儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

中廣核風(fēng)電有限公司 徐華利 張 星 吳 剛

1 儲(chǔ)能技術(shù)的分類與特點(diǎn)

1.1 儲(chǔ)能技術(shù)的分類

儲(chǔ)能技術(shù)是指在能量供應(yīng)過剩時(shí)將能量轉(zhuǎn)化為其他形式并存儲(chǔ)起來，以供能量需求高峰時(shí)使用的技術(shù)。儲(chǔ)能技術(shù)的分類主要包括機(jī)械式儲(chǔ)能技術(shù)、化學(xué)式儲(chǔ)能技術(shù)、電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)和熱儲(chǔ)能技術(shù)四大類。

一是機(jī)械式儲(chǔ)能技術(shù)：機(jī)械式儲(chǔ)能技術(shù)是指將能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過某些裝置將其存儲(chǔ)起來。機(jī)械式儲(chǔ)能技術(shù)主要包括重物式、彈簧式、飛輪式、壓縮空氣式等。其中，壓縮空氣式儲(chǔ)能技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的機(jī)械式儲(chǔ)能技術(shù)之一。

二是化學(xué)式儲(chǔ)能技術(shù)：化學(xué)式儲(chǔ)能技術(shù)是指將能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并通過某些裝置將其存儲(chǔ)起來?；瘜W(xué)式儲(chǔ)能技術(shù)主要包括氫氣儲(chǔ)存技術(shù)、氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)能技術(shù)等[1]。其中，氫氣儲(chǔ)存技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的化學(xué)式儲(chǔ)能技術(shù)之一。

三是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)：電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是指將能量轉(zhuǎn)化為電能，并通過某些裝置將其存儲(chǔ)起來。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要包括電容器式、電池式、超級電容器式等。其中，電池式儲(chǔ)能技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)之一。

四是熱儲(chǔ)能技術(shù)：熱儲(chǔ)能技術(shù)是指將能量轉(zhuǎn)化為熱能，并通過某些裝置將其存儲(chǔ)起來。熱儲(chǔ)能技術(shù)主要包括水蒸氣儲(chǔ)熱技術(shù)、蓄熱材料儲(chǔ)熱技術(shù)等。

1.2 儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)

不同類型的儲(chǔ)能技術(shù)各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)，但都有以下幾個(gè)共同的特點(diǎn)。

一是高效性：儲(chǔ)能技術(shù)可以將能量轉(zhuǎn)化為其他形式并儲(chǔ)存，以備不時(shí)之需。這種儲(chǔ)存過程通常比較高效，能夠?qū)崿F(xiàn)較低的能量損失。

二是靈活性：儲(chǔ)能技術(shù)可以儲(chǔ)存不同類型的能量，可以根據(jù)需要靈活選擇儲(chǔ)存方式，提高能源利用效率。

三是可持續(xù)性：儲(chǔ)能技術(shù)可以使得新能源的波動(dòng)性得到克服，從而實(shí)現(xiàn)能源持續(xù)性。在新能源電力系統(tǒng)中，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)電力的平衡和穩(wěn)定，有效提高電網(wǎng)的可靠性和可持續(xù)性。

四是可控性：儲(chǔ)能技術(shù)可以根據(jù)需求隨時(shí)釋放能量，提供電力調(diào)峰和峰谷電價(jià)的支持，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡。

五是環(huán)保性：儲(chǔ)能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)能量的高效利用和能源的可持續(xù)性，有助于降低化石能源的消耗和減少環(huán)境污染。儲(chǔ)能技術(shù)比較見表1。

表1 儲(chǔ)能技術(shù)比較

2 儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

新能源電力系統(tǒng)具有不可控、間歇性和波動(dòng)性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定性和可靠性帶來了一定的挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，儲(chǔ)能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電具有不可控和波動(dòng)等特點(diǎn)，需要通過儲(chǔ)能技術(shù)來平衡供需之間的差異。目前，風(fēng)電系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括。一是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)：壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣，儲(chǔ)存于容器中，待需要電能時(shí)釋放壓縮空氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的一種技術(shù)。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有高效、長壽命、低成本等優(yōu)點(diǎn)，適用于大容量、長時(shí)間儲(chǔ)能。二是電池儲(chǔ)能技術(shù)：電池儲(chǔ)能技術(shù)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過電池進(jìn)行儲(chǔ)存，待需要電能時(shí)通過逆變器將電能轉(zhuǎn)化為交流電的一種技術(shù)。電池儲(chǔ)能技術(shù)具有高效、快速響應(yīng)、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，適用于小容量、短時(shí)間儲(chǔ)能。

2.2 儲(chǔ)能技術(shù)在太陽能系統(tǒng)中的應(yīng)用

太陽能發(fā)電也具有不可控和波動(dòng)等特點(diǎn)，需要通過儲(chǔ)能技術(shù)來平衡供需之間的差異。目前，太陽能系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括。

一是鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)：鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過電池進(jìn)行儲(chǔ)存，待需要電能時(shí)通過逆變器將電能轉(zhuǎn)化為交流電的一種技術(shù)。鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)具有高效、快速響應(yīng)、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，適用于小容量、短時(shí)間儲(chǔ)能。

二是熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)：熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)是將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熔鹽進(jìn)行儲(chǔ)存，待需要熱能時(shí)釋放熱能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的一種技術(shù)。熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)具有高效、長壽命、適用于大規(guī)模儲(chǔ)能等優(yōu)點(diǎn)，適用于大容量、長時(shí)間儲(chǔ)能。

2.3 儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

微電網(wǎng)是指小范圍的電力系統(tǒng)，可以與主電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)互通，也可以獨(dú)立運(yùn)行。儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。目前，微電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括：

一是超級電容儲(chǔ)能技術(shù)：超級電容儲(chǔ)能技術(shù)是將微電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)化為電荷存儲(chǔ)在電容器中，待需要電能時(shí)通過逆變器將電荷釋放為電能的一種技術(shù)。超級電容儲(chǔ)能技術(shù)具有高效、快速響應(yīng)、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，適用于小容量、短時(shí)間儲(chǔ)能。

二是納米鈦酸鹽儲(chǔ)能技術(shù)：納米鈦酸鹽儲(chǔ)能技術(shù)是將微電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，通過儲(chǔ)存于納米鈦酸鹽材料中，待需要電能時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種技術(shù)。納米鈦酸鹽儲(chǔ)能技術(shù)具有高效、長壽命、適用于大容量、長時(shí)間儲(chǔ)能等優(yōu)點(diǎn)[2]。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與效益評價(jià)

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

一是儲(chǔ)能容量應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)規(guī)模和負(fù)荷變化確定。二是儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)選用可靠的儲(chǔ)能技術(shù)，且具有高效率、長壽命、低成本等特點(diǎn)。三是儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在電力系統(tǒng)中心或大型負(fù)荷點(diǎn)附近，以降低輸電損耗和提高系統(tǒng)可靠性。四是儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)考慮環(huán)境保護(hù)和社會(huì)效益。五是儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)與電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

3.2 儲(chǔ)能容量的計(jì)算方法

儲(chǔ)能容量的計(jì)算需要考慮負(fù)荷預(yù)測和儲(chǔ)能技術(shù)特性。儲(chǔ)能容量的計(jì)算：

式中，Estor為儲(chǔ)能容量，單位為kWh；ΔHi為第i個(gè)時(shí)間段內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)需要儲(chǔ)存的能量，單位為kW ；Δti為第i個(gè)時(shí)間段的長度，單位為h ；n為時(shí)間段的總數(shù)。負(fù)荷預(yù)測可以采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和人工智能方法，結(jié)合歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)和天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。儲(chǔ)能技術(shù)特性包括儲(chǔ)能效率、充放電速率、儲(chǔ)能成本等，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行評估。

3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的效益評價(jià)指標(biāo)

3.3.1 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)

儲(chǔ)能系統(tǒng)成本：儲(chǔ)能系統(tǒng)成本包括建設(shè)成本和運(yùn)維成本兩部分。建設(shè)成本包括設(shè)備采購、安裝、調(diào)試等費(fèi)用，運(yùn)維成本包括人員工資、設(shè)備維護(hù)等費(fèi)用。儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的計(jì)算：

式中，Ic為建設(shè)成本，Im為運(yùn)維成本。

儲(chǔ)能系統(tǒng)收益：儲(chǔ)能系統(tǒng)收益包括節(jié)省能源費(fèi)用和電力市場收益兩部分。節(jié)省能源費(fèi)用是指由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用，電網(wǎng)能夠更加靈活地管理負(fù)荷，降低峰谷差，節(jié)約能源消耗。電力市場收益是指由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的參與，可以更好地應(yīng)對電力市場的需求和價(jià)格波動(dòng)，獲取更高的收益。儲(chǔ)能系統(tǒng)收益的計(jì)算：

式中，Rev為儲(chǔ)能系統(tǒng)收益；Se為儲(chǔ)能系統(tǒng)的收入，包括節(jié)省的能源費(fèi)用和電力市場收益；Sc是儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本，包括建設(shè)成本和運(yùn)維成本。儲(chǔ)能系統(tǒng)收益比較見表2。

表2 儲(chǔ)能系統(tǒng)收益比較

3.3.2 環(huán)境效益指標(biāo)

減少溫室氣體排放：儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將風(fēng)電、光伏等不穩(wěn)定能源的電力轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)能電力，減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，從而減少溫室氣體排放。減少的溫室氣體排放量的計(jì)算：

式中，ΔE是減少的溫室氣體排放量，單位為t；Cf是溫室氣體排放因子，單位為t；CO2排放量/kWh；Es是儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量，單位為kWh；η是儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率。

減少空氣污染：儲(chǔ)能系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少電力系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，從而減少火力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間和空氣污染物排放量。減少的空氣污染物排放量的計(jì)算：

式中，ΔP是減少的空氣污染物排放量，單位為t；Cp是空氣污染物排放因子，單位為t/kWh；Tu是火力發(fā)電機(jī)組的總運(yùn)行時(shí)間，單位為h；η是儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率。

3.3.3 電力系統(tǒng)運(yùn)行效益指標(biāo)

一是儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度：儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)具有快速響應(yīng)的能力，可以在電力系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，快速地向電網(wǎng)提供或吸收電力，以維持電力系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定。儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度可以用其放電或充電功率來衡量[3]。

二是儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率容量和能量容量：儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率容量是指其在單位時(shí)間內(nèi)可以向電網(wǎng)提供或吸收的最大功率，通常以兆瓦為單位。能量容量是指儲(chǔ)能系統(tǒng)可以儲(chǔ)存的最大電能量，通常以MWh 為單位。

三是儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性：儲(chǔ)能系統(tǒng)需要具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，以確保其在運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生故障，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全?？梢酝ㄟ^儲(chǔ)能系統(tǒng)的故障率和維修時(shí)間等指標(biāo)來評估其可靠性和穩(wěn)定性。溫室氣體排放因子見表3。

表3 溫室氣體排放因子

4 結(jié)語

在當(dāng)今能源轉(zhuǎn)型的大背景下，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展越來越受到關(guān)注。通過本文的介紹，了解儲(chǔ)能系統(tǒng)的定義、分類、工作原理以及收益和效益指標(biāo)等方面的內(nèi)容。儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效地提高電力系統(tǒng)的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也有助于減少溫室氣體排放和空氣污染物排放。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的不斷降低，儲(chǔ)能系統(tǒng)將會(huì)越來越廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)、工業(yè)制造、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，為人類創(chuàng)造更加清潔、安全、可持續(xù)的未來。