施祖銘

(上海電氣輸配電集團(tuán)，200050)

　　【摘要】儲(chǔ)能技術(shù)是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，是智能電網(wǎng)關(guān)鍵支撐技術(shù)之一?？稍偕茉窗l(fā)電和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，給儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。介紹抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、超級電容器儲(chǔ)能、鈉硫電池、全釩液流電池和鋰離子電池的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。對它們的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行比較。我國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景是：抽水蓄能電站進(jìn)入高峰期，動(dòng)力電池市場不斷擴(kuò)大，應(yīng)用于電網(wǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)快速發(fā)展和開發(fā)大容量電池等。

　　可再生能源發(fā)電和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，給儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。未來能源的焦點(diǎn)在能效、可再生能源、儲(chǔ)能和可插入電動(dòng)汽車。智能電網(wǎng)是新能源經(jīng)濟(jì)的實(shí)施者。智能電網(wǎng)被定義為廣義的優(yōu)化能源鏈的解決方案，是未來可支撐能源的基礎(chǔ)。

　　現(xiàn)在，新能源發(fā)電規(guī)模迅速擴(kuò)大，新能源汽車推廣使用，智能電網(wǎng)建設(shè)快速升溫，與之相關(guān)的儲(chǔ)能技術(shù)與裝備的發(fā)展前景被一致看好。

　　1儲(chǔ)能技術(shù)是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，是智能電網(wǎng)關(guān)鍵支撐技術(shù)之一

　　1.1大幅提高電網(wǎng)有效利用可再生能源的能力

　　據(jù)世界風(fēng)能協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2010年底全球風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到了1.9663億kW；我國2010年累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量4473.3萬kW，預(yù)計(jì)到2020年風(fēng)電裝機(jī)達(dá)1.5億kW。2010年底，全球光伏發(fā)電裝機(jī)累計(jì)達(dá)4000萬kW；我國2010年光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量80萬kW，預(yù)計(jì)到2020年光伏發(fā)電裝機(jī)容量超過2000萬kW。

　　大量可再生能源應(yīng)用(包括分布式電源和集中式電源)，特別是風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電都具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，大規(guī)模接入將給電網(wǎng)調(diào)峰、運(yùn)行控制和供電質(zhì)量等帶來巨大挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)能夠有效提升電網(wǎng)接納清潔能源的能力，解決大規(guī)模清潔能源接入帶來的電網(wǎng)安全穩(wěn)定問題。

　　1.2推進(jìn)電動(dòng)汽車的規(guī)模化應(yīng)用，有利于節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)調(diào)節(jié)電力需求

　　電動(dòng)汽車興起，形成動(dòng)力儲(chǔ)能電池的巨大市場。電動(dòng)汽車和廣泛分布的電動(dòng)汽車充電站間的雙向電力交換——Vehicleto Grid(車輛到電網(wǎng)，簡稱V2G)技術(shù)，將成為未來智能電網(wǎng)重要的負(fù)荷特性。電動(dòng)汽車儲(chǔ)能電池既吸納大量電能，又可為電網(wǎng)提供總量巨大的儲(chǔ)能能力，實(shí)現(xiàn)電能在智能電網(wǎng)和電動(dòng)汽車間的雙向互動(dòng)。理想中的V2G平臺(tái)是在非高峰時(shí)段充電，在高峰時(shí)段放電(售電)，為電網(wǎng)的峰谷負(fù)荷調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)備用、電能質(zhì)量改善和穩(wěn)定控制提供能量需求。

　　1.3儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用有利于優(yōu)化系統(tǒng)的能量管理，提高系統(tǒng)效率和設(shè)備利用率

　　電力系統(tǒng)的負(fù)荷存在白天高峰和深夜低谷的周期性變化，負(fù)荷峰谷差可達(dá)最大發(fā)電出力的30%～40%，且近年來有增大的趨勢。這種峰谷差給發(fā)電和電力調(diào)度造成一定的困難。目前的電力供應(yīng)緊張狀況大部分出現(xiàn)在夏季負(fù)荷高峰期。如果電力系統(tǒng)能夠大規(guī)模地儲(chǔ)存電能，即在晚間負(fù)荷低谷時(shí)段將電能儲(chǔ)存起來，白天負(fù)荷高峰時(shí)段再將其釋放出來，就能在一定程度上緩解缺電狀況，減小負(fù)荷峰谷差，提高系統(tǒng)效率和輸配電設(shè)備的利用率，延緩新的發(fā)電機(jī)組和輸電線建設(shè)。

　　1.4儲(chǔ)能有利于增加系統(tǒng)備用容量，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)用能經(jīng)濟(jì)性，提高綜合效益

　　在電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)、電壓暫降與短時(shí)中斷、短路等事故時(shí)，儲(chǔ)能裝置能瞬時(shí)吸收或釋放能量，使系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)裝置有時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，避免系統(tǒng)失穩(wěn)，保證優(yōu)質(zhì)供電。在系統(tǒng)因故障而停電時(shí)，儲(chǔ)能裝置又可以起到大型不間斷電源(UPS)的作用，避免突然停電帶來的損失，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

　　1.5儲(chǔ)能技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用分類

　　對智能電網(wǎng)中的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用分類，國際儲(chǔ)能委員會(huì)(ESA)列出了表1所示的分類及說明。

　　2儲(chǔ)能技術(shù)簡介

　　2.1抽水蓄能電站

　　抽水蓄能使用兩個(gè)不同水位的水庫。谷負(fù)荷時(shí)，將下位水庫中的水抽入上位水庫；峰負(fù)荷時(shí)，利用反向水流發(fā)電。抽水儲(chǔ)能電站的最大特點(diǎn)是儲(chǔ)存能量大，可按任意容量建造，儲(chǔ)存能量的釋放時(shí)間可以從幾小時(shí)到幾天，其效率在70%～85%。

　　2.2壓縮空氣儲(chǔ)能

　　壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由兩部分組成：一是充氣壓縮循環(huán)，二是排氣膨脹循環(huán)。在夜間負(fù)荷低谷時(shí)段，電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組作為電動(dòng)機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓入空氣儲(chǔ)存庫；白天負(fù)荷高峰時(shí)段，電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組作為發(fā)電機(jī)工作，儲(chǔ)存的壓縮空氣先經(jīng)過回?zé)崞黝A(yù)熱，再與燃料在燃燒室里混合燃燒后，進(jìn)入膨脹系統(tǒng)中(如驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī))發(fā)電。

　　2.3飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　飛輪儲(chǔ)能利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。近年來，一些新技術(shù)和新材料的應(yīng)用，使飛輪儲(chǔ)能技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，例如：磁懸浮技術(shù)、真空技術(shù)、高性能永磁技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，極大地降低了機(jī)械軸承摩擦與風(fēng)阻損耗；高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，飛輪允許線速度大幅提高，大大增加了單位質(zhì)量的動(dòng)能儲(chǔ)量；電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使飛輪儲(chǔ)存的能量交換更為靈活高效。因此，飛輪儲(chǔ)能也被認(rèn)為是近期最有競爭力的儲(chǔ)能技術(shù)之一。

　　2.4超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　超導(dǎo)磁儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)線圈由電網(wǎng)供電勵(lì)磁而產(chǎn)生的磁場儲(chǔ)存能量。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能儲(chǔ)存的能量為E=LI2/2(其中，L為線圈的電感，I為線圈的勵(lì)磁電流)。如線圈維持超導(dǎo)態(tài)，則線圈中所儲(chǔ)存的能量幾乎可以無損耗地永久儲(chǔ)存下去，直到需用時(shí)再使用。

　　超導(dǎo)線圈是一個(gè)直流裝置，電網(wǎng)中的電流經(jīng)整流變直流后給超導(dǎo)線圈充電勵(lì)磁。超導(dǎo)線圈放電時(shí)須經(jīng)逆變裝置向電網(wǎng)或負(fù)載供電。

　　2.5超級電容器儲(chǔ)能

　　超級電容器根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率。充電時(shí)處于理想極化狀態(tài)的電極表面，電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層超級電容器。其電容量極大，可存儲(chǔ)較多的電荷。

　　2.6鈉硫電池

　　鈉硫電池以鈉和硫分別作為負(fù)極和正極，β氧化鋁陶瓷同時(shí)起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。目前研發(fā)的單體電池最大容量達(dá)到650Ah，功率120W以上，可組合后形成模塊直接用于儲(chǔ)能。鈉硫電池在國外已是發(fā)展相對成熟的儲(chǔ)能電池，實(shí)際使用壽命可達(dá)10～15a。

　　2.7液流電池與全釩液流電池

　　液流電池是正負(fù)極活性物質(zhì)均為液態(tài)流體氧化還原電對的一種電池。液流電池主要包括溴化鋅(ZnBr)、氯化鋅(ZnCl)、多硫化鈉溴(PSB)和全釩液流電池(VＲB)等多種體系。其中，全釩液流電池已經(jīng)成為液流電池體系的主流。

　　2.8鋰離子電池

　　鋰離子電池的工作原理：鋰離子蓄電池的正極活性物質(zhì)為鋰的活性化合物組成，負(fù)極活性物質(zhì)則為碳材料。鋰離子電池是利用Li+在正負(fù)極材料中嵌入和脫嵌，從而完成充放電過程的反應(yīng)。

　　使用磷酸鐵鋰為正極材料的鋰電池由于成本優(yōu)勢明顯，正逐步成為鋰離子電池的主要發(fā)展方向。鋰離子電池已成為目前世界上大多數(shù)汽車企業(yè)的首選目標(biāo)和主攻方向。

　　3各種儲(chǔ)能技術(shù)比較

　　3.1儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場合

　　各種儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用場合見表2。

　　3.2主要儲(chǔ)能技術(shù)成熟度比較

　　目前，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)中只有抽水蓄能技術(shù)相對成熟。因受地理?xiàng)l件制約，還有一些儲(chǔ)能方式處于試驗(yàn)示范階段，距離大規(guī)模推廣應(yīng)用還有距離，需要在可靠性、效率、成本、規(guī)?；蛪勖确矫孢M(jìn)行綜合評估。主要儲(chǔ)能技術(shù)成熟度如圖1所示。

　　3.3主要儲(chǔ)能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較

　　主要儲(chǔ)能技術(shù)的安裝成本見表3。

　　3.4主要儲(chǔ)能產(chǎn)品的市場規(guī)模比較

　　2010年全球主要儲(chǔ)能市場規(guī)模(不含鉛酸蓄電池)見表4。

　　4儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展前景

　　4.1儲(chǔ)能技術(shù)的市場前景

　　國外風(fēng)電場儲(chǔ)能系統(tǒng)配置比例情況：美國夏威夷30MW風(fēng)電場配15MW儲(chǔ)能系統(tǒng)；美國杜克能源153MW風(fēng)電場配置36MW儲(chǔ)能系統(tǒng)；日本東北電力公司51MW風(fēng)電場配置34MW儲(chǔ)能系統(tǒng)。

　　僅2009年上半年，日本礙子公司(NGK)就與美國、阿聯(lián)酋和法國等簽約共銷售約600MW的大型鈉硫電池儲(chǔ)能電站，超過了過去10年的總和。

　　美國市場研究機(jī)構(gòu)Lux Research估計(jì)：目前全球如10%投運(yùn)的并網(wǎng)風(fēng)電場使用儲(chǔ)能裝置(不含光伏發(fā)電)，僅此即可帶來約500億美元的市場規(guī)模?？梢妰?chǔ)能系統(tǒng)將成為現(xiàn)有的發(fā)電、輸電、變電和配電四大電力環(huán)節(jié)之外生長出來的一個(gè)新產(chǎn)業(yè)。

　　我國國家電網(wǎng)公司目前在河北省張北地區(qū)展開的風(fēng)光儲(chǔ)輸聯(lián)合示范工程，風(fēng)力發(fā)電總規(guī)模300～500MW，一期100MW；太陽能光伏發(fā)電100MW，一期50MW；儲(chǔ)能電站總規(guī)模110MW，一期20MW。2011年3月23日，新的招標(biāo)公告有五個(gè)包，其中四個(gè)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，分別為：6MW、6h，4MW、4h，3MW、3h和1MW、2h；一個(gè)液流電池系統(tǒng)包為2MW、4h。

　　上述鋰電池中標(biāo)的企業(yè)為比亞迪、萬向電動(dòng)汽車有限公司、中航鋰電(洛陽)有限公司和ATL－東莞新能源電子科技有限公司；液流電池中標(biāo)企業(yè)為北京普能世紀(jì)科技有限公司。一旦大型儲(chǔ)能電站技術(shù)獲得認(rèn)可，將給大型儲(chǔ)能技術(shù)帶來很好的發(fā)展機(jī)遇。

　　新能源汽車開始興起，對儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的需求愈加迫切。按照2009年3月公布的《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》，到2011年“形成50萬輛純電動(dòng)、充電式混合動(dòng)力和普通型混合動(dòng)力等新能源汽車產(chǎn)能，新能源汽車銷量占乘用車銷售總量的5%左右”，車輛用動(dòng)力電池需求量巨大。

　　4.2我國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)前景

　　(1)抽水蓄能電站進(jìn)入建設(shè)高峰期。抽水蓄能發(fā)電機(jī)組已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。2010年我國抽水蓄能電站總裝機(jī)容量已達(dá)1700萬kW，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)到6000萬kW(目前已建與在建約為2770萬kW)。

　　(2)動(dòng)力電池市場不斷擴(kuò)大。鎳氫電池具有容量大、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固和充放循環(huán)次數(shù)多的特點(diǎn)。2008年北京奧運(yùn)會(huì)使用的混合電動(dòng)車大都采用鎳氫蓄電池作為電源，鎳氫電池在全球混合動(dòng)力電池市場中仍占據(jù)主要地位。但鋰離子電池由于比能量、比功率高，自放電小，環(huán)境友好，是新增投資的重點(diǎn)。專家預(yù)計(jì)，未來三年左右鋰離子電池有可能取代鎳氫電池成為主流。

　　(3)鉛酸蓄電池(閥控式)盡管有循環(huán)壽命短、不可深度放電等缺點(diǎn)，但其能量密度適中、價(jià)格便宜、構(gòu)造成本低、可靠性好和技術(shù)成熟，現(xiàn)在全球鉛蓄電池消耗量約550億美元/a，并保持每年約8.6%的增幅。我國2010年，鉛蓄電池產(chǎn)量約14416萬kVAh，約占全球50%，年銷售超過1000億元。但須重視新型鉛酸電池的研制，例如新型鉛碳超級電池，以活性炭作為負(fù)電極(還有的將電池的負(fù)極分為兩個(gè)部分，一部分用鉛，另外一部分用碳制作)，融合了鉛酸蓄電池與超級電容器的優(yōu)點(diǎn)，循環(huán)壽命可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)鉛酸電池的3倍。

　　(4)發(fā)展大容量儲(chǔ)能有兩種技術(shù)路線：電池并聯(lián)成較大容量，以鋰離子電池技術(shù)為主；另一種是專門開發(fā)大容量電池。國際上主流的技術(shù)是鈉硫電池和液流電池。在多節(jié)電池并聯(lián)成的電池組里面，如有一塊電池?fù)p壞，一般就可以認(rèn)為這組電池壽命的終結(jié)，必須進(jìn)行維修、更換。盡管鋰離子電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域普遍被看好，但在大容量儲(chǔ)能市場上，還需經(jīng)示范應(yīng)用驗(yàn)證。我國鈉硫電池和液流電池都處在示范應(yīng)用階段。因此，大容量儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化需要加快步伐，集成成組技術(shù)還有待發(fā)展，成本需要下降，一些關(guān)鍵部件盡快實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。還需要重視鈉離子電池、鋅氯液流電流等新型儲(chǔ)能電池的研發(fā)。

　　①關(guān)于價(jià)格：鈉硫電池希望由現(xiàn)在的2000美元/kW下降至1000美元/kW水平，釩電池的價(jià)格還高于鈉硫電池的價(jià)格。

　?、陉P(guān)于產(chǎn)業(yè)鏈：儲(chǔ)能是一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈很長的產(chǎn)業(yè)，需要從關(guān)鍵材料(如釩流電池低成本、高性能的雙極板材料及離子交換膜材料、電解液等)，鋰電池電極材料等方面解決產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展問題。

　　③關(guān)于使用壽命：電網(wǎng)公司一般要求應(yīng)用在風(fēng)電、太陽能等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的電池壽命為15a，按每天充放一次計(jì)算，大概需要6000次。因此，要求磷酸鐵鋰電池達(dá)到5000～6000次循環(huán)。

　　(5)儲(chǔ)能技術(shù)在發(fā)電、配電和用戶端具有獨(dú)特作用，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)已引起了諸多投資者的關(guān)注。但在電源點(diǎn)或電網(wǎng)中加裝儲(chǔ)能設(shè)備需要大量投入，投資回報(bào)機(jī)制不夠健全。專家建議，要想推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用，國家應(yīng)出臺(tái)相應(yīng)的支持政策，鼓勵(lì)相關(guān)方應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)、接納新能源發(fā)電和改善電能質(zhì)量。

　　5結(jié)語

　　可再生能源發(fā)電和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，給儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。研發(fā)新型、高效、可靠的儲(chǔ)能裝置及配套設(shè)備、關(guān)鍵材料，特別是在大容量儲(chǔ)能技術(shù)與動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化，降低成本等方面，仍需加大研制力度和示范應(yīng)用。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)主管部門還需要給予政策扶持。隨著各種儲(chǔ)能技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，一些高性能的儲(chǔ)能電池還將不斷涌現(xiàn)。我國的儲(chǔ)能裝備將會(huì)得到廣泛應(yīng)用，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)一定會(huì)不斷發(fā)展壯大。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］劉振亞.智能電網(wǎng)知識讀本［M］.北京:中國電力出版社，2010.