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有功储能设备

有功储能设备的综述

摘要：

在专业基础课的学习中,我们知道对于整个电力系统来说，必须保持电能的生产、输送和使用处于一种动态的平衡状态，如果在电力系统运行中发生了供电和用电的不平衡，系统运行的稳定性就会遭到破坏，甚至发生事故，给电力系统及国民经济造成严重的损失。

而能量储存技术可以提供一种简单的解决电能供需不平衡的办法，下面本文就简要介绍了物理储能、化学储能和电磁储能等储能技术的现状和前景展望。

Abstract:

intheprofessionalbasiccourseofstudy,weknowthatforthewholepowersystem,itmustkeeptheproductionofelectricenergy,transportationanduseinadynamicbalancestate,ifintheelectricpowersystemoperationhappenedinthepowersupplyandpowerimbalance,thestabilityofthesystemoperationwillbedestroyed,andevenaccidents,tothepowersystemandthenationaleconomycausedheavylosses.Andenergystoragetechnologycanprovideasimplesolutionelectricpowersupplyanddemandunbalancedmeasures,belowthispaperbrieflyintroducedthephysicalstorage,chemicalstorageandelectromagneticenergystorageandenergystoragetechnologypresentsituationandprospect.

关键词：

有功储能、抽水蓄能、综述、应用前景

Keywords:

activeenergystorage,pumpedstorage,reviews,applicationforeground

引言：

电能是人类赖以生存的物质基础，电力产业也是国家重要的基础产业之一。

电能的生产是连续的，所以，对于整个电力系统来说，必须保持电能的生产、输送和使用处于一种动态的平衡状态，而能量储存技术可以提供一种简单的解决电能供需不平衡的办法。

正文：

据资料显示，储能技术在早期电力系统中已经有所运用。

早在l9世纪后期纽约市的直流供电系统中，为了在夜间将发电机停下来，采用了铅酸蓄电池为路灯提供照明用电。

随着电力技术的发展，抽水储能电站被用来进行电网的调峰。

抽水蓄能电站在夜晚或者周末等电网负荷较小的时间段，将下游水库的水抽到上游水库，在电网负荷峰值时段，利用上游水库中的水发电，补充峰荷的需求。

在美国，抽水蓄能机组容量约占总装机容量的3％，而在日本则超过了10％。

而目前，储能技术在电力系统中的运用主要有以下几个方面：

首先，它可以调节电力生产中的峰谷差；其次，储能技术提高电力系统供电的可靠性，在系统因故障停电时，储能设备可以起暂时供电的作用，避免突然停电带来的麻烦和损失；再次，储能装置可以提高系统的稳定性，在电力系统受到大的扰动时，例如短路等事故时，储能装置可以在瞬时吸收或释放能量，使系统中的调节装置有时间进行调整，避免系统失稳；最后，它是风力发电、太阳能光伏发电或热发电等可再生能源发电设备中必不可少的装备，有了储能装置的配合，这些不稳定的发电设备才有可能向用户稳定地供电。

现在主要的储能方式是物理储能（如飞轮储能）、电化学储能（如铅酸电池、钠硫电池、液流电池等）、电磁储能（如超导电磁储能等）。

它们应用于不同的场合。

1、物理储能

1.抽水蓄能电站

抽水储能电站是当前唯一能大规模解决电力系统峰谷困难的一种途径。

它需要高低两个水库，并安装能双向运转的电动水泵机组即水轮发电机组。

当电力系统处于谷值负荷时让电动机带动水泵把低水库的水通过管道到高水库以消耗一部分电能。

当峰值负荷来临时，高水库的水通过管道使水泵和电动机逆向运转而变成水轮机和发电机发出电能供给用户，由此起到削峰填谷的作用。

这种方案的优点是：

技术上成熟可靠，其容量可以做得很大，仅受到水库库容的限制。

缺点首先是建造受到地理条件的限制，必须有合适的高低两个水库。

另外，在抽水和发电两个过程中都有相当数量的能量是损失掉的。

还有一个缺点是这种抽水储能电站受地理条件限制，一般都远离负荷中心，不但有输电损耗，而且当系统出现重大事故而不能工作时，它也将失去作用。

目前，我国在抽水蓄能电站建设上缺乏统一规划，据调查有的省份抽水蓄能选点就达30个以上，影响资源优化配置，主要原因是它对当地经济发展和GDP增长具有拉动作用。

国家发展和改革委员会最近在文件中已明确指出：

抽水蓄能电站建设要根据各电力系统的不同特点和其厂址资源条件，与电网和常规电源统一纳入规划范围。

对于抽水蓄能电站经营模式没有考虑抽水蓄能电站建设的差异性以及电源的特殊性，造成收费标准难以确定。

从国外经营抽水蓄能电站来看，不外乎3种模式，即英国的独立经营方式、日本的电网租赁方式和法国的电网统一经营方式，我国在这方面需要认真总结经验．采取合适的经营模式，既有利于发展建立有效合理的成本回收和电价机制．又能满足电网安全运行。

2.飞轮储能

它的具体设想是：

在谷值负荷时，将多余电力输入电机，使其驱动飞轮加速，这大概需要几个小时，例如从午夜到清晨，然后飞轮保持在高速下转动，到出现峰值负荷时，让飞轮驱动电机作为发电机运行，使飞轮的动能变成电能供给电网。

在这一过程中飞轮转速下降，直到它的最高转速的一半左右。

由于采用变速恒频的电力电子技术，输出电能的频率可保持不变。

目前，大多数现代飞轮储能系统都是由一个圆柱形旋转质量块和通过磁悬浮轴承组成的支撑机构组成。

采用磁悬浮轴承的目的是消除摩擦损耗，提高系统的寿命。

为了保证足够高的储能效率，飞轮系统应该运行于真空度较高的环境中，以减少风阻损耗。

飞轮与电动机或者发电机相连，通过某种形式的电力电子装置，可进行飞轮转速的调节，实现储能装置与电网之间的功率交换。

飞轮储能的一个突出优点就是几乎不需要运行维护、设备寿命长且对环境没有不良的影响。

飞轮具有优秀的循环使用以及负荷跟踪性能，它可以用于那些在时间和容量方面介于短时储能应用和长时间储能应用之间的应用场合。

飞轮储能的主要优点有：

（1）储能密度高;比超导磁储能、超级电容器储能和一般的蓄电池都要高。

（2）充放电时间短，且无过充放电问题，寿命长;飞轮储能充电只需要几分钟，而不像化学电池需要几个小时的充电时间。

飞轮储能系统的寿命主要取决于其电力电子的寿命，一般可达到20年左右。

飞轮储能技术广泛应用的主要瓶颈有：

（a）技术成本相对于蓄电池来说比较高;（b）轴承材料还有待进一步的突破;（c）自放电现象很严重。

3.压缩空气储能

压缩空气储能是基于燃气锅轮机发展起来的技术，与燃气锅轮机不同的是压缩空气储能是在用电负荷处于低谷时，用电网多余的电能将空气压缩在密闭空间中，而并非消耗燃气。

当负荷需要电能时再释放高压气体，经燃烧室膨胀后通过燃气锅轮机发电。

压缩空气储能方式中的存储介质是空气，容易获取而且成本较低；其存储容量大、持续时间长，同时使用寿命也很长，效率在70%左右。

但这种储能方式只是用于大型系统，同时需要洞穴、矿井等特殊的地形条件来实现空气储能，这极大地限制了压缩空气储能的发展。

压缩空气储能主要应用在削峰填谷、调频和系统备用电源方面。

德国的Huntorf电站是世界上第一座投入运行的压缩空气储能电站，其输出功率是110MW，于1991年投入运行。

包括我国在内的许多国家都在对这种储能技术进行研究，其他一些国家也开始建造此类储能电站。

液化空气和超临界空气储能系统是在原有的基础上提出的新型系统，母亲还在研究当中。

中国科学院院士卢强日前在接受中国证券报记者采访时表示，压缩空气储能应用潜力巨大。

从目前来看，仅在风电上的应用就可相当于整个三峡水电站的总装机容量。

卢强认为，压缩空气储能优势明显，其应用具有非常广阔的前景。

首先，能有效解决风电存在的问题。

风电最大的问题就是发电具有不稳定性，因此需要风电协同控制储能系统，而我国是世界上风电装机容量最多的国家，如果能通过压缩空气储能充分提高风电利用率，其经济效益非常巨大。

其次，压缩空气储能装置使用寿命长，一座压缩空气储能站建成后可用30-40年，并且造价与一座同等功率的水电站相当，并且与水电站易受地理条件影响不同，压缩空气储能装置几乎可以在任何需要的地方建造。

此外，由于压缩空气储能使用的原料是空气，因此不产生任何有毒有害气体，是真正的零污染。

2、化学储能

1.蓄电池储能

电池有多种类型：

铅酸电池是人们最熟悉的一种可充电电池。

现在密封型免维护的铅酸电池已成为这类电池的主流。

碱性电池中的镉镍电池现在已被镍氢电池逐步取代。

碱性电源比起铅酸电池有容量大，结构坚固，充放循环次数多等优点，但其价格也贵得多。

这就限制了在能源领域中的应用。

另一类性能优异的电池是锂离子二次电池。

它彻底解决了充放电的记忆效应，大大方便了使用，在制造过程中基本上避免了对环境的污染，有绿色电池之称。

主要缺点是价格太贵，目前它主要用于通信和信息设备中，但由于它的高储能密度，很有可能用在电动汽车等交通工具中。

如果能进一步提高储能密度并降低成本，那么它将很有希望用于供电设备的储能中。

2.锂离子电池

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。

在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：

充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池。

是现代高性能电池的代表。

锂离子电池是近年来兴起的新型高能量二次电池，由日本的索尼公司在1992年率先推出。

其工作电压高、体积小、储能密度高（300-400kWh/

）、无污染、循环寿命长。

但是锂离子电池要想大规模生产还有一定难度，因为它特殊的包装和内部过充电保护电路造成了锂离子电池的高成本。

当前存在的最大难点是锂离子蓄电池所用隔离膜未能有实质性的突破。

我国生产锂离子电池的各厂家均依赖于国外进口其售价甚而占了生产成本的20以上其实锂离子电池所用隔离膜并不是什么贵重材料只是我国迄今在规模化生产方面的技术仍未过关如果这一技术难点得以解决我国锂离子蓄电池的生产成本还能大幅度下降。

锂离子电池所用隔离膜为多孔膜锂离子从微孔中通过而燃料电池所用隔离膜为致密膜质子从聚合物的结构中通过。

所以锂离子电池所用隔离膜将比氢燃料电池所用隔离膜容易解决。

随着科技的发展，相信锂离子电池在今后将会得到广泛的应用。

3.新兴的大容量蓄电池

液流电池寿命长，可深度放电且不受地理位置的限制，与其他电池相比其功率和储能容量可独立设定，系统设计灵活，非常适合大规模储能。

它可以应用在电能质量控制、削峰填谷和频率控制方面。

我国在这方面的发展比较迅速，掌握了大量的技术，基本可以进行商业运行。

在国外，液流电池已经应用在电站调峰等领域。

英国Innogy公司已成功开发出多个系列的多硫化钠/溴液流储能电池，同时也开始建造液流储能电站。

国内的液流电池研究是从20世纪90年代开始，与外国的差距比较大，研究还处于实验阶段。

其中大连物化所成功研制出了国内首台100kW的液流储能系统，效率可达75%。

我国液流电池的未来发展应该还要在关键材料上有所突破。

钠硫电池是以钠和硫分别作为负极、正极，钠硫电池比能量高，可大电流、高功率放大。

它应用在削峰填谷、应急电源和电能质量调节方面。

钠硫电池在国外已经是发展比较成熟的储能电池了，特别是在日本，2002年日本的NGK公司已经实现了钠硫电池的产业化生产，并且不断扩大规模，同时在世界各地建造储能电站。

国内对钠硫电池进行研究的主要是上海硅酸盐研究所，其与上海电力合作的大容量钠硫电池的研究成功使国内的水平更上了一个台阶。

钠硫电池具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

钠硫电池大规模推广应用的最大障在其价格。

如果能实现钠硫电池在我国的自主产业化，有望使其成本达到或接近火电水平，那么随着峰谷电价差的逐步加大和对电能质量要求的日益提高，实现钠硫电池的规模化应用是完全可能的。

3、电磁储能

1、超导储能

磁场储能就是在电感线圈中充入电流而储存电能。

磁场储能中又以超导线圈储能最优。

近30年来，超导储能（SEMS）的研究一直是电力系统应用超导技术的热点，尤其是1986年由于超导高温材料（其临界温度达到160K以上）的研究取得实质性进展，使得这一领域的研究工作显得方兴未艾。

由于超导线圈在运行时没有电阻，因此它的储能效率很高。

同时它的电流密度远高于常规线圈，可以做到很高的储能密度。

另外它可以用极快的速度存入和放出电能，适合于在瞬变状态下，例如电力系统的暂态过程下使用。

它的缺点一是需要深冷设备，即使是高温超导线圈也要在液氮温度下运行。

另外它与传统的储能设备相比，能量密度还是太小。

在大电流运行下它的电磁力对线圈本身所受应力也是一个问题。

因此目前它的主要用途还在于改善电力系统的动态稳定性，以充分发挥它的快速响应的优点。

在超导的电力应用中，SEMS需要的技术较简单，应作为超导电力应用的主选课题。

SEMS技术的研究和发展将使电力系统产生一种新的元件，它将和其他元件（发电、输电、配电等）一样，成为电力系统的重要组成部分，也使得电力系统的电能质量、安全运行水平、电厂经济效益进一步提高。

我国于60年代中期开始低温超导研究工作，在超导材料、超导磁体和低温及应用技术等方面都奠定了一定的基础，在某些领域如高Tc氧化物超导块材的研究处于国际领先水平。

但是对SEMS的研究几乎是一片空白，国家应给予一定的资金投入。

电力部门更应该注视和积极支持这方面的工作，在国外研究的基础上制定出符合我国国情的研究计划，选择明确和实际的有限目标，争取在未来的电力工业建设方面赶上世界发展步伐。

2、超级电容器储能

超级电容器就是有超大电容量的电容器，它的电介质具有极高的介电常数，因此可以在较小体积小制成以法拉为单位的电容器，比一般电容量大了几个数量级。

电容器储能同样具有快速充放电能的优点，甚至比超导线圈更快。

它不需要复杂的深冷设备．这些都是它的优点。

但超级电容器的电介质耐压很低，制成的电容器一般仅有几伏耐压。

由于它的工作电压低，所以在实际使用中必须将多个电容器串联使用。

这就要求增加充放电的控制回路，使每个电容器能工作在最佳条件下。

超级电容器作为一种新型的储能元件，具有容量大、功率密度高、免维护、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽等优点。

目前，超级电容器的研究较为活跃：

为不稳定电源提供备用能量，满足电动汽车及电机提供启动加速的瞬时高功率，制动过程的能量回收，调节改善电网中动态电压变化等。

在对电能具有随机性、间歇性和突发性要求的应用场合，通过利用超级电容器备用储能装置，可实现电力能源的快速、稳定、灵活调节，这使超级电容器储能系统在诸多领域具有广泛而深远的应用前景。

结语：

无论是以上的哪种储能技术都在电力系统领域中有着广泛的运用，采用这些技术可以更好的实现电力系统能量管理，尤其是在可再生能源和分布式发电领域，这种作用尤为明显。

正是如此，我们更应该积极开展着一领域的研究，为电力系统的安全、经济、可靠运行提供新的技术支持。

其中，绿色环保的飞轮储能技术和储能效率高超导储能技术都有很大的前景，必然会在以后的储能系统中发挥更大的作用。

参考文献：

1.陈建赋，胡玉峰，吴小辰.储能技术在南方电网中的应用前景分析[J].南方电网技术，2010,4（6）：

32-36

2.刘殿海.抽水蓄能是适应新能源大规模发展的最有效工具[J].中国三峡建设，2011，（3）：

52-57

3.陈海生.压缩空气储能技术的特点与发展趋势[J].高科技与技术化，2011，（6）：

55-56

4.杨裕生，张立，文越华，等.液流电池蓄电技术的进展与前景[J].电源技术，2007,31（3）：

175-178

5.温兆银.钠硫电池及其储能应用[J].上海节能，2007，

（2）：

7-10

6.杨盛毅，文方.超级电容器综述[J].现代机械，2009，（4）：

82-84

7.吴起凡，吴美潮.超导储能与超导变电站[J].电工技术杂志，2004，

（2）:

76-78

8.夏翔,雷金勇,甘德强.储能装置延缓配电网升级的探讨[J].电力科学与技术学报,2009,9（24）:

33-39.

9.魏凤春，张恒，蔡红，等.飞轮储能技术研究[J].洛阳大学学报，2005,20

（2）：

28-29

10.程时杰,李刚,孙海顺,文劲宇.储能技术在电气工程领域中的应用与展望[J].电网与清洁能源,2009,2（25）:

1-7.

11.张文亮,丘明,来小康.储能技术在电力系统中的应用[J].电网技术,2008,4（32）:

1-9.

12.葛善海，周汉涛，衣宝廉，等.多硫化钠/溴储能电池组[J].电源技术，2004，28（6）：

373-375

13.葛善海，衣宝廉，张华明.多硫化钠/溴新型储能电池的电极制作方法[P].中国专利：

CN147470,2004-2-11

14.张彦琴.铅酸蓄电池的现状及其发展方向[J].汽车电器，2004，（10）：

4-6

15.刘东,黄玉辉,陈羽,柳劲松.基于大规模储能系统的智能电网兼容性研究[J].电力系统自动化,2010,1,25（34）:

15-19.

16.程时杰,文劲宇,孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用[J].电气应用,2005（24）:

1-8.

17.关晓慧，吕跃刚.间歇性可再生能源发电中的储能技术研究[J].能源与节能，2011，

（2）：

56-60

18.俞振华.大容量储能技术的现状与发展.北京纵深特别报道

19.孔令怡廖丽莹张海武赵家万.电池储能系统在电力系统中的应用.《电气开关》2008年第5期.第3页

20.高赐威张亮.电动汽车充电对电网影响的综述.《电网技术》.2011年2月.35卷.2期.

21.陈体衔封闭铅酸电池等效电路.《电池》.1994年12月.24卷6期.255—259

22.余运佳.超导技术在电力方面的应用.电工技术杂志，1997（5）：

32-40

23.曹楚生.抽水蓄能电站与可持续发展[J].中国工程科学，2009,11（9）：

4-7