电能储存的应用分析及发展方向

电能储存的应用分析及发展方向

朱加军

朱加军

（连云港供电公司江苏连云港222004）

摘要：随着现代电网技术的发展，储能技术逐渐被引入到电力系统中，各种电能储存技术的原理、特点和使用条件不尽相同，急需对电能储存技术的分类、原理，特别是各储能技术的特点进行分析，并对应用现状进行调研，分析目前世界范围各电能储存技术的现状及存在问题，对于电能储存技术未来发展趋势的研究具有重要意义。本文分析总结了当前世界电能储存技术的应用现状、指出了电能储存技术的发展方向。

关键词：储能技术；应用现状；发展方向。

0引言

随着现代电网技术的发展，储能技术逐渐被引入到电力系统中，储能可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，提高电力设备利用率，降低供电成本，还可以促进可再生能源的利用。同时可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。储能技术成为智能电网发展中的重要一环。

同时，随着社会经济的发展、能源日益的紧张，新能源开发成为未来能源战略的重要方向，但新能源并网会给电网带来巨大的冲击。同时电网负荷峰谷差日益增大，严重影响了电力系统的经济性。而这些问题的解决都有赖于储能技术的应用。所以，对目前主要储能技术进行概括和总结是非常有必要的研究工作。

1储能技术的分类

1.2按照储能的能量类型分类

根据能量类型的不同，储能技术基本可分为四大类别，包括基础燃料的存储（如煤、石油、天然气等）、中级燃料的存储（如氢气、煤气、太阳能燃料等）、电能的存储和后消费能量的存储(相变储能等)。本文重点分析电能存储技术，按照所存储能量的形式，可大致分为物理储能和化学储能，物理储能又可以分为机械储能和电磁场储能，如图1所示。

图1储能按照能量类型分类

1.1按照储能安装位置分类

在电力系统中，储能安装的位置主要分为3类，（1）电源侧，平滑短时出力波动，跟踪调度计划出力，实现套利运行，提高可再生能源发电的确定性、可预测性和经济性；（2）系统侧，实现削峰填谷、负荷跟踪、调频调压、热备用、电能质量治理等功能，提高系统自身的调节能力；（3）负荷侧，主要是利用电动汽车的储能形成虚拟电厂参与可再生能源发电调控等，如图2所示。

图2储能按照安装位置分类

2电能储存技术及其特点

2.1飞轮储能

飞轮储能的关键部件包括高速、高储能密度飞轮，高可靠性、长寿命、低损耗轴承，高速电机及其控制系统等，其基本原理是把电能转换成旋转体(飞轮)的动能进行存储。当发电大于负荷所需时，通过电动机拖动飞轮，使飞轮本体加速到一定的转速，将电能转化为动能，此时电机工作在电动机状态；在发电小于负荷所需时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将动能转化为电能，此时电机工作在电动机状态。

飞轮储能具有功率密度很高、能量转换效率高、使用寿命长、对环境友好等优点，缺点主要是储能能量密度低、自放电率较高。

目前，中小容量的飞轮储能系统己实现商品化，常用在相对小型的风电场、光伏电站、或者微电网内。大容量的飞轮储能系统也己进入工业试运行阶段。

2.2抽水蓄能储能

图4抽水蓄能电站的工作原理图

抽水蓄能电站通常由上水库、下水库和输水及发电系统组成，上下水库之间存在一定的落差。在电力负荷低谷时段把下水库的水抽到上水库内，以水力势能的形式蓄能；在负荷高峰时段，再从上水库放水至下水库进行发电，将水力势能转换为电能。

抽水蓄能在电力系统中可以起到调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用、黑启动和为系统提供备用容量等多重作用。

抽水蓄能的优点是技术相对成熟，设备寿命可达30~40年，功率和储能容量规模可以非常大，仅受水库库容的限制，通常在100~2000MW之间；缺点是，抽水蓄能受地理条件的限制较大，必须具有合适建造上下水库的地理条件。抽水蓄能电站的关键技术主要包括抽水蓄能电站主要参数的选择、工程地质技术问题以及抽水蓄能机组技术等。

2.3压缩空气储能

压缩空气储能系统是基于燃气轮机技术发展起来的一种能量存储系统，其工作原理是:当电力系统的用电处于低谷时，利用富余电量驱动空气压缩机，把能量以高压空气的形式存储起来；当用电负荷处于高峰时，将储气空间内的高压空气释放出来，驱动发电机发电。

图5压缩空气储能系统工作原理图

图5所示的是一个大型的压缩空气储能系统，图中所示的储气系统位于地下，通常是废弃的矿洞，通过一定的改造和加固工程，可以满足地下储气系统的要求。这种传统的，使用天然气和利用地下洞穴的储气系统属于大型压缩空气储能电站，单台机组规模通常在100MW级及以上。

近年来，关于压缩空气储能系统的研究和开发一直非常活跃，以为中国为例的部分国家开发了小型压缩空气储能电站，其示意图如图6所示。小型压缩空气储能系统与大型压缩空气储能系统的主要区别在于储气子系统是一个人造的高压储气系统，通常容量较小，单台机组规模通常在10MW级及以下。

图7市场常见的超级电容器

压缩空气储能的优点是技术较为成熟，其效率可以达到70%左右，其缺点是依赖特殊地理条件和化石燃料，储能效率低，能量密度低。

2.4超级电容器

超级电容器是近年来受到国内外研究人员广泛关注的一种新型储能元件。按照储能原理可以分为双电层电容器和法拉第准电容器两大类，其中，后者目前通常被称作电化学电容器。

超级电容器的优点是充放电速度快、功率密度高、循环使用寿命长、环境友好、工作温度范围宽等优点；缺点是能量密度低、成本高。放电时间短。

2.5超导磁储能

超导磁储能系统是利用超导线圈通过变流器将电网能量以电磁能的形式存储起来，需要时再通过变流器将存储的能量转换并馈送给电网或其他电力装置的储能系统。

超导磁储能系统主要组成单元包括超导储能磁体、低温系统、电力电子变流系统和监控保护系统。由于导体的超导性能在必须在绝对零度才能实现阻抗接近于零，因此，超导体对冷却条件要求较高，但国内目前还不具备独立制造超导冷却装置的技术条件，限制了国内对超导储能装置的研究与应用。

图8超导磁储能原理示意图

超导磁储能系统是一种利用超导体(线圈)直接存储电磁能的系统，在超导状态下超导线圈无焦耳热损耗，其电流密度比一般常规线圈高1至2个数量级，因此超导储能的优点是响应速度快、转换效率高（不小于95％）、功率密度高等优点；缺点：超导材料成本高；超导态低温条件的冷却装置未国产化；超导磁体的失超保护尚未解决。

2.6电化学储能（电池）

电化学储能就是通常所讲的电池储能，电池所包含种类繁多，本文对电池储能目前研究的几个热点做分析和对比，主要包括铅酸电池、钠硫电池、全钒液流电池、锂电池。与其他储能形式相比，电池储能的优点是功率和能量可根据不同应用需求灵活配置，响应速度快，不受地理等外部条件的限制，适合大规模应用和批量化生产；其缺点是电池的使用寿命有限、成本高。

表1中自放电的定义是，电池闲置不用时损耗电量的现象称为电池的自放电现象。通过表1的各项技术特性对比，锂电池和钠硫电池在比容量、比功率指标上具有明显优势，且锂电池的充放电效率最高，达到90%~95%，钠硫电池和全钒液流电池作为目前研究的热点方向，其优势体现在电池几乎无自放电现象，特别的全钒液流电池的循环使用次数达到13000次，与其他电池相比寿命长。

表1几种电池储能的技术特性比较

目前，全世界范围有200多座钠硫电池构建的储能系统，该市场几乎全部由日本所占有，日本在钠硫电池的研究与应用上具有很大的优势；鉴于全钒液流电池的良好性能指标，中国未来可能在全钒液流电池的研究上有所作为，主要原因是中国拥有丰富的钒储量，为全钒液流电池的研究奠定了基础。

综上所述，各电池的优缺点是：铅酸电池的优点是技术成熟，成本较小，已经取得了非常广泛的应用，其缺点是寿命低，由于电池中含有铅元素，可能带来严重的污染问题；钠硫电池的优点是比能量高，但其缺点是成本高，运行安全问题有待改进；全钒液流电池的优点是寿命长，可深度放电，其缺点是能量密度较低，占地多；锂离子电池优点是比能量高，其缺点是成本高，成组应用有待改进。

3电能储存的应用现状

3.1飞轮储能的应用现状

（1）飞轮储能应用于电动汽车

图9飞轮储能应用于电动汽车原理图

美国成功将一辆克莱斯勒轿车改装成纯电动汽车，该车由20节质量为13.64kg的飞轮电池驱动。改装后的电动汽车性能良好，仅需6.5s就可以从零加速到96km/h，充电一次可行驶里程为600km。

（2）飞轮储能应用于风力发电

美国的建设20MW飞轮储能项目，该项目既可以为电网进行频率调节，又能将地区风力发电的过剩电能进行缓存，并在用电高峰期将电力注入电网。

（3）飞轮储能应用于UPS

加拿大矿物与能源研究中心开发的用于不间断电源的飞轮电池，其功率为1.5kW，质量65kg，转速15000～45000r/min，可存储1.1kWh的

近年来，我国投建了大量抽水蓄能电站，截至2013年底，我国目前已经建成抽水蓄能电站21座，总装机容量为2151万千瓦，约占全国电力总装机的1.7%。抽水蓄能在电力系统中发挥调频、调相、备用、黑启动等功能。

我国抽水蓄能电站的建设起步较晚，但由于后发效应，起点却较高，近年建设的几座大型抽水蓄能电站技术已处于世界先进水平。

3.3压缩空气储能应用现状

第一座是1978年投入商业运行的德国Huntorf电站。目前仍在运行中，是世界上最大容量的压缩空气储能电站。机组的压缩机功率60MW，释能输出功率为290MW。系统将压缩空气存储在地下600m的废弃矿洞中，矿洞总容积达3.1x105m3，压缩空气的压力最高可达10MPa。机组可连续充气8h，连续发电2h。该电站在1979年至1991年期间共启动并网5000多次，平均启动可靠性97.6%。实际运行效率约为42%。

第二座是1991年投入商业运行的美国Alabama州的McIntosh压缩空气储能电站。储能电站压缩机组功率为50MW，发电功率为110MW。储气洞穴在地下450m，总容积为5.6x105m3，压缩空气储气压力为7.5MPa。可以实现连续41h空气压缩和26h发电，机组从启动到满负荷约需9min。实际运行效率约为54%。

目前除德、美、日、瑞士外，俄、法、意、卢森堡、南非、以色列和韩国等也在积极开发压缩空气储能电站。我国对压缩空气储能系统的研究开发开始比较晚，大多集中在理论和小型实验层面，目前还没有投入商业运行的压缩空气储能电站。中科院研究所正在建设1.5MW先进压缩空气储能示范系统。

能量。

3.2抽水蓄能的应用现状

图10中国抽水蓄能电站分布图

3.4超级电容器应用现状

（1）超级电容器应用于电动汽车

超级电容器用于电动汽车主要是美、日汽车生产商在做，日本的丰田汽车公司在该领域技术较为领先。此类应用面临的主要问题是超级电容器的能量密度、功率密度低，价格高。尚未能广泛应用。

（2）超级电容器应用于新能源发电

德国将超级电容作为风轮机的后备电源用于超级电容发电系统的功率传输中，其输出功率在300kW—6MW之间。我国中科院电工所搭建了一个用于光伏发电系统的300Wh/1kW的超级电容器储能系统。

3.5电池储能的应用现状

（1）锂电池应用现状

英国东部配电网静止同步补偿器中配置了600kW/200kWh锂离子电池储能系统，用于潮流和电压控制；美国安装了12MW的锂离子电池储能系统，用于提供旋转备用、调频等辅助服务；日本联合多个研究机构和企业研发适合静态储能应用的锂离子电池技术，建立了一些千瓦级的示范系统；在中国，国家电网公司和南方电网公司均建立了兆瓦级的锂离子电池储能电站，开展相关示范研究，比较典型是国家电网公司的“风光储输”示范工程，所用储能系统中主要采用了锂离子电池作为储能元件。

（2）钠硫电池的应用现状

AEP公司在查尔斯顿变电站安装了1.2MW/7.2MWh钠硫电池储能系统，用于削峰，延缓输配电设备升级；中国科学院是中国较早开展钠硫电池研究的机构，己成功建成了百千瓦级的钠硫电池示范系统；日本Futamata风电场安装了34MW的钠硫电池储能系统，用于平滑风电输出功率波动。

（3）全钒液流电池应用现状

爱尔兰SomeHill风电场安装了2MW/12MWh的全钒液流电池系统，均用于平滑风电场输出功率波动；日本一个30.6MW的风电场安装了6MW/6MWh的全钒液流电池系统；中国河北省张北地区也安装了兆瓦级的全钒液流电池储能系统，用于配合风光并网发电。

4电能储存的发展方向

（1）、电能储存技术是未来能源结构的转变和电力生产消费方式变革的战略性支撑技术，也可以解决可再生能源发电的间歇性和随机波动性问题，缓解高峰负荷供电的需求，提高现有电网设备的利用率和电网运行效率；还可以用来应对电网的突发性故障，提高电能质量，满足经济社会发展对优质、安全、可靠供电的要求。

（2）、目前，大容量储能技术除抽水蓄能技术相对成熟外，其他储能方式大多处于实验示范阶段甚至起步研究阶段，尚有诸多关键技术问题函待突破。

（3）、综合考虑各种因素，电池储能和新型压缩空气储能是具有广泛应用前景和值得重点关注的储能技术类型。其中，锂离子电池、全钒液流电池和其他新型电池是应该重点攻关的大容量储能技术类型。

参考文献

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