儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展

伍賽特

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0 引言

目前，人類所使用的大部分能源都是以不同形式儲(chǔ)存下來的太陽能。煤炭、石油、天然氣等化石能源是太陽能在數(shù)十億年時(shí)間里所累積的產(chǎn)物，而水能、風(fēng)能等可再生能源則是太陽能以年為單位累積的產(chǎn)物。

自然界中的能源供給通常是不均衡的，由地理位置、季節(jié)氣候等自然條件決定。能源的需求同樣不均衡，且時(shí)常與能源的供給完全不匹配。因此，在能源供給和需求之間迫切需要一種裝置，以實(shí)現(xiàn)能量在空間和時(shí)間上的轉(zhuǎn)移，這就是儲(chǔ)能。

1 儲(chǔ)能技術(shù)

廣義的儲(chǔ)能是指通過某種介質(zhì)和裝置，把以電能、熱能、機(jī)械能、化學(xué)能等為代表的某一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量存儲(chǔ)起來，在需要的時(shí)候再將其轉(zhuǎn)化為特定形式的能量并釋放出來的一系列的技術(shù)和措施，包括煤、石油、天然氣等化石能源及電力、熱能、氫能、成品油等二次能源的存儲(chǔ)。

狹義的儲(chǔ)能多指電能的存儲(chǔ)。因?yàn)殡娔苁悄壳皯?yīng)用最廣泛的二次能源，所以儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)換大多與電能的生產(chǎn)、利用和消耗相關(guān)。電能的存儲(chǔ)是儲(chǔ)能中最為重要的形式。

隨著第一塊電池——“伏特電堆”的出現(xiàn)，開始把儲(chǔ)能與電緊緊地聯(lián)系在一起。而鉛酸電池的發(fā)明則逐漸揭開了工業(yè)儲(chǔ)能的序幕。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，電力行業(yè)的高速發(fā)展、電子產(chǎn)品的快速普及以及可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用驅(qū)動(dòng)著儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展，各種新型儲(chǔ)能技術(shù)不斷涌現(xiàn)，儲(chǔ)能向著大型化、高效率、低成本的方向發(fā)展。

2 儲(chǔ)能技術(shù)的分類

按照不同的分類方法，儲(chǔ)能技術(shù)可進(jìn)行如下分類。

1）按照儲(chǔ)能原理分類，儲(chǔ)能可分為機(jī)械能儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電氣類儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能以及化學(xué)類儲(chǔ)能等。

其中，機(jī)械能儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣和飛輪儲(chǔ)能。電化學(xué)儲(chǔ)能主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池等電池儲(chǔ)能技術(shù)[3-8]。電氣類儲(chǔ)能包括超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能。熱儲(chǔ)能主要指通過利用水等相變材料將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿膬?chǔ)能方式[9]。化學(xué)類儲(chǔ)能主要是指利用氫（H2）或合成天然氣（SNG）作為次級(jí)能量載體的儲(chǔ)能方式。

2）按照儲(chǔ)能時(shí)間長短分類，儲(chǔ)能可分為：短時(shí)儲(chǔ)能，通常放電時(shí)間為數(shù)秒到數(shù)分鐘。中期儲(chǔ)能，通常放電時(shí)間為數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)。長期儲(chǔ)能，通常放電時(shí)間為數(shù)小時(shí)到數(shù)天。

3）按照儲(chǔ)能功能分類，儲(chǔ)能可分為能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能。能量型儲(chǔ)能特點(diǎn)是比能量高，放電相對(duì)較慢，主要用于較大能量輸入和輸出的場合；功率型儲(chǔ)能特點(diǎn)是比功率高，以高放電率快速放電，主要用于瞬間高功率輸入和輸出的場合[1-2]。

3 儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與發(fā)展

3.1 儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行必須時(shí)刻保持發(fā)電與負(fù)荷之間的動(dòng)態(tài)平衡，也就是“即發(fā)即用”。因此，電力系統(tǒng)的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行保障等都遵循“供需平衡”的基本原則。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提升，電力系統(tǒng)中的高峰負(fù)荷也在持續(xù)大幅增加。為了滿足這些短時(shí)間的高峰負(fù)荷，發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)公司只能不斷地增加投資發(fā)電、輸電、配電等電力設(shè)備，這又導(dǎo)致電力系統(tǒng)整體負(fù)荷率偏低，電力資產(chǎn)綜合利用率也較低[10]。

對(duì)電力系統(tǒng)應(yīng)用而言，儲(chǔ)能的作用主要體現(xiàn)在功率等級(jí)及其作用時(shí)間上。儲(chǔ)能的作用時(shí)間是區(qū)別傳統(tǒng)電力系統(tǒng)即發(fā)即用設(shè)備的最顯著的標(biāo)志[11-13]，先進(jìn)、高效的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)能為這些問題的解決和電力系統(tǒng)升級(jí)改造提供有效的手段。

傳統(tǒng)化石能源的日益匱乏和環(huán)境的日趨惡化，驅(qū)使以火力發(fā)電為代表的傳統(tǒng)發(fā)電方式按照用電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度。以風(fēng)能、太陽能為代表的可再生能源的發(fā)電方式則取決于自然資源條件，具有天生的波動(dòng)性和不確定性，調(diào)節(jié)控制難度較大。先進(jìn)、高效的大規(guī)模儲(chǔ)能可在很大程度上緩解可再生能源發(fā)電的不確定性和波動(dòng)性，使間歇性、低能源密度的可再生能源得到更廣泛的利用。

規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用貫穿于電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電和用電各個(gè)環(huán)節(jié)可滿足高峰負(fù)荷的供電需求，有效減少發(fā)電廠和電網(wǎng)不必要的重復(fù)建設(shè)，提高現(xiàn)有發(fā)電裝機(jī)容量的利用率和電網(wǎng)運(yùn)行效率，可有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障，提升用電可靠性。實(shí)施削峰填谷、計(jì)劃跟蹤、平滑輸出等策略，可有效降低可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性和不確定性，減少棄風(fēng)、棄光造成的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車規(guī)模化使用，并通過“梯次利用”等技術(shù)實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的有效配合。總上所述，規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)能改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)必須供需瞬時(shí)平衡的傳統(tǒng)模式，在未來的能源革命中將發(fā)揮越來越重要的作用。

3.2 基于我國電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的研究

目前，我國電力系統(tǒng)廣泛采用集中式供電方式，發(fā)電中心與負(fù)荷中心在空間上往往存在較長距離，電能需求曲線與供給曲線在時(shí)間上也不匹配，導(dǎo)致電力系統(tǒng)效率低下。

在可再生能源并網(wǎng)方面，以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源發(fā)電普遍存在波動(dòng)性和不確定性，大量并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生沖擊。儲(chǔ)能系統(tǒng)可對(duì)可再生能源發(fā)電進(jìn)行能量緩沖與調(diào)節(jié)，以便更好地被電網(wǎng)所接納，從而提高可再生能源發(fā)電利用率。

從電網(wǎng)側(cè)看，如果通過新增發(fā)電和輸配電設(shè)備的方法來滿足不斷增加的高峰負(fù)荷，則需要增加昂貴的設(shè)備投資，同時(shí)擴(kuò)容的容量利用率非常低。此外，傳統(tǒng)的火力發(fā)電站、水力發(fā)電站及核電站對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)時(shí)間較長，因此，通過增加設(shè)備容量的方法難以做到對(duì)需求的快速響應(yīng)。為此，建設(shè)包括抽水蓄能電站在內(nèi)的各類大型儲(chǔ)能電站進(jìn)行電力調(diào)峰和電能質(zhì)量優(yōu)化，可以起到能量緩沖的作用。

從用戶側(cè)看，隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，一些重要的用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量提出了更高要求。儲(chǔ)能系統(tǒng)可對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、頻率偏移、諧波、三相不平衡等電能質(zhì)量問題進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)斷電、電涌等突發(fā)事故提供應(yīng)急保護(hù)，有助于滿足用戶更高的用電要求。

考慮到規(guī)模化儲(chǔ)能對(duì)我國能源發(fā)展和能源保障的重要意義，近年來國家頻繁出臺(tái)了針對(duì)儲(chǔ)能的利好政策，極大地促進(jìn)了我國儲(chǔ)能的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

強(qiáng)有力的政策驅(qū)動(dòng)了儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展。目前，許多兆瓦級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已進(jìn)行了示范運(yùn)行。繼張北風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程之后，陸續(xù)出現(xiàn)了一大批有代表性的大規(guī)模儲(chǔ)能示范電站，如遼寧臥牛石5 MW 儲(chǔ)能電站、甘肅酒泉兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站、青海15 MW 儲(chǔ)能電站、深圳寶清兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站等。現(xiàn)階段，規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)正逐步從試驗(yàn)示范邁向商業(yè)化應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率、高安全性、低成本、長壽命等關(guān)鍵技術(shù)也在逐漸被突破，未來規(guī)模化儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用具有非常光明的前景。

儲(chǔ)能已成為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略性支撐，在可再生能源、節(jié)能減排、分布式發(fā)電和微網(wǎng)、新能源汽車、能源互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都有著巨大的潛力。

4 結(jié)論及展望

從世界范圍看，現(xiàn)階段儲(chǔ)能仍處于發(fā)展的初期階段，但近年來我國儲(chǔ)能行業(yè)已呈現(xiàn)出多頭并進(jìn)的良好態(tài)勢：如傳統(tǒng)的抽水蓄能等儲(chǔ)能應(yīng)用規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大；超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容等電氣類儲(chǔ)能，鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池等電化學(xué)類儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等技術(shù)不斷優(yōu)化升級(jí)；儲(chǔ)熱、氫儲(chǔ)能等也取得了不小的進(jìn)展。

相關(guān)政策的不斷出臺(tái)和實(shí)施，儲(chǔ)能技術(shù)和工藝將得到快速提升，儲(chǔ)能成本也將大幅下降。在不遠(yuǎn)的未來，規(guī)模化儲(chǔ)能完全能夠利用自身效能實(shí)現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，走上可持續(xù)發(fā)展的道路。