葉書(shū)雄

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0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)作為重要產(chǎn)物，是電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)和升級(jí)的關(guān)鍵內(nèi)容。在能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)環(huán)境中，儲(chǔ)能研究與技術(shù)應(yīng)用都具有非常重要的意義。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，中國(guó)的電力儲(chǔ)能技術(shù)依然存在一些問(wèn)題，技術(shù)水平相對(duì)落后，不能滿足實(shí)際的發(fā)展需要。因此，有必要對(duì)電能存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)一步深入研究。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下電力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的具體情況

1.1 現(xiàn)存電力儲(chǔ)能技術(shù)類別

1.1.1 機(jī)械類儲(chǔ)能

從機(jī)械式蓄能的應(yīng)用形式來(lái)看，主要包括三種，即抽水蓄能、壓縮空氣蓄能和飛輪蓄能。其中的抽水蓄能，是在電網(wǎng)運(yùn)行處于低谷狀態(tài)的時(shí)候，多余的水注入液體能源媒體，從低海拔到高海拔水庫(kù)。當(dāng)電網(wǎng)處于高峰負(fù)荷狀態(tài)的時(shí)候，高海拔的水庫(kù)流回到儲(chǔ)層低驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

該種儲(chǔ)能技術(shù)所發(fā)揮的功能為大規(guī)模集中儲(chǔ)能，技術(shù)已經(jīng)成熟，在電網(wǎng)能源管理中以及調(diào)峰的過(guò)程中可以使用。其儲(chǔ)能效率可以達(dá)到65%至75%，甚至能夠達(dá)到80%至85%。其負(fù)荷響應(yīng)的速度非?？欤?0%的負(fù)荷變化時(shí)間僅僅需要10秒，從全停機(jī)到滿負(fù)荷發(fā)電約就需要持續(xù)大約5分鐘的時(shí)間，從全停機(jī)到滿負(fù)荷抽水約需要持續(xù)1分鐘的時(shí)間。

1.1.2 飛輪儲(chǔ)能

在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電能用于真空外殼中的加速轉(zhuǎn)子可以達(dá)到每分鐘轉(zhuǎn)幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的速度，從而將電能儲(chǔ)存為動(dòng)能，即將大車輪儲(chǔ)存的慣性能量充分利用起來(lái)。該儲(chǔ)能技術(shù)所具備的優(yōu)勢(shì)在于，壽命可以達(dá)到15年至30年，儲(chǔ)能效率非常高，能夠達(dá)到90%，維護(hù)少，有很好的穩(wěn)定性，為高功率密度，能夠快速響應(yīng)，達(dá)到毫秒級(jí)。技術(shù)的應(yīng)用中也存在不足，即能量密度不是很高，只持續(xù)幾秒至幾分鐘的時(shí)間。由于軸承磨損和空氣阻力作用，會(huì)存在自放電性。

1.1.3 壓縮空氣能源儲(chǔ)備

在應(yīng)用壓縮空氣能源儲(chǔ)備技術(shù)的過(guò)程中，要發(fā)揮空氣的載體作用以傳輸能量。大型壓縮空氣儲(chǔ)能利用多余的電能使得空氣被壓縮，并儲(chǔ)存在地下結(jié)構(gòu)中。當(dāng)需要能量的時(shí)候，壓縮空氣混合到天然氣當(dāng)中，燃燒過(guò)程中釋放熱量，出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，就能驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。這種儲(chǔ)能技術(shù)所具備的優(yōu)勢(shì)在于，發(fā)揮調(diào)峰功能，大型風(fēng)場(chǎng)比較適合應(yīng)用該技術(shù)。由于風(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械功可以直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)，不需要中間轉(zhuǎn)化，由此提高了效率。該儲(chǔ)能技術(shù)也存在缺點(diǎn)，就是需要大型洞穴來(lái)儲(chǔ)存壓縮空氣，與地理環(huán)境密切相關(guān)，合適的地點(diǎn)非常有限。儲(chǔ)能的時(shí)候需要燃?xì)廨啓C(jī)，并有一定數(shù)量的燃?xì)庾鳛槿剂?，能源管理、?fù)荷均衡和削峰的時(shí)候比較適用。人們?cè)?jīng)開(kāi)發(fā)了一種非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，當(dāng)空氣處于壓縮狀態(tài)的時(shí)候，所釋放的熱量不是儲(chǔ)存起來(lái)的，而是通過(guò)冷卻的方法散失，壓縮空氣在進(jìn)入渦輪之間則需要再一次加熱。因此，整個(gè)工藝效率不是很高，通常在50%以下。

1.1.4 超級(jí)儲(chǔ)能

根據(jù)電化學(xué)雙電層理論的發(fā)展，超級(jí)儲(chǔ)能也被稱為雙電層電容器，兩個(gè)電荷層之間的距離非常小，通常不足0.5毫米，使用特殊的電極結(jié)構(gòu)，這樣電極的表面積增加10000倍，從而產(chǎn)生巨大的能力。該儲(chǔ)能技術(shù)的壽命長(zhǎng)，循環(huán)次數(shù)比較多。充放電時(shí)間快，響應(yīng)速度快，效率高，維修少，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件[1]。工作溫度范圍比較寬，具有環(huán)保價(jià)值。該儲(chǔ)能技術(shù)存在缺點(diǎn)，即超級(jí)電容器的介電電阻很低，一般制成的電容器的電壓電阻僅僅為幾伏，儲(chǔ)能水平戶籍受電壓電阻的限制，所以儲(chǔ)能很少。其為低能量密度，投入的資金量大，有一定的自放電速率。

1.1.5 超導(dǎo)儲(chǔ)能

The plastic data of the bumper is shown in Figure 5.

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)成上來(lái)看，主要為線圈、PCS和低溫系統(tǒng)，低溫系統(tǒng)由超導(dǎo)材料制成，放在低溫容器中。當(dāng)直流電處于超導(dǎo)線圈中循環(huán)的時(shí)候，能量在磁場(chǎng)中存儲(chǔ)。由于電能是在磁場(chǎng)中直接存儲(chǔ)的，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，無(wú)論是充電，還是放電，速度都非?？?，大約為幾毫秒至幾十毫秒，功率密度很高。響應(yīng)速度非?？欤梢蕴岣吲潆娋W(wǎng)的電能質(zhì)量。該儲(chǔ)能技術(shù)所存在的缺點(diǎn)是，超導(dǎo)材料價(jià)格高，維持低溫制冷運(yùn)行需要大量的能源。能量密度低，所持續(xù)的時(shí)間僅僅為幾秒鐘。雖然已經(jīng)有商用低溫和高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能產(chǎn)品，但成本非常高，技術(shù)維護(hù)復(fù)雜，在電網(wǎng)中幾乎不會(huì)使用，而是停留在實(shí)驗(yàn)層面。

1.1.6 鋰離子電池

鋰離子電池中嵌入有化合物，其正極和負(fù)極是不同的鋰離子。在進(jìn)行充電時(shí)的過(guò)程中，Li+從正極流出，發(fā)揮電解液的傳輸作用，進(jìn)入到負(fù)極。如果負(fù)極是富鋰狀態(tài)，正極處于貧鋰狀態(tài)。鋰離子電池有很高的效率，能夠超過(guò)95%，放電的過(guò)程需要比較長(zhǎng)時(shí)間，為幾個(gè)小時(shí)，循環(huán)次數(shù)甚至可以達(dá)到5000次以上，能夠快速響應(yīng)，鋰離子電池是比能最高的實(shí)用電池，有多種材料可用于其正極和負(fù)極。但是，鋰離子電池價(jià)格高，有時(shí)過(guò)充會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱、燃燒等安全問(wèn)題，所以需要采用過(guò)充保護(hù)的方式。

1.1.7 熱儲(chǔ)能

在熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)中，熱能儲(chǔ)存在一個(gè)絕熱容器的介質(zhì)當(dāng)中，可以在以后需要時(shí)轉(zhuǎn)換回電能，也可以直接使用而不需要轉(zhuǎn)換回電能。蓄熱技術(shù)有很多種，在顯熱蓄熱模式下，蓄熱介質(zhì)可以為液態(tài)水。熱水可直接使用，也可以用于房間供熱。運(yùn)行的過(guò)程中，熱水的溫度是可變的。該儲(chǔ)能技術(shù)存在不足，需要多種高溫化學(xué)熱工介質(zhì)，導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制。由于蓄熱能能夠儲(chǔ)存大量的熱量，在利用的過(guò)程中，在可再生能源發(fā)電中會(huì)起到一定的作用。熔鹽是熱太陽(yáng)能電站常用的相變材料。此外，還有許多其他種類的蓄熱技術(shù)正在開(kāi)發(fā)當(dāng)中，都可以發(fā)揮不同的作用。

1.1.8 化學(xué)類儲(chǔ)能

氫氣是由廢棄的風(fēng)能產(chǎn)生的，通過(guò)電解將水分解成氫和氧得到的。氫氣可以直接作為能量的載體，然后氫氣與二氧化碳經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)之后就可以生成合成天然氣(甲烷)，生成合成天然氣作為另一種二次能量載體。使用這兩種材料作為能量載體的優(yōu)點(diǎn)是能量存儲(chǔ)非常大，能夠達(dá)到太赫茲級(jí)，其可以保存很長(zhǎng)時(shí)間，甚至幾個(gè)月。除了發(fā)電之外，氫和合成天然氣還可以用于其他方面，比如交通運(yùn)輸。該儲(chǔ)能技術(shù)也存在不足，即全循環(huán)效率不是很高，制氫效率僅為70%左右，而合成天然氣的生產(chǎn)效率為60%至65%，從發(fā)電到用電的全循環(huán)效率不是很高，僅僅為30%至40%。

1.2 基于能源互聯(lián)網(wǎng)背景的電力儲(chǔ)能技術(shù)類別

1.2.1 廣域能源網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

骨干網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中應(yīng)用大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，可以做到能源生產(chǎn)集中化，用于管理廣域能源，如果能源生產(chǎn)的規(guī)模比較大，而且有大量的能源傳輸，可以確保能量處于緩沖狀態(tài)，如此可以支持廣域能源的調(diào)度工作，保證系統(tǒng)的供應(yīng)與需求持有平衡狀態(tài)。儲(chǔ)能容量非常大的運(yùn)營(yíng)商可以在能源市場(chǎng)直接交易，隨著能源市場(chǎng)中不斷變化的價(jià)格，能源買賣也更加靈活，還可以提供高附加值的調(diào)整服務(wù)。

1.2.2 局部能源網(wǎng)絡(luò)有效應(yīng)用

在局域能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的時(shí)候，儲(chǔ)能的過(guò)程中還要配合能量轉(zhuǎn)換裝置，確保系統(tǒng)的運(yùn)行效率高，而且保證經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)局域能源網(wǎng)管理系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候，需要考慮到存儲(chǔ)能源的狀態(tài)，還要明確供應(yīng)與需求預(yù)測(cè)信息，充分考慮到能源的價(jià)格，針對(duì)局域網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中的能源生產(chǎn)以及消費(fèi)將決策制定出來(lái)，買賣能源的時(shí)候還可以在能源市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立虛擬能源站，由于生產(chǎn)者存在分散性，對(duì)其行為難以預(yù)測(cè)，要有效管理分布式電源以及電動(dòng)汽車，難度是非常大的。通過(guò)發(fā)揮儲(chǔ)能的作用，能源生產(chǎn)者雖然比較分散，但是供應(yīng)能源的能力更強(qiáng)，還可以進(jìn)入到能源市場(chǎng)進(jìn)行交易。

2 能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境背景下的電力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展問(wèn)題

2.1 技術(shù)發(fā)展存在多樣的限制

在技術(shù)發(fā)展會(huì)存在多樣的限制，主要體現(xiàn)為大容量?jī)?chǔ)能規(guī)劃不能與可再生能源發(fā)電協(xié)同調(diào)度，儲(chǔ)能的能量流量大，能量調(diào)度技術(shù)不能很好地發(fā)揮作用。蓄能轉(zhuǎn)換裝置不能一體化設(shè)計(jì)，也不能協(xié)調(diào)配置。對(duì)于能源交易以及儲(chǔ)能定價(jià)機(jī)制都不能充分考慮，導(dǎo)致儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不能充分發(fā)揮[2]。

2.2 戰(zhàn)略規(guī)劃尚不足

在戰(zhàn)略規(guī)劃中，較高比例的可再生能源電網(wǎng)不能得到支持，多能源系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中缺乏靈活性和可靠性，多能源系統(tǒng)的能量管理以及路徑不能得到優(yōu)化，能源交易缺乏一定的自由度。

3 基于能源互聯(lián)網(wǎng)背景的電力儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展思考

3.1 探索技術(shù)發(fā)展的方向

其一，大容量?jī)?chǔ)能規(guī)劃協(xié)同可再生能源發(fā)電調(diào)度的相關(guān)技術(shù)。儲(chǔ)能的規(guī)模比較大與可再生能源發(fā)電之間要有更好的協(xié)同性，即需要將相關(guān)規(guī)劃制定出來(lái)，電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能應(yīng)用要得以實(shí)現(xiàn)，其是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，調(diào)度工作也是需要重點(diǎn)關(guān)注的。在研究?jī)?chǔ)能規(guī)劃以及調(diào)度方法方面，相關(guān)的研究依然處于起步階段。在這項(xiàng)工作中存在很多的難點(diǎn)，主要是四個(gè)方面：第一個(gè)方面，針對(duì)新能源發(fā)電所存在的不確定性構(gòu)建的模型、控制能源儲(chǔ)備成本的模型、評(píng)估系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的模型、優(yōu)化問(wèn)題并予以解決的模型。關(guān)于其他的方面，諸如應(yīng)用新能源供應(yīng)熱量制氫，大規(guī)模電動(dòng)汽車充電、放電條件的靈活性，電力系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)之間的耦合等等，還要充分考慮到高效利用新能源的問(wèn)題。

其二，關(guān)于能源儲(chǔ)備方面，優(yōu)化能量流以及調(diào)度能量方面依然存在不足。地方能源互聯(lián)網(wǎng)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題是優(yōu)化能量耦合結(jié)構(gòu)，優(yōu)化能量流優(yōu)化，還要管理能量調(diào)度。如果當(dāng)系統(tǒng)中涵蓋儲(chǔ)能的時(shí)候，需要在特定的時(shí)期內(nèi)將多個(gè)潮流段聯(lián)合起來(lái)并不斷優(yōu)化。通過(guò)運(yùn)行能量?jī)?yōu)化調(diào)度模型，對(duì)于能源儲(chǔ)備、能量釋放以及空閑狀態(tài)都要合理調(diào)配。

其三，針對(duì)蓄能轉(zhuǎn)換裝置實(shí)施一體化設(shè)計(jì)，還要協(xié)調(diào)好各種配置。通過(guò)發(fā)揮儲(chǔ)能的作用將能源的耦合關(guān)系建立起來(lái)，對(duì)儲(chǔ)能容量合理分配，這是應(yīng)用能源互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程中需要直接面對(duì)的技術(shù)問(wèn)題?，F(xiàn)在針對(duì)這方面的研究不是很多，儲(chǔ)能會(huì)在一定程度上影響系統(tǒng)能量傳輸以及轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)性，還會(huì)影響效率，對(duì)于可靠性以及動(dòng)態(tài)特性都會(huì)有不同程度的影響，對(duì)于此都需要作出評(píng)價(jià)。

3.2 戰(zhàn)略規(guī)劃策略

其一，支持較高比例的可再生能源電網(wǎng)運(yùn)行。儲(chǔ)能需求主要包括兩種類型，一種類型是電力服務(wù)，另一種類型是能源服務(wù)。當(dāng)開(kāi)展電力服務(wù)工作中，對(duì)于大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)需要快速響應(yīng)，從能源服務(wù)的角度而言，要實(shí)現(xiàn)雙向儲(chǔ)能，對(duì)于儲(chǔ)能容量需要有長(zhǎng)時(shí)間尺度要求、循環(huán)效率比較高，且不會(huì)消耗更多的成本，在進(jìn)行再生能源發(fā)電的時(shí)候，就會(huì)轉(zhuǎn)移時(shí)間維度。如果大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)是單向的，比如進(jìn)行氫以及熱量的存儲(chǔ)，就可以進(jìn)行新能源轉(zhuǎn)化，使其以其他能源形式存在[3]。

其二，多能源系統(tǒng)要有較高的靈活性和可靠性。在互聯(lián)網(wǎng)上，多種能量流實(shí)現(xiàn)耦合，而且相互之間產(chǎn)生作用，使得多種能量系統(tǒng)的運(yùn)行更加靈活，有較高的可靠性，而且還需要多種能量存儲(chǔ)，使得能量與緊密耦合之間存在緊密相關(guān)性。

其三，支持多能源系統(tǒng)的能量管理，同時(shí)優(yōu)化路徑。多能源系統(tǒng)運(yùn)行決策過(guò)程中，主要的對(duì)象是能量存儲(chǔ)以及釋放，系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中要充分考慮到儲(chǔ)能狀態(tài)，明確其動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)于儲(chǔ)能功率的方向以及大小加以確定，使得系統(tǒng)的供應(yīng)和需求保持平衡狀態(tài)。系統(tǒng)潮流的分布必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，不能保證其經(jīng)濟(jì)性，也無(wú)法提高效率。系統(tǒng)潮流優(yōu)化的過(guò)程中，有兩個(gè)非常重要的控制變量，一個(gè)是潮流方向，另一個(gè)是蓄能量，可以對(duì)潮流路徑優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面的研究可以明確，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)能源技術(shù)的需求也越來(lái)越高。特別是儲(chǔ)能技術(shù)、電動(dòng)汽車、電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)等方面對(duì)電能儲(chǔ)能技術(shù)提出了很大的要求。電力儲(chǔ)能技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有著巨大的影響。因此，有必要加快能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的電能存儲(chǔ)技術(shù)的研發(fā)，以促進(jìn)我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。