中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：儲(chǔ)能技術(shù)在包括電力系統(tǒng)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域中具有廣泛的用途，近年來世界范圍內(nèi)的電力工業(yè)重組給各種各樣的儲(chǔ)能技術(shù)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，采用這些技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的能量管理，尤其是在可再生能源和分布式發(fā)電領(lǐng)域，這種作用尤為明顯，在傳統(tǒng)的發(fā)電和輸配電網(wǎng)絡(luò)中，這些新技術(shù)同樣可以得到應(yīng)用。以下簡(jiǎn)要介紹各種儲(chǔ)能技術(shù)的基本原理及其發(fā)展現(xiàn)狀。
1 抽水儲(chǔ)能
抽水蓄能電站在應(yīng)用時(shí)必須配備上、下游兩個(gè)水庫。在負(fù)荷低谷時(shí)段，抽水儲(chǔ)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。在負(fù)荷高峰時(shí)，抽水儲(chǔ)能設(shè)備工作于發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫中的水發(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。利用礦井或者其他洞穴實(shí)現(xiàn)地下抽水儲(chǔ)能在技術(shù)上也是可行的，海洋有時(shí)也可以當(dāng)作下游水庫用，1999年日本建成了第一座利用海水的抽水蓄能電站。
抽水儲(chǔ)能最早于19世紀(jì)90年代在意大利和瑞士得到應(yīng)用，1933年出現(xiàn)了可逆機(jī)組(包括泵水輪機(jī)和電動(dòng)與發(fā)電機(jī))，現(xiàn)在出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速可調(diào)機(jī)組以提高能量的效率。抽水蓄能電站可以按照任意容量建造，儲(chǔ)存能量的釋放時(shí)間可以從幾小時(shí)到幾天，其效率在70%至85%之間。
抽水儲(chǔ)能是在電力系統(tǒng)中得到最為廣泛應(yīng)用的一種儲(chǔ)能技術(shù)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括能量管理、頻率控制以及提供系統(tǒng)的備用容量。目前，全世界共有超過90GW的抽水儲(chǔ)能機(jī)組投入運(yùn)行，約占全球總裝機(jī)容量的3%。限制抽水蓄能電站更廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要制約因素是建設(shè)工期長(zhǎng)，工程投資較大。
2 先進(jìn)蓄電池儲(chǔ)能
據(jù)估計(jì)，全球每年對(duì)蓄電池的市場(chǎng)需求大約為150億美元，在工業(yè)用蓄電池方面，如：用于UPS、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、備用電池等，其市場(chǎng)總量可達(dá)50億美元。在美國、歐洲以及亞洲，正在組建生產(chǎn)電力系統(tǒng)儲(chǔ)能用的高性能蓄電池企業(yè)。在過去的12至18個(gè)月里，已有生產(chǎn)能力達(dá)每年300MW的蓄電池生產(chǎn)線投入運(yùn)行。
鉛酸電池是最古老、也是最成熟的蓄電池技術(shù)。它是一種低成本的通用儲(chǔ)能技術(shù)，可用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和UPS等。然而，由于這種蓄電池壽命較短，因此限制了其在能量管理領(lǐng)域中的應(yīng)用。ZnBr電池在20世紀(jì)70年代早期由Exxon開發(fā)成功，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)建成了很多容量為數(shù)千瓦時(shí)的ZnBr電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并經(jīng)過試驗(yàn)，其凈效率為75%。20世紀(jì)80年代初期澳大利亞新南威爾士大學(xué)率先研制，j出VRB(Vanadium Redox Flow Battery)電池，目前，在日本已安裝了一套500kW/5MW?h的VRB儲(chǔ)能系統(tǒng)，其凈效率高達(dá)85%。
近年來，各種新型的蓄電池被相繼開發(fā)成功，并在電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。英國的Regenesys Technologies正在采用PSB(Polysulfide Broe Flow Battery)電池建設(shè)一座15MW/120MW?h的儲(chǔ)能電站，其凈效率約為75%。NaS電池具有較高的儲(chǔ)能效率(約89%)，同時(shí)還具有輸出脈沖功率的能力，輸出的脈沖功率可在30s內(nèi)達(dá)到連續(xù)額定功率值的六倍，這一特性使NaS電池可以同時(shí)用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負(fù)荷的削峰填谷調(diào)節(jié)兩種目的，從而提高整體設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。在日本，目前采用NaS電池技術(shù)的儲(chǔ)能示范工程有30多處，總儲(chǔ)能容量超過20MW，可用于8h的日負(fù)荷峰谷調(diào)節(jié)。
與其他蓄電池相比，鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)能密度高
(300～400kW?h/m3,130kW?h/t)，儲(chǔ)能效率高(接近100%)和使用壽命長(zhǎng)(每次放電不超過儲(chǔ)能的80%時(shí)可充3000次)。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池得到快速發(fā)展。但是，盡管在幾年之內(nèi)鋰電池已經(jīng)占有小型移動(dòng)設(shè)備電源市場(chǎng)份額的50%，生產(chǎn)大容量鋰離子電池仍然有一些挑戰(zhàn)性的工作要做，主要的障礙在于其居高不下的成本，這主要是由于它需要特殊的包裝和配備必要的內(nèi)部過充電保護(hù)電路。
在所有的蓄電池中，Metal-air電池結(jié)構(gòu)最為緊湊，并且可望成為成本最低的蓄電池，這是一種對(duì)于環(huán)境無害的蓄電池。其主要的缺點(diǎn)是這種電池的充電非常困難而且效率很低。
3 飛輪儲(chǔ)能
大多數(shù)現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)都是由一個(gè)圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過磁懸浮軸承組成的支撐機(jī)構(gòu)組成。采用磁懸浮軸承的目的是消除摩擦損耗，提高系統(tǒng)的壽命。為了保證足夠高的儲(chǔ)能效率，飛輪系統(tǒng)應(yīng)該運(yùn)行于真空度較高的環(huán)境中，以減少風(fēng)阻損耗。飛輪與電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)相連，通過某種形式的電力電子裝置，可進(jìn)行飛輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置與電網(wǎng)之間的功率交換。
飛輪儲(chǔ)能的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是幾乎不需要運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備壽命長(zhǎng)(20年或者數(shù)萬次深度充放能量過程)且對(duì)環(huán)境沒有不良的影響。飛輪具有優(yōu)秀的循環(huán)使用以及負(fù)荷跟蹤性能，它可以用于那些在時(shí)間和容量方面介于短時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用和長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能應(yīng)用之間的應(yīng)用場(chǎng)合。
在實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能裝置時(shí)，可采用固體鋼結(jié)構(gòu)飛輪，也可采用復(fù)合材料飛輪，具體采用何種飛輪需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，在系統(tǒng)成本、重量、尺寸以及材料性能等指標(biāo)之間進(jìn)行折衷。采用高密度鋼材料，其邊緣線速度可達(dá)200～375m/s，而采用重量更輕、強(qiáng)度更高的復(fù)合材料，其邊緣線速度可達(dá)600～1000m/s。飛輪實(shí)際可輸出的能量取決于其速度變化范圍，它不可能在很低的轉(zhuǎn)速下輸出額定功率。
目前，已經(jīng)開發(fā)出大功率飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，并應(yīng)用于航空以及UPS領(lǐng)域。以Beacon Power為領(lǐng)先水平的研究機(jī)構(gòu)正在致力于飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便將其用于長(zhǎng)過程儲(chǔ)能服務(wù)(多達(dá)幾個(gè)小時(shí))，同時(shí)降低其商用成本。目前已有2kW/6kW?h的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于通信設(shè)備供電，采用飛輪組(Flywheel Farm Approach)可以實(shí)現(xiàn)輸出功率為兆瓦級(jí)、持續(xù)時(shí)間為數(shù)分鐘或者數(shù)小時(shí)的儲(chǔ)能裝置。
4 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能
盡管早在1911年人們就發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，但直到20世紀(jì)70年代，才有人首次提出將超導(dǎo)磁儲(chǔ)能作為一種儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能由于具有快速電磁響應(yīng)特性和很高的儲(chǔ)能效率(充/放電效率超過95%)，很快吸引了電力工業(yè)和軍方的注意。SMES在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括：負(fù)荷均衡、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)整、輸電能力提高以及電能質(zhì)量改善等方面。
SMES單元由一個(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)備提供的。功率變換/調(diào)節(jié)系統(tǒng)將SMES單元與交流電力系統(tǒng)相連接，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。
和其他的儲(chǔ)能技術(shù)相比，目前SMES仍很昂貴，除了超導(dǎo)體本身的費(fèi)用外，維持低溫所需要的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。然而，如果將SMES線圈與現(xiàn)有的柔性交流輸電裝置(FACTS)相結(jié)合可以降低變流單元的費(fèi)用，這部分費(fèi)用一般在整個(gè)SMES成本中占最大份額。已有的研究結(jié)果表明，對(duì)輸配電應(yīng)用而言，微型(<0.1MW?h)和中型(0.1～100MW?h)SMES系統(tǒng)可能更為經(jīng)濟(jì)。使用高溫超導(dǎo)體可以降儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于低溫和制冷條件要求，從而使SMES的成本進(jìn)一步降低。目前，在世界范圍內(nèi)有許多SMES工程正在進(jìn)行或者處于研制階段。
5 超級(jí)電容器儲(chǔ)能
電容是電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種設(shè)備。與常規(guī)電容器相比，超級(jí)電容器具有更高的介電常數(shù)、更大的表面積或者更高的耐壓能力。例如，陶瓷超級(jí)電容器具有相當(dāng)高的耐壓水平(大約1kV)和絕緣強(qiáng)度，這使它們成為未來儲(chǔ)能應(yīng)用的很好候選方案。
目前，超級(jí)電容大多用于高峰值功率、低容量的場(chǎng)合。由于能在充滿電的浮充狀態(tài)下正常工作十年以上，因此超級(jí)電容器可以在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平。超級(jí)電容器安裝簡(jiǎn)單，體積小，并可在各種環(huán)境下運(yùn)行(熱、冷和潮濕)，現(xiàn)在已經(jīng)可為低功率水平的應(yīng)用提供商業(yè)服務(wù)。
6 壓縮空氣儲(chǔ)能
壓縮空氣儲(chǔ)能不是象電池儲(chǔ)能那樣的簡(jiǎn)單儲(chǔ)能系統(tǒng)，它是一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，對(duì)于同樣的電力輸出，它所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40%。這是因?yàn)?，常?guī)燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電時(shí)大約需要消耗輸入燃料的2/3進(jìn)行空氣的壓縮，而CAES則可利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的廉價(jià)電能預(yù)先壓縮空氣，然后根據(jù)需要釋放儲(chǔ)存的能量加上一些燃?xì)膺M(jìn)行發(fā)電。壓縮空氣常常儲(chǔ)存在合適的地下礦井或者溶巖下的洞穴中。通過溶巖建造這樣的洞穴大約需要1年半到兩年的時(shí)間。
第一個(gè)投入商用運(yùn)行的CAES是1978年建于德國Hundorf的一臺(tái)290MW機(jī)組。美國1991年在Alabama的McIntosh建成了第二臺(tái)商用CAES，機(jī)組功率為110MW，整個(gè)建設(shè)耗時(shí)30個(gè)月，耗資6500萬美元，這臺(tái)機(jī)組能夠在14min之內(nèi)并網(wǎng)。第三臺(tái)商業(yè)運(yùn)行CAES，也是目前世界上最大容量的CAES，計(jì)劃建在Ohio州的Norton，整個(gè)電站裝機(jī)容量為2700MW，共有9臺(tái)機(jī)組，壓縮空氣儲(chǔ)存在一個(gè)現(xiàn)有的位于地下2200ft深的石灰石礦井里。
