間歇性可再生能源發(fā)電中的儲(chǔ)能技術(shù)研究

張淼

摘要：可再生能源發(fā)電是一種新型技術(shù)，但仍面臨電力時(shí)斷時(shí)續(xù)、電源不平衡等問題。儲(chǔ)能技術(shù)是解決這一問題最有效的辦法。它分析了各種儲(chǔ)能系統(tǒng)并解釋了主要的工作原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：間歇性;可再生能源;發(fā)電;儲(chǔ)能技術(shù)

一、抽水儲(chǔ)能

抽水發(fā)電廠是自1920年代以來使用的最古老的儲(chǔ)能技術(shù)。泵送蓄能應(yīng)有的上、下蓄水池，低電負(fù)荷時(shí)由上下池水庫泵送企業(yè)文化內(nèi)涵池蓄水，使電力轉(zhuǎn)換成重力勢(shì)能儲(chǔ)存，在尖峰時(shí)期則由上池蓄水泄量發(fā)電能。抽水蓄能電廠又稱為可逆泵水輪機(jī)，能夠利用一個(gè)汽輪機(jī)組共同完成抽水與發(fā)電。它也可以用泵抽水，用水輪機(jī)發(fā)電。采用這種方法，水力發(fā)電廠就能夠在幾分鐘內(nèi)將運(yùn)行方式和抽水模式之間轉(zhuǎn)換。抽水儲(chǔ)能技術(shù)是在供電系統(tǒng)中使用最為普遍的儲(chǔ)能技術(shù)。目前全國大約還有三百多個(gè)抽水蓄能系統(tǒng)正在運(yùn)營中，總裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了九十GW，約占全球總裝機(jī)容量的3%。可以建造任何容量（20兆瓦到2100兆瓦）。能量轉(zhuǎn)換效率大約在70%到80%之間，這取決于電廠的大小、上層和低層之間的高低差以及使用的渦輪。抽水蓄能的主要應(yīng)用范圍涉及負(fù)荷管理、能源管理、頻率控制和提供系統(tǒng)備份能力、響應(yīng)時(shí)長及其所需地形因素的可行性。

二、壓縮空氣儲(chǔ)能

CAES使用非高峰電力將空氣壓縮到容器中以進(jìn)行能量存儲(chǔ)。電能用途在低供電負(fù)載期間壓縮空氣，于廢棄礦井、已沉沒的海底貯氣罐、溶洞、過期石油井以及新增的貯氣井中對(duì)空氣實(shí)施高壓密閉，壓縮空氣供給動(dòng)力。在電網(wǎng)系統(tǒng)高峰負(fù)荷時(shí)期，釋放能量以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)生產(chǎn)。要使風(fēng)電場在完全沒有風(fēng)的狀況下順利工作，電力公司就需要按照實(shí)際規(guī)模儲(chǔ)備電能，而采用更大電池則顯然是不切實(shí)際的。一個(gè)解決方案，就是使用風(fēng)能壓縮空氣或?qū)⑺鼉?chǔ)藏于容器內(nèi)或地底洞中，進(jìn)而使用所儲(chǔ)存的壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)發(fā)電廠。空氣加壓儲(chǔ)能發(fā)電廠的設(shè)計(jì)容量限制范圍是二十MW。使用三百五十MW，電能轉(zhuǎn)化效率大約為百分之七十三至百分之七十九。

三、蓄電池儲(chǔ)能

電池儲(chǔ)能也稱為“BESS”，代表電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。由一節(jié)或多節(jié)單節(jié)電池組成。每個(gè)單體包含固體或液體電解質(zhì)以及陽極和陰極。在非高峰時(shí)段，電池被充電，單個(gè)電池引起化學(xué)反應(yīng)，最后能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲(chǔ)存。電池在耗電量達(dá)到峰值時(shí)放電，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)入系統(tǒng)。電池容量從不到100瓦到幾兆瓦不等。能量的轉(zhuǎn)化利用率大約在百分之六十至百分之八十，具體取決于循環(huán)周期以及所采用的電化學(xué)形式。各種形式的電池用于各種的工業(yè)裝置。適合于動(dòng)力設(shè)備的能源動(dòng)力電池種類一般有鉛酸電池、鎳鎘電池、鈉硫電池、鋰離子電池，還有堿式能源動(dòng)力電池。北京普能世紀(jì)科技有限公司在中國生產(chǎn)的釩電池市場前景廣闊。正式名字為金屬釩氧化還原燃料電池（VRB），一個(gè)采用金屬釩的氧化還原燃料電池儲(chǔ)能體系。釩電池的能量以化學(xué)能的形態(tài)，貯存于不同價(jià)釩離子溶液的硫酸電解質(zhì)之中，其閉環(huán)中質(zhì)子轉(zhuǎn)移膜就成為了動(dòng)力電池組的隔膜。電化學(xué)反應(yīng)平行地發(fā)生于雙電極反應(yīng)過程表面，輸出電流被收集并經(jīng)由雙電極板傳遞，使貯存于溶劑中的化學(xué)物質(zhì)能轉(zhuǎn)換為能量。這些可逆的化學(xué)反應(yīng)過程，使得釩電池可以迅速完成充滿、釋放，以及重新充電。電池廣泛應(yīng)用于發(fā)電、輸電、配電和家庭用戶等電力系統(tǒng)的各個(gè)方面。

四、飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能設(shè)備，是一個(gè)進(jìn)行機(jī)電能源變換的儲(chǔ)能設(shè)備，它主要是由飛輪、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)以及能源電子三部分所構(gòu)成，它突破了傳統(tǒng)化學(xué)電池的束縛，直接通過物理方式貯存電能。利用電動(dòng)/發(fā)電雙向電機(jī)，使高速飛輪的電量與機(jī)械動(dòng)力互相轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)，并利用調(diào)制頻率、換到、恒壓和各類負(fù)載接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)。儲(chǔ)存的能量能力，和飛輪的質(zhì)量與速度的平方數(shù)成正比。

在儲(chǔ)能過程中，電能由功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)通過推動(dòng)飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)。翼輪以空氣動(dòng)力的形式貯存電能，從而實(shí)現(xiàn)了把機(jī)械能儲(chǔ)存為能量的過程，在高速運(yùn)動(dòng)的翼輪體內(nèi)貯存電能后，電動(dòng)機(jī)保持勻速，直到接受了電能釋放的控制信息后，在電能釋放時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的翼輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生能量。適合負(fù)載的電流和電壓通過功率轉(zhuǎn)換器輸出，實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能電能轉(zhuǎn)化的能量釋放過程。整個(gè)飛輪儲(chǔ)能體系，完成了能量的輸送、儲(chǔ)存與傳遞流程。

五、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能

SMES由放在低溫環(huán)境中的零點(diǎn)五超導(dǎo)技術(shù)輸入線圈所組成，低溫則由裝有液氦的低溫裝置或液氦容器進(jìn)行。超導(dǎo)線圈用來給電網(wǎng)供應(yīng)或儲(chǔ)存電網(wǎng)中形成的磁場電能，或在必要時(shí)候把所儲(chǔ)存的能量釋放回電網(wǎng)或進(jìn)行其他用途。放電期間導(dǎo)線冷至-269C，然后電流逐漸消失。這樣，就能夠傳導(dǎo)大電流而沒有產(chǎn)生熱損失。這種技術(shù)非常有吸引力，因?yàn)槌瑢?dǎo)線圈中沒有電阻損耗。

六、氫儲(chǔ)能

成本最低的儲(chǔ)能方式是以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存能量，因?yàn)閮?chǔ)存化學(xué)能的成本低。在這種情況下，電網(wǎng)更關(guān)注存儲(chǔ)的能量總量而不是效率。通常情況下，氫能源儲(chǔ)存系統(tǒng)包含一個(gè)電解槽單元。并使用非峰值電壓產(chǎn)生氫。隨后，氫氣被壓縮并保存在儲(chǔ)能體系中。有需求時(shí)，使用電池把在氫氣中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成能量。氫氣儲(chǔ)存成本低廉，并且它以液體而不是壓縮空氣的形式儲(chǔ)存。這是通過冷卻到非常低的溫度（約-453°F）來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)壓縮氣體可以儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐或地下蓄水池中時(shí)。低溫液體可以以氫化合物或其他化學(xué)形式儲(chǔ)存。儲(chǔ)氫的能量轉(zhuǎn)換效率約為60%至85%，具體取決于電解槽-燃料電池的工作壓力和整體效率。

結(jié)束語

風(fēng)能和太陽能等可再生能源發(fā)電是間歇性的，會(huì)在最需要或不需要的時(shí)候產(chǎn)生大量電力。電力調(diào)頻中頻率波動(dòng)發(fā)生頻率較高，調(diào)峰難度較大。儲(chǔ)能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，將有助于解決風(fēng)能和太陽能發(fā)電的瓶頸問題，減少了對(duì)供電線路容量支持的要求，以減輕了供電調(diào)峰壓力。同時(shí)，它也有助于減少風(fēng)電價(jià)格和太陽能市場的波動(dòng)，從而改善能源品質(zhì)，并減少了獨(dú)立電力系統(tǒng)的運(yùn)行成本和碳。這將是未來智慧電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。

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