大規(guī)模電力儲(chǔ)能技術(shù)的特性與比較

俞恩科，陳梁金

（1.舟山電力局，浙江 舟山 316021；2.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

0 引言

近年來，儲(chǔ)能技術(shù)的研究和發(fā)展受到了各國的重視，歐盟的“框架計(jì)劃”、日本的“新陽光計(jì)劃”以及美國的“DOE項(xiàng)目計(jì)劃”等都將儲(chǔ)能技術(shù)列為研究重點(diǎn)[1]。2010年，在美國儲(chǔ)能修訂法案（S.3617）、 加州儲(chǔ)能法案（AB2514）以及奧巴馬頒布的新能源政策中都要求所有新能源項(xiàng)目必須配備儲(chǔ)能技術(shù)方案，這些政策和措施成為儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。

隨著智能電網(wǎng)的穩(wěn)步推進(jìn)、間歇性可再生能源的大規(guī)模入網(wǎng)以及地區(qū)峰值負(fù)荷的增長，各種應(yīng)用問題也隨之出現(xiàn)，而儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將為解決這些問題提供非常有效的途徑。為充分發(fā)揮儲(chǔ)能技術(shù)在改善電能質(zhì)量、平衡電力負(fù)荷和削峰填谷等方面的作用，研究各種常見儲(chǔ)能技術(shù)的基本特性并進(jìn)行相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較顯得非常重要。

1 儲(chǔ)能分類及應(yīng)用

目前，儲(chǔ)能技術(shù)可分為以下幾類：

（1）按照技術(shù)類型劃分，儲(chǔ)能系統(tǒng)分為化學(xué)儲(chǔ)能（如鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池和鋰電池）、電磁儲(chǔ)能（如超級(jí)電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能）、物理儲(chǔ)能（如抽水儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能）和相變儲(chǔ)能（如冰蓄冷）。

（2）按照時(shí)間劃分，可分為短時(shí)儲(chǔ)能（放電時(shí)間為秒級(jí)到分鐘級(jí)）、中期儲(chǔ)能（數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)）和長期儲(chǔ)能（數(shù)小時(shí)到數(shù)天）[2]。

（3）按照功能劃分，可分為能量型儲(chǔ)能（Energy-usage energy storage， EES）和功率型儲(chǔ)能（Power-usage energy storage， PES）[3]兩種。 能量型儲(chǔ)能以高比能量為特點(diǎn)，主要用于高能量輸入、輸出場(chǎng)合；功率型儲(chǔ)能以高比功率為特點(diǎn)，主要用于瞬間高功率輸入、輸出場(chǎng)合。能量型儲(chǔ)能裝置放電時(shí)間相對(duì)較慢且經(jīng)歷時(shí)間較長（如數(shù)十分鐘到數(shù)小時(shí)），功率型儲(chǔ)能則以高放電率快速放電（如數(shù)秒到數(shù)分鐘）。

儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[4]見表1。

2 儲(chǔ)能技術(shù)基本特性

由于儲(chǔ)能技術(shù)的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、能量密度、功率密度、電壓、電流輸出特性以及能量轉(zhuǎn)換接口均不相同，導(dǎo)致儲(chǔ)能機(jī)理也不同，因此有必要對(duì)儲(chǔ)能基本特性進(jìn)行分析。儲(chǔ)能技術(shù)的基本特性[5-7]主要包括存儲(chǔ)容量、能量轉(zhuǎn)換效率、能量密度和功率密度、自放電、放電時(shí)間、循環(huán)壽命、系統(tǒng)成本、環(huán)境影響等。

2.1 存儲(chǔ)容量

存儲(chǔ)容量（Es）即儲(chǔ)能系統(tǒng)充電后所具有的有效能量，通常比實(shí)際使用能量（Eu）大。由于實(shí)際使用能量通常受放電深度（DoD）限制，在快速充放電時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)效率下降，加上系統(tǒng)自放電因素影響，其實(shí)際使用能量比存儲(chǔ)容量要小。

2.2 能量轉(zhuǎn)換效率

能量轉(zhuǎn)換效率為儲(chǔ)能系統(tǒng)放電后釋放出的能量與初始存儲(chǔ)能量之間的比值，即η=Eu/Es。要使儲(chǔ)能系統(tǒng)高效運(yùn)行，必須有較高的轉(zhuǎn)換效率。

2.3 能量密度與功率密度

能量密度（E/M）是指單位質(zhì)量或體積空間中物質(zhì)所具有的有效儲(chǔ)存能量，又稱比能量，包括質(zhì)量能量密度（質(zhì)量比能量）與體積能量密度（體積比能量），常用單位為Wh/kg或Wh/L。功率密度（P/M）是指單位質(zhì)量或體積空間中物質(zhì)所具有的有效存儲(chǔ)功率，又名比功率，包括質(zhì)量比功率和體積比功率，常用單位為W/kg或W/L。

一般來說，比能量高的儲(chǔ)能系統(tǒng)（能量型儲(chǔ)能）其比功率不會(huì)太高；同樣，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的比功率較高時(shí)（功率型儲(chǔ)能），其比能量不一定會(huì)很高，許多蓄電池儲(chǔ)能就是如此。

2.4 自放電率

大儲(chǔ)能系統(tǒng)閑置不用時(shí)，其初始存儲(chǔ)能量會(huì)自動(dòng)耗散，因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)的原材料中會(huì)有少量雜質(zhì)，所以不可避免存在自放電現(xiàn)象。自放電大小即自放電率（常以%/日，%/月等表示），與制造工藝、材料及存儲(chǔ)條件有關(guān)，如電池自放電率與正極材料在電解液中的溶解性和其受熱后的不穩(wěn)定性（易自我分解）有關(guān)，可充電電池的自放電率遠(yuǎn)比一次性電池高，電池類型不同其自放電率也不一樣。

2.5 放電時(shí)間

放電時(shí)間即儲(chǔ)能系統(tǒng)最大功率運(yùn)行時(shí)的持續(xù)放電時(shí)間，取決于系統(tǒng)放電深度、運(yùn)行條件以及是否為恒功率放電等。

2.6 循環(huán)壽命

儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)或一個(gè)周期。在一定放電條件下，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作至某一容量規(guī)定值之前，系統(tǒng)所能承受的循環(huán)次數(shù)或年限，稱為循環(huán)壽命。影響循環(huán)壽命的因素是儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和技術(shù)維護(hù)工作的質(zhì)量。后者由于工作過程（如使用模式、充放電模式、失效模式和環(huán)境情況等）不能達(dá)到理想的狀況，會(huì)導(dǎo)致裝置壽命進(jìn)一步縮短。好的循環(huán)性能是儲(chǔ)能系統(tǒng)長期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保障。

2.7 其他特性

除此之外，儲(chǔ)能技術(shù)還有成熟度、成本、系統(tǒng)維護(hù)量、放電頻率、環(huán)境影響、與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性、可移植性、安全性和可靠性等特性。

3 儲(chǔ)能技術(shù)主要特性比較

本文對(duì)以下幾種主要儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行技術(shù)特性比較：抽水蓄能（PHS）、壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES）、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能（SMES）、飛輪儲(chǔ)能（FLY）、 超級(jí)電容器儲(chǔ)能、 鉛酸電池（Lead-acid）、 鋰電池（Li-ion）、 鎳鎘電池（NiCd）、 液流電池（VRB， ZnBr等）、 鈉硫電池（NaS）儲(chǔ)能等。

表1 儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 存儲(chǔ)容量與放電時(shí)間

根據(jù)儲(chǔ)能存儲(chǔ)容量的不同，其應(yīng)用領(lǐng)域可分為：電能質(zhì)量改善和不停電電源、容量備用電源和能量管理。圖1給出了多種儲(chǔ)能技術(shù)的容量-放電時(shí)間比較。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量-放電時(shí)間比較

從圖中可以看出，各種二次電池（鎳氫電池、鋰離子電池）、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能等可用于電能質(zhì)量改善和不間斷電源，鈉硫電池、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、鉛酸電池、液流電池可用于容量備用電源，抽水蓄能、壓縮空氣、鈉硫電池、鉛酸電池、氧化還原液流電池儲(chǔ)能可用于能量管理。

3.2 能量轉(zhuǎn)換效率與循環(huán)壽命

3.2.1 能量轉(zhuǎn)換效率[8]

能量轉(zhuǎn)換效率是基于某一具體儲(chǔ)能應(yīng)用時(shí)的1個(gè)或多個(gè)充放電循環(huán)周期的，1個(gè)完整的充放電循環(huán)周期的能流如圖2所示。

圖2中，T為循環(huán)周期，ηout為電網(wǎng)輸入AC側(cè)到儲(chǔ)能系統(tǒng)側(cè)的轉(zhuǎn)換效率，Pidl為Es儲(chǔ)能系統(tǒng)側(cè)到輸出AC側(cè)的轉(zhuǎn)換效率，為存儲(chǔ)過程中所消耗的各種功率，如鉛酸電池、超級(jí)電容器等的自放電損耗、鈉硫電池運(yùn)行達(dá)到300℃以上所需的保溫耗能損耗、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能低溫環(huán)境所需的制冷損耗等。由于Pidl在充電或放電階段比Es小得多，因此可視其為常量。圖中AC-AC側(cè)能量循環(huán)效率可以表示為：

圖2 1個(gè)充放電周期的能流

式中： τs=Es/Pidl， 而 T/τs可以忽略不計(jì)， 因此 ηe近似為 ηin×ηout。

各種儲(chǔ)能技術(shù)的循環(huán)效率ηe與周期T之間的關(guān)系如圖3所示。效率曲率下降與儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗Pidl有直接關(guān)系。假設(shè)鉛酸電池每天自放電率為2%，鈉硫電池工作溫度在300℃以上，電容器在12 h內(nèi)的自放電率為20%。由于鈉硫電池維持其工作溫度需消耗額外能量，當(dāng)輸入能量相同且儲(chǔ)能周期達(dá)到數(shù)天時(shí)，鈉硫電池效率將低于其他二次電池。

圖3 循環(huán)效率與周期關(guān)系

大多數(shù)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)都是由一個(gè)圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過磁懸浮軸承構(gòu)成的支撐機(jī)構(gòu)組成，安裝并運(yùn)行于真空度較高的環(huán)境中，以減少軸承摩擦損耗與風(fēng)阻損耗（約為其Pidl的87%）。另外，飛輪儲(chǔ)能在充放電階段經(jīng)歷了兩次功率變換（AC-DC-AC），因此，隨著儲(chǔ)能周期延續(xù)，其儲(chǔ)能效率逐漸降低。超級(jí)電容器效率較低的原因主要與其自放電和輸入電壓隨存儲(chǔ)容量（Es=1/2·C·U2）變化有關(guān)。

3.2.2 循環(huán)壽命

幾種儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命統(tǒng)計(jì)見表2。從表中可以看出，二次電池循環(huán)壽命一般不高，鉛酸電池在放電深度為80%時(shí)的循環(huán)次數(shù)約為2 000次，如果深度放電，次數(shù)將遠(yuǎn)低于此值。其他化學(xué)儲(chǔ)能如NaS，VRB和ZnBr電池等，使用壽命均比鉛酸蓄電池長，因而將在未來高效大容量電池儲(chǔ)能中廣泛應(yīng)用，特別是VRB液流電池，其壽命在一萬次以上，目前已有實(shí)際應(yīng)用。

表2 電力儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命

3.3 體積比能量與質(zhì)量比能量

圖4給出了各種儲(chǔ)能技術(shù)的能量密度[7]。從圖中可以看到，鈉硫電池與鋰離子電池的能量密度均較高，因此在相同能量和功率情況下，其儲(chǔ)能裝置的質(zhì)量和體積空間最小；鎳鎘電池、液流電池、鉛酸電池和超級(jí)電容器能量密度依次降低；壓縮空氣和飛輪儲(chǔ)能的能量密度則非常小。

3.4 成本及經(jīng)濟(jì)性比較

對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的總成本進(jìn)行比較非常困難，因?yàn)樗Q于許多因素[7]，包括：各種成本正在逐漸降低；成本受儲(chǔ)能應(yīng)用對(duì)象、容量大小、儲(chǔ)能效率和使用壽命影響；運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用不明了；回收處理成本不是非常清楚；等等。但為了對(duì)這些儲(chǔ)能技術(shù)的成本有所了解，可對(duì)這些技術(shù)的主要成本即資金成本進(jìn)行合理比較。

圖4 能量密度（體積與質(zhì)量能量密度）

儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本主要包括資金成本、運(yùn)行與維護(hù)成本及其他成本，其中，資金成本是儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的一個(gè)重要經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，占系統(tǒng)總成本比例最大。其成本主要包括：儲(chǔ)能輔助裝置成本、功率轉(zhuǎn)換/調(diào)節(jié)系統(tǒng)成本、存儲(chǔ)裝置成本3部分。

目前，鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池的成本比較高，隨著未來儲(chǔ)能技術(shù)的大規(guī)模使用，其成本有望逐漸降低。

3.5 比較小結(jié)

大容量、高密度、高效率、低成本、使用壽命長的儲(chǔ)能技術(shù)無疑是最理想的，但至今還沒有一種儲(chǔ)能技術(shù)能完全滿足這些條件，因此有必要為各種儲(chǔ)能技術(shù)選擇合適的應(yīng)用領(lǐng)域。

壓縮空氣儲(chǔ)能成本低、壽命長，安全系數(shù)高，但由于受地形限制，需要將壓縮空氣儲(chǔ)存在合適的地下礦井或溶巖下的洞穴中，因此常用于系統(tǒng)調(diào)峰。抽水蓄能與壓縮空氣類似，其放電時(shí)間可以從幾小時(shí)到幾天，但同樣會(huì)受地形制約，建設(shè)周期也較長，還會(huì)帶來一定的生態(tài)問題。

飛輪、超級(jí)電容器和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的循環(huán)使用壽命和效率、功率和響應(yīng)時(shí)間都很好，無污染、維護(hù)較簡單，但比能量較低，屬于典型的功率型儲(chǔ)能，可短時(shí)間大功率快速放電，用于頻率調(diào)節(jié)、大功率負(fù)載平滑、輸/配電網(wǎng)電壓支撐和大功率補(bǔ)償?shù)取?/p>

二次電池（鉛酸、鋰離子、鎳鎘電池等）成本較高且循環(huán)使用壽命短，為了減少這些缺陷的影響，有必要大力發(fā)展電池回收技術(shù)。電池儲(chǔ)能可以同時(shí)向系統(tǒng)提供有功和無功支撐，因此對(duì)于復(fù)雜電力系統(tǒng)的控制具有非常重要的作用。鉛酸蓄電池在高溫下壽命縮短，具有較低的比能量和比功率，且存在一定的環(huán)境污染，但是成本低、可靠性好、技術(shù)成熟，因此廣泛用于不間斷電源、電能質(zhì)量和頻率控制等。鎳鎘電池與鉛酸電池相似，同樣存在重金屬污染。鋰離子效率高、比能量與比功率高、自放電小、環(huán)境友好，但成本較高，因而近期很難在電力系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用。

新興化學(xué)儲(chǔ)能如液流電池和鈉硫電池是目前最適合大規(guī)模發(fā)展的電力化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。全釩液流電池循環(huán)壽命長（大于12 000次）、能量轉(zhuǎn)換效率較高，選址和設(shè)計(jì)靈活，安全環(huán)保，但比能量和比功率偏低，因此適用于可再生能源儲(chǔ)能和調(diào)峰電源及應(yīng)急電源。鈉硫電池儲(chǔ)能效率高（約89%），比能量密度高，約為鉛酸電池的3～4倍，可同時(shí)用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負(fù)荷的削峰填谷，是典型的能量型與功率型儲(chǔ)能。

間歇性可再生能源的大規(guī)模利用促進(jìn)了儲(chǔ)能技術(shù)的研究與發(fā)展，因此，選擇合適的儲(chǔ)能技術(shù)已成為關(guān)鍵問題。在具有高滲透率可再生能源、電網(wǎng)較弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)，選擇成熟的儲(chǔ)能技術(shù)較好；而對(duì)于可以充分利用可再生能源及延緩?fù)顿Y建設(shè)的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，應(yīng)該選擇最先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)。

4 結(jié)語

本文介紹了目前常見的儲(chǔ)能技術(shù)分類及應(yīng)用，對(duì)它們的基本特性進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較分析。目前對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究大多針對(duì)單一儲(chǔ)能裝置的研發(fā)和充放電控制策略研究，在多種儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方面也只是圍繞簡單的儲(chǔ)能系統(tǒng)組合方式（如蓄電池與超級(jí)電容器組合）開展研究，對(duì)在多種儲(chǔ)能系統(tǒng)混合存在時(shí)如何實(shí)現(xiàn)它們之間的協(xié)調(diào)與互補(bǔ)優(yōu)化控制的研究則更少。鑒于各種儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景，儲(chǔ)能技術(shù)的研究具有很大的空間。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，將不同的儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合使用，充分發(fā)揮各種儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活實(shí)用性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。因此，未來多元混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（功率型與能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)）及其互補(bǔ)優(yōu)化控制將成為重要的研究方向。

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