工廠。西門(mén)子在引領(lǐng)全球低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面積累了豐富且可借鑒的經(jīng)驗(yàn),期待其能夠?yàn)橹袊?guó)推進(jìn)碳中和進(jìn)程貢獻(xiàn)一份力量。