環境因素對儲能裝置可靠性運行的影響及其對策

楊晨雨

（廣州市奔流電力科技有限責任公司，廣州 510700）

引言

隨著全球能源需求的不斷增長和環境問題的日益突出，儲能技術作為一種重要的能源管理手段，越來越受到關注，我國的儲能裝置主要為抽水蓄能、壓縮空氣蓄能、鋰離子電池儲能、鈉硫電池儲能和鉛酸電池儲能等，截至2023 年6 月，我國裝機規模超過1 733 萬千瓦/3 580 萬千瓦時，平均儲能時長2.1 h。

儲能裝置可以在電力供應不足或過剩時進行能量儲存和釋放，以滿足電力需求的變化和減少對環境的影響。然而，儲能裝置作為能源儲存和轉化設備的重要組成部分，其性能易受到多種環境因素的影響。包括溫度、濕度、空氣污染等。這些環境因素可能會導致儲能裝置的可靠性下降、壽命縮短、性能降低，甚至引發安全事故。因此，研究儲能裝置應對環境影響的策略和建議具有重要意義。

為了提高儲能裝置的性能和使用壽命，本文將從溫度、濕度、空氣污染等環境因素入手，分析其對儲能裝置可靠性運行的影響，并提出相應的優化策略。

1 儲能裝置的類型和應用

1.1 儲能裝置的定義和分類

儲能裝置是一種可以將電能、光能、熱能等不同形式的能源轉變為電能的形式儲存起來，以便在需要時釋放出來供使用的設備。儲能裝置的類型眾多，目前常見的包括電容器、電池、飛輪、超級電容器、壓縮空氣儲能、抽水蓄能、熱能儲存等[1,2]。

儲能裝置可以按照不同的標準進行分類，例如按照儲能媒介分類，可以分為電容器儲能、電池儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能、熱能儲存等；按照儲能方式分類，可以分為直接儲能和間接儲能；按照儲能裝置的工作原理分類，可以分為化學儲能、物理儲能、熱能儲能等。

1.2 儲能裝置的工作原理

儲能裝置的工作原理與其類型密切相關。不同的儲能裝置有不同的工作原理，目前應用較為廣泛的儲能裝置主要分為化學儲能裝置、物理儲能裝置及熱能儲能裝置。

化學儲能裝置是通過化學反應將電能、光能或熱能轉化為化學能，然后通過逆反應將化學能轉化為電能、光能或熱能。其主要應用形式為電池儲能、超級電容器儲能、液流儲能、熱能儲能。

物理儲能裝置是通過物理過程將電能、光能或熱能轉化為機械能，然后通過逆過程將機械能轉化為電能、光能或熱能。其主要應用形式為抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能。

熱能儲能裝置是通過熱能轉化器將熱能轉化為電能或機械能，然后通過逆過程將電能或機械能轉化為熱能。其主要應用形式為地熱儲能、太陽能熱儲能、生物質熱儲能、燃煤熱儲能、核能熱儲能[3,4]。

1.3 儲能裝置的應用場景

傳統電力系統中，儲能裝置主要用于提高電力系統的穩定性和可靠性，降低電力系統對化石燃料的依賴，提高電力系統的能效。例如，抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等可以用于電力系統的調峰、削峰填谷，超級電容器、電容器等可以用于電力系統的瞬態響應和功率補償。

而在分布式電源、充電樁等新型電力設備在電力系統中的占比逐漸增大的背景下，儲能裝置逐漸兼具了實現能源的高效利用和管理的作用。例如，可以用于平滑電力負荷波動，分布式儲能可以用于支持分布式能源系統的穩定運行，電動汽車儲能可以用于提高電動汽車的能效和減少電網負荷[5,6]。

圖1 儲能裝置分類示意圖

2 環境因素對儲能裝置可靠性的影響

環境因素對儲能裝置的可靠性有很大的影響。其中主要的影響因素為溫度、濕度、空氣污染物及其他環境因素[7,8]。

2.1 溫度對儲能裝置可靠性運行的影響

受能量轉換的溫度要求高，儲能裝置的適宜運行溫度位于（0~30）℃之間；溫度過高或過低都會導致儲能裝置的容量和能量效率下降。在高溫下，儲能裝置的內部化學反應速率加快，容易導致電池過熱和容量下降。在低溫下，儲能裝置的內部化學反應速率減慢，電池內阻增大，容易導致電池放電能力下降[9]。

溫度對儲能裝置的循環壽命也有很大的影響。在高溫下，儲能裝置的內部化學反應速率加快，容易導致電池過早失效。在低溫下，儲能裝置的內部化學反應速率減慢，電池內阻增大，容易導致電池過放電和容量下降，從而縮短電池的循環壽命。

溫度過高或過低都會對儲能裝置的安全性產生影響。在高溫下，儲能裝置容易發生熱失控，導致電池短路、爆炸等安全問題。在低溫下，儲能裝置的內部化學反應速率減慢，電池內阻增大，容易導致電池過放電和容量下降，從而降低電池的安全性。

溫度對儲能裝置的自放電率也有一定的影響。在高溫下，儲能裝置的內部化學反應速率加快，容易導致電池自放電率增加。在低溫下，儲能裝置的內部化學反應速率減慢，電池內阻增大，容易導致電池自放電率降低。

2.2 濕度對儲能裝置可靠性運行的影響

濕度主要通過影響裝置內部的含水量對儲能裝置的可靠運行產生影響，其理想的濕度環境為在25 ℃的條件下，適度在（5~95）%的區間內。

圖2 儲能裝置過熱示意圖

濕度會影響電解液的含水量，從而影響電池的放電性能和循環壽命。如果電解液的含水量過高，會導致電池內部短路，從而降低電池的放電性能和循環壽命。相反，如果電解液的含水量過低，會導致電池內部干涸，從而降低電池的容量和循環壽命。

濕度會導致電極的腐蝕，從而影響電池的放電性能和循環壽命。在潮濕的環境中，電極表面的金屬離子容易與水分子發生反應，生成氫氣和氧氣，從而加速電極的腐蝕。電極的腐蝕會導致電池內部短路，從而降低電池的放電性能和循環壽命。

濕度會導致電池的自放電加快，從而影響電池的儲存性能。在潮濕的環境中，電池內部的化學反應會更加活躍，從而導致電池的自放電加快。自放電加快會導致電池的容量下降，從而降低電池的儲存性能。

濕度會影響電池的安全性能。在潮濕的環境中，電池內部的化學反應會更加活躍，從而導致電池內部的溫度升高。如果電池內部的溫度過高，會導致電池發生熱失控，從而引發火災等安全事故。

2.3 空氣污染物對儲能裝置可靠性運行的影響

空氣污染物對儲能裝置具有腐蝕作用，對儲能裝置可靠性運行的影響主要體現在降低電極活性、增加內阻、影響電池熱穩定性、降低儲能設備的使用壽命以及增加設備的維護和保養成本等方面，其中起到主要腐蝕作用的物質為PM2.5、SO2、NOx 等。

降低電極活性：空氣污染物可能沉積在儲能設備的電極表面，降低電極的活性，從而影響儲能設備的性能。例如，對于鋰離子電池，PM2.5 等顆粒物可能會堵塞電極材料的孔隙，降低電極比表面積，影響鋰離子的傳輸速率，進而降低電池的容量和循環壽命。

增加內阻：空氣中的污染物可能引起電極表面的電阻增加，從而增加儲能設備的內阻。內阻的增加會導致儲能設備在充放電過程中產生更多的熱量，降低設備的效率，同時可能加速設備的老化。

影響電池熱穩定性：空氣污染物可能與電池內部的化學物質發生反應，產生熱量，從而影響電池的熱穩定性。例如，鋰電池在高溫下可能會發生熱失控，導致性能下降，甚至發生安全事故。

降低儲能設備的使用壽命：空氣中的污染物可能引起儲能設備的腐蝕，降低設備的使用壽命。例如，對于鉛酸電池，硫酸根離子和氮氧化物等污染物可能會引起電極板的腐蝕，導致電池容量下降。

影響設備的維護和保養：空氣中的污染物可能會增加設備的維護和保養成本。例如，對于空氣過濾器，需要定期更換以確保空氣的清潔度，否則會影響儲能設備的性能[10]。

2.4 其他環境因素對儲能裝置可靠性運行的影響

除溫度、適度、空氣污染物對儲能裝置的可靠性運行存在較大影響外，結合實際運維過程中所遇問題，還存在下述環境因素對儲能裝置的可靠運行存在影響。

海拔高度：海拔高度會影響大氣壓力和氧氣含量，從而影響儲能裝置的性能。例如，在高海拔地區，儲能裝置的放電效率可能會降低。

電磁干擾：儲能裝置周圍的電磁干擾可能會影響其正常運行。例如，無線電波、電力線、電磁鐵等產生的電磁輻射可能會干擾儲能裝置的電路。

生物侵害：儲能裝置周圍的生物可能會對其造成侵害，例如老鼠、昆蟲等。

3 應對環境影響的策略

綜上可知，環境因素對儲能裝置的可靠性運行具有較大的影響，為了提高儲能裝置的可靠性及使用壽命，應當采取有效的環境影響防護措施，降低其對儲能裝置的不利影響。

3.1 采用耐候性設計理念

耐候性設計是指在設計儲能裝置時考慮到其在不同環境條件下的耐久性和可靠性。具體來說，耐候性設計主要體現在結構設計及材料選擇方面[11,12]：

可采用防塵、防水、防震等結構，以防止外界環境對儲能裝置造成損害。例如，在儲能裝置的外殼上使用密封圈、防水膠等材料，或者使用特殊的結構設計來減輕震動和沖擊。

材料選擇方面，可優先選擇具有耐腐蝕、耐高溫、耐低溫、抗氧化等特性的材料，以確保儲能裝置在惡劣的環境條件下能夠正常運行。

3.2 對不同環境因素采取針對性優化策略

由上文可知，不同的環境因素對儲能裝置的影響原理不同，造成的影響也不同，因此可針對不同的環境因素采取針對性優化策略[13-15]。

1）溫度影響因素優化策略

在高溫或低溫環境下，儲能裝置需要進行適當的熱管理。例如：將散熱器安裝在儲能裝置內部或外部，根據需要調整散熱風速或方向，可有效幫助儲能裝置散熱，從而降低其內部溫度。當儲能裝置對溫度較為敏感時，可使用空調控制儲能裝置周圍的溫度。

2）濕度影響因素優化策略

針對濕度過高的情況，可利用除濕機來降低儲能裝置內部的濕度，除濕機可以通過吸附或冷凝的方式來去除空氣中的水分，從而達到降低濕度的目的。

而當濕度過低時，可使用加濕器來增加儲能裝置內部的濕度。加濕器可以通過噴霧、蒸發等方式來增加空氣中的水分含量，從而達到增加濕度的目的。

3）空氣污染物影響因素優化策略

空氣污染物影響因素主要通過空氣污染物控制控制，其主要通過空氣過濾、通風、控制污染源等策略實現。

空氣過濾是指在儲能裝置的進氣口和出氣口安裝空氣過濾器，過濾掉空氣中的顆粒物、有害氣體等污染物。空氣過濾器的選擇應該根據當地的空氣質量和儲能裝置的運行要求進行。

通風系統是指在儲能裝置內部安裝通風系統，以確保內部空氣流通，降低污染物濃度。通風系統應該根據儲能裝置的運行要求進行設計，并配備相應的過濾器。

污染源控制則是對于儲能裝置周圍的污染源，應該采取相應的控制措施，例如減少工業排放、控制交通污染等。

3.3 規范化儲能裝置的日常運維

建立環境監測系統，對儲能裝置的工作環境進行實時監測，及時發現和處理環境污染問題，確保儲能裝置在良好的環境中運行。

制定定期維護與檢查規劃，定期對儲能裝置進行清潔維護，檢查電極、隔膜等關鍵部件的性能，確保儲能裝置在良好的工作狀態下運行。同時定期對儲能裝置進行清洗，去除表面的灰塵、污垢等污染物。清洗過程中應避免對儲能裝置造成損害。

3.4 推動相關技術創新

研究開發新型的儲能裝置材料及技術，例如具有自清潔功能的材料、抗腐蝕材料、高強度材料、光催化技術、靜電除塵技術等，以去除空氣中的污染物，提高其對環境污染的抵抗能力。

同時可配合其他單位開發新型的污染源控制技術，例如工業排放控制技術、交通污染控制技術等，以減少空氣污染物的產生。

4 結語

環境因素對儲能裝置的可靠性運行具有顯著影響。為了確保儲能裝置在各種環境條件下穩定運行，本文探討了環境因素對儲能裝置可靠性運行的影響，并提出了環境因素對儲能裝置可靠性運行的影響，并提出了相應的應對策略和建議，通過這些策略，可以有效地減少環境因素對儲能裝置性能的影響，從而提高儲能裝置的性能和穩定性。

未來可進一步探討不同環境因素對儲能裝置可靠性運行的影響機理，以及更加有效的應對策略。同時開展儲能裝置對環境的影響研究，以便更好地實現儲能裝置與環境的和諧共存。