電力儲(chǔ)能及其主要技術(shù)類型

什么是儲(chǔ)能？

儲(chǔ)能是指通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲(chǔ)起來，在需要時(shí)再釋放的過程，通常儲(chǔ)能主要指電力儲(chǔ)能。儲(chǔ)能又是石油油藏中的一個(gè)名詞，代表儲(chǔ)層儲(chǔ)存油氣的能力。

電力儲(chǔ)能技術(shù)一般包括物理儲(chǔ)能（如抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等），化學(xué)儲(chǔ)能（如鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等），電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等）等。根據(jù)各種技術(shù)的特點(diǎn)，一般抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和化學(xué)電池儲(chǔ)能適合于電力系統(tǒng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源并網(wǎng)等應(yīng)用場合，而飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能和超級(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)低頻振蕩等。

物理儲(chǔ)能

Physical energy storage

物理儲(chǔ)能主要指的是利用抽水、壓縮空氣、飛輪等物理方法實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)，分別對(duì)應(yīng)重力勢能、分子勢能與旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。與其他儲(chǔ)能方式相比，物理儲(chǔ)能的發(fā)展歷史長、技術(shù)成熟、成本較低，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。

一、抽水儲(chǔ)能

抽水儲(chǔ)能是目前最成熟、應(yīng)用時(shí)間最長、容量最大的一種儲(chǔ)能方式，也是解決大規(guī)模電力系統(tǒng)調(diào)峰困難的途徑之一。在全球電力儲(chǔ)能裝置中，抽水儲(chǔ)能占比達(dá)97%。抽水儲(chǔ)能需要高低兩個(gè)水庫，通過雙向運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)水泵機(jī)組把低水庫的水運(yùn)送到高水庫儲(chǔ)能。抽水儲(chǔ)能電站的壽命可達(dá)40年以上，容量可達(dá)到百兆甚至千兆瓦，轉(zhuǎn)換效率平均為75%左右，但是受制于地理?xiàng)l件，選址較為困難，通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。

抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

二、壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能將空氣存儲(chǔ)于高壓密封設(shè)施內(nèi)，放電時(shí)再由高壓氣體驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。與抽水儲(chǔ)能類似，壓縮空氣儲(chǔ)能容量大、壽命長，同時(shí)也受地理?xiàng)l件的限制，主要用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負(fù)荷等。其主要缺點(diǎn)是進(jìn)行空氣壓縮或者在釋放高壓空氣做功時(shí)發(fā)生熱量損失，使能量轉(zhuǎn)換效率不高，通常低50%。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

三、飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能的能量存儲(chǔ)于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子中，將轉(zhuǎn)子置于高真空環(huán)境中并采用磁懸浮軸承大大減小了熱量損失和摩擦損失，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95%，并且飛輪儲(chǔ)能幾乎不需要運(yùn)行維護(hù)，設(shè)備壽命長，缺點(diǎn)是持續(xù)出力的時(shí)間較短。飛輪儲(chǔ)能適用于快速、高功率的有功或者無功支撐、旋轉(zhuǎn)備用等，是提供調(diào)頻服務(wù)的最佳電源。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

化學(xué)儲(chǔ)能

Chemical energy storage

化學(xué)儲(chǔ)能是通過氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能和電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換以存儲(chǔ)能量的技術(shù)。在氧化和還原反應(yīng)的過程中，離子的轉(zhuǎn)移帶來電荷的流動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放。目前化學(xué)儲(chǔ)能主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等。化學(xué)儲(chǔ)能作為目前技術(shù)較成熟、應(yīng)用廣泛的儲(chǔ)能技術(shù)，其特點(diǎn)在于功率和能量可根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活配置，響應(yīng)速度快，不受地理等外部條件的制約，適用于大規(guī)模應(yīng)用和批量化生產(chǎn)，但存在使用壽命有限、制造和循環(huán)成本較高的限制。近年來隨著技術(shù)進(jìn)步，可充電電池在大規(guī)模儲(chǔ)能方面的應(yīng)用也越來越廣泛，特別是在獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)力儲(chǔ)能或太陽能電站中。

一、鉛酸電池

鉛酸電池是目前發(fā)展最為成熟的一類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，與其他電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)相比，頗具價(jià)格優(yōu)勢。近幾年，以鉛炭電池為代表的改性鉛酸電池的應(yīng)用，一定程度上提升了傳統(tǒng)鉛酸電池的循環(huán)壽命、轉(zhuǎn)換效率等技術(shù)性能，使得鉛酸電池成為一些分布式發(fā)電及微網(wǎng)項(xiàng)目業(yè)主方的首選技術(shù)之一。鉛酸電池具有免維護(hù)性、優(yōu)越的高低溫性能、耐過充和優(yōu)越的充電接受能力、電池一致性高等特點(diǎn)。但是其比能量和比功率較低、低溫性能差、循環(huán)壽命較短，且在制造過程中存在一定的環(huán)境污染。鉛炭電池是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進(jìn)出來的新技術(shù)，它是在鉛酸電池的負(fù)極中加入了活性炭，與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比，鉛炭電池具有充放電速度快、放電效率高、循環(huán)壽命長等特點(diǎn)。

鉛酸電池放電過程中化學(xué)反應(yīng)示意圖

二、 鋰離子電池

由于鋰離子電池具有高能量密度、高電壓平臺(tái)、良好的功率性能和長壽命等特點(diǎn)，這使得鋰離子電池從一開始商業(yè)化便迅速成為“明星電池”，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。

鋰離子電池示意圖

三、液流電池

液流電池是一種利用電化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行大規(guī)模儲(chǔ)能的新型儲(chǔ)能技術(shù)，通過正負(fù)極電解質(zhì)溶液發(fā)生可逆的氧化/還原反應(yīng)對(duì)電池進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)換與能量存儲(chǔ)。它們不同于將電化學(xué)活性物質(zhì)儲(chǔ)存在電極表面的鉛酸等常規(guī)二次電池，液流電池的核心是實(shí)現(xiàn)充放電循環(huán)過程的活性物質(zhì)儲(chǔ)存在電解液中，單電池裝置或半電池電極僅僅是作為發(fā)生氧化/還原反應(yīng)的場所，而不是電化學(xué)活性物質(zhì)儲(chǔ)存的地點(diǎn)。

液流電池示意圖

四、鈉硫電池

鈉硫電池是一種二次電池，可以反復(fù)使用，因此原材料也比較節(jié)省，電池制備成本相對(duì)較低。可它的能量卻完全不會(huì)受到任何影響，使用起來效率也特別高，還容易對(duì)鈉硫電池進(jìn)行維護(hù)修理。鈉硫電池具有許多特色之處：①比能量（即電池單位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能量）高，其理論比能量為760Wh/kg，實(shí)際已大于150Wh/kg，是鉛酸電池的3～4倍。②可大電流、高功率放電，其放電電流密度一般可達(dá)200～300mA/cm2，并瞬時(shí)可放出其3倍的固有能量。③充放電效率高，由于采用固體電解質(zhì)，所以沒有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應(yīng)，充放電效率幾乎100%。但鈉硫電池也有不足之處，其工作溫度在300～350℃，所以，電池工作時(shí)需要一定的加熱保溫。但采用高性能的真空絕熱保溫技術(shù)，可有效地解決這一問題。此外，鈉硫電池適用于大容量電能儲(chǔ)存，鈉硫電池技術(shù)的發(fā)展趨勢是低溫化，同時(shí)保留硫、鈉活性體系固有的高比能量、低成本優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)的突破成為目前研究熱點(diǎn)。

鈉硫電池示意圖

電磁儲(chǔ)能

Elctromagnetic energy storage

電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)儲(chǔ)能、電容儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能。超導(dǎo)儲(chǔ)能采用超導(dǎo)體材料制成線圈，利用電流流過線圈產(chǎn)生的電磁場來儲(chǔ)存電能，由于超導(dǎo)線圈的電阻為零，電能儲(chǔ)存在線圈中幾乎無損耗，儲(chǔ)能效率高達(dá)95%。電容儲(chǔ)能用電荷的方式將電能直接儲(chǔ)存在電容器的極板上，充放電快，能量密度高。由于一般的電容器的容量比較小，作為儲(chǔ)能器件以前只能用于間斷性的高壓脈沖電源。超級(jí)電容器是一種雙電層電容器，采用極高介電常數(shù)的電介質(zhì)和特殊的電極結(jié)構(gòu)，電極表面積成萬倍的增加，因此可以用較小體積制成大容量電容器，電儲(chǔ)能大幅度增強(qiáng)。

一、超導(dǎo)儲(chǔ)能

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)是目前唯一能將電能直接存儲(chǔ)為電流的儲(chǔ)能系統(tǒng)。它將電流導(dǎo)入環(huán)形電 感線圈，由于該環(huán)形電感線圈由超導(dǎo)材料制成，因此電流在線圈內(nèi)可以無損失地不斷循環(huán)， 直到導(dǎo)出為止。超導(dǎo)線圈大多用常規(guī)的鈮鈦（ NbTi ）或鈮三錫（ Nb3Sn ）等材料組成的導(dǎo) 線繞制而成，它們都要運(yùn)行在液氦的低溫區(qū)（4.2K），儲(chǔ)能容量較大；也有采用Bi系等高溫超導(dǎo)材料繞制儲(chǔ)能線圈的，但這種高溫超導(dǎo)材料在液氮溫區(qū)的磁場特性很差，即其臨界 電流隨磁場強(qiáng)度的增大而迅速減小，因而無法在液氮溫區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，使儲(chǔ)能容量難 以做大。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有極高的充放電效率和很短的負(fù)荷反應(yīng)時(shí)間，但價(jià)格極其昂貴， 約為其他類型儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)十至數(shù)百倍，而且建設(shè)大規(guī)模的強(qiáng)磁場也會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境問 題。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)通常包括三個(gè)主要部分，即超導(dǎo)單元、低溫恒溫系統(tǒng)和一個(gè)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)可長期無損耗地儲(chǔ)存能量，其轉(zhuǎn)換效率超 過90%；超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)可通過采用電力電子器件的變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，響應(yīng)速 度快（毫秒級(jí)）；由于其儲(chǔ)能量與功率調(diào)制系統(tǒng)的容量可獨(dú)立地在大范圍內(nèi)選取，因此可 將超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)建成所需的大功率和大能量系統(tǒng)；超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)除了真空和制冷系統(tǒng)外沒 有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，使用壽命長；超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在建造時(shí)不受地點(diǎn)限制，維護(hù)簡單、污染小。

二、超級(jí)電容器儲(chǔ)能

超級(jí)電容器是基于多孔炭電極/電解液界面的雙電層電容，或者基于金屬氧化物或?qū)?電聚合物的表面快速、可逆的法拉第反應(yīng)產(chǎn)生的準(zhǔn)電容來實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。其結(jié)構(gòu)和電池 的結(jié)構(gòu)類似，主要包括雙電極、電解質(zhì)、集流體、隔離物4個(gè)部件。

超級(jí)電容單元

超級(jí)電容器兼有電池高比能量和傳統(tǒng)電容器高比功率的優(yōu)點(diǎn)，從而使得超級(jí)電容器實(shí) 現(xiàn)了電容量由微法級(jí)向法拉級(jí)的飛躍，徹底改變了人們對(duì)電容器的傳統(tǒng)印象。目前，超級(jí) 電容器已形成系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)電容量0.5～1000F，工作電壓12～400V，最大放電電流400～ 2000A。與電池相比，超級(jí)電容器性能特點(diǎn)為：

①具有法拉級(jí)的超大電容量；

②比脈沖 功率比蓄電池高近10 倍；

③充放電循環(huán)壽命在100000 次以上；

④能在?40～70℃的 環(huán)境溫度中正常使用；

⑤有超強(qiáng)的荷電保持能力，漏電流非常小；

⑥充電迅速，使用便 捷；

⑦無污染，真正免維護(hù)。