中國儲能網(wǎng)訊：可再生能源具有替代傳統(tǒng)能源發(fā)電的巨大潛力，但其間歇性、隨機性和波動性是重大問題，嚴重影響電網(wǎng)穩(wěn)定性和負載平衡，導(dǎo)致供需不匹配。儲能技術(shù)可用于促進可再生能源的利用、提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)頻率，還可用于電網(wǎng)調(diào)峰、平滑負荷、提高用電設(shè)備利用率及降低用電成本。然而，儲能技術(shù)種類繁多，在不同的應(yīng)用場景中科學(xué)地選擇儲能技術(shù)顯得尤為重要。
儲能包括儲電、儲熱、儲冷三種形式，在儲電方面又分為物理儲能和化學(xué)儲能。與化學(xué)儲能相比，物理儲能的優(yōu)勢更顯著，如壽命長、方便維修、安全性強等，已經(jīng)成為可再生能源發(fā)電配套的重要選項。新型物理儲能是指除抽水蓄能外的新型電儲能技術(shù)，包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能、重力儲能等。本文主要分析三種新型物理儲能方式的原理及技術(shù)路線等，并總結(jié)了每種儲能方式的優(yōu)勢和不足，在新能源發(fā)電及電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等領(lǐng)域中，為新型物理儲能技術(shù)路線的選擇提供參考。
1 壓縮空氣儲能的技術(shù)路線及主要設(shè)備
壓縮空氣儲能是指在充電過程中利用電網(wǎng)中低谷電或新能源中不穩(wěn)定的棄風(fēng)、棄光等電能驅(qū)動壓縮機，吸取環(huán)境空氣并將其壓縮至高壓空氣儲存在儲氣裝置中，使電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能；在放電過程中，釋放出高壓空氣，推動空氣膨脹機做功發(fā)電，使壓縮空氣的內(nèi)能重新轉(zhuǎn)化為電能。
1.1 傳統(tǒng)補燃式壓縮空氣儲能
傳統(tǒng)補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)的原理如圖1所示，此系統(tǒng)在膨脹機前需要設(shè)置燃燒室，通過燃料燃燒來加熱膨脹機入口的壓縮空氣，以提升空氣膨脹機進氣溫度，提高空氣做功能力。其主要設(shè)備有空氣壓縮機、膨脹機、電動機、發(fā)電機、儲氣室、燃燒器等。
1.2 先進絕熱壓縮空氣儲能
先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理如圖2所示，在壓縮過程中，通過采取良好的保溫隔熱措施，盡量降低壓縮機與環(huán)境的換熱而減少熱量耗散，可以使壓縮過程最大限度地接近絕熱壓縮過程，或者說實現(xiàn)準絕熱壓縮過程。釋能過程中，儲存的壓縮熱能可用于加熱膨脹機入口空氣，實現(xiàn)無須補充燃料的非補燃式壓縮空氣儲能。其主要設(shè)備有壓縮機、電動機、發(fā)電機、換熱器、蓄熱器、膨脹機和儲氣室等。
1.3 等溫壓縮空氣儲能
等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理如圖3所示，儲能系統(tǒng)在加壓過程中通過連續(xù)冷卻空氣來降低熱量損失，并且在氣體釋放過程中使用回收的壓縮余熱來維持等溫膨脹。其主要設(shè)備有液體活塞、電動機、發(fā)電機、儲氣室、液壓泵和液壓馬達等。
1.4 液態(tài)空氣儲能/超臨界空氣儲能
液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)原理如圖4所示，儲能過程中，利用電能驅(qū)動壓縮機壓縮空氣并液化儲存在液態(tài)空氣儲罐中，同時回收未液化空氣的冷能。釋能時，液態(tài)空氣經(jīng)過泵加壓后經(jīng)過蓄冷器回收并儲存冷能，此時液態(tài)空氣已經(jīng)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)空氣，氣態(tài)空氣通過加熱器形成高溫高壓空氣推動空氣膨脹機做功。其主要設(shè)備有壓縮機、膨脹機、電動機、發(fā)電機、液態(tài)空氣儲罐、換熱器、節(jié)流閥、蓄冷器、蓄熱器和低溫泵等。
1.5 壓縮空氣儲能＋外部熱源耦合
耦合外部熱源的壓縮空氣儲能系統(tǒng)原理如圖5所示，系統(tǒng)在膨脹過程中利用太陽能、風(fēng)能、工業(yè)廢熱或電廠余熱等熱源來逐級加熱高壓空氣，提高空氣做工能力。其主要設(shè)備有壓縮機、電動機、發(fā)電機、換熱器、外熱源、膨脹機和儲氣室等。
2 重力儲能的技術(shù)路線及主要設(shè)備
重力儲能系統(tǒng)主要利用谷電或過剩電力驅(qū)動起重機等設(shè)備提升重物儲存勢能，用電高峰時重物下落帶動發(fā)電機發(fā)電，重物一般選擇金屬、砂石、混凝土等密度較大的建筑廢料。
2.1 海下儲能系統(tǒng)
海下儲能系統(tǒng)原理如圖6所示，在海洋底部放置中空球體，當(dāng)水從球體中被抽出來時儲存能量。釋能時，在海水靜壓力的作用下，海水會流入中空球體內(nèi)，并通過渦輪機發(fā)電。其主要設(shè)備有發(fā)電機/電動機、水泵、中空球體儲罐等。
2.2 活塞水泵結(jié)構(gòu)
活塞水泵結(jié)構(gòu)儲能系統(tǒng)原理如圖7所示，在有富余電力時利用液壓系統(tǒng)舉起活塞。當(dāng)需要電力時，活塞下沉，利用活塞的重量擠壓密封儲水池中的水流經(jīng)渦輪機發(fā)電。其主要設(shè)備有發(fā)電機/電動機、活塞、水泵等。
2.3 基于構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)
基于構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)重力儲能方式包括儲能塔結(jié)構(gòu)、支撐架和承重墻等。如圖8所示，儲能塔結(jié)構(gòu)是依靠起重機將重物以碼垛的形式堆疊到一定高度來儲存能量，釋能時依次放下重物。支撐架和承重墻結(jié)構(gòu)原理與儲能塔結(jié)構(gòu)類似，利用支撐架或承重墻支撐和堆疊重物。其主要設(shè)備有起重機、重物、支撐架、滑輪組、發(fā)電機／電動機等。
2.4 基于山體落差－機車斜坡軌道系統(tǒng)
如圖9所示，機車斜坡軌道結(jié)構(gòu)的重力儲能系統(tǒng)采用成熟的軌道技術(shù)，儲能時電動機驅(qū)動大量機車上坡，將電力轉(zhuǎn)化為重力勢能。當(dāng)釋能時，大量機車在重力的作用下運動至山下，此時鏈條帶動發(fā)電機發(fā)電。其主要設(shè)備有起重機、機車、軌道、鏈條、發(fā)電機/電動機等。
2.6 基于山體落差－山地纜繩索道結(jié)構(gòu)
山地纜繩索道結(jié)構(gòu)的重力儲能系統(tǒng)原理如圖10所示，是指在陡峭的峽谷或山的邊緣建造兩臺起重機，儲能時通過閥門釋放儲存的砂子和礫石并將其裝載到儲存容器中，利用纜繩或索道結(jié)構(gòu)將重物從較低的儲存地點移動到較高的山體上。其主要設(shè)備有砂礫儲存站、起重機、纜繩、存放砂石的筐、發(fā)電機／電動機等。
2.6 基于地下豎井
基于地下豎井結(jié)構(gòu)的重力儲能系統(tǒng)原理如圖11所示，儲能時利用電能來提升懸掛的重物以儲存能量。釋能時重物落下至豎井底部釋放能量。其主要設(shè)備有支架、滑輪、纜繩、電動機／發(fā)電機、重物、卷筒、液力耦合器等。
3 飛輪儲能的技術(shù)路線及主要設(shè)備
如圖12所示，飛輪儲能是一種簡單的動能存儲形式，充電時電能轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)子的機械能，放電時轉(zhuǎn)子機械能轉(zhuǎn)化為電能，并且系統(tǒng)的響應(yīng)速度非?？?，能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)高效率的存儲。隨著磁軸承和高效電機/發(fā)電機的引入，飛輪儲能已成為新型物理儲能中的有力競爭者。飛輪儲能主要設(shè)備有飛輪轉(zhuǎn)子、軸承系統(tǒng)、電動機、發(fā)電機、電力電子變換器以及真空室。
3.1 軸承
目前飛輪儲能系統(tǒng)按選擇的軸承不同有以下四種技術(shù)路線：
(1)機械球軸承
機械球軸承具有初始成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但很少用于支撐飛輪轉(zhuǎn)子，原因是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，摩擦損失大。在大多數(shù)情況下，球軸承與磁軸承輔助使用，或作為捕捉軸承，在磁軸承失效時捕捉轉(zhuǎn)子。磁軸承與轉(zhuǎn)子無接觸，損耗小，不磨損，不需要潤滑，缺點是成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
(2)被動磁軸承
被動磁軸承系統(tǒng)沒有外部控制，由永磁體組成，永磁體提供懸浮飛輪的斥力。飛輪儲能系統(tǒng)工作時，轉(zhuǎn)子先在機械備用軸承上旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過某個臨界速度，被動磁軸承就會發(fā)揮作用。被動磁軸承的剛度較低，且在轉(zhuǎn)子振動過程中剛度無法調(diào)節(jié)。
(3)主動磁軸承
主動磁軸承系統(tǒng)利用位置反饋控制器和一組電磁制動器使轉(zhuǎn)子懸浮，功率放大器將電流驅(qū)動到制動器，制動器激發(fā)磁場并產(chǎn)生力使轉(zhuǎn)子懸浮。非接觸式渦流位置傳感器測量轉(zhuǎn)子瞬時位置，并將信號送入主動磁軸承控制器，將位置設(shè)定值與實際值進行比較，控制功率放大器的輸出電流。反饋控制器通過主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的剛度和阻尼來降低飛輪轉(zhuǎn)子的振動。
(4)超導(dǎo)磁軸承
超導(dǎo)磁軸承由超導(dǎo)定子和永磁轉(zhuǎn)子組成，飛輪利用高溫超導(dǎo)體的作用力實現(xiàn)無接觸懸浮。超導(dǎo)磁軸承的成功利用仍然需要被動磁軸承和主動磁軸承，并且儲能系統(tǒng)里的低溫恒溫器表面的渦流和高溫超導(dǎo)體的磁滯容易造成超導(dǎo)磁軸承旋轉(zhuǎn)損耗。
3.2 飛輪轉(zhuǎn)子材料
飛輪儲能轉(zhuǎn)子材料的強度和密度決定了飛輪轉(zhuǎn)子的能量容量。碳纖維復(fù)合材料和合金鋼是制造轉(zhuǎn)子常用的兩種材料，表1給出了不同轉(zhuǎn)子材料的數(shù)據(jù)。更高強度的轉(zhuǎn)子意味著可實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速，因此復(fù)合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可達數(shù)萬轉(zhuǎn)/分鐘，而鋼制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通常為數(shù)千轉(zhuǎn)/分鐘。材料的選擇取決于能源需求、風(fēng)險、成本和應(yīng)用領(lǐng)域。
4 三種新型物理儲能方式對比
表2對三種新型物理儲能進行了技術(shù)比較，重力儲能的成本最低，響應(yīng)速度為秒級，但是以固體為介質(zhì)的重力儲能系統(tǒng)功率等級最大只達到５０ＭＷ，適用于建設(shè)中等容量和功率的儲能系統(tǒng)，通過增加被提升物的質(zhì)量和提升高度可提高儲能系統(tǒng)的功率和容量。活塞水泵結(jié)構(gòu)的重力儲能雖然可以達到２７５０ＭＷ功率等級，但是技術(shù)不成熟，活塞與水池壁之間的密封性使其足以抵抗水壓是該項技術(shù)最大的難點。壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以達到３００ＭＷ功率等級，容量可達到１８００ＭＷ·ｈ，并且能量密度大，適合作為大規(guī)模、長時間的儲能模式。壓縮空氣儲能響應(yīng)速度與功率、能量成本都介于重力儲能和飛輪儲能之間，運行壽命較長，但是在不耦合其他外部熱源的情況下，其能量轉(zhuǎn)換效率要低于飛輪儲能。飛輪儲能的能量轉(zhuǎn)換效率最高，但飛輪儲能的缺點是系統(tǒng)存在摩擦損耗，自放電率高，運行壽命也相對較短，并且初始成本相對較高，功率等級低，可以通過設(shè)置多個飛輪組成飛輪組來提高整個儲能系統(tǒng)的功率等級。
5 三種新型物理儲能方式發(fā)展趨勢
(1)壓縮空氣儲能
國內(nèi)３００ＭＷ級以上大型壓縮空氣儲能設(shè)備制造技術(shù)尚不成熟，３００ＭＷ級壓縮空氣儲能電站的系統(tǒng)集成、關(guān)鍵設(shè)備研制、自動控制及智能化運行技術(shù)亟須開發(fā)突破。液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)和超臨界壓縮空氣系統(tǒng)能量密度大，儲氣裝置體積小，但系統(tǒng)熱量損失大，儲能效率低，未來可逐步解決能量損失大的技術(shù)問題。采用液態(tài)／超臨界空氣儲能技術(shù)＋外部熱／冷源耦合的方式，可提高系統(tǒng)儲能效率，小容量儲氣罐也解決了對熱源地和儲氣裝置選址的限制問題，適合未來的發(fā)展方向。
(2)重力儲能
可根據(jù)不同地理位置和儲能容量需求來設(shè)計重力儲能系統(tǒng)方案，儲能介質(zhì)可以選擇混凝土、砂石等建筑廢料，可有效提高系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)濟性?；谏襟w落差和地下豎井的重力儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，承重能力強，相關(guān)的電動機／發(fā)電機技術(shù)、吊裝技術(shù)等將會被重點關(guān)注。通過建設(shè)多個重力儲能系統(tǒng)集群，可以使其儲能容量和功率更大，從而適合大規(guī)模儲能方案，但是同時選址會受到相應(yīng)限制。
(3)飛輪儲能
在飛輪儲能系統(tǒng)中相比于機械軸承、主／被動磁軸承和超導(dǎo)磁軸承，混合軸承（不同軸承的混合）可達到優(yōu)勢互補，更具有研究價值。高轉(zhuǎn)速飛輪儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)子質(zhì)量小、體積小、儲能密度高，優(yōu)勢更明顯，更具有發(fā)展前景。提高轉(zhuǎn)速是提高飛輪儲能量的有效途徑，轉(zhuǎn)速提升的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)子材料，大多飛輪轉(zhuǎn)子材料可承受的邊緣線速度較低，限制了飛輪儲能系統(tǒng)的發(fā)展，可承受高速旋轉(zhuǎn)的復(fù)合材料轉(zhuǎn)子飛輪適合未來發(fā)展趨勢。
6 結(jié)論
本文主要對壓縮空氣儲能、重力儲能、飛輪儲能的技術(shù)路線進行分析對比以及探討其發(fā)展趨勢。通過分析可以看出，壓縮空氣儲能更適合作為大規(guī)模、長時間的儲能模式，在壓縮空氣儲能技術(shù)路線中液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)能量密度大，選址更靈活，但儲能效率低，未來可逐步解決能量損失大等技術(shù)問題。重力儲能可選擇建筑廢料作為儲能介質(zhì)，更具有成本優(yōu)勢。飛輪儲能能量轉(zhuǎn)換效率高，但是功率等級相對較低，可研發(fā)復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子來提升儲能功率。重力儲能與飛輪儲能更適用于建設(shè)中等容量和功率的儲能系統(tǒng)，但是通過建設(shè)多個儲能系統(tǒng)集群可以使其儲能功率和容量增大。
