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，導致供需不匹配。儲能技術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、提高用電設備利用率及降低用電成本。然而，儲能技術種類繁多，在不同的應用場景中科學地選擇儲能技術顯得尤為重要。
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儲能。與化學儲能相比，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，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路線等，并總結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)頻等領域中，為新型物理儲能技術路線的選擇提供參考。
1 壓縮空氣儲能的技術路線及主要設備
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、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 重力儲能的技術路線及主要設備
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 活塞水泵結構
活塞水泵結構儲能系統(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。其主要設備有發(fā)電機/電動機、活塞、水泵等。
2.3 基于構筑物結構
基于構筑物結構重力儲能方式包括儲能塔結構、支撐架和承重墻等。如圖8所示，儲能塔結構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。支撐架和承重墻結構原理與儲能塔結構類似，利用支撐架或承重墻支撐和堆疊重物。其主要設備有起重機、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，機車斜坡軌道結構的重力儲能系統(tǒng)采用成熟的軌道技術，儲能時電動機驅(qū)動大量機車上坡，將電力轉化為重力勢能。當釋能時，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－山地纜繩索道結構
山地纜繩索道結構的重力儲能系統(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，利用纜繩或索道結構將重物從較低的儲存地點移動到較高的山體上。其主要設備有砂礫儲存站、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
基于地下豎井結構的重力儲能系統(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 飛輪儲能的技術路線及主要設備
如圖12所示，飛輪儲能是一種簡單的動能存儲形式，充電時電能轉化為飛輪轉子的機械能，放電時轉子機械能轉化為電能，并且系統(tǒng)的響應速度非?？?，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。飛輪儲能主要設備有飛輪轉子、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路線：
(1)機械球軸承
機械球軸承具有初始成本低、結構簡單等優(yōu)點，但很少用于支撐飛輪轉子，原因是轉子轉速高，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子。磁軸承與轉子無接觸，損耗小，不磨損，不需要潤滑，缺點是成本較高、結構復雜。
(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，轉子先在機械備用軸承上旋轉，當轉子轉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)生力使轉子懸浮。非接觸式渦流位置傳感器測量轉子瞬時位置，并將信號送入主動磁軸承控制器，將位置設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子的振動。
(4)超導磁軸承
超導磁軸承由超導定子和永磁轉子組成，飛輪利用高溫超導體的作用力實現(xiàn)無接觸懸浮。超導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體的磁滯容易造成超導磁軸承旋轉損耗。
3.2 飛輪轉子材料
飛輪儲能轉子材料的強度和密度決定了飛輪轉子的能量容量。碳纖維復合材料和合金鋼是制造轉子常用的兩種材料，表1給出了不同轉子材料的數(shù)據(jù)。更高強度的轉子意味著可實現(xiàn)更高的轉速，因此復合轉子的轉速可達數(shù)萬轉/分鐘，而鋼制轉子的轉速通常為數(shù)千轉/分鐘。材料的選擇取決于能源需求、風險、成本和應用領域。
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比較，重力儲能的成本最低，響應速度為秒級，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。活塞水泵結構的重力儲能雖然可以達到２７５０ＭＷ功率等級，但是技術不成熟，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，其能量轉換效率要低于飛輪儲能。飛輪儲能的能量轉換效率最高，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備制造技術尚不成熟，３００ＭＷ級壓縮空氣儲能電站的系統(tǒng)集成、關鍵設備研制、自動控制及智能化運行技術亟須開發(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問題。采用液態(tài)／超臨界空氣儲能技術＋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)建設的經(jīng)濟性?；谏襟w落差和地下豎井的重力儲能系統(tǒng)結構更加穩(wěn)定，承重能力強，相關的電動機／發(fā)電機技術、吊裝技術等將會被重點關注。通過建設多個重力儲能系統(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。高轉速飛輪儲能系統(tǒng)轉子質(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。提高轉速是提高飛輪儲能量的有效途徑，轉速提升的關鍵是轉子材料，大多飛輪轉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，可承受高速旋轉的復合材料轉子飛輪適合未來發(fā)展趨勢。
6 結論
本文主要對壓縮空氣儲能、重力儲能、飛輪儲能的技術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。飛輪儲能能量轉換效率高，但是功率等級相對較低，可研發(fā)復合材料飛輪轉子來提升儲能功率。重力儲能與飛輪儲能更適用于建設中等容量和功率的儲能系統(tǒng)，但是通過建設多個儲能系統(tǒng)集群可以使其儲能功率和容量增大。
