多能互补能源系统中储能技术的应用研究

多能互补能源系统中储能技术的应用研究

蒋思晋

广州电力设计院有限公司  广东 广州 510000

摘要：能源系统快速发展，传统热电技术大范围减产，新能源技术在多领域应用，让我国电力系统供电呈现出多元化特点。在互补能源供电当中，储能技术的应用不仅可以提升电网的稳定性和安全性，还能带来理想的经济价值。然而，不同储能技术的原理、技术效益会存在较大差异，需要结合实际进行选择，保障储能技术价值发挥到最大。

关键词：多能互补能源系统；储能技术；应用

多能互补能源系统的应用是我国电力事业能源战略实现的基础，同时也代表了我国新能源技术的发展。对于多能互补能源系统来说，储能技术对其有着重要意义。由于不同发电系统的特点较为明显，而且还会受到多种因素影响，多能互补能源系统储能技术的应用有着重要意义，实现了能源系统统一储存管理的同时，还能提供稳定、安全、高质量的电能，降低不良影响的产生。由此可见，不同储能技术需要结合实际情况进行选择和安排，才能为多能互补能源系统的稳定运行保驾护航。

1.储能技术原理

1.1氢储能

氢储能是一种比较常见的储能技术，是能够将能量转化为氢能后储存的技术，在可再生能源发电系统中的应用较多。风能、太阳能、潮汐能等可再生能源有着不稳定、间歇的特征，在此技术应用后，技术可以把剩余能源用来制氢，随后再把氢能进行储存（原理如图1）。如果电力能源输出不足，这时就可以应用氢气燃料电池等其他反应来补充，解决发电并网的问题。此外，氢气还可以传递到工业制造等其他领域中进行应用。

图1氢储能系统结构

1.2蓄电池储能

蓄电池储能系统主要通过电池正负极氧化还原反应进行充电与放电。目前，在多能互补能源系统当中，蓄电池储能系统的应用越来越广泛，已经成为了多能互补能源系统中的关键储能技术，并时刻影响着系统运行。之所以蓄电池储能受到大规模应用，其根本优势在于适应性较强、效率高、能量稳定、寿命长，可以充分满足多能互补能源系统运行需求。目前常见的蓄电池以铅酸、锂离子、钠硫、液流为主。首先，铅酸电池原理。正负电极由铅和氧化物组合而成，电解液以硫酸为主，正极通过PbO2 + SO-24 + 4H+ + 2e-——PbSO4 + 2H2O。进行充电与放电，负极充电与放电为Pb + SO2-4  ——PbSO4 + 2e-。另外，钠硫电池充电与放电时，负极由纳金属为主，正极是液态硫，中间陶瓷管微电解质隔膜。电池运行时温度超过300℃。正极放电由2Na + xS——Na2 Sx + ( x - 5)S ( x≥5）实现，负极放电由2Na + xS——Na2 Sx ( x<5）实现。其次，钒液硫电池是一种新型、环保的电化学储能装置，通过氧化还原反应把能量溶解到液态的电活性物质当中，可以通过薄膜、电极，把电能变为化学能进行储存。正极由VO+2 + 2H+ + e-——VO2+ + H2O实现充电和放电，负极由V2+——V3++ e-进行充电与放电。最后，锂离子电池充放电应用了嵌入反应原理，实现了锂离子正负极的移动。锂离子正极充电与放电通过LiFePO4——Li1 - xFePO4 + xLi++ xe-实现；负极充电与放电通过LixC6——xLi+ + xe-+ 6C实现[1]。

1.3抽水储能

    抽水储能通过电能转化来实现能量的储存和释放，在负荷低谷阶段，把电网中富余的电能抽到水库，随后储存电能转换为水的势能，这时的蓄能电站就好比电网内的某个用户，当进入到高峰用电时段后，抽水蓄能电站的发电机可以把上水库中的水放入到下水库中，以此来达到发电的目的，并把水的势能变为电能，达到弥补供电缺口的作用。

1.4压缩空气储能

压缩空气储能也可以称为是CAES技术，可以满足电力系统峰值负载。此技术结合了目前先进的地下储层和燃气轮机，压缩机、涡轮能够交替地连接到发动机上，满足不同时间段的运行（如图1）。在电力高峰阶段，就可以应用低成本的压缩空气储能技术，在电力高峰负荷过程中，则可以取出压缩空气，进行与燃料的结合，通过燃烧后产生峰值功率。此技术的应用相比起传统技术在燃料消耗方面减少了60%左右，甚至一些先进的CAES不需要附加石油燃料。

图2压缩空气储能装置原理

2.储能技术在多能互补能源系统中的应用优势

  多能互补能源系统当中，不同的发电模式和储能技术会对供电效率造成不同的影响。比如光伏发电、风能发电往往会受到自然天气的影响，体现出比较明显的波动性，而水力发电则对地理条件提出了很高的要求。为此，在储能基础的应用当中，需要结合多能互补能源系统的要求，保障能够满足电网稳定运行需求的同时，实现能源系统的稳定供电，进而体现电网建设的合理性与先进性。此外，储能技术在多能互补能源系统中的应用还能对系统做出一个有效的控制，集中系统所储存生产的电能，随后接入电网，提升能源系统的科学性和可靠性。

3.多能互补能源系统中储能技术的具体

应用

3.1电池储能技术的应用

    随着电池储能技术的不断发展，电池储能技术变得越发成熟，拥有电池储能技术能从根本上提升多能互补能源系统的可行性，还能提升多能互补能源系统运行的经济性。电池储能技术能够调整系统峰值，减少系统运行中受到的风、光、电影响，避免被风造成的能量消耗，降低不稳定性，同时也是多能互补能源系统储能技术的主要应用方向。上文对电池储能中的正负极反应进行了分析，在分析后能够发现，全钒液流电池储能是多能互补能源系统调峰中应用最普遍、广泛的一种，此技术不仅有寿命长、反应快，安全性高的特点，同时也是一种大规模的先进储能技术之一。多年前，大连市化学物理研究所与当地储能公司进行合作，随后研究出了我国首个高功率全钒液流电池电堆，不仅能够在mA/cm2的电流密度中进行放电，放电能量效率甚至能高达81%以上，此次开发也让我国多能互补能源系统的蓄能电池技术走向了国际前列。锂离子电池是能量密度最高的电池，效率可达95%以上，循环次数超过五千次，对环境造成的污染微乎其微，是未来最为理想的一种储能电池。锂电池多用于多能互补能源系统的光伏储能、调峰当中，应用前景比较广阔。广东省多能互补能源系统储能技术应用已经开展多年，并且有着十足的经验。在2020年，广东省多地区应用锂电池蓄能技术对电网运行进行了调峰，不仅实现了区域的供电持续性和可靠性，还保障了电网的安全运行。目前，锂离子电池储能技术的应用越来越广泛，在未来锂离子电池会应用密度更高的材料[2]。

3.2压缩空气储能技术的应用

   多能互补能源系统往往是以风能、水能等进行互补，所以非常容易受到地理条件气候因素的影响，一旦受到影响会产生明显的波动性，所以如何进行有效便捷清洁的储能，是多能互补能源系统平稳运行的关键。风电机组在产生电能时，还会附带大量的机械功率，这些功率能够带动压缩机的旋转，减少电能转换为机械功率的能量损耗，实现能量资源的应用最大化。同时，压缩空气储能密度较高，在空气介质获取当中不受环境气候等因素的影响，甚至还不会产生任何污染物质，是一种非常理想的环保技术手段。压缩空气储能装置的面积较小，能够适用于绝大多数的风力发电场所。值得注意的是，压缩空气储能技术需要在空穴储存压缩中进行，对地理位置要求较为严格。我国压缩空气储能技术相比起发达国家起步较晚，但是国内正在积极地借鉴国外发展经验和相关案例，2018年首次搭载了500kw的新能源储能平台，并进行了压缩空气储能实验取得了预期效果。

3.3飞轮储能技术的应用

    现阶段，我国已经基本掌握了合金飞轮技术，合金飞轮技术的功率密度较高，在多能互补能源系统中有着比较理想的应用前景。在多能互补能源系统的运行当中，需要构建一个响应速度快、寿命长、功率大的系统来解决过往电网运行中发电用电因不平衡而产生的波动。然而，飞轮储能技术正好能够满足电网发电用电的平衡需求，因此把飞轮储能技术应用到互补能源系统中能够解决电网的波动调频问题。值得注意的是，风力发电量超过出口限制就会视为违规处理，甚至还会导致当地的电网企业受到惩处，如果出口限制多余的用到低发电期当中，不仅能够保障风电场的平稳输出，还能实现最大的现场输出。此外，飞轮的恢复能力和循环率较强，再加上体积较小，灵活性较高等特点，能够在互补能源系统的应用中体现较高的经济效益[3]。

3.4抽水储能技术的应用

多能互补能源系统要想解决电网调度问题，并确保电网的稳定运行，就必须要应用大规模的储能技术。抽水蓄能技术相比起上文提到的各项储能技术来说，是我国目前掌握水平已经非常成熟的一种技术手段。抽水储能技术是一种大规模集中化的能量储存方法，储存率超过80%，能够满足响应速度快、多能互补的储存要求。我国南部地区日照充足，自然资源丰富，清洁能源、水能源、太阳能源和风能源的储量较为理想，抽水蓄能电站建设在清洁能源产区以后，可以应用清洁能源的储能发电，随后通过风能、光能、水能的协调，解决清洁能源电网不稳定的问题。同时，抽水蓄能电站还能够应用多余容量吸纳系统，减少电量的损耗，获得理想的环保效益与经济效益。其中值得注意的是，抽水蓄能电站对地理位置的要求较高，可能会存在一定局限。

4.结语

总之，随着我国电力系统中的新能源应用成为了未来的必然发展趋势。多能互补能源系统当中，为了避免新能源在电网供电时产生间歇性、不确定性等不良问题，需要充分应用储能技术，实现对系统的优化和改造，进而提升系统的稳定性与可靠性。抽水储能技术、飞轮储能技术、压缩空气储能技术以及电池储能技术在我国储能技术领域中正在快速发展，未来需要不断加大研究力度，以此来发挥新能源技术的应用价值。

参考文献

[1]李文建. 多能互补能源系统中储能技术的应用[J]. 光源与照明,2022(12):231-233.

[2]蒋文坤,韩颖慧,薛智文,等. 多能互补能源系统中储能原理及其应用[J]. 华电技术,2022,44(1):63-71.

[3]夏阳,金光,张立,等. 基于建筑能源系统的混合储能技术研究现状[J]. 储能科学与技术,2021,10(6):2169-2180.