電力儲能及其主要技術類型

什么是儲能？

儲能是指通過介質或設備把能量存儲起來，在需要時再釋放的過程，通常儲能主要指電力儲能。儲能又是石油油藏中的一個名詞，代表儲層儲存油氣的能力。

電力儲能技術一般包括物理儲能（如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等），化學儲能（如鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等），電磁儲能（如超導電磁儲能、超級電容器儲能等）等。根據各種技術的特點，一般抽水蓄能、壓縮空氣儲能和化學電池儲能適合于電力系統調峰、大型應急電源、可再生能源并網等應用場合，而飛輪儲能、超導電磁儲能和超級電容器儲能適合于需要提供短時較大的脈沖功率場合，如應對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質量，抑制電力系統低頻振蕩等。

物理儲能

Physical energy storage

物理儲能主要指的是利用抽水、壓縮空氣、飛輪等物理方法實現能量的存儲，分別對應重力勢能、分子勢能與旋轉動能。與其他儲能方式相比，物理儲能的發展歷史長、技術成熟、成本較低，已經實現了商業化應用。

一、抽水儲能

抽水儲能是目前最成熟、應用時間最長、容量最大的一種儲能方式，也是解決大規模電力系統調峰困難的途徑之一。在全球電力儲能裝置中，抽水儲能占比達97%。抽水儲能需要高低兩個水庫，通過雙向運轉的電動水泵機組把低水庫的水運送到高水庫儲能。抽水儲能電站的壽命可達40年以上，容量可達到百兆甚至千兆瓦，轉換效率平均為75%左右，但是受制于地理條件，選址較為困難，通常遠離負荷中心。

抽水儲能系統示意圖

二、壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能將空氣存儲于高壓密封設施內，放電時再由高壓氣體驅動燃氣輪機發電。與抽水儲能類似，壓縮空氣儲能容量大、壽命長，同時也受地理條件的限制，主要用于峰谷電能回收調節、平衡負荷等。其主要缺點是進行空氣壓縮或者在釋放高壓空氣做功時發生熱量損失，使能量轉換效率不高，通常低50%。

壓縮空氣儲能系統示意圖

三、飛輪儲能

飛輪儲能的能量存儲于高速旋轉的轉子中，將轉子置于高真空環境中并采用磁懸浮軸承大大減小了熱量損失和摩擦損失，能量轉換效率達到95%，并且飛輪儲能幾乎不需要運行維護，設備壽命長，缺點是持續出力的時間較短。飛輪儲能適用于快速、高功率的有功或者無功支撐、旋轉備用等，是提供調頻服務的最佳電源。

飛輪儲能系統示意圖

化學儲能

Chemical energy storage

化學儲能是通過氧化還原反應將化學能和電能進行相互轉換以存儲能量的技術。在氧化和還原反應的過程中，離子的轉移帶來電荷的流動，最終實現電能的儲存和釋放。目前化學儲能主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等?；瘜W儲能作為目前技術較成熟、應用廣泛的儲能技術，其特點在于功率和能量可根據不同應用需求靈活配置，響應速度快，不受地理等外部條件的制約，適用于大規模應用和批量化生產，但存在使用壽命有限、制造和循環成本較高的限制。近年來隨著技術進步，可充電電池在大規模儲能方面的應用也越來越廣泛，特別是在獨立運行的風力儲能或太陽能電站中。

一、鉛酸電池

鉛酸電池是目前發展最為成熟的一類電化學儲能技術，與其他電化學儲能技術相比，頗具價格優勢。近幾年，以鉛炭電池為代表的改性鉛酸電池的應用，一定程度上提升了傳統鉛酸電池的循環壽命、轉換效率等技術性能，使得鉛酸電池成為一些分布式發電及微網項目業主方的首選技術之一。鉛酸電池具有免維護性、優越的高低溫性能、耐過充和優越的充電接受能力、電池一致性高等特點。但是其比能量和比功率較低、低溫性能差、循環壽命較短，且在制造過程中存在一定的環境污染。鉛炭電池是從傳統的鉛酸電池演進出來的新技術，它是在鉛酸電池的負極中加入了活性炭，與傳統的鉛酸電池相比，鉛炭電池具有充放電速度快、放電效率高、循環壽命長等特點。

鉛酸電池放電過程中化學反應示意圖

二、 鋰離子電池

由于鋰離子電池具有高能量密度、高電壓平臺、良好的功率性能和長壽命等特點，這使得鋰離子電池從一開始商業化便迅速成為“明星電池”，在消費電子產品、動力電池和儲能電池領域占據了重要的地位。

鋰離子電池示意圖

三、液流電池

液流電池是一種利用電化學反應來進行大規模儲能的新型儲能技術，通過正負極電解質溶液發生可逆的氧化/還原反應對電池進行充放電，實現電能與化學能之間的相互轉換與能量存儲。它們不同于將電化學活性物質儲存在電極表面的鉛酸等常規二次電池，液流電池的核心是實現充放電循環過程的活性物質儲存在電解液中，單電池裝置或半電池電極僅僅是作為發生氧化/還原反應的場所，而不是電化學活性物質儲存的地點。

液流電池示意圖

四、鈉硫電池

鈉硫電池是一種二次電池，可以反復使用，因此原材料也比較節省，電池制備成本相對較低?？伤哪芰繀s完全不會受到任何影響，使用起來效率也特別高，還容易對鈉硫電池進行維護修理。鈉硫電池具有許多特色之處：①比能量（即電池單位質量或單位體積所具有的有效電能量）高，其理論比能量為760Wh/kg，實際已大于150Wh/kg，是鉛酸電池的3～4倍。②可大電流、高功率放電，其放電電流密度一般可達200～300mA/cm2，并瞬時可放出其3倍的固有能量。③充放電效率高，由于采用固體電解質，所以沒有通常采用液體電解質二次電池的那種自放電及副反應，充放電效率幾乎100%。但鈉硫電池也有不足之處，其工作溫度在300～350℃，所以，電池工作時需要一定的加熱保溫。但采用高性能的真空絕熱保溫技術，可有效地解決這一問題。此外，鈉硫電池適用于大容量電能儲存，鈉硫電池技術的發展趨勢是低溫化，同時保留硫、鈉活性體系固有的高比能量、低成本優點，該技術的突破成為目前研究熱點。

鈉硫電池示意圖

電磁儲能

Elctromagnetic energy storage

電磁儲能包括超導儲能、電容儲能、超級電容器儲能。超導儲能采用超導體材料制成線圈，利用電流流過線圈產生的電磁場來儲存電能，由于超導線圈的電阻為零，電能儲存在線圈中幾乎無損耗，儲能效率高達95%。電容儲能用電荷的方式將電能直接儲存在電容器的極板上，充放電快，能量密度高。由于一般的電容器的容量比較小，作為儲能器件以前只能用于間斷性的高壓脈沖電源。超級電容器是一種雙電層電容器，采用極高介電常數的電介質和特殊的電極結構，電極表面積成萬倍的增加，因此可以用較小體積制成大容量電容器，電儲能大幅度增強。

一、超導儲能

超導儲能系統是目前唯一能將電能直接存儲為電流的儲能系統。它將電流導入環形電 感線圈，由于該環形電感線圈由超導材料制成，因此電流在線圈內可以無損失地不斷循環， 直到導出為止。超導線圈大多用常規的鈮鈦（ NbTi ）或鈮三錫（ Nb3Sn ）等材料組成的導 線繞制而成，它們都要運行在液氦的低溫區（4.2K），儲能容量較大；也有采用Bi系等高溫超導材料繞制儲能線圈的，但這種高溫超導材料在液氮溫區的磁場特性很差，即其臨界 電流隨磁場強度的增大而迅速減小，因而無法在液氮溫區產生很強的磁場，使儲能容量難 以做大。超導儲能系統具有極高的充放電效率和很短的負荷反應時間，但價格極其昂貴， 約為其他類型儲能系統數十至數百倍，而且建設大規模的強磁場也會帶來嚴重的環境問 題。超導儲能系統通常包括三個主要部分，即超導單元、低溫恒溫系統和一個電源轉換系統。

超導儲能系統具有如下優點：超導儲能系統可長期無損耗地儲存能量，其轉換效率超 過90%；超導儲能系統可通過采用電力電子器件的變流技術實現與電網的連接，響應速 度快（毫秒級）；由于其儲能量與功率調制系統的容量可獨立地在大范圍內選取，因此可 將超導儲能系統建成所需的大功率和大能量系統；超導儲能系統除了真空和制冷系統外沒 有轉動部分，使用壽命長；超導儲能系統在建造時不受地點限制，維護簡單、污染小。

二、超級電容器儲能

超級電容器是基于多孔炭電極/電解液界面的雙電層電容，或者基于金屬氧化物或導 電聚合物的表面快速、可逆的法拉第反應產生的準電容來實現能量的儲存。其結構和電池 的結構類似，主要包括雙電極、電解質、集流體、隔離物4個部件。

超級電容單元

超級電容器兼有電池高比能量和傳統電容器高比功率的優點，從而使得超級電容器實 現了電容量由微法級向法拉級的飛躍，徹底改變了人們對電容器的傳統印象。目前，超級 電容器已形成系列產品，實現電容量0.5～1000F，工作電壓12～400V，最大放電電流400～ 2000A。與電池相比，超級電容器性能特點為：

①具有法拉級的超大電容量；

②比脈沖 功率比蓄電池高近10 倍；

③充放電循環壽命在100000 次以上；

④能在?40～70℃的 環境溫度中正常使用；

⑤有超強的荷電保持能力，漏電流非常??；

⑥充電迅速，使用便 捷；

⑦無污染，真正免維護。