儲(chǔ)能技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的應(yīng)用與展望

曹文得

摘要：隨著全球電氣化革命的不斷深入推進(jìn)，電氣技術(shù)已經(jīng)嵌入人類生活的每個(gè)DNA中，與人類生活密不可分。但由于國(guó)家、地域在能源分布、使用和數(shù)量上的不均，特別是使用時(shí)間上的不均，這為電氣工程領(lǐng)域帶了困難。為了解決電能在分布、使用和數(shù)量上的不均問(wèn)題，更加合理高效的利用好電能，儲(chǔ)能技術(shù)就成為了電氣行業(yè)發(fā)展的題中應(yīng)有之義。本文對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在電氣工程應(yīng)用的特點(diǎn)和相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了探討，對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能技術(shù)；電氣工程；應(yīng)用與展望

第二次科技革命為人類帶來(lái)了電能，在給人類生活帶來(lái)便利的同時(shí)，推動(dòng)著人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展又在推動(dòng)電能在人類生活各領(lǐng)域的深入應(yīng)用。進(jìn)入2 1世紀(jì)以來(lái)，電氣工程的發(fā)展也更加突出的遭遇電能資源在國(guó)家、地域在上面臨能源分布、使用和數(shù)量上不均，這些問(wèn)題對(duì)電能的使用效率和可靠性提出了挑戰(zhàn)，呼喚儲(chǔ)能技術(shù)從中發(fā)揮重大作用。

1.未來(lái)電氣工程學(xué)科面臨的新問(wèn)題及儲(chǔ)能技術(shù)的作用

1.1 電氣系統(tǒng)安全高效運(yùn)行問(wèn)題

目前我國(guó)電力系統(tǒng)正在向大電網(wǎng)方向發(fā)展，隨著我國(guó)用電量的不斷增長(zhǎng)以及國(guó)家電網(wǎng)規(guī)模不斷的擴(kuò)大，電網(wǎng)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)，電力系統(tǒng)日益復(fù)雜，遇到風(fēng)險(xiǎn)的可能性也隨之增加，應(yīng)對(duì)措施也更加復(fù)雜。動(dòng)態(tài)過(guò)程的強(qiáng)耦合性和系統(tǒng)的隨機(jī)性更加劇了整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，電網(wǎng)的互聯(lián)互通在一定程度上提升電力傳輸能力和電力運(yùn)行可靠性的同時(shí)也讓電力系統(tǒng)單個(gè)事故引發(fā)高風(fēng)險(xiǎn)的概率增加。

與此同時(shí)，電力系統(tǒng)的運(yùn)行需要靈活性，但電力系統(tǒng)又是一個(gè)受約束的系統(tǒng)。儲(chǔ)能技術(shù)為電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制提供了另外一種可能。目前，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展下，人們對(duì)于電力的需求越來(lái)越多，夜間電力的需求量也較大。但即便如此，并不是每一時(shí)段的電量需求都相同，比如在夏天的時(shí)候由于氣候炎熱，人們可能就需要空調(diào)來(lái)散熱，這時(shí)候?qū)﹄娏康男枨缶捅容^大。冬季的時(shí)候人們也需要取暖設(shè)施，這時(shí)候電量供應(yīng)也會(huì)變大。在春秋季，電量的需求就會(huì)相比較下比較少。但為了滿足不同時(shí)間人們對(duì)電能的需求，這就要求電力系統(tǒng)的備用容量一定要大，不能在用電的時(shí)候產(chǎn)生電量不足的情況。以往解決這類問(wèn)題都是靠多裝發(fā)電機(jī)組的手段解決，存在一性投資大、利用率低的情況，儲(chǔ)能技術(shù)可以有效的解決這方面的問(wèn)題，以較為經(jīng)濟(jì)的成本提高能源的儲(chǔ)備量，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的效率。

1.2 可再生能源的規(guī)?；煤头植际侥茉聪到y(tǒng)建立的問(wèn)題

傳統(tǒng)的發(fā)電能源主要是煤、天然氣、水等，煤和天然氣屬于不可再生能源，而水資源的開(kāi)發(fā)也已日漸飽和。因此，必須尋找出新的能源來(lái)推動(dòng)電力的發(fā)展?，F(xiàn)在大家也在不斷地尋求新能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、地?zé)崮艿?。但這些能源形式大多存在發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定等特點(diǎn)。

另一方面，傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)電源點(diǎn)集中，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。一旦發(fā)生大的故障，較易產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，對(duì)周圍大范圍內(nèi)的用電都會(huì)產(chǎn)生影響。例如美國(guó)能源部8.14大停電事故就給美國(guó)帶來(lái)了不可預(yù)估的損失。如果將分布式發(fā)電和可再生能源的利用相結(jié)合，輔之以儲(chǔ)能技術(shù)，就可以建立一個(gè)更加智能、堅(jiān)強(qiáng)、高效的電力系統(tǒng)。

1.3 環(huán)境保護(hù)的問(wèn)題

現(xiàn)在大氣污染和全球變暖已經(jīng)危害到了許多國(guó)家的安全和利益，是全世界要共同面對(duì)的問(wèn)題。如果大氣污染繼續(xù)加重，全球氣溫變暖繼續(xù)加劇，冰川融化隨之加劇，一些沿海國(guó)家和低地就有可能被淹沒(méi)，問(wèn)題不容忽視。在日常生活中的交通工具等尾氣的排放以及石油、煤等燃燒都是大氣污染及全球變暖的元兇。如何降低化石能源在能源消耗中的總占比、同時(shí)提升化石能源的利用轉(zhuǎn)化效率都成為了新的研究課題，新能源電動(dòng)汽車成為了解決這一矛盾問(wèn)題的有力探索，而儲(chǔ)能技術(shù)正是電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的核心和命門所在，提高儲(chǔ)電池的儲(chǔ)能密度以及電池快速充電的能力，這樣就可以減少大量化石能源被分散燃燒，轉(zhuǎn)而利用風(fēng)電光伏等新能源，降低化石能源占比，或者建設(shè)能源轉(zhuǎn)化效率更高的大型發(fā)電廠，提升化石能源的整體利用效率。因此推進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，對(duì)于環(huán)境保護(hù)工作具有積極意義。

2 多元混合儲(chǔ)能技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 超導(dǎo)和蓄電池混合儲(chǔ)能

超導(dǎo)儲(chǔ)能的特點(diǎn)是效率高、環(huán)境的污染小、穩(wěn)定性強(qiáng)。但是這套技術(shù)運(yùn)用了大量的壓縮機(jī)和泵來(lái)維持冷卻度，成本較高，系統(tǒng)本身也較為復(fù)雜。蓄電池的特點(diǎn)是可以緩解高峰期時(shí)的供電壓力，并且蓄電池的成本比較低，有效地解決了超導(dǎo)儲(chǔ)能高成本的問(wèn)題，所以將超導(dǎo)儲(chǔ)能和蓄電池結(jié)合使用對(duì)于推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展具有重大積極意義。

2.2 超級(jí)電容器和鋰電池混合儲(chǔ)能

鋰電池是一種新型的儲(chǔ)能裝置，在我國(guó)目前的電力系統(tǒng)和電動(dòng)汽車行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。這種電池技術(shù)的儲(chǔ)能量很大、電壓高、輸出功率也較大、占用空間小，對(duì)于環(huán)境的污染小。電容器的充電和放電速度比電池充放電速度高得多，最高可達(dá)到1000倍，且在高功率電動(dòng)車中超級(jí)電容器放電速度快的優(yōu)點(diǎn)避免了為了追求放電速度而刻意加大鋰電池容量的問(wèn)題。將超級(jí)電容器與鋰電池耦合使用，對(duì)于電動(dòng)汽車及其他需要快速充放電行業(yè)的發(fā)展具有推動(dòng)作用。

2.3 壓縮空氣儲(chǔ)能與釩液流電池混合儲(chǔ)能

釩液流電池現(xiàn)在也是應(yīng)用非常廣泛的一種儲(chǔ)能手段。這種電池功率很大，并且儲(chǔ)存能源的容量也非常大，充電非?？?，效率非常高。其優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)項(xiàng)目需要匹配生產(chǎn)和設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)需要的尺寸和容量的電池，相較于壓縮空氣儲(chǔ)能其在能量釋放方面具有一定優(yōu)勢(shì)，并且污染程度比較小，將兩者相結(jié)合可與風(fēng)電、光伏等項(xiàng)目結(jié)合使用。

3 未來(lái)電氣工程領(lǐng)域中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

3.1安全和穩(wěn)定性問(wèn)題得到加強(qiáng)

我國(guó)地域廣，幅員遼闊，各類能源分布不均，電力資源和使用也分布不均，這對(duì)于我國(guó)電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定造成了很大程度上的影響。儲(chǔ)能技術(shù)可以幫助電網(wǎng)系統(tǒng)在約束電網(wǎng)規(guī)模、提高電網(wǎng)運(yùn)行靈活度，以及提供電網(wǎng)系統(tǒng)的安全裕度等方面具有非常重大的作用。電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題本質(zhì)上是一個(gè)發(fā)與用的動(dòng)態(tài)匹配過(guò)程，儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)于電網(wǎng)的電能匹配無(wú)疑作用明顯。同時(shí)，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展在提升社會(huì)能源綜合利用效率方面具有積極意義。

3.2 可再生能源系統(tǒng)的耦合

可再生能源系統(tǒng)與供電系統(tǒng)的深度耦合成為了現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，尤其是近些年來(lái)的分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展，讓用戶不僅只限于成為能源使用者，同時(shí)也成為了能源供應(yīng)者。與此同時(shí)，儲(chǔ)能技術(shù)與分布式能源系統(tǒng)的耦合，在提升可再生能源系統(tǒng)的可靠性方面起到了至關(guān)重要的作用，同時(shí)，可以通過(guò)創(chuàng)設(shè)可再生能源耦合先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)，改變傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的模式，進(jìn)行分布式供電，在提高我國(guó)供電系統(tǒng)的靈活性的同時(shí)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.3 推進(jìn)節(jié)能環(huán)保理念提升

儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展提升，新能源汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，在推動(dòng)降低化石能源在一次能源中的消耗占比，降低汽車尾氣污染及其他化石能源污染等方面具有非常關(guān)鍵的地位和作用。隨著電動(dòng)新能源汽車的不斷普及，全社會(huì)范圍內(nèi)對(duì)于節(jié)約能源、綠色出行的理念更加推崇。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，儲(chǔ)能技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，使得電池在儲(chǔ)存容量、能量密度、充放電速度和充放電安全性等方面不斷提升。這促進(jìn)了我國(guó)新能源系統(tǒng)的發(fā)展，提升了新能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)也為電網(wǎng)的安全可靠性控制提供了可能和運(yùn)行靈活性。同時(shí)，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了電動(dòng)汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，在減少一次能源消耗、環(huán)境保護(hù)等方面起到了關(guān)鍵作用。儲(chǔ)能技術(shù)是我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展的新方向，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的提升和發(fā)展也成為了一項(xiàng)重要課題。

參考文獻(xiàn)

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[2]方偉中.儲(chǔ)能技術(shù)在電氣工程領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（33）：174-175.

（作者單位：重慶兩江綜合能源服務(wù)有限公司）