電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用前景

［關(guān)鍵詞］電力系統(tǒng)；儲(chǔ)能技術(shù)；應(yīng)用前景

［中圖分類號(hào)］TM73 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）10–0086–03

傳統(tǒng)的供電模式是以供需平衡為基礎(chǔ)的供電，這種方式可以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但對(duì)煤炭等不可再生資源的依賴相對(duì)較高，不僅造成環(huán)境污染問(wèn)題，而且也不利于國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展。新能源的發(fā)展可解決以上問(wèn)題，但其大規(guī)模接入會(huì)打破傳統(tǒng)供電的平衡，并會(huì)導(dǎo)致較大的諧波，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，影響供電質(zhì)量。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，可以有效解決新能源并網(wǎng)的問(wèn)題，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，也為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展助力。

1儲(chǔ)能技術(shù)概述

儲(chǔ)能技術(shù)是將電能暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，并在需要時(shí)釋放出來(lái)，供使用的一種新技術(shù)。其本質(zhì)是通過(guò)對(duì)電能進(jìn)行處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能在時(shí)間段與空間點(diǎn)方面的轉(zhuǎn)移，從而提高電能供給的質(zhì)量，更好地匹配能源供給與需求的時(shí)間差。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，幾乎無(wú)需使用該技術(shù)，所以該技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用，主要為了更好應(yīng)對(duì)新能源的使用問(wèn)題。

2電力系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)種類

2.1機(jī)械儲(chǔ)能

2.1.1壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能的核心是將電能轉(zhuǎn)化成空氣的壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存。在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期，通過(guò)壓縮空氣儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的高壓儲(chǔ)存，而在用電高峰期，則可以釋放電能，使其通過(guò)推動(dòng)渦輪機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電能的快速轉(zhuǎn)化。壓縮空氣儲(chǔ)能工作原理如圖1所示。壓縮空氣儲(chǔ)能裝置的種類如圖2所示。壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能規(guī)模靈活、運(yùn)行周期長(zhǎng)、無(wú)污染等特點(diǎn)，與當(dāng)下我國(guó)“雙碳”的發(fā)展理念相契合，但該技術(shù)的儲(chǔ)能效率相對(duì)較低，其轉(zhuǎn)化率也存在不足，在儲(chǔ)能中會(huì)導(dǎo)致大量的能量損失。

2.1.2抽水儲(chǔ)能

抽水儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)化成水的勢(shì)能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的儲(chǔ)存與利用。相較于壓縮空氣儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，該模式的能量轉(zhuǎn)化率更高，在70%～85%。在具體使用的過(guò)程中，需要在上下游都設(shè)計(jì)相應(yīng)的水庫(kù)，在出現(xiàn)電力負(fù)荷低谷的過(guò)程中，可以快速將水資源抽送到上游，而在用電峰值時(shí)，將上游水庫(kù)中的水釋放到下游。近些年來(lái)，我國(guó)在抽水儲(chǔ)能方面的投入不斷增加。該技術(shù)具有儲(chǔ)能量大、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢(shì)，但其也存在前期投入量大、選址困難等問(wèn)題。所以近些年來(lái)，我國(guó)加大了在水利工程施工方面的建設(shè)力度，水利工程的建設(shè)與抽水儲(chǔ)能的設(shè)施更為契合，降低建設(shè)成本的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的高效利用，使得該儲(chǔ)能技術(shù)在使用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

2.1.3飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)化成輪子旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，將其儲(chǔ)存到系統(tǒng)中。在儲(chǔ)存能力中，飛輪的轉(zhuǎn)速加快，而在釋放能量后，飛輪的旋轉(zhuǎn)速度減慢。飛輪儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的創(chuàng)新，其是創(chuàng)造一個(gè)真空的環(huán)境，然后通過(guò)磁力懸浮的方式，讓輪子在真空罩內(nèi)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度可高達(dá)50000r/min，以此實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存。相較于其他儲(chǔ)存模式來(lái)說(shuō)，該儲(chǔ)存的能量?jī)?chǔ)存速度非?？?，甚至可以在幾分鐘之內(nèi)達(dá)到所需要的速度。而且，結(jié)合飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)可知，其瞬時(shí)性的特點(diǎn)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)功率平衡的目的，所以其更適用于高速、瞬間儲(chǔ)能的場(chǎng)景，而且該技術(shù)的電能消耗也相對(duì)較少，可以實(shí)現(xiàn)80%以上的電能轉(zhuǎn)化。其能量?jī)?chǔ)存的密度，可以通過(guò)轉(zhuǎn)子的幾何形狀及材料屬性等進(jìn)行計(jì)算出來(lái)。對(duì)于單一材料，各向同性轉(zhuǎn)子這種關(guān)系可表示為：

式中，E為轉(zhuǎn)子動(dòng)能，m為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，σ為材料的拉伸強(qiáng)度，K為轉(zhuǎn)子的幾何形狀系數(shù)，ρ為材料的密度。

通過(guò)式中的方式進(jìn)行計(jì)算，即可算出飛輪儲(chǔ)能的上限。

2.2電化學(xué)儲(chǔ)

能電化學(xué)儲(chǔ)能是指通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的方式來(lái)進(jìn)行能量的儲(chǔ)存，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)電池的方式，進(jìn)行能量的儲(chǔ)存。常見(jiàn)的電化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰離子電池、鉛酸電池及燃料電池等。文章以鋰離子電池為例。鋰離子儲(chǔ)能是電化學(xué)儲(chǔ)能的重要組成部分，其主要是通過(guò)鋰離子在正負(fù)電機(jī)中來(lái)回移動(dòng)的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電反應(yīng)。該技術(shù)具有使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)存能力高等優(yōu)勢(shì)，在汽車、手機(jī)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。在新能源快速發(fā)展的當(dāng)下，科學(xué)家也提出了眾多電能儲(chǔ)存的方式，其中雙向互動(dòng)模式下有序充電也是其所提出的重要設(shè)想。由于新能源汽車都是蓄電池，而該模式就是借助新能源汽車的作用，在電網(wǎng)有多余的電量時(shí)，可以通過(guò)車輛進(jìn)行儲(chǔ)存，而在電網(wǎng)壓力重時(shí)，可以讓車輛放電以供人們用電，進(jìn)而減輕電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。但該模式忽略了電池的損耗，所以在電瓶具有更高效能之前，該模式的應(yīng)用存疑。

2.3電磁儲(chǔ)能

電磁儲(chǔ)能的核心是將電能轉(zhuǎn)化成電磁。常見(jiàn)的電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能與超級(jí)電容儲(chǔ)能。

2.3.1超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能

超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能是以超導(dǎo)材料為基礎(chǔ)，通過(guò)與電網(wǎng)相連接，通過(guò)變流器供電勵(lì)磁，在線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存。1911年，荷蘭科學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯發(fā)現(xiàn)，汞在溫度4.2K以下，其電阻為零，而且許多材料在特定的溫度下，都會(huì)失去其原有的特性，該發(fā)現(xiàn)也成為超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能的核心。在特定材料的作用下，超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%的轉(zhuǎn)化率。超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能主要是由低溫容器、制冷裝置、變流裝置等部件組成。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制及功率線路布局如圖3所示。該技術(shù)具有響應(yīng)速度快、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，而且在實(shí)際使用的過(guò)程中，具有穩(wěn)定的輸出效果，所以將該儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，可以有效提高電力系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

2.3.2超級(jí)電容儲(chǔ)能

超級(jí)電容儲(chǔ)能是以多孔材料為電極，通過(guò)正負(fù)電荷層的方式，形成充電、放電的高靜電電容器。相較于傳統(tǒng)的電容器來(lái)說(shuō)，該電容器不僅具有更強(qiáng)的耐壓能力，而且還具有較強(qiáng)的儲(chǔ)存能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電力快速釋放的效果。而且相較于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)說(shuō)，該技術(shù)還具有較強(qiáng)的性能優(yōu)勢(shì)，可以重復(fù)實(shí)現(xiàn)重放10萬(wàn)次以上，安全、耐用，是一種高性能的超級(jí)電容器。相較于傳統(tǒng)的蓄電池來(lái)說(shuō)，該模式具有功率密度大、放電效率高等優(yōu)勢(shì)，更重要的是其對(duì)維護(hù)的要求更低，而且可靠性也非常高，在微電網(wǎng)及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中，具有較號(hào)的發(fā)展前景。

3儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1微電網(wǎng)

微電網(wǎng)是一個(gè)小型的發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)自我維護(hù)、管理等，而且還可以與電網(wǎng)并網(wǎng)。在部分供電能力不足的區(qū)域，通過(guò)微電網(wǎng)的獨(dú)立供電，可以保障供電的穩(wěn)定性與安全性。相較于電力系統(tǒng)，微電網(wǎng)可以對(duì)分布式電源進(jìn)行就地消化與利用，有效避免了新能源等并網(wǎng)后所產(chǎn)生的問(wèn)題，是保障電力系統(tǒng)安全、可靠的重要技術(shù)。而通過(guò)將其接入供給側(cè)，還可以實(shí)現(xiàn)供給側(cè)的管理，為實(shí)現(xiàn)資源價(jià)值的最大化助力。

3.2可再生能源電站

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用有效解決了傳統(tǒng)新能源發(fā)電的問(wèn)題，而且其實(shí)現(xiàn)了能源時(shí)間與空間點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，這也為可再生能源電站的建立提供了保障。在供電的過(guò)程中，可以結(jié)合用戶的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)跟蹤計(jì)劃調(diào)度，提高電網(wǎng)可控性的同時(shí)，還可以提高并網(wǎng)的友好性。

4結(jié)束語(yǔ)

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用不僅讓新能源并網(wǎng)成為可能，而且還實(shí)現(xiàn)了資源的合理利用，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的作用，符合當(dāng)下居民對(duì)電網(wǎng)高服務(wù)質(zhì)量的需求。但當(dāng)下許多儲(chǔ)能技術(shù)仍存在一些問(wèn)題，仍需要加大對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究，并不斷探索應(yīng)用的新方向，進(jìn)而為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的良好發(fā)展助力。