電力儲能技術發展和應用

張 翼

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

2011年3月11日發生在日本本州島以東的大地震引發的核泄漏事故，使得人們清醒地認識到推動更加安全的可再生能源發展的必要性，但是可再生能源發電，特別是風能發電具有明顯的間歇性、隨機性和可調度性低的特征，隨著風能發電的大規模并網應用，將對電力系統的安全穩定運行產生較大影響。因此，通過發展儲能技術來平抑可再生能源發電的不穩定性已在世界范圍內形成共識。儲能技術，尤其是大規模儲能技術可以減輕晝夜間電網峰谷差，平滑負荷，不僅可以提高電力設備運行效率，降低供電成本，還能促進可再生能源的應用，提高系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動等。儲能技術對于實現電網運營的安全可靠、經濟高效是不可或缺的。全球大容量儲能技術呈現多元化發展格局，儲能技術主要有化學儲能（如鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等）、物理儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）和電磁儲能（如超導儲能、超級電容器等）三大類。

1 化學儲能

1.1 鋰離子電池

鋰離子電池的陰極材料為鋰金屬氧化物，具有高效率、高能量密度的特點，并具有放電電壓穩定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應及無環境污染性等優點。鋰離子電池在電動汽車的應用方面有望成為后起之秀。另外，大容量鋰電池儲能電站正逐漸興起，美國在鋰離子電池的應用方面領先，美國電科院在2009年開展了MW級鋰離子電池儲能系統用于平滑風電場功率波動的示范應用，但目前鋰離子電池在大尺寸制造方面存在一定問題，過充控制的特殊封裝要求高，價格昂貴，所以尚不能普遍應用。目前世界上運行的最大鋰離子儲能系統是A123公司投資建設的，裝機容量為2 MW[1]。

1.2 鈉硫電池

鈉硫電池是以Beta-氧化鋁為電解質和隔膜，并分別以金屬鈉和多硫化鈉為負極和正極的二次電池。鈉硫電池儲能密度為140（kW·h）/m3，體積減少到普通鉛酸蓄電池的1/5，系統效率可達80%，單體壽命已達15年，且循環壽命超過6000次，便于模塊化制造、運輸和安裝，建設周期短，可以根據用途和建設規模分期安裝，很適用于城市變電站和特殊負荷[2]。鈉硫電池最早發明于上世紀60年代中期。早期的研究主要針對電動汽車的應用目標，但長期的研究發現,鈉硫電池用作電動汽車等移動器具的電源時，其安全可靠性問題難以解決，而用作固定的電池儲能站更具有優勢。日本NGK公司是國際上鈉硫儲能電池研制、發展和應用的主要機構。2002年NGK公司開始了鈉硫電池的商業化生產和供應。2004年7月當時世界上最大的鈉硫電池儲能站（9.6 MW/57.6 MW·h）在日本 Hitachi自動化系統工廠正式投入運行。目前，在全球NGK已有100余座鈉硫電池儲能站正在運行[3]。

國內鈉硫電池的研究始于上世紀六十年代末，在初期其發展幾乎與國外先進水平同步，研究單位也很多，但在隨后的二十余年中，國內鈉硫電池的研究僅局限于電動車動力用蓄電池。直到2005年上海硅酸鹽研究所與上海市電力公司合作，開展大容量鈉硫電池的研究。2009年11月，成功地研制出具有自主知識產權的容量為650 A·h的鈉硫儲能單體電池，使我國成為繼日本之后世界上第二個掌握大容量鈉硫單體電池核心技術的國家。現已建成2 MW大容量鈉硫單體電池中試生產示范線，并成功研制100 kW級的鈉硫電池儲能系統，進入2010年上海世博會展示。但至今尚未實現大容量鈉硫儲能電池的產業化發展。

1.3 液流電池

液流電池，與通常蓄電池的活性物質被包容在固態陽極或陰極之內不同，液流電池的活性物質以液態形式存在，既是電極活性材料又是電解質溶液，它可溶解于分裝在兩大儲液罐的溶液中，由各個泵使溶液流經液流電池，在離子交換膜兩側的電極上分別發生還原和氧化反應。其中全釩氧化還原液流電池是通過不同價態的釩離子相互轉化實現電能的儲存與釋放，是眾多化學電源中惟一使用同種元素組成的電池系統，從原理上避免了正負半電池間不同種類活性物質相互滲透的產生，污染小；它將正負半電池電解液中的活性物質分別儲存在不同的儲槽中，完全避免電解液保存過程的自放電消耗，效率高；電池正負極反應均在液相中完成，充放電過程僅僅改變溶液中釩離子狀態，沒有外界離子參與電化學反應，理論上可以進行無限次任意程度的充放電循環，壽命長。此外，全釩液流電池具有能量效率高、蓄電容量大、可實現快速充放電等優點。

全釩液流電池是惟一成功通過了3年以上風能發電并網應用示范的兆瓦以上級電化學儲能系統[4]，已經實現商業化運作，能夠有效平滑風能發電功率,在日本運營的容量為4 MW的全釩液流電池為當地32 MW的風電場提供儲能，并已運行27萬次循環，世界上還沒有任何其他儲能技術能夠實現這一要求。全釩液流電池系統研發的先驅為澳大利亞新南威爾士大學。日本住友電氣工業公司、加拿大VRB Power Systems等公司進行全釩液流電池儲能系統的商業化開發[5]。對于釩電池的研究，國內始于20世紀90年代末期，一些高校和研究所參與其中，但起初研究基本局限在用電化學手段進行相關機理及電池原理等方面的探討方面。后來中科院大連化物所開發的100 kW/200 kW·h全釩液流儲能電池系統是目前國內自主技術開發的最大一套液流儲能電池系統。2008年10月，北京的普能公司收購了世界知名的儲能公司加拿大VRB公司。從而擁有了VRB公司23年研發積累的所有專利、商標、技術秘密、設備等，VRB的核心技術團隊也加入了合并后的公司，并第一次使得中國公司在全球儲能商用技術領域走在全球最前沿。

2 物理儲能

2.1 抽水蓄能

抽水儲能是在電力系統中發展最成熟、應用最為廣泛的一種儲能技術，抽水儲能電站投入運行時必須配備上、下游兩個水庫（上、下池），負荷低谷時段抽水儲能設備工作在電動機狀態，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，負荷高峰時抽水儲能設備工作于發電機的狀態，利用儲存在上游水庫中的水發電。抽水儲能電站可以按照一定容量建造，儲存能量的釋放時間可以從幾小時到幾天，綜合效率在70%～85%。但抽水蓄能電站一次性投資費用巨大，建設受到地形制約，當電站距離用電區域較遠時輸電損耗較大。

日、美、西歐等國家和地區在20世紀60～70年代進入抽水蓄能電站建設的高峰期。到目前為止，美國和西歐經濟發達國家抽水儲能機組容量占世界抽水蓄能電站總裝機容量55%以上，其中美國約占3%，日本則超過了10%[6]。未來抽水蓄能電站的重點將著眼于運行的可靠性和穩定性，在水頭變幅不大和供電質量要求較高的情況下使用連續調速機組，實現自動頻率控制。提高機電設備可靠性和自動化水平，建立統一調度機制以推廣集中監控和無人化管理，并結合各國國情開展海水和地下式抽水蓄能電站關鍵技術的研究。

2.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能電站（CAES）是一種調峰用燃氣輪機發電廠，主要利用電網負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在典型壓力7.5 MPa的高壓密封設施內，在用電高峰釋放出來驅動燃氣輪機發電。CAES建設投資和發電成本均低于抽水蓄能電站，但其能量密度低，建設受地形制約，對地質結構有特殊要求。CAES儲氣庫漏氣開裂可能性極小，安全系數高，壽命長。壓縮空氣蓄能發電系統的關鍵是氣室的密封性、經濟性、可靠性等。

世界上第一座商業運行的CAES是1978年投入運行的德國Huntorf電站，目前仍在運行中。機組的壓縮機功率為60 MW，釋能輸出功率為290 MW，系統將壓縮空氣存儲在地下600 m的廢棄礦洞中。機組可連續充氣8 h，連續發電2 h。1991年投入商業運行的美國Alabama州Mclntosh的CAES，其地下儲氣洞穴在地下450 m，壓縮機組功率為50 MW，發電功率為110 MW，可以實現連續41 h空氣壓縮和26 h發電。另外日本、意大利、以色列等國也分別有CAES正在建設過程中[7]。我國對壓縮空氣儲能系統的研發起步較晚，但對壓縮空氣儲能系統的研究，逐漸受到相關科研院所、電力企業和政府部門的重視。

2.3 飛輪儲能

飛輪儲能系統由高速飛輪、軸承支撐系統、電動機/發電機、功率變換器、電子控制系統和真空泵、緊急備用軸承等附加設備組成。谷值負荷時，飛輪儲能系統由工頻電網提供電能，帶動飛輪高速旋轉，以動能的形式儲存能量，完成電能-機械能的轉換過程；出現峰值負荷時，高速旋轉的飛輪作為原動機拖動電機發電，經功率變換器輸出電流和電壓，完成機械能-電能轉換的釋放能量過程。飛輪儲能功率密度大于 5 kW/kg，能量密度超過 20 （W·h）/kg，效率在90%以上，循環使用壽命長達20年，工作溫區為-40～50℃，無污染，維護簡單，可連續工作，積木式組合后可以實現MW級，主要用于不間斷電源（UPS）/應急電源（EPS）、電網調峰和頻率控制[6]。

近年來人們對飛輪轉子設計、軸承支撐系統和電能轉換系統進行了深入研究，高強度碳素纖維和玻璃纖維材料、大功率電力電子變流技術、電磁和超導磁懸浮軸承技術極大地促進了儲能飛輪的發展。機械式飛輪系統已形成系列產品，如Active Power公司 100～2000 kW CleanSource 系列、Pentadyne公司 65～1000kV·A VSS 系列、Beacon Power公司的25MWSmartEnergyMatrix和SatConTechnology公司315～2200kV·A系列。高溫超導磁浮軸承摩擦系數達10-7量級，在此基礎上，1 MW·h超導飛輪已于1997年研制成功。1999年歐洲Urenc Power公司利用高強度碳纖維和玻璃纖維復合材料制作飛輪，轉速42000 rad/min，2001年1月系統投入運行，充當UPS，儲能量達到18 MJ。美國波音公司Phantom工廠研制的高溫超導磁浮軸承100 kW/5 kW·h飛輪儲能裝置，已用于電能質量控制和電力調峰。

國內在飛輪研究方面,上世紀80年代初期,中國科學院電工研究所就開始飛輪儲能系統研究探索，之后從90年代中期，國內飛輪儲能技術逐步興起，研究的單位也隨著新能源的需求不斷地增加，在飛輪儲能的各個領域內也取得了一些進展。與國外相比，國內在復合材料性能、軸承技術和電能轉換效率和實驗研究方面存在明顯的差距，總的來說，國內理論研究較多，工程實踐和實驗較少；理論分析與計算較為充分，實驗研究數據欠缺；國內在飛輪儲能的產品投入不足，開發還處于初級階段，目前國內只有樣機的問世，一直沒有產品進入市場[8]。

3 電磁儲能

3.1 超導儲能技術

超導儲能系統（SMES）是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網或其他負載的一種電力設施，它是一種新型高效的蓄能技術。超導蓄能系統主要由電感很大的超導蓄能線圈、使線圈保持在臨界溫度以下的氦制冷器和交直流變流裝置構成。當儲存電能時，將發電機組（如風力發電機）的交流電，經過交-直流變流器整流成直流電，激勵超導線圈。發電時，直流電經逆變器裝置變為交流電輸出，供應電力負荷或直接接入電力系統[8]。由于采用了電力電子裝置，這種轉換非常簡便，轉換效率高（≥96%）、響應極快（毫秒級），并且比容量（1～10 （W·h）/kg）、比功率（104～105kW/kg）大，可以實現與電力系統的實時大容量能量交換和功率補償[6]。它的儲能效率高達90%以上，遠高于其他儲能技術。和其他儲能技術相比，超導磁儲能仍很昂貴，除了超導本身的費用外，維持系統低溫導致維修頻率提高以及產生的費用也相當可觀。目前，在世界范圍內有許多超導磁儲能工程正在進行或者處于研制階段。

現世界上1～5 MJ/MW低溫SMES裝置已形成產品，100 MJ SMES已投入高壓輸電網中實際運行，5GW·h SMES已通過可行性分析和技術論證[1]。SMES的發展重點在于基于高溫超導涂層導體研發適于液氮溫區運行的MJ級系統，解決高場磁體繞組力學支撐問題，并與柔性輸電技術相結合，進一步降低投資和運行成本，結合實際系統探討分布式SMES及其有效控制和保護策略[6]。SMES在美國、日本、歐洲一些國家的電力系統已得到初步應用，在維持電網穩定、提高輸電能力和用戶電能質量等方面發揮了極其重要的作用。

3.2 超級電容器

超級電容器根據電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態的電極表面，電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構成雙電層電容[6]。超級電容器的電荷儲存發生在電極/電解質形成的雙電層上以及在電極表面進行欠電位沉積、電化學吸附、脫附和氧化還原產生的電荷的遷移。與傳統的電容器和二次電池相比，超級電容器的比功率是電池的10倍以上，儲存電荷的能力比普通電容器高，并具有充放電速度快、對環境無污染、循環壽命長、使用的溫限范圍寬等特點。但超級電容器價格較為昂貴，在電力系統中多用于短時間、大功率的負載平滑和電能質量峰值功率場合，如大功率直流電機的啟動支撐等，在電壓跌落和瞬態干擾期間提高供電水平[1]。在風力發電系統直流母線側并入超級電容器，不僅能像蓄電池一樣儲存能量，平抑由于風力波動引起的能量波動，還可以起到調節有功無功的作用。另外，超級電容器也正在作為電動汽車的新型儲能裝置。

國外對于超級電容器的研究起步比較早，在超級電容的研究及應用方面，美國、日本和俄羅斯走在世界的前列[9]。美國已有Maxwell Technology公司、加利福尼亞大學圣迭戈分校（UCSD）、Auburn大學、Los Alamos National Lab.（LANL）等單位在研制超級電容器。Maxwell公司生產的Power Cache超級電容器，已由通用汽車公司Allison Transmission Division組成并聯混合電源系統和串聯電源系統用于貨車和汽車上[10]。美國在2002年曾報道已制成270 V，534 F的 電 容 存 儲 系 統 （Capacitor bank system），通過對脈沖釋放率、脈沖密度、峰值釋放功率的調整，使電脈沖推進器 （Pulsed electric thruster）、電弧噴氣式伺服器（Arc jet actuator）等裝置能實現在脈沖狀態下達到任何平均功率水平的功率狀態。

日本的NEC/Tokin公司、松下公司均有系列超級電容產品，本田公司在其開發的第三代和第四代燃料電池電動車FCX2V3和FCX2V4分別使用了自行開發研制的超級電容器來取代二次電池，減少了汽車的重量和體積，使系統功率增加，同時可在剎車時回收能量[11]。

俄羅斯ECOND公司對超級電容已有20多年的研究歷史，該公司代表著俄羅斯的先進水平，其產品以大功率超級電容產品為主，適用于作動力電源，且有價格優勢。早在1996年俄羅斯Eltran公司就已研制出了采用純電容器作電源的電動汽車樣品，采用300個超級電容串聯，可載20人，充電一次可行駛12 km，時速25 km/h[12]。我國對超級電容器的研究起步比較晚，但是也取得了一定的成果，主要作為電動汽車的儲能裝置。

4 結束語

隨著風能、太陽能等可再生能源使用的日益普及，以及電網調峰、提高電網可靠性和改善電能質量的迫切需求，電力儲能系統的重要性日益凸顯。因此，電力儲能技術的應用前景非常廣闊。電力儲能技術為實現電網安全可靠、穩定運行的目標、解決風電等可再生能源發電并網對電網的影響和供用電不平衡等難題提供了解決方案。

[1]俞振華.大容量儲能技術的現狀與發展[J].中國電力企業管理，2009(7)：26-28.

[2]KAMIBAYASHI M,NICHOLS D K,OSHIMA T.Development Update of the NAS Battery[C].IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition,Yokohama,Japan，2002：1664-1668.

[3]溫兆銀.鈉硫電池及其儲能應用[J].上海節能，2007(2)：7-10.

[4]黃燕婷.先進儲能技術的發展態勢—訪中國科學院大連化學物理研究所研究員張華民[J].高科技與產業化月刊，2011(6)：44-47

[5]楊根生.液流電池儲能技術的應用與發展[J].湖南電力，2008(3)：59-62.

[6]張文亮，丘 明，來小康.儲能技術在電力系統中的應用[J].電網技術，2008，32(7)：1-9.

[7]陳海生.壓縮空氣儲能技術的特點與發展趨勢[J].高科技與產業化月刊，2011(6)：55-56.

[8]朱桂華，劉金波，張玉柱.飛輪儲能系統研究進展、應用現狀與前景[J].維特電機，2011(8)：68-71.

[9]翟楠松，張東來，徐殿國，等.超級電容國內外研究及應用現狀[J].儀器儀表學報，2007，28(8)：1-4.

[10]SIURA B.Ultra Capacitors Better Than Batteries for Hybrid Electric Vehicles[J].The Battery Man,2001,(9):16-23.

[11]ADRIAN S，ROLAND G.Principles and Applications of supercapacitors from State of the Srt to Future Trends[J].Proceeding PCIM,2000.

[12]海 云，李 薦，戴艷陽，等.新型能源器件—超級電容器研究發展最新動態[J].電源技術，2001，25(5)：369-370.