能源互聯(lián)網(wǎng)背景下儲(chǔ)能應(yīng)用的研究現(xiàn)狀與展望

張棟

摘要：大規(guī)模新能源發(fā)電和眾多分布式可再生能源接入電網(wǎng)給電力系統(tǒng)運(yùn)行與規(guī)劃帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能是電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高比例新能源發(fā)電消納不可或缺的資源。首先簡(jiǎn)要分析主要儲(chǔ)能類(lèi)型的轉(zhuǎn)換原理、技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍，重點(diǎn)探討了熱能儲(chǔ)能以及電制氫氣、電制天然氣等儲(chǔ)能技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)背景下儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電、輸電、配用電以及多能源系統(tǒng)互聯(lián)中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理和分析。最后對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)和主要研究方向進(jìn)行了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng)背景；儲(chǔ)能應(yīng)用；現(xiàn)狀；展望

中途分類(lèi)號(hào)：P754.1

1 主要儲(chǔ)能類(lèi)型的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 電化學(xué)儲(chǔ)能

化學(xué)儲(chǔ)能即利用可雙向進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，配合恰當(dāng)?shù)膬蓸O材料，在特殊環(huán)境下進(jìn)行能量雙向轉(zhuǎn)化，被譽(yù)為改變未來(lái)世界的十大科技之首。其產(chǎn)品主要包括鉛酸電池、鋰電池、燃料電池等?；瘜W(xué)儲(chǔ)能是使用最多最廣泛的一種儲(chǔ)能方式，使用方便，產(chǎn)品種類(lèi)多，循環(huán)使用次數(shù)，并且電能轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 物理儲(chǔ)能

物理儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等形式。其中，抽水蓄能是目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛、循環(huán)壽命周期最長(zhǎng)、容量最大的一種儲(chǔ)能技術(shù)，通過(guò)水泵將下水庫(kù)的水抽送到上水庫(kù)存儲(chǔ)電能，通過(guò)上水庫(kù)水流沖擊水輪機(jī)組發(fā)電釋放能量。抽水蓄能電站技術(shù)成熟可靠，單位容量成本相對(duì)較低，在各國(guó)電力系統(tǒng)中不僅發(fā)揮了削峰填谷、黑啟動(dòng)、調(diào)頻調(diào)相等作用，還能夠優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)、有效提高電網(wǎng)消納新能源發(fā)電的能力。其缺點(diǎn)是受地理?xiàng)l件的制約，選址困難且建設(shè)周期較長(zhǎng)；一般距離用電負(fù)荷較遠(yuǎn)，輸電損耗較大。

1.3 機(jī)械儲(chǔ)能

機(jī)械儲(chǔ)能也稱(chēng)為物理儲(chǔ)能，利用天然資源來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，其能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中涉及到勢(shì)能、動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，是一種間接儲(chǔ)能方式。其儲(chǔ)能方式主要表現(xiàn)為抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、高溫熔鹽儲(chǔ)能等。盡管機(jī)械儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換效率不高，但綠色環(huán)保，循環(huán)次數(shù)高。

1.4 熱能儲(chǔ)能

熱能儲(chǔ)能是將電能與熱能互相轉(zhuǎn)換的裝置，歷史悠久、使用場(chǎng)合廣泛。熱能儲(chǔ)能按照工作溫度分為高溫儲(chǔ)能（儲(chǔ)熱）與低溫儲(chǔ)能（儲(chǔ)冷），可進(jìn)一步分為工業(yè)制冷（低于-18℃）、建筑制冷（0-12℃）、建筑制熱（25-50℃）、工業(yè)制熱（高于175℃）。一般把物質(zhì)內(nèi)能隨溫度升高而增大的部分稱(chēng)為顯熱，把相變的熱效應(yīng)稱(chēng)為潛熱，把化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)稱(chēng)為化學(xué)反應(yīng)熱，把溶液濃度變化的熱效應(yīng)稱(chēng)為溶解熱或稀釋熱。目前便于大規(guī)模使用的有顯熱和潛熱2類(lèi)。顯熱儲(chǔ)能技術(shù)是利用比熱容較大的物質(zhì)（如水、巖石、土壤等），在物質(zhì)形態(tài)不變的情況下隨著溫度的變化會(huì)吸收或放出熱量的性質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)能。潛熱一般是在物質(zhì)相變時(shí)才有，這種相變一般包括：固體物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；固、液相間的相變；液、氣相間的相變；固、氣相間的相變。固-液相變儲(chǔ)能材料分為無(wú)機(jī)類(lèi)（無(wú)機(jī)水合鹽）和有機(jī)類(lèi)（高級(jí)脂肪烴類(lèi)、脂肪酸及其衍生物），其具有較高的相變潛熱，但是會(huì)產(chǎn)生液體，其封裝成本和適用性都受到很大限制，因此常用的相變儲(chǔ)能為固-固儲(chǔ)能。

1.5 電磁儲(chǔ)能

電磁儲(chǔ)能分為超級(jí)電容儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能兩大類(lèi)，超級(jí)電容儲(chǔ)能利用活性炭的特殊結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)組成的特殊結(jié)構(gòu)獲得大容量，盡管成本較高，但其預(yù)期特性明顯優(yōu)于蓄電池，壽命長(zhǎng)，能量密度高等，是較理想的儲(chǔ)能介質(zhì)。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置利用超導(dǎo)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電磁相互轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)充放電，其能量損耗非常小，對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生影響。但超導(dǎo)儲(chǔ)能條件要求較高，技術(shù)發(fā)展緩慢，應(yīng)用起來(lái)比較困難。

1.6 制氣儲(chǔ)能

因?yàn)樾履茉窗l(fā)電消納的需要，電能和化石能源的相互轉(zhuǎn)化也成為研究的熱點(diǎn)。氫氣、天然氣等化石能源大規(guī)模存儲(chǔ)的技術(shù)相對(duì)于電能更加成熟。因此，電力制天然氣以及電力制氫氣逐漸成為新興的儲(chǔ)能形式。和傳統(tǒng)的電力儲(chǔ)能不同，制得的氫氣或天然氣一方面可以用來(lái)發(fā)電，以供應(yīng)電網(wǎng)的高峰負(fù)荷，另一方面可以直接進(jìn)入輸氣管道或封裝出售，參與氫氣市場(chǎng)和天然氣市場(chǎng)的流動(dòng)。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)特性分析

現(xiàn)有的幾種儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展時(shí)間、成熟程度、表現(xiàn)方式和適用范圍均各有所不同。盡管機(jī)械儲(chǔ)能最為清潔環(huán)保，但一般用于大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域，對(duì)于具有分布式特點(diǎn)的能源存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)，并不適用，未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)能很難采取這種方式。電磁儲(chǔ)能的兩種儲(chǔ)能方式在價(jià)格上沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，不能達(dá)到解決能源存儲(chǔ)問(wèn)題的同時(shí)不對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生影響的目的，并且電磁儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展緩慢，距離推廣應(yīng)用階段尚有很大的距離。而電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展歷史悠久，價(jià)格低廉，適用范圍極廣，并且電化學(xué)儲(chǔ)能有良好的技術(shù)基礎(chǔ)，能夠快速發(fā)展并適應(yīng)分布式能量的存儲(chǔ)。從能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及特性，其存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展也有一定的特性和適用范圍。

2.2 基于能源互聯(lián)的儲(chǔ)能技術(shù)特性

從能源互聯(lián)網(wǎng)的工作機(jī)制來(lái)看，能源互聯(lián)是將大量由分布式能量采集裝置，分布式能量?jī)?chǔ)存裝置和各種類(lèi)型負(fù)載構(gòu)成的新型電力網(wǎng)絡(luò)、石油網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等能源節(jié)點(diǎn)互聯(lián)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的能量對(duì)等交換與共享網(wǎng)絡(luò)。所以基于能源互聯(lián)網(wǎng)的能源存儲(chǔ)應(yīng)當(dāng)具有就地性和對(duì)環(huán)境高適應(yīng)性，應(yīng)當(dāng)對(duì)地理位置沒(méi)有特殊要求，能夠在各個(gè)區(qū)域投入使用，可適應(yīng)各種環(huán)境，方便對(duì)風(fēng)、光、熱等轉(zhuǎn)化后的能量的存儲(chǔ)。

能源互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)是為了更好地解決能源危機(jī)，保障及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，所以基于能源互聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)能在成本上需要控制得當(dāng)，不能以犧牲經(jīng)濟(jì)利益為代價(jià)，否則將背道而馳?；谀茉椿ヂ?lián)網(wǎng)的能源存儲(chǔ)應(yīng)當(dāng)具有價(jià)格低、轉(zhuǎn)換率高、能量密度高、環(huán)保友好的特性。隨著能源互聯(lián)的深入，其服務(wù)范圍不僅僅是電網(wǎng)及相關(guān)單位，而是能源的真正使用者例如企業(yè)、工廠、家庭等，而儲(chǔ)能和節(jié)能服務(wù)的受益者也將細(xì)化到用電單位級(jí)別，相應(yīng)的儲(chǔ)能產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，客戶(hù)需求廣而需求種類(lèi)多，基于能源互聯(lián)網(wǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)當(dāng)有非常高的安全性和可靠性，并且儲(chǔ)能量與工作方式靈活多變，適應(yīng)性強(qiáng)。

結(jié)論

本文圍繞能源及相關(guān)研究的發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)述，分別對(duì)目前儲(chǔ)能技術(shù)和節(jié)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究總結(jié)，結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展特性，對(duì)基于能源互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的儲(chǔ)能技術(shù)特性做了總結(jié)，隨著能源互聯(lián)的不斷深入，智能電網(wǎng)的建設(shè)及完善，能源存儲(chǔ)和節(jié)約技術(shù)必將邁進(jìn)一個(gè)新時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

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