電能儲存技術的分類及特點分析

摘 要：通過分析電網工作過程可以得知，其同時進行發電和供電工作。但對于熱電站來說，其發出的電能無法儲存，需要立即消耗掉，進而導致即使使用最大功率發電依然無法滿足用電高峰期的用電需求;與此同時，用電低谷期又造成了電力過剩，導致電力浪費。水力發電的特點是豐水期大量的水資源得不到充分利用只能排出，而到了枯水期，水資源的量又無法滿足發電的需求。這些問題也存在于風力和太陽能發電領域。因此，如何將剩余的電能進行儲存是非常值得研究和探討的問題。首先，對不同的電能儲存技術根據其能量轉換方式進行了分類;其次，對不同種類的電能儲存技術特點進行了系統介紹，并分析了其實際應用過程中存在的各種問題;最后，總結出電能儲存技術對于實現碳中和目標有很重要的實際意義。

關鍵詞：發電;供電;電能;儲存;高峰期;低谷期;豐水期;枯水期

0? ? 引言

電能是表示電流做多少功的物理量。日常生活中使用的電能，主要來自其他形式能量的轉換，包括水能、熱能、風能及光能等。電能也可以轉換成其他形式的能量。

我國是世界上電力生產最多的國家，也是發電量增幅最大的國家。2019年，全球發電量為26 990.64億kW·h，我國發電量達7 503.4億kW·h，占比27.8%，比2018年同期增長4.7%，穩居世界第一。發電廠發出的電能無法直接儲存，需要立即消耗掉，從而造成用電高峰期時電力需求無法滿足，而用電低谷期時電力過剩。研究如何將多余的電能儲存起來，是非常重大的民生問題。

1? ? 電能儲存技術的分類

根據能量守恒定律，無論是電能的儲存還是電能的釋放，都可以借助于物理變化完成。電能儲存可以根據不同的能量形式分為兩類，分別是物理形式和化學形式，如圖1所示。

下文在此基礎上討論如何用不同的形式儲存電能。

1.1? ? 抽水儲能

該類型電站的構成包括兩部分，即上水庫和下水庫，分別位于電站的上方和下方，這是一種機械儲能方式。上水庫中水的重力勢能可以借助于逆勢水輪發電機轉換為電能。

1.2? ? 壓縮空氣儲能

即密閉氣室當中存儲的空氣勢能可以借助于空氣壓縮機和渦輪機轉換成為電能，如圖2所示，這也是一種機械儲能方法。

1.3? ? 飛輪儲能

飛輪轉動所產生的動能可以借助于發電機或者電動機轉換成為電能，也屬于機械儲能。

1.4? ? 超導線圈儲能

利用磁場的方式將直流電存儲于超導螺旋管當中，如圖3所示，其屬于電感儲能方式。

1.5? ? 超級電容儲能

超級電容包括兩種，分別為雙電層電容和法拉第電容，其中雙電層電容能夠儲存電場能，其工作原理與普通電容相似;而法拉第電容的工作原理是氧化還原反應，從本質來看，其儲存的能量為化學能，但是無論其充電還是放電都具有電容特性。

1.6? ? 蓄電池儲能

鉛酸電池在過去比較常用，現在逐漸為鋰電池所取代，其共同特點是存在著電化學變化，因此該方式屬于化學儲能。

1.7? ? 氫儲能

其最常應用于燃料電池中，無論是充電還是放電，都發生了氧化還原反應，如圖4所示，因此這屬于化學儲能。

綜上所述，只有超導和超級電容的存儲方式為直接儲存電磁場能量，除此之外電站都是使用其他形式儲存電能，其工作原理是完成電能和其他能量的互相轉換。

2? ? 各種電能儲存技術的特點

2.1? ? 抽水儲能電站

自20世紀90年代起，意大利和瑞士就開始使用抽水儲能方式儲存電能，距今已有100多年的歷史。對于當前存在的電力系統峰谷難題，解決方式之一就是建設抽水儲能電站。這種水電站的工作方式是使用一定量的水當作能量載體，然后將其轉換為電能提供至電力系統。其可以將電力負荷低谷期和豐水期的過剩電能進行存儲，工作原理是將水從下水庫中抽取到上水庫，使用位能的形式保存電能。這些過剩的電能可以在電力系統負荷高峰期和枯水期，被輸送至電力系統中。綜上所述，抽水儲能電站有雙重身份，其既可以作為電力用戶來存儲低谷電能，同時也可以作為水電站提供峰荷電力。

其優勢表現為，經過長期的發展，技術相當成熟，具有一定的可靠性和大容量性，但受限于水庫庫容。如果抽水儲能和風電系統合作，并結合火電機組，建立含抽水儲能的風—水—火聯合機組，可以節省抽水儲能有限的調節資源，提高火電機組備用響應的有效性，并且可以避免火電機組的頻繁啟停[1]。

其不足之處在于，受地理位置限制嚴重，必須有合適的位置可以分別建設高低水庫。除此之外，在抽水和發電的過程中都存在一定的能量損失，并且在地理位置的制約下，通常無法靠近負荷中心。除電能損失之外，如果系統因為重大事故導致無法正常工作，抽水儲能電站也無法發揮作用。例如在抽水調相工況下發生失磁時，現有的失磁保護有缺陷，機組勵磁不能及時切換，不利于系統的穩定運行[2]。

2.2? ? 壓縮空氣儲能

20世紀50年代出現了壓縮空氣儲能電站，其可以存儲廉價的電力，然后輸送至用電高峰期的電力系統中。其工作原理為借助于電力負荷低谷期的過剩電能驅動壓縮機運轉，使空氣能夠將地下儲氣庫充滿，需要使用的時候，釋放儲存的空氣即可驅動發電機發電。其工作原理類似于抽水儲能，最早應用于氣動工具，只要具有足夠的規模，即可有效解決峰谷差問題。最為關鍵的就是尋找適合的場所來存儲壓縮空氣，類似的場所包括廢氣礦井和具有較好密封性的山洞等。

現階段，全球范圍內僅有幾個國家成功建設了示范性壓縮空氣儲能電站。擺脫對可提供熱源的天然氣等化石燃料、大型洞穴的依賴，同時提高系統效率，是壓縮空氣儲能廣泛應用的關鍵問題[3]。

2.3? ? 飛輪儲能

飛輪儲能（電池）內置電機可以用作發電機和電動機。當進行電能儲存的時候，其可以發揮電動機的作用，實現飛輪加速;當輸出電能的時候，其可以發揮發電機的作用，為外部設施供電，降低飛輪轉速;當飛輪停止工作的時候，系統保持最小損耗運行。其主要借助于飛輪的加減速來完成充放電，應用了變速恒頻的電力電子技術，因此輸出電能頻率不會發生改變。

除此之外，飛輪機組還可以作為單元型機組使用，能夠結合實際需求進行組合，形成的裝置具有更大的功率，并且能夠在負荷周圍進行安裝。這種用法既可以結合實際需求完成相應的擴展，又能夠保證電能不發生損耗。

飛輪儲能系統對電網頻率調節控制的效果優異，能夠有效提高電網頻率穩定性，保證電網運行的可靠性和安全性[4]。

通常情況下，使用碳纖維材料制作飛輪，因為其實際轉速可以達到40 000～500 000 r/min，這是其他材料制作的飛輪達不到的轉速。除此之外，其不僅重量輕，而且強度高，有效降低了系統重量，并且充放電過程中的能量損耗尤其是摩擦力損耗也顯著下降。電機和飛輪均選擇應用了磁軸承，其優點是懸浮狀態能夠有效減少機械摩擦;二者在真空容器中運行，有效減小了空氣摩擦。這種情況下，飛輪電池能夠獲取約為95%的凈效率。

對于該領域的專家學者而言，其研究的重點是研發復合材料和超導磁懸浮技術。前者可以有效提升儲能密度，并實現系統體積和重量的縮減;后者是目前最主要的降低損耗的方式。

2.4? ? 磁場儲能（超導線圈儲能）

磁場儲能指的是將電流輸入至電感中儲存磁場能。其與電力系統借助于換流器相連，換流器具有快速高效的特點。

超導線圈之所以具有較高的儲能效率，是因為其在運行狀態下不存在任何電阻。除此之外，相較于常規線圈，超導線圈具有更高的電流密度和儲能密度。不僅如此，其還具有非常快的響應速度，這是因為其僅受到控制回路時間常數和換流器開關時間的制約，尤其適用于電力系統的暫態過程等瞬變狀態。

其不足之處在于，必須配置深冷設備，就算是高溫超導線圈的運行也無法脫離液氮溫度。現階段，超導線圈儲能技術的應用還存在諸多困難，需要進行大量的研究，包括其成本、制作材料、性能等。如果對勵磁線圈進行優化設計，可以削弱最大垂直磁場，提高臨界電流，并能提高超導帶材的利用率[5]。

2.5? ? 電場儲能（超級電容儲能）

電場儲能指的是借助于電容器的電荷存儲能力完成電能的存儲。傳統電容器的缺點是電容量過小，因此僅能應用于弱電和高壓脈沖技術領域。超級電容器問世之后，其可以應用于能源領域。超級電容器，顧名思義具有超級大的電容量，其電介質的介電常數極高，能夠制作小體積的電容器，單位為法拉，相較于普通電容器，數量級顯著增加。

相較于超導線圈，電容儲能器具有更快的充放電速度，并且無須配置深冷設備。其不足之處在于，電介質耐壓水平比較低，采用其制作的電容器耐壓僅為幾伏。

當前研究的主要方向包括兩個方面，首先隨著電壓的不斷增加，儲能能夠成平方地增加;其次，超級電容器往往工作電壓比較低，所以在實際應用中，多個電容器需要串聯應用，因此其充放電控制回路需要增多，確保所有電容器都能夠獲得最佳工作條件。

基于上述特點，超級電容儲能將被廣泛應用于交通和能源領域。例如將超級電容儲能與光伏系統組合成一種混合級聯型光伏逆變器，超級電容儲能單元既可以平抑有功功率波動，又可以通過輸出無功功率來擴大光伏單元的輸出電壓調節范圍，有利于光伏系統的穩定運行和提高供電可靠性[6]。再如將超級電容儲能系統應用到永磁直驅風電系統的直流側，并配上合適的控制策略，可以改善風電機組的低電壓穿越能力[7]。

2.6? ? 可充電電池儲能

可充電電池儲能又被稱為“二次電池”或“蓄電池”，其本質為電化學儲能。過去在價格和儲能密度等因素的制約下，可充電電池儲能并不在儲能領域考慮范圍。然而，隨著科學技術的不斷發展，可充電電池得到了越來越廣泛的應用，其已經成為風力和太陽能等獨立運行的發電站中不可或缺的儲能裝置。

可充電電池種類繁多，其中最為常見的就是鉛酸電池，目前該類電池的代表為密封型免維護鉛酸電池;同時，堿性電池也不斷更新換代，鎳氫電池逐漸取代了傳統的鎳鎘電池。對比鉛酸和堿性電池可以發現，前者的特點包括具有比較大的容量，結構比較堅固，能夠多次進行充放循環;其不足之處在于價格更貴，導致其無法在能源領域廣泛使用。鉛酸電池亟需在輕量化、長壽命、低成本、快充等方面再來一次技術革命，未來必須借鑒如材料科學、電子技術等多種學科的先進技術及先進理念，才能在日益激烈的競爭中獲得一席之地[8]。

最近幾年，最為常用的就是鋰離子二次電池，其性能良好，徹底解決了充電電池普遍存在的充放電記憶效應問題，使用更加方便，同時其制作過程幾乎不會產生污染，因此又被稱為“綠色電池”。其不足之處在于價格高昂，假如可以在提升儲能密度的同時實現成本的縮減，其應用于供電設備儲能領域的可能性也就更大。同時還需考慮其安全可靠性，提高電池能量密度和保障安全性，這兩項是相互對立的，解決鋰電池安全問題之路任重而道遠[9]。

蓄電池與超級電容組成的新型混合儲能系統的出現，既滿足了直流系統的要求，又實現了蓄電池充放電的靈活控制，延長了蓄電池的使用壽命，提高了直流系統運行的技術經濟性[10]。

2.7? ? 氫儲能（燃料電池）

在燃料電池成功研發的基礎上，提出了氫儲能的概念，現階段，燃料電池已經能夠實際應用于能源供應領域。

氫儲能的優勢表現為：首先，具有非常高的能量，氫的發熱值僅次于核燃料;其次，具有良好的燃燒性能，能夠快速點燃;再次，氫氣屬于綠色純凈能源，具有無色、無臭、無毒的特點，其燃燒產物主要是水，此外包含極少的氮化氫，不會產生有害物質，例如CO、CO2、碳氫化合物、鉛化物和顆粒粉塵等，而少量的氮化氫在處理之后也不會對環境造成污染，且它燃燒后生成的水可以用來制備氫氣，能夠循環利用;最后，有多種不同的利用方式，包括氣態、液態、固態金屬氫化物3種不同的形態，能滿足不同的存儲和使用需求。

基于上述優點，氫儲能是當前專家學者研究的主要對象。通過建立氫燃料電池模型，可得到氫電池的電壓輸出特性和功率特性，再配上合適的控制系統，可以有效抑制系統振蕩，提高系統的穩定性[11]。

目前，東莞市麻涌鎮已經聚集了氫藍時代、中汽宏遠、祥鑫科技新能源汽車零部件等相關氫能產業鏈企業;未來，將著力打造更大規模的企業集群，構建東莞氫能產業發展的核心力量。依靠氫能產業，東莞將走出一條特色發展之路，在全國層面樹立一個標桿。

3? ? 結語

通過以上介紹可知，發電站發出的多余電能是可以被儲存的，只不過因為系統設計和運行因素的制約，電能不能大量儲存。當前電力系統的建設和發展目標主要包括環保、可靠、高效靈活等，其中重要的一環就是電能儲存技術的實現，其不僅可以實現電能質量的提升，同時還可以為供電的可靠性提供保障。對于風能、太陽能等可再生資源而言，其需要以電能儲存技術的削峰填谷能力為基礎完成大規模并網。

2020年9月，中國向世界宣布了2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和的目標。實現碳中和目標，時間短，任務重。未來新能源發電將成為實現碳中和目標的關鍵路徑，而大部分可再生能源都具有間歇性的特點，假如完全依靠可再生能源提供不間斷的電力，配套儲能系統將是唯一選擇。

2021年6月，西門子與協鑫集團簽署了戰略合作協議，將在可再生能源制氫方面開展合作，共同在該領域打造數字化超級工廠。西門子在引領全球低碳產業發展方面積累了豐富且可借鑒的經驗，期待其能夠為中國推進碳中和進程貢獻一份力量。

[參考文獻]

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[10] 謝本建，徐平，許錦蘭，等.直流供電系統中超級電容應用研究[J].電氣技術，2017（12）：122-125.

[11] 徐靖，趙霞，羅映紅.氫燃料電池并入微電網的改進虛擬同步機控制[J].電力系統保護與控制，2020，48（22）：165-172.

收稿日期：2021-08-12

作者簡介：黃俊（1982—），男，江蘇南京人，工程師，主要從事電力系統繼電保護的研發工作。