中國儲能網(wǎng)訊：電力系統(tǒng)儲能技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
第一節(jié)儲能技術(shù)分類及特性
目前，電力系統(tǒng)儲能技術(shù)主要分為以下四類：①機(jī)械儲能②化學(xué)儲能③電磁儲能④相變儲能
另外，電動汽車也是電力系統(tǒng)儲能的一種形式。
一、機(jī)械儲能
機(jī)械儲能是電能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換。機(jī)械儲能在能量轉(zhuǎn)化過程中，會產(chǎn)生機(jī)械損耗；機(jī)械儲能壽命一般較長，容量一般較大。目前機(jī)械儲能技術(shù)主要包括：抽水儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等。不同機(jī)械儲能有著較明顯的技術(shù)特性上的差別。
（一）抽水蓄能
抽水蓄能電站包括上、下水庫及地下電站、相應(yīng)的輸配電系統(tǒng)和其他附屬設(shè)置等。負(fù)荷低谷時段機(jī)電設(shè)備工作在電動機(jī)狀態(tài)，將下水庫的水抽到上水庫，負(fù)荷高峰時段機(jī)電設(shè)備工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，利用儲存在上水庫中的水發(fā)電。因此，抽水蓄能可將電網(wǎng)負(fù)荷低谷時段的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時段的稀缺電能。抽水蓄能電站可以按照一定容量建造，裝機(jī)容量可以從幾十兆瓦到幾千兆瓦，電能釋放時間可以從幾小時到幾天，綜合效率在70%~85%。
1. 技術(shù)特點
（1）儲能容量大。抽水儲能電站特別適合大容量開發(fā)，裝機(jī)規(guī)模可以達(dá)到1000MW以上，目前世界最大的抽水蓄能電站為我國的豐寧蓄能電站，完全建成后總裝機(jī)容量將達(dá)到3600MW。抽水儲能的抽水或者放水發(fā)電的時間可以從幾小時到幾天不等，儲能總規(guī)模遠(yuǎn)大于其他所有儲能設(shè)備，是目前世界上規(guī)模最大的電力系統(tǒng)儲能技術(shù)，主要用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等。
（2）技術(shù)成熟、可靠。抽水蓄能電站發(fā)展歷史悠久，在世界各國得到廣泛的發(fā)展應(yīng)用，技術(shù)成熟、可靠。我國抽水蓄能電站雖起步晚，但由于常規(guī)水電開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)雄厚，起點較高，蓄能電站發(fā)展較迅速，同時規(guī)劃建設(shè)有序，建設(shè)水平目前已居世界先進(jìn)水平。
（3）循環(huán)次數(shù)多，使用壽命長。抽水儲能電站一般使用年限在50年及以上，其蓄水壩體使用年限可達(dá)100年。抽水蓄能在抽水或者放水過程中，只受到相關(guān)設(shè)備機(jī)械性能的限制，因此其充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到無限次。
（4）能量轉(zhuǎn)換效率較高。抽水儲能儲存能量時靠水泵抽水，釋放電能時靠水推動水輪機(jī)發(fā)電，受水輪機(jī)（水泵）設(shè)備損耗以及外部輸電線路損耗的限制、水庫蒸發(fā)等因素的影響，其能量轉(zhuǎn)換效率在70%~85%左右。
（5）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好。抽水蓄能電站單位千瓦投資較低，一般在3000~6000元，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越，是目前最經(jīng)濟(jì)的儲能技術(shù)。
（6）建設(shè)周期較長，對場地條件有要求。抽水儲能電站的建設(shè)周期一般為3~5年。電站選址對地質(zhì)、地形條件及水環(huán)境等有要求。
2. 技術(shù)優(yōu)勢
抽水蓄能電站是國內(nèi)外電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的儲能電站，它具有兩大特性：一是它既是發(fā)電廠，又是用戶，它的填谷作用是其他任何大型發(fā)電站所沒有的，詳見表2-1；二是啟動迅速，運行靈活、可靠，對負(fù)荷的急劇變化可以快速反應(yīng)，除調(diào)峰填谷外，還適合承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用、黑啟動和系統(tǒng)備用容量等。與其它電源聯(lián)合運行時，可提高系統(tǒng)中火電站和核電站等的效率。
3. 應(yīng)用及發(fā)展情況
抽水蓄能技術(shù)是世界各國目前普遍采用的電力系統(tǒng)大規(guī)模儲能技術(shù)，也是迄今最經(jīng)濟(jì)、高效的一種儲能技術(shù)。從1882年世界首座抽水蓄能電站在瑞士建成開始，世界一些發(fā)達(dá)國家相繼開發(fā)了大量的抽水蓄能電站。日、美、西歐等國家和地區(qū)在20世紀(jì)60~70年代進(jìn)入抽水蓄能電站建設(shè)高峰期。目前，美國和西歐經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家抽水儲能裝機(jī)容量占世界抽水蓄能電站總裝機(jī)容量的55%以上，抽水蓄能電站資源已開發(fā)殆盡。上述各國國內(nèi)抽水蓄能電站裝機(jī)容量比例較高，如美國抽水蓄能電站占國內(nèi)總裝機(jī)的比例約占3%，日本抽水蓄能電站占國內(nèi)總裝機(jī)的比例為10%左右，法國抽水蓄能電站占國內(nèi)總裝機(jī)的比例為13%，德國為11.2%。
近年國外投入運行的八個大型抽水蓄能電站的情況見表2-2。
我國1968年建成崗南小型混合式抽水蓄能電站，至今已近半個世紀(jì)，但直至1992年后，蓄能電站的建設(shè)才開始蓬勃發(fā)展，發(fā)展?fàn)顩r總體呈直線式上升趨勢，我國抽水蓄能電站的建設(shè)雖起步較晚，但起點卻較高，且建設(shè)資源優(yōu)越，如十三陵抽水蓄能電站、天荒坪抽水蓄能電站等均為世界知名抽水蓄能電站，近年建設(shè)的多座大型抽水蓄能電站技術(shù)已處于世界先進(jìn)水平，如張河灣、西龍池、呼和浩特抽水蓄能電站等。至2013年底，我國抽水蓄能電站裝機(jī)近2200萬千瓦。我國“十二五規(guī)劃”抽水蓄能電站裝機(jī)為2800萬千瓦，“十三五規(guī)劃”為7000萬千瓦。目前，我國有多座大型抽水蓄能電站處于規(guī)劃設(shè)計階段或建設(shè)階段，如文登、敦化、豐寧等抽水蓄能電站，保持了一定的項目儲備量，我國抽水蓄能電站正在穩(wěn)步有序發(fā)展。
抽水蓄能技術(shù)發(fā)展方向：機(jī)組向高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量方向發(fā)展，重點將立足于振動、空蝕、變形、止水及磁特性的研究，著眼于運行的可靠性和穩(wěn)定性。在水頭變幅較大和供電質(zhì)量要求較高的情況下使用連續(xù)調(diào)速機(jī)組，實現(xiàn)自動頻率控制。
（二）飛輪儲能技術(shù)
1. 技術(shù)原理及特點
飛輪儲能技術(shù)是一種機(jī)械儲能技術(shù)，其基本原理是由電能驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲存，當(dāng)需要電能時，飛輪減速，電動機(jī)作發(fā)電機(jī)運行，將飛輪動能轉(zhuǎn)換成電能，飛輪的升速和降速，實現(xiàn)了電能的存入和釋放。
2. 應(yīng)用情況
飛輪儲能技術(shù)可用于電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、UPS不間斷電源、電動汽車等領(lǐng)域。
飛輪儲能技術(shù)在新能源并網(wǎng)中的應(yīng)用：由于飛輪儲能電源系統(tǒng)可以以巨大的峰值電流極高速的充放電,可將其用于克服光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)所帶來的沖擊。高速飛輪儲能系統(tǒng)可以在瞬間釋放出巨大電力以穩(wěn)定電網(wǎng)波動，為電網(wǎng)創(chuàng)造更可靠的供電系統(tǒng)。因此，飛輪儲能技術(shù)與風(fēng)電、太陽能發(fā)電等間歇、隨機(jī)性等可再生能源配合使用能夠提高電網(wǎng)對可再生能源的接納能力。
飛輪儲能技術(shù)在UPS供電系統(tǒng)中的應(yīng)用：磁懸浮式飛輪儲能UPS引發(fā)了人們越來越多的關(guān)注。這種技術(shù)拋棄了傳統(tǒng)UPS利用鉛酸蓄電池進(jìn)行儲能的方式，由于鉛酸蓄電池并非綠色環(huán)保的產(chǎn)品。因此，配備一套智能綠色UPS供電系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心節(jié)能環(huán)保的重中之重。傳統(tǒng)電源系統(tǒng)中的蓄電池需要空調(diào)制冷，而且24小時連續(xù)運轉(zhuǎn)，耗能巨大。磁懸浮式飛輪儲能UPS系統(tǒng)則無需空調(diào)，大大節(jié)省了運營成本；而且，其占用的空間也大幅減??；維護(hù)成本低，無需更換電池；壽命長達(dá)20年。但蓄電池型UPS可提供“分鐘級”的電力供電。而飛輪儲能型UPS受制于機(jī)械儲能，僅僅能夠提供30s到1min電力供電，這也是飛輪UPS被詬病的主要原因。然而，如今市電電源的可靠性達(dá)到99.9%，有些重要的負(fù)載都采用雙路市電供電，市電的可靠性可以說已經(jīng)達(dá)到了99.99%。萬一市電中斷，后備電源的可靠性也可以達(dá)到99.9%，從市電到后備電源的切換，在技術(shù)上只需要10s的時間，。目前，歐洲已經(jīng)將這個時間定為8s?？梢詳喽ǎw輪儲能型UPS能提供30s的電力完全能夠滿足從市電到后備電源的可靠切換的要求。
另外，飛輪儲能技術(shù)還應(yīng)用在電動汽車中。
3. 國內(nèi)外飛輪儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
（1）國外飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位。
美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展處于領(lǐng)先地位。
飛輪儲能技術(shù)在美國發(fā)展得很成熟，在空轉(zhuǎn)時的能量損耗能夠達(dá)到每小時0.1%。2012年6月在紐約Stephen鎮(zhèn)建成投運的20MW的飛輪儲能電源系統(tǒng)用于電廠儲能調(diào)頻，能做到15min的儲能規(guī)模。而一般應(yīng)用于UPS的飛輪儲能時間都不超過100s?？梢哉f這是美國目前最先進(jìn)的飛輪儲能系統(tǒng)。這也說明美國的很多項目還處在示范階段。美國馬里蘭大學(xué)也已研究出用于電力調(diào)峰的24kWh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng)，其飛輪重172.8kg，工作轉(zhuǎn)速范圍11610~46345rpm，破壞轉(zhuǎn)速為48784rpm，系統(tǒng)輸出恒壓110~240V，全程效率為81%。經(jīng)濟(jì)分析表明，運行3年時間可收回全部成本。
德國Forschungszentrum karlsruhe Gmbh公司1997年著手設(shè)計5MWh/100MW超導(dǎo)飛輪儲能電站的概念設(shè)計。電站由10個飛輪模塊組成，每個模塊儲能0.5MWh，功率10MW，重30t，直徑3.5m，高6.5m，用同步電動/發(fā)電機(jī)進(jìn)行電能輸入輸出，系統(tǒng)效率96%。
日本已經(jīng)制造出容量26.5MVA、系統(tǒng)輸出電壓1100V、轉(zhuǎn)速510690r/min的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)。
法國、德國、意大利等國均正開展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲能系統(tǒng)研究。
（2）我國飛輪儲能技術(shù)落后國外十年
目前飛輪儲能只有國外的公司實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)從事與飛輪研究相關(guān)的單位包括多個高校及科研院所、設(shè)備廠家等，但還沒有成熟的產(chǎn)品面世，主要集中在小容量系列。其中,北航針對航天領(lǐng)域研制的“姿控/儲能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國家技術(shù)發(fā)明一等獎。
電力系統(tǒng)中，飛輪技術(shù)的核心技術(shù)都由國外公司掌握，其價格以及相應(yīng)的維護(hù)費用較高；在國內(nèi)的應(yīng)用案例，大多將飛輪儲能作為UPS不間斷供電電源進(jìn)行應(yīng)用，在作為功率型儲能（即直流DC）進(jìn)行電力系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)等方面還沒有相關(guān)應(yīng)用案例。
從總體上來看，國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀落后國外十年，許多成果尚處于研究階段，在推廣應(yīng)用上還會有一段路要走。
（三）壓縮空氣儲能技術(shù)
1. 技術(shù)原理及特點
壓縮空氣儲能電站（CAES）是一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的儲能系統(tǒng)。其工作原理是，在用電低谷，將空氣壓縮并存于儲氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒，然后驅(qū)動透平發(fā)電。傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有儲能容量較大、儲能周期長、效率高和投資相對較小等優(yōu)點。
主要技術(shù)特點如下：
（1）可無限次充放電循環(huán)、使用壽命長
壓縮空氣儲能充放電循環(huán)的限制只與空氣壓縮機(jī)和汽輪機(jī)的機(jī)械性能有關(guān)，沒有循環(huán)次數(shù)的限制。其使用年限在20年以上。
（2）響應(yīng)速度慢，能量轉(zhuǎn)換效率低
壓縮空氣儲能充放電需要設(shè)備壓縮或者釋放空氣推動汽輪機(jī)發(fā)電，其響應(yīng)時間受到空氣壓縮或者釋放時間的限制，無法快速響應(yīng)，一般需要數(shù)秒的響應(yīng)時間。另外壓縮空氣儲能在存儲和釋放電能的過程中，需要以壓縮空氣作為中間物質(zhì)，經(jīng)過多重能量轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換效率不高，大型壓縮空氣儲能技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率在70%左右。
（3）設(shè)備規(guī)模較大，要求較大的放置空間
大型壓縮空氣儲能在建設(shè)中需要建造一個巨大的儲存壓縮氣體的空間，儲氣空間一般在洞穴、海底、或者地底建造。
2. 應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，世界上已有兩座大型壓縮空氣儲能電站投入商業(yè)運行。第一座是1978年投入商業(yè)運行的德國Huntorf電站，目前仍在運行中。機(jī)組的壓縮機(jī)功率60MW，釋能輸出功率為290MW，系統(tǒng)將壓縮空氣存儲在地下600米的廢棄礦洞中，礦洞總?cè)莘e達(dá)3.1×105m3，壓縮空氣的壓力最高可達(dá)100bar。機(jī)組可連續(xù)充氣8小時，連續(xù)發(fā)電2小時。該電站在1979年至1991年期間共啟動并網(wǎng)5000多次，平均啟動可靠性97.6%。
第二座是于1991年投入商業(yè)運行的美國Alabama州的McIntosh壓縮空氣儲能電站。其地下儲氣洞穴在地下450米，總?cè)莘e為5.6×105m3，壓縮空氣儲氣壓力為7.5MPa。該儲能電站壓縮機(jī)組功率為50MW，發(fā)電功率為110MW，可以實現(xiàn)連續(xù)41小時空氣壓縮和26小時發(fā)電。電站由Alabama州電力公司的能源控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動控制。
美國Ohio州Norton從2001年起開始建一座2700MW的大型壓縮空氣儲能商業(yè)電站，該電站由9臺300MW機(jī)組組成。壓縮空氣存儲于地下670米的地下巖鹽層洞穴內(nèi)，儲氣洞穴容積為9.57×106m3。日本于2001年投入運行的上砂川盯壓縮空氣儲能示范項目，位于北海道空知郡，輸出功率為2MW，是日本開發(fā)400MW機(jī)組的工業(yè)試驗用中間機(jī)組。它利用廢棄的煤礦坑（約在地下450m處）作為儲氣洞穴，最大壓力為8MPa。瑞士ABB公司（現(xiàn)已并入阿爾斯通公司）正在開發(fā)聯(lián)合循環(huán)壓縮空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)。目前除德、美、日、瑞士外，俄、法、意、盧森堡、南非、以色列和韓國等也在積極開發(fā)壓縮空氣儲能電站。
我國對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)比較晚，但隨著電力儲能需求的快速增加，相關(guān)研究逐漸被重視，對壓縮空氣儲能電站的熱力性能、經(jīng)濟(jì)性能、商業(yè)應(yīng)用等進(jìn)行了研究，但大多集中在理論和小型實驗層面，目前還沒有投入商業(yè)運行的壓縮空氣儲能電站。中科院工程熱物理研究所正在建設(shè)1.5MW先進(jìn)壓縮空氣儲能示范系統(tǒng)。
3. 發(fā)展趨勢
壓縮空氣儲能技術(shù)的主要發(fā)展趨勢包括帶儲熱的壓縮空氣儲能技術(shù)、液態(tài)空氣儲能、超臨界空氣儲能技術(shù)、與燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的壓縮空氣儲能技術(shù)、與可再生能源耦合的壓縮空氣儲能技術(shù)等。
二、化學(xué)儲能
化學(xué)儲能也稱電化學(xué)儲能，利用電化學(xué)電池將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲。其主要原理是利用氧化還原化學(xué)反應(yīng)。在氧化和還原反應(yīng)的可逆過程中，離子發(fā)生轉(zhuǎn)移帶來電荷的流動，最終實現(xiàn)電能的儲存和釋放?；瘜W(xué)儲能技術(shù)是目前技術(shù)發(fā)展最快、具有一定發(fā)展前景的儲能技術(shù)。電化學(xué)電池主要由電極、電解質(zhì)以及隔膜構(gòu)成，電化學(xué)電池通常采用圖2-３結(jié)構(gòu)。
圖2-３ 電池結(jié)構(gòu)原理圖
不同種類的電化學(xué)電池主要是在電極、電解液以及隔膜的材料上存在不同的選擇?；瘜W(xué)儲能主要包括：鉛酸電池、鋰系電池、液流電池、鈉硫電池儲能等。
1. 化學(xué)儲能技術(shù)特性
（1）輸出電壓范圍較窄。電化學(xué)儲能中進(jìn)行的是氧化還原反應(yīng)。電池兩端的端電壓隨著反應(yīng)進(jìn)行的深淺，電荷的積蓄多少而將體現(xiàn)出電壓的變化，因此其端電壓將有與充放電深度相關(guān)聯(lián)的一個波動范圍。而與此同時，正負(fù)電極在滿充或滿放的狀態(tài)下，其電荷積蓄受到材料價態(tài)的影響，只能在相差有限的兩個電壓之間波動，而無法將電荷過量存儲或釋放，這決定了電化學(xué)電池的輸出電壓范圍通常較窄。
（2）使用壽命通常受到循環(huán)次數(shù)的制約。電化學(xué)電池的使用壽命不僅受到相關(guān)材料本身壽命的限制，同時也受到電池循環(huán)次數(shù)的限制。在化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的過程中，電池系統(tǒng)中還存在著腐蝕、副反應(yīng)、以及離子滲透等問題。在反復(fù)的充放電過程中，電極、電解液材料將不斷發(fā)生消耗，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能逐漸發(fā)生衰減。
以下對各類不同的電化學(xué)儲能技術(shù)特性進(jìn)行詳細(xì)的分析。
2. 鉛酸電池技術(shù)特點
（1）技術(shù)成熟，電池材料來源較為廣泛，成本較低。
（2）循環(huán)次數(shù)少，使用壽命短。鉛酸電池電解液采用酸性溶液，對設(shè)備本身的腐蝕較為嚴(yán)重，另外在應(yīng)用過程中，鉛酸電池充放電過程中會發(fā)生副反應(yīng)，降低了化學(xué)反應(yīng)效率，因此鉛酸電池循環(huán)壽命（滿充滿放）通常在1000次以下，鉛酸電池的電極和電解液損耗也較大，實際使用年限一般為3~5年。
（3）對環(huán)境有一定污染。鉛酸電池在使用過程中，酸性電解液揮發(fā)會排放出酸性刺鼻氣體；電池在使用一段時間后，酸性電解液容易發(fā)生泄漏，這些對環(huán)境都有一定污染。
鉛酸電池典型充放電特性曲線如圖2-４所示。
圖2-４ 鉛酸電池充放電特性曲線
鉛酸電池會有放電截止電壓和充電截止電壓的限制，即放電時不能低于某個電壓值，充電時不能高于某個電壓值，否則電池將會出現(xiàn)故障或者壽命受到很大影響。圖2~5是鉛酸電池恒壓限流充電特性曲線，該鉛酸電池充電截止電壓為2.35V，電池的充電過程一般分為預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電以及浮充階段。電池進(jìn)入浮充階段以后，由于電池存在的自放電現(xiàn)象，電壓會有一定的下降。
鉛酸電池作為發(fā)展時間較長的電化學(xué)電池，目前主要應(yīng)用在汽車后備電源方面，目前絕大多數(shù)的機(jī)動車的備用電源都采用鉛酸電池。鉛酸電池在電力系統(tǒng)儲能領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用，主要應(yīng)用在一些考慮建設(shè)成本、對儲能電池技術(shù)性能要求不苛刻的場合。
改良的鉛酸電池技術(shù)—鉛碳電池
鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，在鉛酸電池的負(fù)極中加入了活性炭。普通鉛酸電池的正極活性材料是氧化鉛，負(fù)極活性材料是鉛，把活性炭混合到負(fù)極活性材料鉛中，普通鉛酸電池變成了鉛炭電池。鉛碳電池相對普通鉛酸電池，擁有很好的充放電性能—90分鐘就可充滿電（鉛酸電池若這樣充、放，壽命只有不到30次）；而且由于加入了碳（石墨烯），阻止了負(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象，改善了過去電池失效的一個因素，延長了電池壽命。
在性能方面，鉛炭電池同時具有鉛酸電池和電容器的特點。活性炭的加入，提升了電池的功率密度，延長了循環(huán)壽命，同時由于活性炭占據(jù)了部分電極空間，導(dǎo)致能量密度降低，也可能增加電極析氣量。在工藝方面，活性炭的加入，增加了調(diào)漿和極片涂布難度。總體而言，鉛炭電池性能優(yōu)于普通鉛酸電池，是一種先進(jìn)鉛酸電池，也是鉛酸電池技術(shù)發(fā)展的主流方向。
3. 鋰電池技術(shù)特點
鋰電池是一種新型電池，面世初期主要是應(yīng)用在電子產(chǎn)品方面，目前隨著大容量鋰電池技術(shù)的成熟，大容量鋰電池開始在電力系統(tǒng)儲能領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。
在電化學(xué)電池中，鋰電池儲能性能較好，目前在各個領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。鋰電池主要具有以下一些技術(shù)特點：
（1）使用壽命長、循環(huán)次數(shù)高。鋰電池電解液不是酸性溶液，其內(nèi)部材料不易腐蝕，因此使用壽命較長，一般在10年左右。鋰電池采用化學(xué)性質(zhì)更強(qiáng)的材料作為電極和電解液，因此其滿充滿放循環(huán)壽命在2000~3000次左右，一些特殊材料的鋰電池循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到8000次。
（2）能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高。鋰電池電解液為非水性電解液，其化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定且化學(xué)反應(yīng)效率較高，因此其能量密度為100Wh/kg，其功率密度可以到1000W/kg；鋰電池在充放電過程中沒有副反應(yīng)，減少了電池自放電損耗，因此能量轉(zhuǎn)換效率一般在95%左右。
（3）價格相對較高。鋰電池目前因受到電極材料、電池隔膜材料技術(shù)的限制，價格遠(yuǎn)高于鉛酸電池，略高于鎳氫電池，本體造價約為4元/Wh左右。鋰電池的隔膜材料采用聚合物材料，而國內(nèi)生產(chǎn)這種材料的廠家屈指可數(shù)，大量需要國外進(jìn)口，這就造成了鋰電池價格很高，也是限制鋰電池技術(shù)發(fā)展以及大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸；另外鋰電池在成組后，對充放電一致性要求很高，需要配置較好的BMS系統(tǒng)，也相應(yīng)增加鋰電池使用成本。
（4）有的鋰電池存在安全隱患。鋰電池采用非水性電解液，在電池內(nèi)部發(fā)生短路溫度急劇上升時，由于非水性電解液吸熱效果不好，因此會造成鋰電池內(nèi)部溫度過高，可能發(fā)生燃燒和爆炸。所以在實際工程建設(shè)中，對鋰電池的設(shè)計應(yīng)考慮防火、防爆要求。
鋰電池自放電損耗小、能量轉(zhuǎn)換效率較高，相比較其他電化學(xué)電池，在性能方面都有較大的提高。鋰電池的典型充放電特性曲線如圖2-５所示。
圖2-５ 鋰電池充放電特性曲線
由上述放電曲線圖中可以看出，隨著放電電流的增大，在放電過程中，電壓降落也較快，當(dāng)鋰電池運行在經(jīng)濟(jì)的電壓區(qū)間內(nèi)，其電壓變化較為平緩，但當(dāng)電壓低于經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間的下限時，其電壓跌落將會非常劇烈，如果電池長時間按此運行，對電池的壽命有非常大的損耗，所以在控制電池運行時，通?？刂圃谀硞€固定電壓區(qū)間內(nèi)運行。
鋰電池主要應(yīng)用在電動工具、家用電器、照明燈具、通訊設(shè)備以及電動汽車等方面。
鋰電池目前在電力系統(tǒng)儲能領(lǐng)域的應(yīng)用相對廣泛，如深圳寶清儲能電站、張北風(fēng)光儲輸工程均有采用鋰電池。
4. 液流電池技術(shù)特點
液流電池在我國投入市場使用時間不長，在國內(nèi)相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，國外對液流電池技術(shù)的掌握程度較高。液流電池在我國有了一定規(guī)模的生產(chǎn)，但其實際應(yīng)用并不廣泛。
液流電池采用正負(fù)極電解液單獨循環(huán)的特殊結(jié)構(gòu)，能夠提高化學(xué)反應(yīng)效率，因此其在儲能方面有較好的特性，具有以下技術(shù)特點：
（1）能量效率高、使用壽命長、循環(huán)次數(shù)高。液流電池便于規(guī)?；瘧?yīng)用，能夠儲存和釋放的電能容量較大。液流電池能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到96%以上，能量密度為92Wh/kg，循環(huán)次數(shù)為13000次左右。液流電池的使用壽命在20年左右。
（2）使用過程中便于實現(xiàn)模塊化配置。液流電池電極和電解液是單獨的結(jié)構(gòu)，并且正負(fù)極電解液都有獨立的循環(huán)，因此液流電池可以比較容易的實現(xiàn)模塊化。在使用過程中，根據(jù)不同的容量和功率的需要，可以方便的修改配置不同的液流電池模塊。
（3）技術(shù)成熟度不高，受技術(shù)瓶頸限制。液流電池目前技術(shù)成熟度不高，其電極、電解液以及隔膜材料技術(shù)都存在技術(shù)瓶頸，造成其價格比較昂貴，相關(guān)的應(yīng)用也不廣泛（目前常用配置下，其價格約為鋰電池3倍，即超過10元/Wh）。
（4）體積較大，占據(jù)較大的放置空間。由于液流電池特殊的結(jié)構(gòu)，整個液流電池系統(tǒng)體積比較龐大，除了電池以外還有其他附屬的設(shè)備，在實際應(yīng)用中需要專門安排一個較大的空間放置。
液流電池典型充放電特性曲線如圖2-６所示。
圖2-６ 液流電池典型充放電曲線
從以上充放電曲線可以看出，該液流電池在充電時以額定電流50A恒流充電至限壓電壓64V，然后轉(zhuǎn)為恒壓充電；放電時以額定電流50A放電至截止電壓40V。
雖然目前液流電池相關(guān)研究已取得較大進(jìn)展，但其真正實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還需在一些關(guān)鍵技術(shù)方面取得進(jìn)一步突破，比如高性能低成本專用離子交換膜、高穩(wěn)定性高活性專用電極材料及電極制備等，這樣才能降低成本、形成批量生產(chǎn)的能力。
液流電池可以廣泛地應(yīng)用于電力儲能方面。但是由于其技術(shù)成熟度不高，技術(shù)瓶頸較多、價格較貴，目前在國內(nèi)應(yīng)用不廣泛。
5. 鈉硫電池技術(shù)特點
鈉硫電池是近年來電化學(xué)儲能研究的熱點，目前世界上僅有日本NGK公司能夠大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)鈉硫電池。日本NGK公司是國際上鈉硫儲能電池研制、發(fā)展和應(yīng)用的標(biāo)志性機(jī)構(gòu)。上世紀(jì)80年代中期，NGK公司開始與日本東京電力公司合作開發(fā)儲能鈉硫電池，1992年第一個鈉硫電池儲能系統(tǒng)開始在日本示范運行，至2002年有超過50座鈉硫電池儲能站在日本示范運行中。2003年4月開始，NGK開始了儲能鈉硫電池的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)量達(dá)到30MW，在2004年時已達(dá)到65MW。
鈉硫電池最大的特點就是改變了常規(guī)電化學(xué)電池采用固體電極液態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)，采用熔融狀的電極材料和固態(tài)的電解質(zhì)。正因為這種特殊的結(jié)構(gòu)，鈉硫電池具有以下一些技術(shù)特點：
（1）能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高。由于鈉硫電池中β—Al2O3同時充當(dāng)電解質(zhì)和隔膜，它只對鈉離子進(jìn)行傳導(dǎo)，所以鈉硫電池充放電過程中沒有副反應(yīng)。因此鈉硫電池能量轉(zhuǎn)換效率很高，鈉硫電池沒有自放電現(xiàn)象，能量轉(zhuǎn)換效率接近100%，其理論能量密度高達(dá)760Wh/kg。
（2）使用壽命長，循環(huán)次數(shù)多。鈉硫電池在使用過程中不會產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，不會對設(shè)備本體有腐蝕，一般的使用壽命為15年；鈉硫電池采用熔融狀的電極和固體電解質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)效率很高，電池的循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到2500次甚至更高。
（3）價格比較昂貴。目前世界上只有日本的NGK公司較為成熟掌握了鈉硫電池生產(chǎn)技術(shù)，存在對鈉硫電池的技術(shù)壟斷，因此鈉硫電池目前價格為2000美元/kW左右。不過隨著技術(shù)的進(jìn)步以及材料價格的下降，鈉硫電池的價格將會大幅下降。
（4）對工作環(huán)境要求苛刻。鈉硫電池工作時在300℃才能啟動，因此保溫措施要求很高，需要額外配備溫控裝置。另外如果鈉硫電池出現(xiàn)短路故障其溫度還會更高（2000℃左右），存在一定的安全隱患。因此要保證鈉硫電池運行，需要提高電池隔膜的可靠性，保證電池的正負(fù)極能有效隔離。
（5）國內(nèi)技術(shù)成熟度低。目前國內(nèi)在鈉硫電池技術(shù)上還處于研發(fā)和示范應(yīng)用階段，還不具備商業(yè)化生產(chǎn)運營的能力。國內(nèi)目前主要是中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所在進(jìn)行鈉硫電池的研究，2010年世博會期間啟動了百千瓦級城網(wǎng)儲能鈉硫電池示范電站。鈉硫電池在國內(nèi)目前只是在技術(shù)研究定型階段，后期也僅做一些示范工程。而目前國內(nèi)在鈉硫電池研究和生產(chǎn)領(lǐng)域遇到了一些技術(shù)瓶頸，相關(guān)技術(shù)還在研發(fā)之中。
6. 化學(xué)儲能技術(shù)小結(jié)
與電力系統(tǒng)相關(guān)的各種化學(xué)儲能的典型特性參數(shù)如表2-4所示。
從最大單體容量來看，鉛酸電池單體容量可以達(dá)到3000Ah或者更大，約為其他電池單體容量的10倍。但是鉛酸電池能量密度較低，另外其循環(huán)次數(shù)、充放電功率與其他電化學(xué)電池相比均較低。
能量密度指標(biāo)是儲能技術(shù)中比較重要的技術(shù)指標(biāo)，它標(biāo)志著電池儲存和釋放電能的能力，在這方面鈉硫電池的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他電化學(xué)電池，其理論能量密度達(dá)到760Wh/kg。
循環(huán)次數(shù)是評價儲能技術(shù)充放電能力的指標(biāo)，液流電池在電化學(xué)儲能中循環(huán)次數(shù)最高，能達(dá)到13000次左右。但液流電池的能量密度相比其他電化學(xué)電池偏低。
使用壽命是評價儲能技術(shù)長期經(jīng)濟(jì)性的一個指標(biāo)，由于電化學(xué)電池的原理是利用氧化還原反應(yīng)，設(shè)備內(nèi)部會有損耗，電極、電解液、隔膜材料在長期運行期間會有衰減，或者活性降低，因此電化學(xué)電池普遍使用年限在10~20年左右。鉛酸電池由于采用酸性電解液，在使用過程中會出現(xiàn)腐蝕和損耗，其使用年限只有3~5年左右。
目前電化學(xué)電池主要的應(yīng)用領(lǐng)域是在家用電器、電動工具、電動汽車等設(shè)備的電源以及電力系統(tǒng)儲能方面。
7. 目前新型化學(xué)儲能主流技術(shù)
目前，全球在電力系統(tǒng)中運行的儲能設(shè)備總裝機(jī)容量達(dá)到127GW，其中99%的儲能設(shè)備為抽水蓄能技術(shù)，化學(xué)儲能技術(shù)總裝機(jī)容量約520MW，其中鈉硫電池304MW、鋰電池116MW、液流電池20MW、鉛酸電池（包括鉛炭電池）80MW。------2014年統(tǒng)計數(shù)據(jù)
鈉硫電池是目前裝機(jī)規(guī)模最大的化學(xué)儲能技術(shù)，主要應(yīng)用于配電網(wǎng)的分布式儲能，延緩負(fù)荷增長時對配網(wǎng)設(shè)備和線路擴(kuò)容升級的投資。鋰電池和液流電池近些年技術(shù)發(fā)展很快，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用逐漸增多。鋰電池的主流技術(shù)包括碳酸鋰、磷酸鐵鋰、聚合物鋰電池和錳酸鋰電池等，偏重于電力系統(tǒng)的功率型應(yīng)用，包括調(diào)頻、調(diào)壓及波動控制等。液流電池中技術(shù)最成熟的是全釩液流儲能電池，也有研究機(jī)構(gòu)在研究鐵鉻液流電池。主要是電力系統(tǒng)的能量型應(yīng)用，包括提高可再生能源發(fā)電效率、電網(wǎng)調(diào)峰和分布式儲能等。鉛炭電池目前主要用于提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
8. 我國新型化學(xué)儲能技術(shù)進(jìn)展情況
我國新型化學(xué)儲能技術(shù)呈多元化發(fā)展；部分主流技術(shù)取得了進(jìn)展，主要進(jìn)展有：
（1）全釩液流電池技術(shù)研發(fā)取得一定突破。如對于電池中核心技術(shù)的膜材料采用國產(chǎn)非氟高分子聚合物，經(jīng)工藝合成后，該膜化學(xué)穩(wěn)定性好，阻釩離子滲透性能佳，機(jī)械性能強(qiáng)，最具顯著優(yōu)勢的是成本低。其性能指標(biāo)已達(dá)國外同類產(chǎn)品水平，預(yù)計規(guī)?；a(chǎn)成本比國外同類產(chǎn)品約低50%。另外，國內(nèi)科研所自主研發(fā)的2kW全釩液流電池已實現(xiàn)了一萬次充/放電循環(huán)，電池模塊的能量效率未見明顯衰減。
（2）發(fā)展了鉛碳電池技術(shù)。鉛碳電池屬于鉛酸電池的改良技術(shù)，由于加入了活性炭（石墨烯）阻止了負(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象，延長了電池壽命。我國南都電源經(jīng)過三年多的攻關(guān)，在鉛碳電池上已獲世界領(lǐng)先技術(shù)。
三、電磁儲能
目前電磁儲能技術(shù)主要有超導(dǎo)磁儲能和超級電容器儲能。
（一）超導(dǎo)磁儲能
超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)（superconducting magnetic energystorage，SMES）利用超導(dǎo)線圈儲存磁場能量，能量交換和功率補償無需能源形式的轉(zhuǎn)換。超導(dǎo)儲能與其他儲能技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點：①能量的釋放速度快，通常只需幾秒鐘；②由于可以長期無損耗儲存能量，能量返回效率很高；③采用SMES 可使電網(wǎng)電壓、頻率、有功和無功功率容易調(diào)節(jié)。其最大的缺點是成本太高，其次是需要壓縮機(jī)和泵以維持液化冷卻劑的低溫，使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，需要定期的維護(hù)。從性能上看，超導(dǎo)儲能具有儲能密度高、容量大、充放電功率大、循環(huán)壽命長、綠色無污染等諸多優(yōu)點。但從國內(nèi)外的研究和市場狀況來看，中大型超導(dǎo)儲能還遠(yuǎn)沒有達(dá)到大規(guī)模市場運用的程度。
目前超導(dǎo)磁儲能還處在研究階段，根據(jù)超導(dǎo)磁儲能的相關(guān)研究成果，其技術(shù)特性主要有以下幾方面：
（1）響應(yīng)時間短，能夠瞬間釋放大功率的電能。超導(dǎo)磁儲能具有快速響應(yīng)能力，其響應(yīng)時間在1~5ms左右。超導(dǎo)磁儲能的反應(yīng)原理與電化學(xué)電池不同，磁場在釋放電荷時不會受到類似電化學(xué)儲能的充放電倍率限制，可以瞬間釋放大功率電能。
（2）循環(huán)次數(shù)多，能量轉(zhuǎn)換效率高。超導(dǎo)磁儲能充放電僅僅是磁場釋放電荷的過程，不會出現(xiàn)內(nèi)部材料的損耗，因此其循環(huán)次數(shù)在10萬次左右；超導(dǎo)磁儲能由于線圈采用超導(dǎo)材料，在電能儲存和釋放的時候幾乎沒有損耗，因此能量轉(zhuǎn)換效率在95%左右。
（3）技術(shù)不夠成熟，應(yīng)用不廣泛。超導(dǎo)磁儲能的核心技術(shù)是超導(dǎo)線圈，這也是該儲能技術(shù)的發(fā)展瓶頸之一，由于超導(dǎo)材料以及相關(guān)技術(shù)成熟度還不夠高，超導(dǎo)材料價格非常昂貴；另外超導(dǎo)磁儲能技術(shù)為了保持線圈的超導(dǎo)性能，需要保持低溫工作環(huán)境，這樣需要額外的降溫設(shè)備，額外增加相應(yīng)的成本。因此超導(dǎo)磁儲能技術(shù)門檻比較高，目前在國內(nèi)僅處在試驗研究階段。
（二）超級電容器
普通電容器由于儲存能量過小，未能用作電力系統(tǒng)中的儲能裝置。超級電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，充電速度快，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，放電電流僅受內(nèi)阻和發(fā)熱限制，循環(huán)使用壽命長，放電深度深，能量轉(zhuǎn)換效率高，長期使用免維護(hù)，低溫特性好，沒有“記憶效應(yīng)”，它的儲存容量為普通電容器的20~1000 倍。
超級電容器是技術(shù)比較成熟的電磁儲能技術(shù)，目前應(yīng)用也較為廣泛，其主要有以下一些技術(shù)特點：
（1）響應(yīng)速度較快，能夠瞬間釋放功率電能。超級電容器在充放電循環(huán)過程中，放電過程僅是極板間電荷的釋放，可以在瞬間釋放大量電荷，因此超級電容器一般應(yīng)用在功率型儲能領(lǐng)域。
（2）充放電循環(huán)壽命長。超級電容器在充放電過程中，不會像電化學(xué)電池那樣，電池原件損耗或者發(fā)生副反應(yīng)限制充放電循環(huán)次數(shù)，其充放電過程完全屬于電荷運動的物理過程，其循環(huán)壽命在50萬次以上（一些超級電容器產(chǎn)品能達(dá)到100萬次的循環(huán)壽命）。
（3）單體容量小，成組應(yīng)用時需要保證充放電一致性。超級電容器極板間產(chǎn)生的電場能夠存儲的電荷有限，因此超級電容器的單體容量較小。實際應(yīng)用時超級電容器一般需要通過串并聯(lián)組成模組使用，以滿足電壓和容量的需求。超級電容器成組應(yīng)用時，如果出現(xiàn)電流或者電壓不一致，會使超級電容器的使用壽命造成較大的衰減；且很容易發(fā)生過充電或者過放電，導(dǎo)致超級電容器溫度會急劇升高，存在安全隱患，通過配置電池管理系統(tǒng)保證其充放電一致性。
超級電容器單體容量不大，其能量密度不高，在4Wh/kg左右。但超級電容器作為功率型儲能設(shè)備，功率密度非常高，能夠達(dá)到1200W/kg以上。
超級電容器在使用和控制中，其典型充電曲線如圖2-７所示。
圖2-７ 超級電容器充電特性曲線
超級電容器在充電初始階段，電壓快速上升，隨后電壓變化相對平緩，在充電末階段，電壓又再次快速上升。在充電初始以及最后階段，超級電容器的電壓有明顯的波動。上圖中三條曲線為不同電流下超級電容器的充電特性，可以看出充電電流越大，超級電容器滿充時間越短，并對充電效果幾乎沒有影響。
超級電容器技術(shù)成熟并已經(jīng)有大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)，主要用于軍工領(lǐng)域、特種車輛和船舶等大型機(jī)械的輔助或動力電源以及太陽能或風(fēng)電系統(tǒng)的儲能電源等。
四、相變儲能
相變儲能是利用相變材料在物態(tài)變化時，吸收或放出大量潛熱而實現(xiàn)。它可以利用電熱蓄能（冷和熱）來實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的削峰填谷，也可用于新能源、工業(yè)余熱利用、新型家用電熱電器的開發(fā)等。在風(fēng)能、太陽能等間歇性新能源的應(yīng)用方面，儲能技術(shù)也可發(fā)揮重要的作用。相變儲能技術(shù)同時對提高我國能源的利用效率可起到作用。
相變材料主要包括無機(jī)PCM、有機(jī)PCM。其中，無機(jī)類PCM主要有結(jié)晶水合鹽類、熔融鹽類、金屬或合金類等；有機(jī)類PCM主要包括石蠟、醋酸和其他有機(jī)物。
相變蓄能包括蓄冷和蓄熱技術(shù)。蓄冷蓄熱技術(shù)是電力需求側(cè)最優(yōu)秀的蓄能技術(shù)之一。蓄冷技術(shù)中最常用的是冰蓄冷技術(shù)，蓄熱技術(shù)中主要介紹光熱發(fā)電技術(shù)等。
（一）冰蓄冷
蓄冷技術(shù)中最常用的是冰蓄冷技術(shù)。冰蓄冷技術(shù)，主要是指在電力負(fù)荷低谷時段，采用電動制冷機(jī)組制冷，利用相變材料的潛熱（顯熱）以冰（低溫水）的形式將冷量貯存起來，在用電高峰時段將其釋放，以滿足建筑物的空調(diào)或生產(chǎn)工藝需冷量，從而實現(xiàn)電網(wǎng)移峰填谷的目的。
冰蓄冷，作為一種能源存儲方式，結(jié)構(gòu)簡單、方便安裝，相比于其他儲能材料，冰作為蓄冷介質(zhì)優(yōu)勢非常明顯，在負(fù)荷周期長、夏季日負(fù)荷高的夏熱冬暖地區(qū)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性效益顯著。另外，在商業(yè)建筑中，由于空調(diào)系統(tǒng)的能耗占到建筑總能耗的40%~50%，國內(nèi)部分大城市的高峰用電中空調(diào)用電達(dá)30%以上，并且空調(diào)系統(tǒng)的運行機(jī)制具有晝行夜停的特點，因此也具備應(yīng)用冰蓄冷系統(tǒng)的先天條件。使用相變蓄冷空調(diào)，不僅達(dá)到了“移峰填谷”，平衡電網(wǎng)負(fù)荷的目的，同時也減少了空調(diào)裝機(jī)容量和相應(yīng)的配套設(shè)施，節(jié)省了運行費用。
1. 冰蓄冷技術(shù)的工作模式
冰蓄冷系統(tǒng)一般由制冷機(jī)組、蓄冰槽、輔助及配套設(shè)備（水泵、冷卻塔、管路系統(tǒng)、熱交換器、自動控制、空調(diào)末端設(shè)備）等組成。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計種類多種多樣，無論采用哪種形式，最終目的是為建筑物提供一個舒適環(huán)境，提高能源的使用效率。
實際使用中，根據(jù)具體用戶的用能特點，冰蓄冷系統(tǒng)可分為以下幾種工作模式：
（1）制冷機(jī)組優(yōu)先工作模式。制冷機(jī)組首先直接供冷，超過制冷機(jī)組供冷能力的負(fù)荷由蓄冷設(shè)備釋冷提供。白天向建筑物提供冷量時是以制冷機(jī)組為主，冰的冷源為輔。
這種策略通常用于單位蓄冷量所需費用高于單位制冷機(jī)組產(chǎn)冷量所需費用，使用此種工作模式主要目的是降低空調(diào)尖峰負(fù)荷值，節(jié)省系統(tǒng)投資費用。
（2）蓄冰設(shè)備優(yōu)先工作模式。蓄冷設(shè)備優(yōu)先釋冷，超過釋冷能力的負(fù)荷由制冷機(jī)組負(fù)責(zé)供冷。白天向建筑物提供冷量是以冰的冷源為主，制冷機(jī)組為輔。
蓄冷設(shè)備優(yōu)先工作模式在控制上比制冷機(jī)組優(yōu)先模式復(fù)雜。一方面，在下一蓄冷過程開始前，蓄冷設(shè)備應(yīng)盡可能將蓄存的冷量全部釋放完，另一方面，還應(yīng)避免蓄冷設(shè)備在釋冷過程的前段時間將蓄存的大部分冷量釋放，而在以后尖峰負(fù)荷時，制冷機(jī)組和蓄冷設(shè)備無法滿足空調(diào)負(fù)荷。
采用此種工作模式，需要合理控制蓄冷設(shè)備的剩余冷量，一般情況下，執(zhí)行該策略前要求蓄冷系統(tǒng)預(yù)測出當(dāng)日24小時空調(diào)負(fù)荷分布，確定當(dāng)日制冷機(jī)組在供冷過程中最小供冷量控制分布圖，以確保蓄冷設(shè)備隨時有足夠釋冷量配合制冷機(jī)組滿足空調(diào)負(fù)荷要求。
（3）負(fù)荷控制工作模式。在電力負(fù)荷不足時，對制冷機(jī)組的供冷量加以限制。通常這種方法在電力負(fù)荷受到限制時才會采用，超過制冷機(jī)組供冷量的負(fù)荷由蓄冷設(shè)備負(fù)責(zé)。
（4）均衡負(fù)荷工作模式。在部分蓄冷系統(tǒng)中，制冷機(jī)組在設(shè)計日24小時內(nèi)滿負(fù)荷運行，在夜間滿載蓄冷。白天當(dāng)制冷機(jī)組產(chǎn)冷量大于空調(diào)冷負(fù)荷時，將超過冷負(fù)荷所需的冷量儲存起來；當(dāng)空調(diào)冷負(fù)荷大于制冷機(jī)組的制冷量時，不足部分由蓄冷設(shè)備補足。
采用這種工作模式，系統(tǒng)初始投資最小，制冷機(jī)組利用率最高。但是，若空調(diào)負(fù)荷高峰時段與當(dāng)?shù)仉娏ω?fù)荷高峰相重疊，則系統(tǒng)運行費用較高。
2. 冰蓄冷技術(shù)的特點
冰蓄冷技術(shù)之所以得到各國政府和工程技術(shù)公司的重視，是因為它不僅是平衡電網(wǎng)負(fù)荷的一種有效手段，而且對常規(guī)空調(diào)的空氣品質(zhì)、穩(wěn)定性及運行經(jīng)濟(jì)性也有促進(jìn)作用。冰蓄冷技術(shù)的突出優(yōu)點在于：
（1）削峰填谷，提高電力設(shè)備使用效率，降低用電費用。充分利用電網(wǎng)低谷電力和可再生能源發(fā)電，將制冷機(jī)組的用電時間由負(fù)荷高峰期轉(zhuǎn)移至低谷期，對城市電網(wǎng)有明顯“削峰填谷”作用，能從整體上提高發(fā)輸電設(shè)備的使用效率。在實施分時電價的區(qū)域，使冰蓄冷空調(diào)充分、合理地利用負(fù)荷低谷期的低價電力，與常規(guī)中央空調(diào)相比，可以節(jié)省大筆電費開支。
（2）降低設(shè)備投資，提供用電設(shè)備利用率，提高設(shè)備熱效率。冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)具有儲存冷量的能力，無需按照峰值負(fù)荷配置制冷機(jī)組，大大降低了制冷機(jī)組的裝機(jī)容量和冷卻塔、冷卻水泵配管等輔助設(shè)備的安裝規(guī)模，節(jié)省投資和建設(shè)費用。與普通空調(diào)相比，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)組滿負(fù)荷運行的比例增大，提高了制冷設(shè)備的利用率和運行效率，使制冷機(jī)組保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，延長使用壽命。另外，冰蓄冷空調(diào)在夜間低溫時段制冰、白天高溫時段釋冷，熱效率更高。
（3）優(yōu)化供冷質(zhì)量。冰蓄冷空調(diào)的啟動時間短、制冷速度快，比普通空調(diào)相比，室內(nèi)空氣的濕度低、空氣質(zhì)量好。
3. 國內(nèi)外蓄冷空調(diào)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展方向
美國在20世紀(jì)30年代開始應(yīng)用冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，其后停頓了較長時間，80年代初，世界性能源危機(jī)后，冰蓄冷技術(shù)在美國重新受到重視，并得以廣泛應(yīng)用。1983年，美國能源部首次提出與冰蓄冷相結(jié)合的低溫送風(fēng)系統(tǒng)。1985年末，兩座安裝了冰蓄冷空調(diào)的建筑在美國投入運行。此后采用冰蓄冷與低溫送風(fēng)的空調(diào)建筑物不斷增加。
近年來，冰蓄冷設(shè)備和控制策略得到快速發(fā)展，在美國、日本、加拿大、英國等國得到大幅推廣和應(yīng)用。
目前，冰蓄冷技術(shù)的研究開發(fā)主要集中在以下幾個方向：
（1）建立區(qū)域性蓄冷空調(diào)供冷站。目前，日本、法國等國家都在大力推行智能城市建設(shè)，建立區(qū)域性蓄冷空調(diào)供冷站，不僅有利于區(qū)域能源管理系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)配電力消耗，增強(qiáng)區(qū)域能源利用效率，而且與單個供冷機(jī)組相比，還能夠節(jié)約大量初始投資和運行費用。
（2）建立與冰蓄冷相結(jié)合的低溫送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。所謂低溫送風(fēng)，即空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度為4~10℃，大大低于常溫空調(diào)系統(tǒng)12~16℃的送風(fēng)溫度。將低溫送風(fēng)技術(shù)和冰蓄冷技術(shù)相結(jié)合，可進(jìn)一步減少空調(diào)系統(tǒng)的運行費用，降低一次性投資，提高空調(diào)品質(zhì)，改善儲冷空調(diào)系統(tǒng)的整體效能。
（3）開發(fā)新型蓄冷、蓄熱介質(zhì)。目前水仍然是冰蓄冷技術(shù)最常用的介質(zhì)，為了進(jìn)一步提高熱效率，有必要開發(fā)固液相變潛熱更大、無毒無腐蝕性的新型蓄冷介質(zhì)和保溫效果更好、使用壽命更長的蓄冰材料。
（二）光熱發(fā)電儲熱
光熱發(fā)電屬于蓄熱技術(shù)中的一種。蓄熱技術(shù)，是指在電網(wǎng)低谷時段運行電加熱設(shè)備，對存放在蓄熱罐中的蓄熱介質(zhì)進(jìn)行加熱，將電能轉(zhuǎn)換成熱能儲存起來，在用電高峰期將其釋放，以滿足建筑物采暖或生活熱水需熱量，從而實現(xiàn)電網(wǎng)移峰填谷的目的。
太陽能光熱發(fā)電的原理是，通過反射鏡將太陽光匯聚到太陽能收集裝置，利用太陽能加熱收集裝置內(nèi)的傳熱介質(zhì)（液體或氣體），再加熱水形成蒸汽帶動或者直接帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，太陽能所燒熱的水可以儲存在巨大的容器中，在太陽落山后幾個小時仍然能夠帶動汽輪發(fā)電，從而達(dá)到儲能的目的。參見2-８示意圖。儲能在發(fā)電過程中是至關(guān)重要的，如何儲能是關(guān)鍵，儲能介質(zhì)主要有導(dǎo)熱油、熔融鹽、高壓蒸汽等，目前最理想的是熔融鹽儲能。作為太陽能光熱發(fā)電的核心技術(shù)，目前全球掌握該項技術(shù)的只有少數(shù)幾個國家。國內(nèi)，儲能領(lǐng)先企業(yè)已成功開發(fā)了高溫熔融鹽儲能技術(shù)。
熔鹽儲能介質(zhì)是將硝酸鹽（通常為硝酸鈉或硝酸鉀）按60/40混合放入絕緣儲罐中，在220°C下融化，在儲能的過程中維持它的液體狀態(tài)?；谌埯}的熱存儲系統(tǒng)非常高效，一般其存儲效率高達(dá)93%。西班牙的Andasol發(fā)電廠耗資3.8億美元，在2009年正式投入運營的光熱發(fā)電廠，是世界上第一個商業(yè)化的使用了熔鹽進(jìn)行熱存儲的太陽能熱電廠，可以實現(xiàn)在晚上發(fā)電。
蒸汽儲能器是應(yīng)用裝在絕緣鋼罐中的溫度為250°C，氣壓高于40 倍外界大氣壓的高壓蒸汽和熱水來進(jìn)行熱量存儲。當(dāng)氣壓降低，熱水就會蒸發(fā)，重新形成蒸汽流，直接推動電廠的渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。到目前為止，蒸汽儲能器對熱量的存儲可以維持一個小時。一個應(yīng)用蒸汽儲能器進(jìn)行熱能存儲并且實現(xiàn)商業(yè)化的太陽能熱電廠就是位于西班牙塞維利亞附近的PS10太陽能發(fā)電塔。
近年來，太陽能光熱發(fā)電成為新能源利用的一個重要方向，光熱發(fā)電再一次在全世界范圍引起高度關(guān)注，光熱發(fā)電技術(shù)也不斷得到發(fā)展和更新。
1. 光熱發(fā)電技術(shù)特點
（1）大規(guī)模、長壽命、廉價的蓄能技術(shù)是光熱電站具備競爭優(yōu)勢的核心所在，光熱發(fā)電具備穩(wěn)定、時間長等優(yōu)點。通過規(guī)?；瘍釋崿F(xiàn)連續(xù)發(fā)電，且儲熱的技術(shù)成熟、成本低，已有電站實現(xiàn)24小時連續(xù)發(fā)電。
（2）轉(zhuǎn)換效率相對較高。太陽能光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換率大約在15％~18％，光伏電站的年效率通常在10%~15%。而光熱發(fā)電的組件光熱轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)大于70%，一般的工業(yè)熱應(yīng)用中對于太陽能的總利用率大于65%，光熱電站年效率通常在15%~20%。
（3）環(huán)保。光熱項目使用的原材料主要是鋼材和平面玻璃，不會像光伏發(fā)電應(yīng)用硅電池板會形成二次污染。因而是真正的清潔能源。
（4）發(fā)電成本相對較低。采用太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，避免了昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，可以大大降低太陽能發(fā)電的成本。
相比而言，光伏產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粭l較為獨立的產(chǎn)業(yè)鏈，和其他產(chǎn)業(yè)交叉較少，而光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈則是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級和優(yōu)化，對下游產(chǎn)業(yè)鏈拉動巨大，比如鋼鐵、玻璃、高端裝備制造、化工產(chǎn)品與工程、電力產(chǎn)品與工程、物流等。
光熱發(fā)電可應(yīng)用于電力供應(yīng)、常規(guī)電站聯(lián)合循環(huán)及工業(yè)供熱等方面。
2. 國內(nèi)外光熱發(fā)電儲熱發(fā)展現(xiàn)狀
從國際來看，光熱發(fā)電正處于快速增長期，2009年底全球投運的光熱電站裝機(jī)容量為668.15MW，至2010年底，全球已投入運行的光熱裝機(jī)容量達(dá)988.65MW。截至2013年上半年，美國、西班牙、澳大利亞等國已運行電站裝機(jī)容量超過3GW，在建電站超過2GW，規(guī)劃中的項目超過30GW，市場前景廣闊，從目前已投運光熱電站國家分布來看，美國占了48.95%，其次是西班牙，占47.49%。光熱發(fā)電在美國、西班牙等國家已獲成功，有20兆瓦的大型商業(yè)化光熱項目在運行。美國Google、西班牙Abengoa、法國Total、日本AGC、沙特ACWA等大型跨國集團(tuán)紛紛通過收購、合資等方式參與新興的市場。
國際上典型的光熱發(fā)電儲熱項目主要如下：
（1）美國 美國SolarReserve的CrescentDunes110MW熔鹽塔式太陽能熱電站，蓄熱10小時。
（2）西班牙 西班牙商業(yè)運行的光熱發(fā)電儲熱項目有：
①ANDASOL 1，2，3，裝機(jī)50MW*3；
②EXTRESOL 1&2，裝機(jī)50MW*2；
③Manchasol-1&2，裝機(jī)50MW*2；
④La Florida，裝機(jī)50MW；
⑤Aste 1&2，裝機(jī)50MW*2；
⑥Valle 1&2，裝機(jī)50MW*2。
上述六個項目均采用了大規(guī)模熔鹽蓄熱技術(shù)，蓄熱7.5小時，均為槽式電站。
⑦西班牙商業(yè)運行的塔式電站：GemaSolar，裝機(jī)19.9MW，采用熔鹽作為傳熱蓄熱工質(zhì)，儲熱15小時，是第一個實現(xiàn)24小時連續(xù)發(fā)電的太陽能熱電站，已經(jīng)成功運行兩年。
（3）中國 光熱發(fā)電作為新興的可再生能源技術(shù)，近年來已經(jīng)成為新能源發(fā)展的熱點領(lǐng)域。我國非常重視光熱發(fā)電技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并將其作為未來替代能源的重要組成部分，《太陽能熱發(fā)電“十二五”規(guī)劃》規(guī)劃裝機(jī)100萬千瓦，2012年，國家出臺的《太陽能發(fā)電科技“十二五”專項規(guī)劃》提出的規(guī)劃目標(biāo)：太陽能熱發(fā)電具備建立100MW級太陽能熱發(fā)電站的設(shè)計能力和成套裝備供應(yīng)能力，無儲熱電站裝機(jī)成本1.6萬元/kW，帶8小時儲熱電站裝機(jī)成本2.2萬元/kW，上網(wǎng)電價低于0.9元/kWh。目前，我國有十多個處于建設(shè)和籌備階段的光熱發(fā)電項目，在建項目總裝機(jī)容量不到10萬千。
預(yù)計到2015年，全球光熱發(fā)電累計裝機(jī)將達(dá)24.5GW，五年復(fù)合增速90%；到2020年光熱發(fā)電在全球能源供應(yīng)份額中將占1~1.2%，到2030年占3~3.6%，到2050年占8.5~11.80%，即到2050年光熱發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到830GW，每年新增41GW。
光熱發(fā)電成本下降空間大，世界銀行的報告預(yù)計長期光熱發(fā)電的度電成本將降至6~8美分，國外新建設(shè)的電站其商業(yè)電價折合人民幣1.2~1.5元/度，在我國實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后預(yù)期成本將極大的降低。
大規(guī)模、長壽命、廉價的蓄能技術(shù)是光熱電站具備競爭優(yōu)勢的核心所在。太陽能熱發(fā)電技術(shù)在國際上已經(jīng)成熟，但中國還需要追趕和學(xué)習(xí)。我國的光熱發(fā)電還有待于掌握核心技術(shù)形成自主知識產(chǎn)權(quán)，并形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，以便向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化方向發(fā)展。
五、電動汽車儲能
電動汽車在充電時，可作為電力系統(tǒng)用戶側(cè)的分布式儲能設(shè)施，調(diào)節(jié)電網(wǎng)用電負(fù)荷；電動汽車又可向電網(wǎng)放電，起到削峰填谷的作用，并提供調(diào)頻等輔助服務(wù)，提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。因此，電動汽車不僅在對減少傳統(tǒng)化石能源消耗、控制污染物排放方面具有重要作用，同時電動汽車推廣和大規(guī)模應(yīng)用，也可作為電力系統(tǒng)的一種儲能設(shè)施。
國外對電動汽車儲能應(yīng)用研究較早，研究了電動汽車作為分布式儲能的可行性：通過協(xié)調(diào)控制充放電過程，使電動汽車在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時充電，在系統(tǒng)高峰時放電，實現(xiàn)系統(tǒng)削峰填谷的經(jīng)濟(jì)效益；研究V2G在不損害電池壽命的前提下，可為系統(tǒng)提供備用容量；在智能電網(wǎng)環(huán)境下，電動汽車可為電網(wǎng)提供無功支持和電壓支撐；研究電動汽車作為旋轉(zhuǎn)備用和調(diào)頻輔助服務(wù)時的經(jīng)濟(jì)效益等。
目前市場上的電動汽車單次充電的續(xù)航里程在200~400km，較燃油汽車仍有一定差距。
動力電池是電動汽車的主要部分，目前電動汽車動力電池主要包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池、超級電容器、燃料電池等。鉛酸電池受其技術(shù)特點所限，一般用在低速和城市短途電動汽車上；超級電容器一般用在混合動力汽車作輔助電源；鎳氫電池技術(shù)相對成熟，安全性好，是目前混合動力汽車所采用的主要動力電池技術(shù)，但由于該種電池成本較高，自放電率高，較少應(yīng)用在純電動汽車上；鋰電池成本太高；燃料電池比能量高，能量轉(zhuǎn)化效率高，燃料來源豐富，但制造成本高且儲運非常困難。綜合各種電池技術(shù)看，鋰電池技術(shù)是目前各國電池研發(fā)的重點。我國動力電池技術(shù)以磷酸鐵鋰為主要發(fā)展方向并已基本形成動力電池產(chǎn)業(yè)體系，但仍存在諸如電池制造工藝控制困難、批次穩(wěn)定性差、系統(tǒng)循環(huán)壽命低和電池管理系統(tǒng)設(shè)計不足等問題。動力電池充放電性能直接影響電動汽車儲能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。
