电力储能技术

电力储能技术

摘要：一方面，随着我国经济的高速发展，用电量的需求逐年增长；另一方面，环境和资源的压力使得新

能源的大量并网已成大势所趋，由此带来的电网安全稳定性问题和电能质量问题也越来越受到重视。电力储能技术为解决这些问题提供了一条解决之道，围绕电力储能技术的相关研究和应用不断涌现，目前已经出现了一系列比较成熟可实际应用的或者尚在研究阶段的储能方法。本文介绍了一些常见的电力储能方法。

关键词：电力储能，特性，现状，应用；

0 引言

近年来，随着国民经济的迅猛发展，我国的电力需求也迅速增加，带动了电力行业的急剧扩张，电网装机容量实现了飞跃式增长。与此同时，一系列的问题也不断出现。

受自然环境和人类生产生活习惯的影响，我国的电力负荷需求存在着巨大的峰谷差。往往在一年中的某几个月或者一天中的某几个小时，电力负荷需求急剧增大，给电网和发电厂带来巨大的运行压力。而在其他时间，用电量较少，机组运行在低负荷状态，不能发挥出高效的性能，使电力设备利用率和运行经济性受到较大影响。如何进行大规模的电能削峰填谷，实现负荷平稳运行，成为我国电力行业需要面对的挑战之一。

目前全世界都面临环境问题和资源压力，我国也不例外。一方面严重的环境污染和巨大的碳排放量已经对社会发展造成了巨大的困扰，另一方面煤炭石油等能源缺口也限制了我国经济的发展。有鉴于此，开发清洁可再生能源迫在眉睫，表现在电力行业，就是风能、光伏发电在近年来得到了蓬勃发展。然而这些能源随自然条件的变化而变化，呈现间歇的特性，不能提供稳定的电力供应。因此存在大量的“弃风”、“弃光”现象，造成了资源的浪费。

电动汽车是新型负荷，也是新型家电，具有较好的调控性，可以纳入需求侧管理、电网调度，并与新能源发电配合，而且在保护环境和节约资源等方面具有传统汽车难以企及的优势。然而如何快速有效充电、如何保证电池的续航能力成为限制电动汽车发展的重要因素。

以上种种都表明电力行业目前存在巨大的机遇和挑战。而电力储能技术是解决上述问题的关键技术之一。目前电力储能技术的研究和发展越来越受到各国能源、交通、国防等部门的重视，电力储能的大规模应用将对现代化的电能生产、输送、分配和利用产生深刻的影响和重要的作用，已成为电力生产利用中的关键环节。

经过长时间的研究和探索，目前已经有一些储能方法投入了实际运行，例如抽水蓄能和压缩空气储能，还有一些储能方法具有较好的应用前景，但距离大规模实际应用尚有一段距离，例如飞轮储能、超导储能等。

1 储能技术分类

按照不同的分类方法，储能技术可以分为以下几类： 1）按照储能原理分类可以分为三类：物理储能，如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；化学储能，主要是电池储能，如铅蓄电池、钒流体电池、钠硫电池和锂电池等；电磁储能，如超级电容储能和超导储能等。 2）按照储能时间划分可以分为三类：短时储能，通常放电时间为秒级到分钟级；中期储能，通常放电时间为数分钟到数小时；长期储能，通常放电时间为数小时至数天。 3）按照功能划分，可以分为可分为能量型储能（Energy-usage energy storage，EES）和功率型储能（Power-usage energy storage，PES）两种。能量型储能特点是比能量高，主要用

于高能量输入、输出场合；功率型储能特点是比功率高，主要用于瞬间高功率输入、输出场合。一般来说能量型储能装置放电相对较慢，例如抽水蓄能，压缩空气储能；功率型储能则以高放电率快速放电，如飞轮储能和超导储能。

2 常见储能技术

2.1 抽水蓄能

抽水蓄能是目前较为成熟的储能方式，已经得到了较为广泛的应用，也是目前电力系统中唯一大规模采用的储能方式。抽水蓄能配备上、下游两个水库，在负荷低谷时，利用电网中的电能通过水泵将下游水库中的水抽到上游水库保存；在负荷高峰时将上水库的水放到下水库，并利用发电机进行发电，将电能输送到电网中，补充高峰用电量，用于降低发电厂的发电压力。通过低谷时消耗电能，高峰时产生电能的方式，实现电力系统的削峰填谷。抽水蓄能电站的能量转换过程如下图所示：

依靠不同的分类依据，抽水蓄能具有多种不同的分类方式。 （1）按机组组成和功能作用来分类，可分为“纯抽水蓄能电站”、“混合式抽水蓄能电站”、“调水式抽水蓄能电站”.

（2）按水库调节性能分类，可分为日调节、周调节、季调节、年调节等多种调节性能的抽水蓄能电站。

（3）按照布置特点来分类，可分为“地面式”、“地下式”和“半地下式”的抽水蓄能电站。 （4）按水库座数和位置分类，可分为“两库式”、“三库式”、“地下下池式”这几种抽水蓄能电站。 抽水蓄能电站在我国处于高速发展阶段。截至2009年年底，我国抽水蓄能电站建成和投产规模已达到1830.5万千瓦，在建和筹建的大型抽水蓄能电站（超过100万千瓦）超过20座。到2014年底已建成24座抽水蓄能电站，总装机容量2181万千万，占水电总装机比重约7.2%。预计抽水蓄能规模在2020年将达到5838万千瓦。

抽水蓄能是目前电力系统最为可靠经济、容量最大、技术最完善、寿命最长的大规模储能技术。储存能量的释放时间可以从几小时到几天，综合效率70%～85%之间，非常适合用于电力系统调峰和用作长时间备用电源的场合，如削峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑起动和提供系统的备用容量等。但其地理条件要求比较高，同时设计、施工难度高，机组水工建筑方面也有其特殊要求，同时运行管理难度高，以现有操作管理水平较难提高运行效率，所以其发展受到一些限制。

2.2 压缩空气储能

压缩空气储能（CAES）主要是以燃气轮机为基础的一种能量存储系统。CAES在非高峰时利用电能压缩空气并将其储存在地下洞穴或海底容器（如报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井）中；在用电高峰时释放空气，高压空气从储气室释放出来，同燃料一同进入燃气轮机燃烧室燃烧后，驱动燃气轮机发电。其储能的

原理主要是在发电时不需要通过压缩机来压缩空气，从而节约了消耗涡轮的输出功。由此就相当于将空气压缩机压缩空气消耗的能量储存了起来。因此，相比于消耗同样燃料的燃气轮机系统，压缩空气储能系统可以多产生1倍以上的电力，其工作原理如上图所示。

按照不同的分类方式，压缩空气储能可以做出如下三种分类：

（1）根据压缩空气储能系统的热源不同，可以分为燃烧燃料的压缩空气储能系统、带储热的压缩空气储能系统和无热源的压缩空气储能系统。

（2）根据压缩空气储能系统的规模不同，可以分为大型压缩空气储能系统（通常单台机组规模为100 MW级）、小型压缩空气储能系统（通常单台机组规模为10MW级）、微型压缩空气储能系统（通常单台机组规模为10kW级）。

（3）根据压缩空气储能系统是否同其它热力循环系统耦合，可以分为传统压缩空气储能系统、压缩空气储能-燃气轮机耦合系统、压缩空气储能-燃气蒸汽联合循环耦合系统、压缩空气储能-内燃机耦合系统、压缩空气储能-制冷循环耦合系统、压缩空气储能-可再生能源耦合系统。

目前全世界仅有两家大型压缩空气发电厂。分别位于德国和美国。前者于1978年开始运行，发电功率290MW，投运后获得了良好的利用率。后者由Alabama电力联合公司建在Alabama州，于1991年投运，额定功率为110MW，并能在100MW负荷下连续运行26小时。另外日本、意大利、以色列等国也分别有压缩空气储能电站项目正在建设过程中。目前我国尚没有大规模的成熟应用。

压缩空气储能系统的储能量大，储能时间长，可以持续工作数小时乃至数天；建造成本和运行成本比较低，低于抽水蓄能电站，具有较好的经济性；寿命很长，可以循环上万次，寿命可达40~50年；此外其效率可以达到70%左右，接近抽水蓄能电站。因此可用于削峰填谷、平衡电力负荷、需求侧电力管理和备用电源。但是压缩空气储能并不是一项独立技术，需同燃气轮机配合使用，仍然依赖于化石燃料。另外高压空气储存槽受限于地理结构，不是所有地质结构均都适合建造人工储存槽。所以其应用地域受到较大限制。

2.3 电池储能

电池储能是一项较早出现的技术，经过数年的发展，已经具备了一定的成熟度。到目前为止出现了一些具有实用价值的电池种类。 2.3.1 铅酸蓄电池

铅酸电池已经有150年的发展历史。到现在铅酸蓄电池在理论研究与生产工艺和产品种类以及产品电气性能等方面都有了长足的发展。现在使用较多的阀控式密封铅酸蓄电池有两类，一类是使用玻璃纤维隔膜的紧装配贫液式密封铅蓄电池，简称AGM电池，另一类使用胶体电解液的富液式密封铅蓄电池，简称胶体电池或GEL电池。目前铅酸蓄电池有用于机车汽车启动照明用的起动型蓄电池，用于电动车的牵引型蓄电池，用于风力、太阳能等发电中电能储存的新能源用蓄电池。1988年在美国California州建造了目前世界上最大的40MW铅酸蓄电池储能系统。

铅酸蓄电池成本低廉、技术成熟，支持大电流放电、安全性高，在非动力应用场合中可不配置电池管理系统使用。但存在维护困难，易造成二次污染，重量大、功率密度小，充电效率较低、循环次数及使用寿命短等一系列问题。 2.3.2锂电池

根据锂离子电池的正极材料可将锂离子电池分为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂等种类。其中钴酸锂是现有正极材料中工业化程度最高、能量密度最高的品种，但主要用于小型移动设备领域。锰酸锂和磷酸铁锂材料电池是热门的电动汽车电池备选技术，在全球的动力电池领域占有重要地位。我国目前在不同种类电池的开发生产上水平参差不齐，但落后于世界先进水平。 锂电池具有比能量高，使用寿命长，单体额定电压高，充电迅速，无记忆效应，无污染等优点。但锂电池的生产要求条件高，制作成本高，影响了电池的一致性、低温性能，此外锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。 2.3.3 钒流体电池

钒电池全称为钒氧化还原液流电池，是以金属溶液作为电解质的氧化还原液流电池中的一种。电池的正负极活性物质主要存在于电解液中，分别装在两个储液罐中，电池内部正负极之间由离子交换膜分隔，电池工作时正负极电解液由泵的驱动实现循环和反应。经过数十年的发展，钒电池技术已经趋近成熟。用于电站调峰和风力储能的固定型钒电池发展迅速，已有大功率的钒电池储能系统已投入实用。

钒电池不存在正负极相互污染的问题，电池维护更容易，理论寿命更长，可以通过串并联上大容量，而且生产和运行过程中无污染。但钒电池技术难度较高，使用和维护成本偏高。 2.3.4 钠硫电池 钠硫电池以熔融态的钠作为负极，以熔融态的硫和多硫化钠作为正极，电池的工作温度在300～350℃。在放电时钠被电离生成钠离子，钠离子通过电解质扩散到正极并与硫反应生成多硫化钠。在充电时，多硫化钠变成分解为硫和钠离子，后者扩散到负极后获得电子形成钠原子。目前日本NGK公司已经有100余座钠硫电池储能电站在全球运行，现已建成用于风电场的34ＭＷ钠硫储能电站。 钠硫电池的比能量高，充放电电流密度高，充放电效率高，响应速度块，原材料和制备成本低。但不能过充与过放，需要严格控制电池的充放电状态。陶瓷隔膜脆弱，容易损坏，循环寿命有限。高温操作带来结构、材料、安全方面的诸多问题。液态金属钠与液态硫腐蚀性很强，也容易渗透，对材料要求苛刻。

2.4 飞轮储能

飞轮储能由电网提供电能，利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能以飞轮的动能形式存储起来。当需要供电时，由飞轮作为原动机拖动发电机发电，并输出到用电设备。飞轮储能系统主要由转子、电动/发电机、电力转换器和真空室四部分组成。为减少损耗，现代飞轮储能系统通常是由一个圆柱形旋转质量块和通过磁悬浮轴承支撑的机构组成。目前国外已经有较为成熟的飞轮储能系统运行，例如美国、德国等都有相应的系统运行。我国的飞轮储能系统由于起步较晚，目前还处于研究阶段。

飞轮储能具有高比能量、高比功率、高效率、无污染、适用范围广、无噪声、长寿命、维护简单、可实现连续工作、可进行模块化设计制造等优点，但是高速、大容量飞轮整体技术难度高，储能密度偏低，成本高，还存在噪声、安全性等问题。

2.5 超导储能

超导储能系统（SMES）是利用电阻为零的超导磁体制成超导线圈，形成一个大电感，在通入电流后，线圈的周围就会产生磁场，电能将会以磁能的方式存储在其中。需要时将储

存的能量经逆变器送回电网或作其它用途。SMES装置一般由超导线圈及低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统四个主要部件组成。目前，超导储能的研究项目主要集中在美国、日本及欧洲等发达国家，美国、日本和德国都已有超导储能系统投入实际运行。

超导储能充放电次数多，使用寿命长，充放电效率高，速度快，响应速度快，控制方便，功率密度高而且环保无污染，建造不受地点限制。但是储能容量有限，成本高，维护成本较高，还有超导失超引起的安全可靠性问题等。

2.6 超级电容

超级电容储能根据电化学双层理论研制而成。它的电极基于多孔炭材料，使得其表面积可以达到2000m2/g，通过一些措施可实现更大的表面积。而超级电容中电荷分隔的距离小于10埃。巨大的表面积加上电荷之间非常小的距离，使得超级电容有很大的电容量。由此可以存储较大的能量。目前超级电容器已经投入了实际生产，形成了系列产品，用于电力储能。

超级电容有很多优点，例如比功率密度大，使用寿命长，循环次数多，没有“记忆效应”，可大电流快速充放电，绿色环保，无污染，充放电原理简单，易于实现等。但它属于功率型储能装置，比能量密度偏低，而且成本较高。

3 储能技术主要特性参数

储能方法有很多，其原理和特性各不相同。为了衡量储能方法的性能，应当有一些表征储能特性的参数。

3.1 储存容量

储存容量指的是储能系统在充电后所具有的有效能量。由于充能过程中的能量损耗，有效能量通常小于实际消耗的能量。而在使用时由于实际使用能量通常会受到放电深度的限制，在快速充放电时储能系统效率会下降，再加上系统自身的能量耗散，所以实际使用能量要低于储存能量。

3.2 能量转换效率

能量转换效率是储能系统放电时释放出的能量与初始储存能量之比。储能系统的能量转换效率直接关系到系统的实用性。只有具有较高的能量转换效率的储能系统才能高效的运行。

3.3 比功率与比能量

比功率指的是储能系统单位质量或者单位体积空间内，所具有的最大有效存储功率，也称作功率密度。同样包括质量比功率（质量功率密度）和体积比功率（体积功率密度），常用的单位为W/kg和W/L。比能量指的是储能系统单位质量或单位体积空间里，所具有的最大有效存储能量，也称作能量密度。包括质量比能量（质量能量密度）和体积比能量（体积能量密度），常用的单位为Wh/kg和Wh/L。一般情况下，功率型储能系统的比功率高，但是比能量通常较低；同样的，能量性储能系统的比能量高，但是比功率不会太高。

3.4 自损耗率

储能系统在存储能量时，其中储存的能量会自动耗散。对于不同的储能系统，其能量耗

散的方式也是不同的。例如对于抽水蓄能系统，其能量的表现形式为水库中水的势能。而在闲置时，其中的水会有部分蒸发和渗漏，由此造成储存的能量耗散。而对于飞轮储能，能量是以飞轮旋转时的动能形式存储的，而在飞轮旋转过程中由于各种阻力的作用，转速会逐渐变慢，能量逐渐耗散。表征储能系统中能量耗散特性的参数称为自损耗率。

3.5 放电时间

放电时间指的是储能系统在最大功率状态运行时的持续放电时间，放电时间影响因素较多，包括储能系统类型、结构、放电深度、运行条件以及放电时是否为恒功率放电等。

3.6 使用寿命

对于不同的储能系统，其寿命的计算方式也是不同的。对于抽水蓄能等储能方式，通常

以其所能正常工作的年限作为其使用寿命。而对于其他储能系统，如电池等，除了使用年限外，还应该考虑其循环次数。储能系统经历一次充电和放电的过程，称作一次循环。储能系统应具有较长的使用寿命，才能保证其经济可靠的运行。

3.7 其他特性

除了上述提到的特性外，储能系统还有一些其他特性。例如技术成熟度、成本、环境影响、安全性和可靠性等。

4 结语

总体来看，储能技术正朝着转换高效化、能量高密度化和应用成本化方向发展。但目前储能领域呈现多元化发展格局，不同储能方式特性差异较大，有其各自的优势和不足，单一储能技术难以满足大容量存储、快速充放、可靠性高、成本低等全面条件，因此有必要研究综合多种储能形式的复合储能技术。

通过各种储能系统的协调配合，可以在电力系统调峰、电压补偿、频率调节、电能质量管理等方面发挥出重要作用，从而确保系统安全、稳定、可靠的运行；通过储能的方式，规避可再生能源发电间歇性特点带来的大规模并网风险，提高可再生能源的利用率；高效便携的储能系统也可以解决电动汽车的动力问题，推动电动汽车的快速实用化，发挥其环保、节能、安全的优势。

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