儲能技術現(xiàn)狀及發(fā)展概述

陸 宇 湯雪華 唐麗嬋

（上海電氣集團股份有限公司 中央研究院，中國 上海 200070）

0 引言

電能已成為人類日常生活中最重要的能源之一。進入21世紀以來，人們對電能質(zhì)量的要求不斷增長，而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)已經(jīng)無法很好地滿足用戶需求。同時，隨著社會的發(fā)展，環(huán)境污染和資源浪費等問題變得越來越嚴重，因此人們對地熱能、海洋能、生物質(zhì)能等新能源進行了開發(fā)和利用。但是，由于新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性和斷續(xù)性，大規(guī)模的并網(wǎng)運行將會導致不可預計的后果。為了既滿足人們的用電需求，又能夠不污染環(huán)境，儲能技術則顯得格外重要。它能將地熱能、海洋能等新能源儲存起來，在適當?shù)臅r候提供電能，起到了既不污染環(huán)境又能發(fā)電的作用。

1 儲能技術的研究

儲能技術歷經(jīng)了幾十年的發(fā)展，其方式可以大致分為四類：物理儲能、化學儲能、電磁儲能以及相變儲能。每種儲能方式又可以細分如下。物理儲能主要包括壓縮空氣儲能、抽水儲能和飛輪儲能；化學儲能則主要有鋰離子電池儲能、鈉流電池儲能、鉛酸電池儲能等；電磁儲能則包括超級電容和超導儲能，其中超導儲能是指將能量存儲在以超導材料所制成的線圈中。當需要能量供應時，線圈中的能量便可以釋放出來[1]。下面就介紹幾種常用的儲能方式。

1.1 物理儲能

1.1.1 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能顧名思義，就是把空氣進行壓縮并存儲在高壓密封的空洞中。這些空洞可以是地下報廢的礦井、深海中的儲氣罐亦或是被封閉的山洞等。壓縮空氣儲能其本質(zhì)實際上是一種燃氣輪機發(fā)電廠，它所起到的主要作用是節(jié)能和環(huán)保。當電網(wǎng)用電負荷處于低谷時，利用電網(wǎng)過剩電力將空氣進行壓縮，并把壓縮的空氣儲藏在高壓密封的空洞中；當電網(wǎng)負荷處于高峰狀態(tài)時，則將之前儲藏的空氣釋放出來驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電[2]。

相比于傳統(tǒng)的燃氣輪機而言，壓縮空氣儲能所消耗的燃氣至少可以節(jié)約40%。從商業(yè)角度來看，德國曾在1979年就已成功建立了290MW的壓縮空氣儲能發(fā)電廠，而美國則于1991年完成了110MW的發(fā)電廠，至今仍處于運行狀態(tài)[3]?？傊?，壓縮空氣儲能技術發(fā)展至今已相對比較成熟，并且可以帶來一定的經(jīng)濟效益，但是這種技術主要受地理條件所限制，在城市中運用的可能性極小，比較適合于有密封空洞的偏遠地區(qū)。

1.1.2 抽水儲能

抽水儲能技術是所有儲能技術中最完善、應用最廣、容量也最大的一種技術。它在調(diào)峰調(diào)頻和穩(wěn)定電網(wǎng)等方面有著舉足輕重的作用。抽水儲能系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：上游水庫、下游水庫、傳輸和發(fā)電系統(tǒng)。當用電負荷處于低谷時，儲能系統(tǒng)的電動機就會啟動，將下游水庫中的水抽到上游水庫中并存儲起來，這一動作是將電能轉換為勢能的過程；而當用電負荷處于高峰狀態(tài)時，則利用勢能轉換為電能，將上游水庫的水放到下游水庫中去。

利用抽水儲能技術所建造的電站，其容量大小可以按照用戶需求來決定，設備的壽命基本上可以維持30到40年，其整體工作效率一般在77.5%左右。目前，世界上已有超過至少90GW的抽水儲能系統(tǒng)處于運行中[4]。該項技術最大的特點就是它可以存儲非常多的能量，技術方面相對穩(wěn)定可靠。但是，它的缺點主要是受到地理條件的限制，往往會建造在比較偏遠的地方。這樣，在整個電力傳輸過程中不僅會造成電力的損耗，而且當系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時，也難以在第一時間進行維修。

1.1.3 飛輪儲能

飛輪儲能技術已存在大約有200多年的歷史，它是一種基于機械運動的儲能方式。當系統(tǒng)處于儲能階段時，利用電動機驅(qū)動飛輪高速旋轉，將電能轉換為動能；而在用電高峰時，高速旋轉的飛輪則將動能轉換為電能，使電動機作為發(fā)電機運行釋放能量。飛輪儲能的主要優(yōu)點有建造周期短、設備運行使用時間長、儲存能量高、環(huán)保無污染等。但是維護成本高、自放電率高也是其主要缺點。

目前，基于飛輪儲能技術國內(nèi)外都已研制出了一些產(chǎn)品。例如：中國科學院的電工研究所就已經(jīng)研制出了基于飛輪儲能技術的高速電機；美國的艾泰沃公司研制出了500kW的直流清潔能源等[5]。此外，該項技術還有一個良好的應用前景，就是可將其應用于電動汽車上。當電動汽車處于剎車制動時，飛輪可以吸收能量；而在高速行駛時，則可以把飛輪儲存的能量釋放出來用于加速。

1.2 電池儲能

電池儲能是所有儲能技術中應用最廣泛、也最為人所熟悉的一種技術。其本質(zhì)是化學能和電能之間的一種能量轉換。電池儲能為新能源的發(fā)展提供了良好的基礎。一方面，可以將太陽能、風能這種新能源所提供的能量儲存起來，在用戶需要時提供電能；另一方面，也可以在電網(wǎng)用電低谷時將多余電能儲存起來，在用電高峰時釋放出來，起到削峰填谷的作用。

按照電池所使用的不同材料，我們可以將電池分為鋰離子電池、鈉流電池、鉛酸電池等[6]。而每種電池都有各自的特點。

1.2.1 鋰離子電池

鋰離子電池最早是在1992年由SONY公司研制出的，該電池具有儲能密度高、體積小、使用壽命長、環(huán)保等特點。在所有儲能電池中，鋰離子電池不僅解決了充放電過程中的記憶效應，并且它的循環(huán)效率和儲能密度也相比其他電池高很多。然而，如果要大規(guī)模應用鋰離子電池儲能還有一些問題需要解決。首先，鋰離子電池由于在制作過程中加入了充電保護電路致使其成本較高；其次，在大規(guī)模應用鋰離子電池時，必須解決電池的一致性問題。否則，電池在長時間使用以后會使電池性能急劇下降。

1.2.2 鈉流電池

近20多年來，有關鈉硫電池的研究已有了重大突破，并且在一些國家都已實現(xiàn)了商業(yè)化。例如：日本京瓷公司所研制的鈉流電池儲能系統(tǒng)已有100多套投入運營中，其總容量已超過100MW。鈉流電池具有較高的儲能密度，可達140KWh/m3，其整體的效率大約在80%左右，整體的充放電次數(shù)至少可以達到6000多次。但是，和鋰離子電池一樣，由于其高額的成本致使其大規(guī)模的應用成為瓶頸。

1.2.3 鉛酸電池

在電池儲能領域中鉛酸電池具有較早的歷史，發(fā)展至今已有150多年的歷史。該電池因其成熟的技術以及相對較低的成本成為了電池儲能領域中的首選。但是，由于其可充放電的次數(shù)以及能量密度相比其他儲能電池有明顯的弱勢，所以隨著技術的不斷進步，鉛酸電池將會逐漸退出歷史舞臺。

1.3 電磁儲能

1.3.1 超級電容

電容本身就是一種儲能元件，而超級電容與普通電容的不同在于超級電容的電極表面積是普通電容的幾萬倍，并且其電荷層之間的距離也在0.5nm以下。超級電容相比其他幾種不同的儲能方式有著很大的優(yōu)勢。原因是它不僅具有較高的功率密度，同時它的充放電次數(shù)也很長，在不同溫度下都可以穩(wěn)定的工作并且具有環(huán)保無污染的特性。但是，超級電容也有自身的缺點，它兩端的電壓起伏比較大，在進行串聯(lián)的時候很難做到均壓。

1.3.2 超導儲能

超導儲能是指將能量存儲在以超導材料所制成的線圈中。當需要能量供應時，線圈中的能量便可以釋放出來。它的特點是具有較快的響應速度以及較高的綜合效率?？傊?，不同的儲能方式都有各自的特點，每種儲能方式都有自己適合的場合，需要根據(jù)具體的需求來決定究竟選擇哪種儲能方式。各種儲能技術的特點見表1。

表1 各種儲能技術特點

2 儲能技術的發(fā)展前景

新能源的發(fā)展是未來不可避免的趨勢，而儲能在整個新能源的發(fā)展過程中更是不可或缺的一環(huán)。儲能技術在實現(xiàn)綠色電網(wǎng)、解決偏遠地區(qū)用電供需矛盾和提升用戶電能質(zhì)量等方面提供了一系列的解決方法。它不僅可以用于電網(wǎng)、企業(yè)、住宅小區(qū)這種大規(guī)模的場合，同時也可以應用于新能源汽車這種日常交通工具中。但是，由于部分儲能技術仍處于起步階段，一些應用都還不是很成熟，所以在整個儲能技術領域仍有很大的發(fā)展空間。

1）現(xiàn)階段儲能電池的發(fā)展瓶頸圍繞著三點：環(huán)保、高效、低成本。如何研制出環(huán)保，高性能、低成本的電池是儲能研發(fā)領域的一個重要課題。只有將這三點有機的聯(lián)合在一起才能更快、更好地走向市場化。

2）不同儲能技術的協(xié)同發(fā)展：每個儲能技術都有自己的優(yōu)點和缺點，各項技術都有自己所屬的專項領域。針對現(xiàn)階段的一些實際問題，如果能夠有機的把不同儲能技術聯(lián)合起來使用，就可以達到揚長避短、事半功倍的效果。這也將成為儲能領域中的一個重點研究方向。

3 總結

本文討論了幾種不同儲能技術的特性及各自的優(yōu)缺點，對儲能技術今后的發(fā)展前景做了一定的概述。隨著社會的進步，發(fā)展綠色能源已是未來不可避免的趨勢，而儲能技術是新能源發(fā)展的關鍵技術。只有解決了儲能的問題，新能源的發(fā)展才能得到真正意義上的突破。

［1］張文亮,丘明,來小康.儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用[J].電網(wǎng)技術,2008,32(7)：1-9.

［2］陳建斌,胡玉峰,吳小辰.儲能技術在南方電網(wǎng)的應用前景分析[J].南方電網(wǎng)技術,2010,4(6)：32-33.

［3］Rufer A,Hotellier D,Barrade P.A Supercapaciotr-Based Energy Storage Substation for Voltage Compensation in Weak Transporation Networks[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2004,19(2):629-636.

［4］程時杰,李剛,孫海順,文勁宇.儲能技術在電氣工程領域中的應用與展望[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(2)：4-5.

［5］賈宏新,張宇,王育飛,何維國,符楊.儲能技術在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用[J].可再生能源,2009,27(6)：10-11.

［6］桂長清.風能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的儲能電池[J].電池工業(yè),2008,13(1)：50-54.