电能储存技术的分类及特点分析

引言

电能是表示电流做多少功的物理量。日常生活中使用的电能,主要来自其他形式能量的转换,包括水能、热能、风能及光能等。电能也可以转换成其他形式的能量。

我国是世界上电力生产最多的国家,也是发电量增幅最大的国家。2019年,全球发电量为26990.64亿kw·h,我国发电量达7105.4亿kw·h,占比27.83,比2018年同期增长4%7.,稳居世界第一。发电厂发出的电能无法直接储存,需要立即消耗掉,从而造成用电高峰期时电力需求无法满足,而用电低谷期时电力过剩。研究如何将多余的电能储存起来,是非常重大的民生问题。

1电能储存技术的分类

根据能量守恒定律,无论是电能的储存还是电能的释放,都可以借一于物理助化完成。电能储存可以根据不同的能量形式分为两类,分别是物理形式和化学形式,如图1所示。

图1储能技术的分类

下文在此基础上讨论如何用不同的形式储存电能。

1.1抽水储能

该类型电站的构成包括两部分,即上水库和下水库,分别位于电站的上方和下方,这是一种机械储能方式。上水库中水的重力势能可以借一于逆势水轮发电机转换为电能。

1.2压缩空气储能

即密闭气室当中存储的空气势能可以借一于空气压缩机和涡轮机转换成为电能,如图2所示,这也是一种机械储能方法。

图2TlCC%500压缩空气储能电站效果图

1.3飞轮储能

飞轮转动所产生的动能可以借一于发电机或者电动机转换成为电能,也属于机械储能。

1.4超导线圈储能

利用磁场的方式将直流电存储于超导螺旋管当中,如图5所示,其属于电感储能方式。

图3日本2GJ环形结构型超导储能线圈概念设计图

1.5超级电容储能

超级电容包括两种,分别为双电层电容和法拉第电容,其中双电层电容能够储存电场能,其工作原理与普通电容相似:而法拉第电容的工作原理是氧化还原反应,从本质来看,其储存的能量为化学能,但是无论其充电还是放电都具有电容特性。

1.6蓄电池储能

铅酸电池在过去比较常用,现在逐渐为锂电池所取代,其共同特点是存在着电化学变化,因此该方式属于化学储能。

1.7氢储能

其最常应用于燃料电池中,无论是充电还是放电,都发生了氧化还原反应,如图4所示,因此这属于化学储能。

图4氢燃料电池结构原理示意图

综上所述,只有超导和超级电容的存储方式为直接储存电磁场能量,除此之外电站都是使用其他形式储存电能,其工作原理是完成电能和其他能量的互相转换。

2各种电能储存技术的特点

2.1抽水储能电站

自20世纪90年代起,意大利和瑞士就开始使用抽水储能方式储存电能,距今已有100多年的历史。对于当前存在的电力系统峰谷难题,解决方式之一就是建设抽水储能电站。这种水电站的工作方式是使用一定量的水当作能量载体,然后将其转换为电能提供至电力系统。其可以将电力负荷低谷期和丰水期的过剩电能进行存储,工作原理是将水从下水库中抽取到上水库,使用位能的形式保存电能。这些过剩的电能可以在电力系统负荷高峰期和枯水期,被输送至电力系统中。综上所述,抽水储能电站有双重身份,其既可以作为电力用户来存储低谷电能,同时也可以作为水电站提供峰荷电力。

其优势表现为,经过长期的发展,技术相当成熟,具有一定的可靠性和大容量性,但受限于水库库容。如果抽水储能和风电系统合作,并结合火电机组,建立含抽水储能的风一水一火联合机组,可以节省抽水储能有限的调节资源,提高火电机组备用响应的有效性,并且可以避免火电机组的频繁启停。

其不足之处在于,受地理位置限制严重,必须有合适的位置可以分别建设高低水库。除此之外,在抽水和发电的过程中都存在一定的能量损失,并且在地理位置的制约下,通常无法靠近负荷中心。除电能损失之外,如果系统因为重大事故导致无法正常工作,抽水储能电站也无法发挥作用。例如在抽水调相工况下发生失磁时,现有的失磁保护有缺陷,机组励磁不能及时切换,不利于系统的稳定运行。

2.2压缩空气储能

20世纪50年代出现了压缩空气储能电站,其可以存储廉价的电力,然后输送至用电高峰期的电力系统中。其工作原理为借助于电力负荷低谷期的过剩电能驱动压缩机运转,使空气能够将地下储气库充满,需要使用的时候,释放储存的空气即可驱动发电机发电。其工作原理类似于抽水储能,最早应用于气动工具,只要具有足够的规模,即可有效解决峰谷差问题。最为关键的就是寻找适合的场所来存储压缩空气,类似的场所包括废气矿井和具有较好密封性的山洞等。

现阶段,全球范围内仅有几个国家成功建设了示范性压缩空气储能电站。摆脱对可提供热源的天然气等化石燃料、大型洞穴的依赖,同时提高系统效率,是压缩空气储能广泛应用的关键问题。

2.3飞轮储能

飞轮储能（电池）内置电机可以用作发电机和电动机。当进行电能储存的时候,其可以发挥电动机的作用,实现飞轮加速:当输出电能的时候,其可以发挥发电机的作用,为外部设施供电,降低飞轮转速:当飞轮停止工作的时候,系统保持最小损耗运行。其主要借助于飞轮的加减速来完成充放电,应用了变速恒频的电力电子技术,因此输出电能频率不会发生改变。

除此之外,飞轮机组还可以作为单元型机组使用,能够结合实际需求进行组合,形成的装置具有更大的功率,并且能够在负荷周围进行安装。这种用法既可以结合实际需求完成相应的扩展,又能够保证电能不发生损耗。

飞轮储能系统对电网频率调节控制的效果优异,能够有效提高电网频率稳定性,保证电网运行的可靠性和安全性。

通常情况下,使用碳纤维材料制作飞轮,因为其实际转速可以达到40000～500000r/min,这是其他材料制作的飞轮达不到的转速。除此之外,其不仅重量轻,而且强度高,有效降低了系统重量,并且充放电过程中的能量损耗尤其是摩擦力损耗也显著下降。电机和飞轮均选择应用了磁轴承,其优点是悬浮状态能够有效减少机械摩擦:二者在真空容器中运行,有效减小了空气摩擦。这种情况下,飞轮电池能够获取约为95%的净效率。

对于该领域的专家学者而言,其研究的重点是研发复合材料和超导磁悬浮技术。前者可以有效提升储能密度,并实现系统体积和重量的缩减:后者是目前最主要的降低损耗的方式。

2.4磁场储能)超导线圈储能）

磁场储能指的是将电流输入至电感中储存磁场能。其与电力系统借助于换流器相连,换流器具有快速高效的特点。

超导线圈之所以具有较高的储能效率,是因为其在运行状态下不存在任何电阻。除此之外,相较于常规线圈,超导线圈具有更高的电流密度和储能密度。不仅如此,其还具有非常快的响应速度,这是因为其仅受到控制回路时间常数和换流器开关时间的制约,尤其适用于电力系统的暂态过程等瞬变状态。

其不足之处在于,必须配置深冷设备,就算是高温超导线圈的运行也无法脱离液氮温度。现阶段,超导线圈储能技术的应用还存在诸多困难,需要进行大量的研究,包括其成本、制作材料、性能等。如果对励磁线圈进行优化设计,可以削弱最大垂直磁场,提高临界电流,并能提高超导带材的利用率。

2.5电场储能)超级电容储能）

电场储能指的是借助于电容器的电荷存储能力完成电能的存储。传统电容器的缺点是电容量过小,因此仅能应用于弱电和高压脉冲技术领域。超级电容器问世之后,其可以应用于能源领域。超级电容器,顾名思义具有超级大的电容量,其电介质的介电常数极高,能够制作小体积的电容器,单位为法拉,相较于普通电容器,数量级显著增加。

相较于超导线圈,电容储能器具有更快的充放电速度,并且无须配置深冷设备。其不足之处在于,电介质耐压水平比较低,采用其制作的电容器耐压仅为几伏。

当前研究的主要方向包括两个方面,首先随着电压的不断增加,储能能够成平方地增加:其次,超级电容器往往工作电压比较低,所以在实际应用中,多个电容器需要串联应用,因此其充放电控制回路需要增多,确保所有电容器都能够获得最佳工作条件。

基于上述特点,超级电容储能将被广泛应用于交通和能源领域。例如将超级电容储能与光伏系统组合成一种混合级联型光伏逆变器,超级电容储能单元既可以平抑有功功率波动,又可以通过输出无功功率来扩大光伏单元的输出电压调节范围,有利于光伏系统的稳定运行和提高供电可靠性。再如将超级电容储能系统应用到永磁直驱风电系统的直流侧,并配上合适的控制策略,可以改善风电机组的低电压穿越能力。

2.6可充电电池储能

可充电电池储能又被称为"二次电池"或"蓄电池",其本质为电化学储能。过去在价格和储能密度等因素的制约下,可充电电池储能并不在储能领域考虑范围。然而,随着科学技术的不断发展,可充电电池得到了越来越广泛的应用,其已经成为风力和太阳能等独立运行的发电站中不可或缺的储能装置。

可充电电池种类繁多,其中最为常见的就是铅酸电池,目前该类电池的代表为密封型免维护铅酸电池:同时,碱性电池也不断更新换代,镍氢电池逐渐取代了传统的镍镉电池。对比铅酸和碱性电池可以发现,前者的特点包括具有比较大的容量,结构比较坚固,能够多次进行充放循环:其不足之处在于价格更贵,导致其无法在能源领域广泛使用。铅酸电池亟需在轻量化、长寿命、低成本、快充等方面再来一次技术革命,未来必须借鉴如材料科学、电子技术等多种学科的先进技术及先进理念,才能在日益激烈的竞争中获得一席之地。

最近几年,最为常用的就是锂离子二次电池,其性能良好,彻底解决了充电电池普遍存在的充放电记忆效应问题,使用更加方便,同时其制作过程几乎不会产生污染,因此又被称为"绿色电池"。其不足之处在于价格高昂,假如可以在提升储能密度的同时实现成本的缩减,其应用于供电设备储能领域的可能性也就更大。同时还需考虑其安全可靠性,提高电池能量密度和保障安全性,这两项是相互对立的,解决锂电池安全问题之路任重而道远。

蓄电池与超级电容组成的新型混合储能系统的出现,既满足了直流系统的要求,又实现了蓄电池充放电的灵活控制,延长了蓄电池的使用寿命,提高了直流系统运行的技术经济性。

2.7氢储能燃料电池

在燃料电池成功研发的基础上,提出了氢储能的概念,现阶段,燃料电池已经能够实际应用于能源供应领域。

氢储能的优势表现为:首先,具有非常高的能量,氢的发热值仅次于核燃料:其次,具有良好的燃烧性能,能够快速点燃:再次,氢气属于绿色纯净能源,具有无色、无臭、无毒的特点,其燃烧产物主要是水,此外包含极少的氮化氢,不会产生有害物质,例如C0、C02、碳氢化合物、铅化物和颗粒粉尘等,而少量的氮化氢在处理之后也不会对环境造成污染,且它燃烧后生成的水可以用来制备氢气,能够循环利用:最后,有多种不同的利用方式,包括气态、液态、固态金属氢化物3种不同的形态,能满足不同的存储和使用需求。

基于上述优点,氢储能是当前专家学者研究的主要对

象。通过建立氢燃料电池模型,可得到氢电池的电压输出特性和功率特性,再配上合适的控制系统,可以有效抑制系统振荡,提高系统的稳定性。

目前,东莞市麻涌镇已经聚集了氢蓝时代、中汽宏远、祥鑫科技新能源汽车零部件等相关氢能产业链企业:未来,将着力打造更大规模的企业集群,构建东莞氢能产业发展的核心力量。依靠氢能产业,东莞将走出一条特色发展之路,在全国层面树立一个标杆。

3结语

通过以上介绍可知,发电站发出的多余电能是可以被储存的,只不过因为系统设计和运行因素的制约,电能不能大量储存。当前电力系统的建设和发展目标主要包括环保、可靠、高效灵活等,其中重要的一环就是电能储存技术的实现,其不仅可以实现电能质量的提升,同时还可以为供电的可靠性提供保障。对于风能、太阳能等可再生资源而言,其需要以电能储存技术的削峰填谷能力为基础完成大规模并网。

2020年9月,中国向世界宣布了2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和的目标。实现碳中和目标,时间短,任务重。未来新能源发电将成为实现碳中和目标的关键路径,而大部分可再生能源都具有间歇性的特点,假如完全依靠可再生能源提供不间断的电力,配套储能系统将是唯一选择。

2021年6月,西门子与协鑫集团签署了战略合作协议,将在可再生能源制氢方面开展合作,共同在该领域打造数字化超级工厂。西门子在引领全球低碳产业发展方面积累了丰富且可借鉴的经验,期待其能够为中国推进碳中和进程贡献一份力量。