儲能技術在新能源電力系統中的運用探討

蒲楊

（貴州烏江能源集團有限責任公司 貴州 貴陽 550081）

目前，我國居民的用電需求日益增加，要應對這一壓力，就要有效提高新能源發電時的利用效率。在利用新能源進行發電的過程中，儲能技術是其中一個重要的部分。儲能技術的合理應用有利于保證整個電力系統的穩定使用，提高電能質量，保證電力需求，同時促進新能源電力系統的有效發展。

1 儲能技術在新能源電力系統中的應用價值

目前，我國在新能源開發與應用方面，使用較多的是自然能源，利用設備進行能源轉化，使自然界的能源可以保證電力系統有效運轉。在環境方面，這樣的方式較傳統的發電方式更為清潔，但缺點在于新能源的發電方式較為依賴環境的影響。例如：在利用太陽能進行發電時，會受到天氣及晝夜的制約，使得整個發電系統的穩定性難以保障；在利用風力進行發電時，會受到風力的制約，整個電網中風電裝機較小時，受到的影響小一些，但在風電裝機較大的情況下，環境影響格外明顯，發電量的波動較大，電網的運轉不穩定，甚至可能影響居民的用電水平。而儲能技術則是通過儲電或儲熱等不同的方式，將多余的能量暫時存儲起來，并在發電受到制約時進行釋放與應用，可以有效降低新能源發電過程中不穩定因素的影響，有效提高發電質量。此外，儲能技術在新能源電力系統的應用還可以有效促使依據居民需求進行發電與供應，在居民供電上更加靈活與環保。

2 新能源電力系統中常用儲能技術介紹

2.1 電化學儲能技術

電化學儲能技術在目前的新能源電力系統中較為廣泛，可以有效實現電力系統在運行過程中的儲能需要［1］。電化學儲能技術利用電池進行反應，使得電能和化學能之間相互轉化，有效滿足電力系統的儲能與發電需求，提高新能源發電系統的應用效率，促使電網系統的穩定運行。在利用電化學進行儲能的過程中，電池的選擇至關重要，不同種類的電池往往會產生不同的效果，因此，在實際工作中，需要根據不同的需求進行電池的選擇。目前較為流行的電池有3 種，分別為鉛酸電池、液流電池和鋰電池。鉛酸電池密封性較好，較為安全，便于維護，也是目前技術最為成熟的電池，但使用壽命較短，循環次數少，且容易造成污染；液流電池設計較為靈活，使用壽命長，安全性較，高操作也簡單方便，但缺陷在于占地面積較大，成本較高；鋰電池在使用時有較高的轉化效率，循環性能較好，使用壽命長，缺點在于成本較高，且有一定的安全隱患。因此，在具體的應用中，要依據電力系統的需要，結合各電池的特點，合理進行選擇。

2.2 物理儲能技術

物理儲能技術是目前常見的新能源電力系統儲能手段，主要分為抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能3種方式。其中，抽水儲能方式在3種方式中應用較為廣泛。

抽水儲能技術是利用水的勢能進行儲能，在建造時，需要在水流的上、下游建立2 個水庫，或者利用其他的方式使水流形成高度差，在需要發電時，利用水下落的能量進行發電，在發電量充裕時，利用電力及抽水設備將水從下游運到上游，從而實現勢能和電能的相互轉化。這項技術在我國已經較為成熟，原料獲取方便。但缺點在于對于地理環境的要求較高，能量損耗較大，且建設時的資金和時間成本較高。

壓縮空氣儲能是利用空氣的壓縮與膨脹實現電能的存儲與發電循環，這一技術方式需要的投資較少，不需要較高的維護費用，使用時較為靈活，沒有太大的污染。但對地形與地質的要求較高，且效率較低。

飛輪儲能技術是利用飛輪的高速與減速旋轉來實現能量的存儲與利用。儲能時，將電能轉化為機械能；發電時，將機械能轉化為電能。在應用過程中，由于飛輪儲能技術在真空的環境下進行，所以，損耗極小，壽命較長，沒有污染，充放電的速度快，應用范圍廣泛。但在安全方面需要付出較高的費用。

2.3 電磁儲能技術

電磁儲能技術主要包括超導電磁儲能和超級電容儲能等方式。（1）在使用超導電磁儲能技術時，是利用超導體電阻為零的特點，使超導線圈產生強力的磁場，直接將電磁能進行存儲，在有需要時送回［2］。這種儲能方式結構簡單，使用過程中損耗較小，使用壽命長，響應速度快。但由于超導磁儲能系統需要的超導材料價格昂貴，難以進行大規模的推廣。（2）超級電容器儲能技術分為雙電層型超級電容器、贗電容型超級電容器和混合型超級電容器，其中，雙電層型超級電容器在目前的市場上應用較為廣泛。超級電容器儲能技術使用壽命長，能量密度高，適用的溫度條件較為廣泛，安全可靠，在目前有較為廣泛的用途。

2.4 相變儲能技術

相變儲能技術的原理是利用相變材料對于熱量進行吸收和釋放，進而達到能量的存儲與釋放的效果［3］，主要分為電儲熱技術、熔融鹽儲熱技術和冰蓄冷技術。（1）電儲熱技術按照介質的使用不同，分為水儲熱技術和金屬儲熱技術。水儲熱技術以水為介質，取材容易，成本較低。金屬儲熱技術以金屬為介質，具備導熱系數高等優點。（2）熔融鹽儲熱技術成本價低，適用范圍廣，但利用率低。（3）冰蓄冷技術可以有效提高制冷效率，滿足制冷設備需要。

3 儲能技術在新能源電力系統中的應用方法

3.1 光熱發電系統

光熱發電是目前太陽能發電系統的一大方面。太陽能是目前最常使用的新型能源，其強大的可再生能力為發電提供了良好的保障。這種發電系統會將來自太陽的能量轉化為熱能，然后結合傳統的發電工藝，通過制冷或供熱的控制，使熱能做功，最后轉化為電能。目前的光熱發電系統有槽式系統、塔式系統和碟式系統。由于光熱發電中有將太陽能轉化為熱能的步驟，所以，在進行能量存儲時，可以廣泛采用相變儲能技術和其他儲電技術。不同形式發電系統可以采用不同蓄熱儲能媒介，例如：塔式光熱發電站可以采用熔鹽蓄熱儲能載體，美國110MW新月形沙丘塔式光熱電站就采用該儲能方案；槽式光熱電站可以導熱油為蓄熱儲能載體，美國280MW的Solana槽式光熱電站就是良好應用實例。從理論上來說，通過光熱發電過程中的儲能技術進行控制，在有限發電條件下，將多余的能量儲存，在沒有發電能力時，利用儲存的能量輸送電力，可以達到不間斷供電的效果。另外，儲能設備在光熱發電系統電力調峰、穩定電網方面具有一定的優勢［4］。

3.2 風能發電系統

風能是目前最普遍也最典型的新型能源，在能量的儲備資源上來說，風能儲備極其的豐富。風力發電主要是利用風力帶動葉片的轉動，驅使發電機進行發電，將風能轉化為機械能再轉化為電能。目前，利用風能進行發電已經有了較為廣泛的應用。在利用風力進行發電時，儲能裝置也是重要的一部分，儲能裝置可以有效穩定發電廠的發電效果，提升發電質量。在用電高峰期，發電廠可以利用儲能裝置進行調峰，滿足居民的用電需求；儲能裝備還可以安置在電源側，電網電力的輸送與調節可以更加靈活可靠、經濟有效，滿足用戶多樣化需求。

風電場功率波動是目前影響風電質量的原因之一。風速本身并不穩定，而這樣產生的電能的功率也就有很大的不確定性，如果波動較大，則會對電力系統的運轉產生不利影響［5］。而要平息或抑制風電廠的功率波動，可以安裝儲能設備，利用儲能設備在功率過大時進行儲能，在功率不足時進行放電，有效提高風力發電的穩定性。同時，為了進一步提高風電功率的穩定程度，還可以考慮在風機上安裝蓄電池。

此外，風電場閃變是風力發電質量不佳的主要原因之一。一般情況下，風速的快速變動、塔影效應、偏航誤差、風剪切等因素都有可能造成風電場的閃變，單臺風機發生該情況尚且不會造成較大的影響，但數量上增加就有可能對風力發電的質量有較大的影響。而要減小風電場閃變的影響，解決這個問題，可以考慮在風力發電設施中安裝儲能裝置。由于對于調節能力的要求較高，在實際應用中，一般以電磁儲能技術為主要應用方案，由于超導電磁儲能技術材料較為高昂，故超級電容儲能技術較為廣泛使用。通過儲能裝置的調控作用，可以有效遏制風力環境影響對發電質量的影響，提升發電質量。

在新能源綜合應用方面，“風光水火儲一體化”項目在我國多地進行規劃與建設。由于“風光水火儲一體化”存在多種表現形式，在使用時，可依據我國不同地區的不同資源特點進行靈活調節。在我國風資源、光資源與水資源較好的地區，普遍采用“風光水儲一體化”模式，使水、光、風能源互補穩定電力，目前，在我國西南較適合應用。“風光儲一體化”在應用方面較為廣泛，不需要考慮水資源及火電站等要求，而風光互補與儲能技術結合也讓該項目有更廣闊的應用空間與體驗。在風光火儲方面，由于火電限制，很難大規模實施，但有一定火電項目基礎的地區會為該項目發展提供良好前期基礎［6］。

另外，風光儲氫技術也是近年來清潔能源電力應用的重要方面。在這一領域，國外起步較早并有良好應用。這項技術是利用風電或光電將水電解，再將產生的氫氣儲存與發電應用，使產生電力更平穩。在制氫裝置中，存在3 種不同方式：堿性電解水制氫；高溫固體氧化物電解水制氫；固體聚合物電解水制氫。其中，堿性電解水制氫制備工藝簡單，造作容易，但在成本和能耗方面較高；高溫固體氧化物電解水制氫由于在高溫中進行，能耗較低，整個系統及制氫效率較高；而固體聚合物電解水制氫獲得氫氣純度較高，效率好，無污染且更安全，逐漸應用廣泛。此外，風電儲氫技術中多余的熱量可用于供暖，多出來的氫氣也可投入到天然氣中，方便居民使用。我國目前已經啟動風光儲氫示范項目，鼓勵與推動該項目發展，促進清潔能源發電過程中儲能技術應用。

3.3 光伏發電系統

光伏發電系統同樣是利用太陽能進行發電，但與光熱發電系統不同，該發電系統在進行運轉過程中不需要進行熱能轉化，而是與太陽能電池的原理相類似，直接在光子的影響下使電子移動，產生電勢差，完成電能轉化。與光熱發電裝置不同的是，這樣的發電方式產生的電為直流電，并且，由于該種發電方式沒有其他能量的參與，因此，在選擇儲能設備時，選擇面比較小。在具體應用中，主要采用蓄電池儲能、超級電容器儲能、飛輪儲能和超導電磁儲能4種方式。光伏發電有效抑制光照和環境溫度波動而導致光伏發電系統向電網輸出電力的波動，在電能穩定方面起到重要作用，也可作為斷電保護裝置對電子設備進行保護。另外，儲能技術可以有效增加太陽能消納能力。由于我國光伏發電系統普遍集中在地廣人稀的西北地帶，電能需要遠小于其他地區，導致棄光效應顯著，將儲能技術應用在電力系統中，可以在發電側進行有效應用，提高能源利用率。

3.4 電動汽車入網

目前，電動汽車入網技術在我國并沒有廣泛的研究與應用。電動汽車入網技術的核心思想在于電動汽車與電網之間的互動，將電動汽車作為儲能設備，電動汽車作為儲備能源能夠成為電網和可再生能源的緩沖，使其起到調和的作用。當電網的電量需求較高、負載過大時，有電動汽車向電網輸送電力，當電力需求較小且有過剩的發電量時，由電動汽車進行充電活動，避免電量浪費。這樣通過合理調度，可有效利用電動汽車充、放電對電網進行調節，實現電力系統的穩定運轉。國外某研究團隊對該項方式進行了實驗，結果表明，電動汽車入網技術對于電網確實有調節作用，但由于電動汽車不能進行統一的調動，其充電時間和地點具有較強的隨機性，因此，調控效果無法得到有效保障，另外，大量電動汽車的介入對于電網的穩定性與安全性造成了沖擊，目前沒有較好的解決方案。但該項研究依然有其進步的意義，在能夠解決電動汽車充電時間、地點上的控制、合理的電網調度、高品質電動汽車電池等方面的問題后，將電動汽車入網，可以有效抵消新能源電力系統的不確定性，促進電網的穩定運轉。

3.5 其他不同的供電場所

目前，在電力系統的工作中，往往會有不同供電場所，其需求也各不相同，因此，其儲能系統的應用也應根據供電場所的不同進行調整。在電力調頻調壓系統方面，由于局部電壓在短時間內的大幅波動，因此，在儲能設備的選用時，要注意短時間內電能調節的功率范圍，可以采用超級電容儲能技術或者其他電池進行儲能。在針對新能源發電時選用的儲能技術，要依據其間歇性、波動性特點進行選擇，在發電和用電的高峰、低谷時盡力控制其穩定性。在針對企業、工廠等商用電力系統選擇儲能設備時，需要按照可以穩定電網并能保證短時間內的應急供電的實際要求來進行選擇。除此之外，一些儲能設備是可以進行混合使用的，將不同的儲能設備有效結合，可以使電能的質量有效提高，實現不間斷供電的目標。

4 結語

目前來看，新能源在電力上的應用受到影響的因素較多，具有不穩定的特征。為保證新能源電力系統穩定運行，需要依據不同使用條件與需求，在眾多儲能技術中科學選擇和應用，為人們提供穩定的電力環境。同時，也應繼續加強對新型儲能技術的研究與探索，真正實現對電力輸出與使用的穩定調控。