幾種相變儲能技術(shù)在電力調(diào)峰中的應(yīng)用

劉磊

（北京聯(lián)動(dòng)天翼科技股份有限公司，北京 100095）

0.引言

由于儲能技術(shù)具有強(qiáng)大的作用，能夠解決能量在供求之間不匹配、不相匹配的問題，因此可以利用儲能技術(shù)來提高能源的利用率，同時(shí)儲能。下面儲能，再利用材料進(jìn)行大量潛熱。保持溫度的過程之中，其特點(diǎn)是恒定的，這是因?yàn)樗裙腆w和熱水的顯熱儲能密度要大很多，所以其廣泛運(yùn)用在電力、調(diào)峰、宇航以及相關(guān)的工業(yè)程序之中，還有相關(guān)的工業(yè)程序核心領(lǐng)域、新能源領(lǐng)域之中。

1.儲能技術(shù)簡介

就現(xiàn)在的理論研究而言，儲能技術(shù)通過2種方式進(jìn)行，第一種方式是指將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式后進(jìn)行的能量存儲，比如在電能中進(jìn)行氫氣的制取過程，將電能轉(zhuǎn)化為氫能，然后以達(dá)到儲備能量的目的。它具體表現(xiàn)在有需要時(shí)，可以將氫能再轉(zhuǎn)化為其他的能量進(jìn)行使用。另一種儲能式機(jī)械儲能主要是利用抽水和壓縮的方式進(jìn)行能量儲備。在抽水儲能的過程中，它會將過剩的電能帶動(dòng)相應(yīng)的能量程序，將水壓從低到高處運(yùn)行，在電力不足的情況時(shí)，開啟水閘能夠通過水的正能勢力將一種能量轉(zhuǎn)化為另一種能量的形式。而壓縮空氣，儲能也是將一種能量形式轉(zhuǎn)化為另一種機(jī)械，能對整個(gè)氣體進(jìn)行改變。改變整個(gè)氣體進(jìn)行壓縮發(fā)電機(jī)也是這樣的原理，在電能儲備供應(yīng)不足的情況下，通過釋放一定的氣體來帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)氣發(fā)電。而電子儲能則是指在儲能電子設(shè)備進(jìn)行相關(guān)電能的儲存過程中，主要包括了電池儲能技術(shù)和電容技術(shù)兩種。電容充電的本質(zhì)與電池儲能技術(shù)最大的不同是在于電池儲能技術(shù)主要是利用鉛酸電池以及其他電子元器件將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，使電池在此過程中達(dá)到充電的目的；在電能儲備力量不足的情況下，利用電池對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行供電，滿足用電的需要。而電容充電的本質(zhì)是與電池充電的形式類似，是一種將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的一種外在表現(xiàn)形式[1]。隨著社會技術(shù)的不斷發(fā)展，儲能技術(shù)也獲得了進(jìn)步，從而為電力系統(tǒng)的整體平穩(wěn)運(yùn)行提供了有效的支撐。

2.電力系統(tǒng)調(diào)峰的重要性分析

相對于電力系統(tǒng)的相對平衡而提出的電力系統(tǒng)調(diào)峰的相關(guān)概念。電力系統(tǒng)主要是包含兩個(gè)方面：發(fā)電端和用戶端。從理論上來說，用電模式的發(fā)電端所產(chǎn)生的電量和用戶端所消耗的電量達(dá)到平衡是最理想的一種用電模式，但是在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中很難達(dá)到這種平衡，因此提出了電力系統(tǒng)調(diào)峰的相關(guān)概念。

2.1 相關(guān)概念介紹

目前主要還是以火力發(fā)電為主，是因?yàn)樵诂F(xiàn)有的電力系統(tǒng)發(fā)電過程中，火力發(fā)電所選用的機(jī)器是其功率比較高，從經(jīng)濟(jì)和效益的角度來看，該系統(tǒng)從運(yùn)行到停止這個(gè)過程之中都會產(chǎn)生高額的費(fèi)用，因此其啟動(dòng)時(shí)間也會較長，所以我們會采用更為有效節(jié)約的方式來進(jìn)行發(fā)電，選取特定的策略，保證發(fā)電端所發(fā)的電量處于一種平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)，這是電力系統(tǒng)調(diào)峰的一個(gè)基本念?；诖?，我們在電力系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)用的實(shí)際過程之中，發(fā)電機(jī)一旦啟動(dòng)，如果中途沒有出現(xiàn)意外或是其他故障保養(yǎng)之類的因素，是不允許進(jìn)行停機(jī)的。但由于全國居民而言，白天的耗電量會遠(yuǎn)高于夜晚的耗電量。根據(jù)具體的用電情況，白天用電會產(chǎn)生較高的、較高較大的峰值波動(dòng)。而夜晚的電量則不同，它基本上保持不變，會產(chǎn)生一定的估值，所以面對不同的用戶用電需求，就必須采用相應(yīng)的策略進(jìn)行電能調(diào)節(jié)，以應(yīng)對不同程度和不同階段的需求。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國電力負(fù)荷谷峰的比值是0.4～0.6，這也說明了整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的效率是較為低下的。如果我們運(yùn)用相變儲能，可以通過需求側(cè)促進(jìn)谷峰時(shí)期電力消費(fèi)，同時(shí)對電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)行谷峰電價(jià)的。這樣的方法是可行的，也是對股份電價(jià)進(jìn)行保證的一種方法。我們都可以采用電力儲能的方式來進(jìn)行電能的補(bǔ)充，同時(shí)蓄能和供熱都是可行的方法。在發(fā)達(dá)國家，相變儲能技術(shù)已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用，尤其是英國，從20世紀(jì)80年代開始就利用該技術(shù)進(jìn)行電熱儲能鍋爐用在供暖和熱水供應(yīng)之中，許多國家都將電力技術(shù)發(fā)展，作為一個(gè)重要的內(nèi)容。經(jīng)過不斷地發(fā)展，我國在該領(lǐng)域也做出了一些研究，同時(shí)，在理論和應(yīng)用上也取得了很大的成果。與此同時(shí)，也研究出來了各種相關(guān)的材料，以及較為成熟的儲能系列產(chǎn)品來將其應(yīng)用在電力調(diào)峰系統(tǒng)之中。

2.2 電力系統(tǒng)調(diào)峰的重要意義

一般而言，在電能不足的情況下，會很大程度上影響用戶的電能，最終造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和聲譽(yù)，影響電力系統(tǒng)調(diào)峰。因此，電力系統(tǒng)調(diào)峰對于電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行具有非常重要的意義。過剩的電能會很大程度上增加電網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)荷，從而對整個(gè)電網(wǎng)的電設(shè)備造成巨大沖擊。隨著國家對風(fēng)能和光電發(fā)能等新型能源電能的裝置進(jìn)行大力生產(chǎn)，許多地區(qū)都開展了大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，這些新型電能的運(yùn)用并入電網(wǎng)之后，如果用戶端無法及時(shí)進(jìn)行消耗，會增加整個(gè)電網(wǎng)的負(fù)荷，對電網(wǎng)系統(tǒng)造成巨大的影響。比如，在夏季高溫天氣中，很多地區(qū)會使用空調(diào)等大功率的電器，造成地域性的電能供應(yīng)緊張；如果從第三方引入電能，則能夠很大程度上緩解居民的用電需求，保證城市正常電力供應(yīng)。電力調(diào)峰的整體就在于對整個(gè)電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行提供一個(gè)可靠的支撐，在電力供應(yīng)不足或過剩的情況下，利用海綿吸收多余的電能。也可以利用這種海綿式的支撐，將儲存的電能擠壓出來，對電能系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)的供應(yīng)。

3.相變儲能技術(shù)在電力調(diào)峰中的工程應(yīng)用

如圖1所示，隨著社會的不斷進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量得到提高，我國的工業(yè)和民間用電大幅度上升。在發(fā)電、供電、電力、用戶系統(tǒng)過程中，燃料的儲存、蒸汽、儲能以及電、機(jī)械、水利和氣力儲能都可以幫助居民進(jìn)行電能儲能。而針對發(fā)電端來說，就是要設(shè)置建立大型的抽水儲能電站進(jìn)行調(diào)節(jié)，這些操作都需要巨額的投資。對于用戶端來說，由于民間和整個(gè)工業(yè)的用電質(zhì)量都得到了提高，因此在熱水、采暖、空調(diào)和電熱水器的產(chǎn)品的開發(fā)和利用之中，將谷期的電力存儲以供居民有急切需要時(shí)使用，這樣具有很大的靈活性和應(yīng)用性，可起到不用工程投資的儲能電站的作用，產(chǎn)生這些缺點(diǎn)的主要原因是因?yàn)樵撛O(shè)備的體積較小，僅可放置于室內(nèi)，基本適用于高寒的地區(qū)。具體可采用以下幾種方法進(jìn)行。

圖1 從發(fā)電－供電－電力用戶系統(tǒng)的儲能環(huán)節(jié)

3.1 100kWh以上的電熱相變蓄能裝置（鍋爐）及采暖和熱水供應(yīng)系統(tǒng)

要對100kWh以上的電熱相變蓄能裝置進(jìn)行研究，可參考廣東工業(yè)大學(xué)能源材料與技術(shù)應(yīng)用研究所所研發(fā)的相關(guān)設(shè)備，該設(shè)備是無毒無刺激的，該設(shè)備供暖裝置儲能密度在1500MJ/m3以上。其主要原理是根據(jù)衰減小于20%的長期熱循環(huán)10A以內(nèi)的儲熱性能相變材料進(jìn)行開發(fā)的，裝置壽命可達(dá)10A以上。由此我們可以看出，對于電力豐富同時(shí)峰谷差非常明顯的一些地區(qū)，我們可以安裝電熱箱、被儲能裝置或者是鍋爐。通過定時(shí)和溫控裝置將谷峰時(shí)期所產(chǎn)生的電熱能通過設(shè)備進(jìn)行儲存，在進(jìn)行熱水和空氣加工一共高峰時(shí)期使用，而電熱相變儲能過濾。而電熱相變儲能鍋爐相比于英國GEC公司的顯熱儲能鍋爐，體積上會減少在50%以內(nèi)；它可以提供溫度在40°左右的熱水，它的熱效率高達(dá)90%，在全國范圍內(nèi)的中小旅館中都可以使用；代替了使用分期電力3kW～6kW的電電容器熱水器[2]。而在一般的家用蓄能電熱水器中，其功率可以減少到0.5kW～1.2kW，相比于市場上售賣的儲水式電熱水器，它的體積會減少30%左右。因此，我們也可以在家庭中運(yùn)用單戶的采暖和供熱水系統(tǒng)。有不同的規(guī)格，以300kW的裝置為例，見表1。

表1 300kW電熱儲能熱水熱風(fēng)供暖

3.2 研制和開發(fā)相變儲能蒸汽鍋爐，建立蒸汽蓄能熱電站

相變儲能熱電站相比于抽水蓄能電站有靈活性和投資成本較少的優(yōu)點(diǎn)，熱能儲存電站的關(guān)鍵技術(shù)是相變儲能蒸汽發(fā)生器；因?yàn)樗哂袃δ苊芏雀吆头磻?yīng)靈敏以及可接受蒸汽、煙氣以及電力能量的特點(diǎn)，因此比起鍋爐去器械來說，有更廣闊的用途和發(fā)展空間。

3.3 蓄冷空調(diào)系統(tǒng)

如果想要將效率提高到7%～8%，可以采用相變溫度為5℃～10℃的相變材料，這樣的材料有別于蓄冰空調(diào)。

3.4 民用電熱電器上的應(yīng)用

相變儲能技術(shù)使得儲能式電熱水器實(shí)現(xiàn)了能量存放自動(dòng)調(diào)節(jié)，它可以瞬間使得輸出的功率大于輸入的功率，因此實(shí)現(xiàn)整個(gè)無線運(yùn)行。要發(fā)展這類的家電用器，可以大面積地達(dá)到促進(jìn)全國電力消費(fèi)的目的，同時(shí)可以起到削峰填谷的作用。我國已開發(fā)的相變儲式家用電熱水器有熱水器加熱保暖爐以及無線電吹風(fēng)、電暖器等。在這些產(chǎn)品中，有些已被列入國家重點(diǎn)新產(chǎn)品進(jìn)行投入試用。在天氣嚴(yán)寒以及地區(qū)偏遠(yuǎn)的城市可以運(yùn)用這些產(chǎn)品進(jìn)行電能儲存，它的優(yōu)勢就在于可以利用空氣進(jìn)行電力輸送。在利用800W常規(guī)電加熱器進(jìn)行輸送運(yùn)行時(shí)，它可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)供暖，而在1000W～1800W進(jìn)行供暖時(shí)，可以利用無線儲能加熱器進(jìn)行。根據(jù)居民所需進(jìn)行供暖，可以保證在停電期間或封期復(fù)核時(shí)保證無電供暖2h～17h。而它最大的優(yōu)點(diǎn)就在于早晨自動(dòng)切斷電源和無線以及無火4口之家，一日三餐到凌晨午夜12點(diǎn)會又開始充電，反復(fù)進(jìn)行。

4.儲能調(diào)峰案例及應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，我國針對不同儲能類型的一些技術(shù)特征，成本預(yù)算以及安全性綜合考慮，國內(nèi)外都陸續(xù)開展了不同的儲能參與調(diào)峰的示范電站，而在電池儲能參與調(diào)峰的實(shí)際案例是最為明顯的。

4.1 國外調(diào)峰

就國際形勢而言，水電能源都較為匱乏，而其中以日本的水電能源最為緊缺，其水電資源的開發(fā)價(jià)值也不多。而在日本，目前最大的東京電力公司作為一家上市企業(yè)，其電源結(jié)構(gòu)中常規(guī)的水電占比非常少。他們以火電與核電為主要電源，在常規(guī)水電之中已經(jīng)沒有了開發(fā)的余地，因此，導(dǎo)致他們的水電發(fā)力，幾乎是全部都用作了調(diào)峰時(shí)期的電力。在國外，第一個(gè)建立獨(dú)立的儲能調(diào)峰電站的項(xiàng)目是沿河項(xiàng)目。

4.2 國內(nèi)調(diào)峰

2018年由平頂山晨光儲能有限，公司建設(shè)的壓縮空氣，儲能調(diào)峰電站項(xiàng)目已經(jīng)在河南完成了企業(yè)投資的項(xiàng)目的相關(guān)備案，該公司的主要技術(shù)來源于中國科學(xué)院工程熱物理研究所。如果該儲能電站建成，會利用夜間低谷電，通過一系列壓縮和高壓空氣壓，將電能儲存在廢棄的鹽礦之中，如果遇到用電的高峰時(shí)期就會將儲存的電能進(jìn)行釋放，通過發(fā)電機(jī)的發(fā)電過程，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的削峰填谷，使當(dāng)?shù)氐碾娏ο到y(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行。該項(xiàng)目從投入到完結(jié)，計(jì)劃投資資金在10.13億元。該工期效率快、時(shí)間短，在2019年啟動(dòng)相關(guān)的建設(shè)工作，在2020年就完成了建設(shè)，進(jìn)行投入使用，共占地有200畝左右。

另外一個(gè)非常著名的項(xiàng)目就是2017年，遼寧省大連市與中電工程東北院所簽訂的一個(gè)調(diào)電池，儲能調(diào)峰電站國家示范性項(xiàng)目[3]。該項(xiàng)目是中電工程，東北院與大連恒流儲能電站公司達(dá)成的一個(gè)合約，根據(jù)整體規(guī)劃以及分期先生要求逐步接入，整體調(diào)度的原則進(jìn)行組織。該項(xiàng)目的建成充分驗(yàn)證了液流、電池、儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中能夠進(jìn)行有效應(yīng)用，同時(shí)也提高了遼寧電網(wǎng)整體的調(diào)控能力，為我國儲能電站設(shè)計(jì)建設(shè)和其他國家相關(guān)措施的制定提供了參考，推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展。

5.結(jié)語

隨著社會的不斷發(fā)展，以及人們對于用電的需求量越來越大，相比于傳統(tǒng)的儲電方式，運(yùn)用材料和能源相結(jié)合的高新技術(shù)進(jìn)行相變儲能的方式，可以積極開發(fā)和利用相關(guān)儲存室設(shè)備進(jìn)行電熱器產(chǎn)品的運(yùn)用，不論是在需求、供給和電力調(diào)峰方面都能夠得到有效的技術(shù)保證。從投資回本年限以及綜合效益來看，電熱相變蓄熱裝置體積小，但其壽命成本較低，也可以進(jìn)行應(yīng)用。可以根據(jù)具體情況選擇最佳參數(shù)。對于股差價(jià)可以進(jìn)行較為詳細(xì)的探討研究，它可以推動(dòng)電力采暖和移峰填谷。要想同時(shí)保證供電和用電的雙方效益，在谷期電價(jià)是峰期電價(jià)的25%左右對于雙方來說都是有益的。