含分布式電源電網(wǎng)儲(chǔ)能技術(shù)綜述

我國儲(chǔ)能技術(shù)專利申請(qǐng)?jiān)?6年之前增長緩慢，主要是由于缺乏與國際的技術(shù)交流，以及本身發(fā)展緩慢造成，加入WTO之后，國外企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)意識(shí)到中國已經(jīng)成為國際儲(chǔ)能領(lǐng)域的重要市場(chǎng)，紛紛在國內(nèi)申請(qǐng)專利技術(shù)，國內(nèi)自主研發(fā)申請(qǐng)的專利比重曾一度降至最低點(diǎn)。但隨著近年來國內(nèi)新能源、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，技術(shù)創(chuàng)新能力不斷提高，國內(nèi)企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)申請(qǐng)的專利比重逐年增加。

圖2 我國先進(jìn)儲(chǔ)能專利逐年申請(qǐng)情況

3 儲(chǔ)能技術(shù)的分類

3.1飛輪儲(chǔ)能[7,8]

飛輪儲(chǔ)能是指驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)將電能以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存起來，在整個(gè)電能的存儲(chǔ)和釋放過程中都利用了電力電子轉(zhuǎn)換技術(shù)。飛輪儲(chǔ)能密度的大小是由飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小決定的。以目前的最好的碳素纖維復(fù)合材料來說，這種材料的飛輪轉(zhuǎn)子可以承受的最大線速度達(dá)到 1000m/s 以上，儲(chǔ)能密度可達(dá)到 230Wh/kg，預(yù)計(jì)正在研制的熔融石英材料的飛輪儲(chǔ)能密度可達(dá)到 800Wh/kg，碳納米管材料將使飛輪的儲(chǔ)能密度提高到 2700Wh/kg。隨著超導(dǎo)塊材的發(fā)展，采用超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能可以將軸承的摩擦系數(shù)降低到10-7，儲(chǔ)能能量密度和效率都得到了很大的提高。

飛輪儲(chǔ)能的主要優(yōu)點(diǎn)有：

1)儲(chǔ)能密度高;比超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能和一般的蓄電池都要高。

2)充放電時(shí)間短，且無過充放電問題，壽命長;飛輪儲(chǔ)能充電只需要幾分鐘，

而不像化學(xué)電池需要幾個(gè)小時(shí)的充電時(shí)間。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命主要取決于其電力電子的壽命，一般可達(dá)到 20 年左右。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要瓶頸有：

a) 技術(shù)成本相對(duì)于蓄電池來說比較高;

b) 軸承材料還有待進(jìn)一步的突破;

c) 自放電現(xiàn)象很嚴(yán)重。

3.2超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)[7]

SMES 是指利用超導(dǎo)線圈繞制的電感來儲(chǔ)存電能，因?yàn)槌瑢?dǎo)的零電阻特性使其具有超過常導(dǎo) 2個(gè)數(shù)量級(jí)的通流能力，所以SMES具有比較大的儲(chǔ)能密度，能量密度可達(dá) 108J/m3量級(jí)，而且通過直流電流時(shí)沒有焦耳損耗。在 SMES 中超導(dǎo)線圈的能量是以直流形式存儲(chǔ)，參與電網(wǎng)的功率調(diào)節(jié)是通過變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的能量交換的方式。SMES 裝置一般由超導(dǎo)磁體及低溫杜瓦、變流系統(tǒng)、制冷設(shè)備和測(cè)控系統(tǒng)四個(gè)主要部件組成。

相比其他儲(chǔ)能 SMES 具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)響應(yīng)速度快，可以達(dá)到 1~5ms，這是其他的儲(chǔ)能達(dá)不到的響應(yīng)速度，這樣對(duì)電網(wǎng)發(fā)生的故障可以很快做出反應(yīng)，進(jìn)行功率的補(bǔ)償;

(2)通過變流器可以進(jìn)行四象限可控的功率交換，并可以同時(shí)進(jìn)行有功和無功的交換;

(3)可以短時(shí)間輸出很高的功率，能量損失小，系統(tǒng)效率高;輸出的功率密度很高，由于沒有直流電阻引起的焦耳熱，能量效率很高，理想可以達(dá)到 95%以上。

目前 SMES 廣泛應(yīng)用的主要問題關(guān)鍵還在于超導(dǎo)材料的突破，包括材料的性能和成本等;以及低溫制冷技術(shù)的進(jìn)步。

3.3超級(jí)電容器

普通電解電容器由于材料和容量原因，其存儲(chǔ)能量過小，所以不能用作大的儲(chǔ)能應(yīng)用。超級(jí)電容器的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到普通電容器103倍以上。由于超級(jí)電容器自身的雙電層和內(nèi)阻較大的特點(diǎn)，使其具有很高的功率密度和較長的循環(huán)壽命。與蓄電池和普通電容器相比，超級(jí)電容器的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

1)功率密度很高：可達(dá)102~l05W/kg，遠(yuǎn)超過現(xiàn)有蓄電池的功率密度水平;

2)循環(huán)壽命較長：在上萬次很短時(shí)間的高速深度循環(huán)后，超級(jí)電容器的性能依然變化很小，容量和內(nèi)阻僅降低 10%~20%;

3)工作溫度范圍：由于超級(jí)電容器中離子的吸脫附速度在低溫下變化很小，市場(chǎng)上商業(yè)化超級(jí)電容器的工作溫度范圍可達(dá)-30~60℃;

4)綠色環(huán)保：在超級(jí)電容器的生產(chǎn)過程中避免了使用重金屬等有害的化學(xué)物質(zhì)，因而是一種新型的綠色環(huán)保儲(chǔ)能裝置。

目前超級(jí)電容器的應(yīng)用比較廣泛，但在使用安全和穩(wěn)定上還有待加強(qiáng)。

3.4蓄電池儲(chǔ)能

在電網(wǎng)中應(yīng)用的儲(chǔ)能蓄電池主要有鉛酸電池、鈉硫電池和液流電池。原理都是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，等需要時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能來使用。鉛酸蓄電池發(fā)展使用的時(shí)間比較長，技術(shù)也較成熟，并逐漸進(jìn)入以密封型免維護(hù)產(chǎn)品為主的階段，而且成本較低，能量密度則在各類電池中處于適中水平。在環(huán)境影響上，基于密封閥控型的鉛酸電池也具有較高的運(yùn)行可靠性，只是能量密度較一般，其劣勢(shì)已不甚明顯。

但是相比鉛酸電池，鈉硫電池和液流電池具有其它化學(xué)電池不具備的優(yōu)點(diǎn)：

1)存儲(chǔ)容量更大，可以達(dá)到幾百千瓦甚至上兆瓦，是普通鉛蓄電池的8~10倍;

2)鈉硫電池和液流電池?zé)o污染，不會(huì)對(duì)環(huán)境有影響;

3)壽命高，穩(wěn)定性好。

缺點(diǎn)就是工作環(huán)境需要較高溫度，達(dá) 300℃~500℃，技術(shù)還有待進(jìn)一步完善。

3.5 其他儲(chǔ)能方式[9]

其他儲(chǔ)能方式包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能(compressed air energy storage，CAES)、蓄熱和蓄冷儲(chǔ)能等。抽水蓄能電站必須配備上、下兩個(gè)水庫，對(duì)建站地點(diǎn)要求苛刻，但是運(yùn)行簡單，可靠且使用期較長[10]。CASE電站建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，壽命長，響應(yīng)速度快，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制[11]。熱能存儲(chǔ)常和STES(solar thermal electric steam)電廠結(jié)合起來，這種儲(chǔ)能方式比較可靠，成本相對(duì)低廉。蓄冷常見的主要是水蓄冷和冰蓄冷，轉(zhuǎn)換效率分別為90%和80%。水蓄冷優(yōu)點(diǎn)是不改變制冷機(jī)的空調(diào)工況，但水的蓄冷密度(33.4kJ/kg)，所需蓄冷池體積大，冷量損耗也大。冰蓄冷相變潛熱為334.4kJ/kg，容積大幅減小，這種系統(tǒng)運(yùn)行管理方便，能為系統(tǒng)提供2℃~4℃的冷凍水，主要缺點(diǎn)是需要較大的制冷量[12]。

表 1.1 幾種主要儲(chǔ)能技術(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性