一、成熟度

圖1所示為電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)成熟度的總結(jié)與比較。根據(jù)成熟度不同可分為三個(gè)層次：

　　　　　　　　　　　　　　　　 圖1 儲(chǔ)能技術(shù)成熟度

PHS- 抽水蓄能；CAES- 壓縮空氣；Lead-Acid: 鉛酸電池；NiCd: 鎳鎘電池；NaS: 鈉硫電池；ZEBRA: 鎳氯電池；Li-ion: 鋰電池；Fuel cell: 燃料電池；Metal-air: 金屬空氣電池；VRB: 液流電池；ZnbBr: 液流電池；PSB: 液流電池；Solar Fuel: 太陽能燃料電池；SMES: 超導(dǎo)儲(chǔ)能；Flywheel: 飛輪； Capacitor/Supercapcitor: 電容/超級(jí)電容；AL-TES: 水/冰儲(chǔ)熱/冷系統(tǒng)；CES:低溫儲(chǔ)能系統(tǒng)；HT-TES：儲(chǔ)熱系統(tǒng)

(1) 成熟技術(shù)：抽水蓄能電站和鉛酸電池技術(shù)已經(jīng)成熟，其使用已超過100年。

(2) 基本成熟的技術(shù)：壓縮空氣儲(chǔ)能、鎳鎘電池、鈉硫電池、鋰離子電池、液流電池、超導(dǎo)磁能、飛輪、電容、儲(chǔ)熱/冷等技術(shù)已經(jīng)完成研發(fā)并開始商業(yè)化，但是還沒有大規(guī)模普遍應(yīng)用，它們的競(jìng)爭(zhēng)力和可靠性仍然需要電力企業(yè)和市場(chǎng)來進(jìn)一步檢驗(yàn)。

(3) 正在研發(fā)的技術(shù)：燃料電池、金屬-空氣電池和太陽能燃料正在研發(fā)中，雖然它們?cè)诩夹g(shù)上并沒有達(dá)到商業(yè)成熟的程度，但已經(jīng)通過了多個(gè)科研機(jī)構(gòu)的研究論證。另一方面，由于能源成本和環(huán)境問題的驅(qū)動(dòng)，這幾種技術(shù)在不久的將來將具有巨大的商業(yè)潛力。

二、功率和放電時(shí)間

表1對(duì)各種類型電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和放電時(shí)間進(jìn)行了比較，根據(jù)它們的應(yīng)用情況，大體上分為三種類型：

(1) 能源管理：抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能適合于規(guī)模超過100MW和能夠?qū)崿F(xiàn)每天持續(xù)輸出的應(yīng)用，可用于大規(guī)模的能源管理，如負(fù)載均衡、輸出功率斜坡/負(fù)載跟蹤。大型電池、液流電池、燃料電池、太陽能電池和儲(chǔ)熱/冷適合于10~100MW的中等規(guī)模能源管理。

(2) 電力質(zhì)量：飛輪、電池、超導(dǎo)磁能、電容反應(yīng)速度快（約毫秒），因此可用于電能質(zhì)量管理包括瞬時(shí)電壓降、降低波動(dòng)和不間斷電源等，通常這類儲(chǔ)能設(shè)備的功率級(jí)別小于1MW。

(3) 電能橋接：電池、液流電池和金屬-空氣電池不僅要有較快的響應(yīng)（約小于1秒），還要有較長(zhǎng)的放電時(shí)間（1小時(shí)），因此比較適合橋接電能。通常此類型應(yīng)用程序的額定功率為100kW~10MW。

表1 各種儲(chǔ)能技術(shù)性能比較

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  表2 各種儲(chǔ)能技術(shù)性能比較(續(xù)）

四、成本

成本是影響儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)性的最重要因素之一。表1分別列出了以每千瓦時(shí)、每千瓦、每千瓦時(shí)-循環(huán)為單位的各種儲(chǔ)能技術(shù)的成本。可見，就每千瓦時(shí)的成本而言，壓縮空氣、金屬-空氣電池、抽水儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱技術(shù)成本較低。與其它形式儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，在已經(jīng)成熟的儲(chǔ)能技術(shù)中壓縮空氣儲(chǔ)能的建設(shè)成本最低，抽水儲(chǔ)能次之。盡管電池的成本近年來下降很快，但同抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)相比仍然較高。超導(dǎo)磁能、飛輪、電容單位輸出功率成本不高，但從儲(chǔ)能容量的角度看，價(jià)格很貴，因此它們更適用于大功率和短時(shí)間應(yīng)用場(chǎng)合。總體而言，在所有的電力儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能的每千瓦時(shí)儲(chǔ)能和釋能的成本都是最低的。盡管近年來電池和其他儲(chǔ)能技術(shù)的周期成本已在大幅下降，但仍比抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能的成本高出不少。

對(duì)于表1，進(jìn)行以下說明：

（1）表1所有成本均按照2009年美元匯率換算成美元；

（2）壓縮空氣儲(chǔ)能每千瓦成本除了電站建造成本，還包括儲(chǔ)氣室建設(shè)成本，后者與儲(chǔ)氣量大小有關(guān)；

（3）電池成本中不包括電池更換費(fèi)用；

（4）各儲(chǔ)能系統(tǒng)每千瓦小時(shí)發(fā)電成本（以COST表示）計(jì)算公式如下：

對(duì)于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)：

其它儲(chǔ)能系統(tǒng)：

各種電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電循環(huán)效率如圖2所示?？梢?，儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)效率大致可以分為三種：

(1) 極高效率：超導(dǎo)磁能、飛輪、超大容量電容和鋰離子電池的循環(huán)效率超過90%；

(2) 較高效率：抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、電池（鋰離子電池除外）、液流電池和傳統(tǒng)電容的循環(huán)效率為60%~90%；

(3) 低效率：金屬-空氣電池、太陽燃料、儲(chǔ)熱/冷的效率低于60%；

效率計(jì)算公式一般分兩種，基于熱力學(xué)第一定律的儲(chǔ)能系統(tǒng)效率計(jì)算式：

上式適用于能量以機(jī)械能或電磁能形式儲(chǔ)存的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

對(duì)于儲(chǔ)熱/冷系統(tǒng)，除了上式，往往還需從能量品位的角度評(píng)價(jià)儲(chǔ)能過程。

基于熱力學(xué)第二定律的儲(chǔ)能系統(tǒng)效率計(jì)算式：

 六、能量密度和功率密度

表2還列出了各種儲(chǔ)能技術(shù)的能量密度和功率密度，其中能量密度等于存儲(chǔ)能量除以裝置體積（或質(zhì)量），功率密度等于額定功率除以存儲(chǔ)設(shè)備的體積（或質(zhì)量）?？梢?，盡管金屬-空氣電池和太陽能燃料的循環(huán)效率很低，但是它們卻有極高的能量密度（~1000Wh/kg），而電池、儲(chǔ)熱/冷和壓縮空氣儲(chǔ)能具有中等水平的能量密度。抽水儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁能、電容和飛輪的能量密度最低，通常在30Wh/kg以下。然而，超導(dǎo)磁能、電容和飛輪的功率密度是非常高的，它們更適用于大放電電流和快速響應(yīng)下的電力質(zhì)量管理。鈉硫電池和鋰離子電池的能量密度比其它傳統(tǒng)電池的高，液流電池的能量密度比傳統(tǒng)電池稍低（應(yīng)該注意的是，不同廠商生產(chǎn)的相同類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)在能量密度數(shù)據(jù)有所不同）。

表2各儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度計(jì)算式為：或，以下是不同儲(chǔ)能系統(tǒng)所儲(chǔ)存的能量值E。

（1）抽水蓄能儲(chǔ)存的機(jī)械能計(jì)算式為：

其中H為水位高度，g為重力加速度，V為水庫(kù)容量，為水密度。

（2）壓縮空氣儲(chǔ)存的能量計(jì)算式為：

其中P為絕對(duì)壓力，V為儲(chǔ)氣容積，m為儲(chǔ)存的空氣質(zhì)量，R為理想氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，V1-V2為壓縮過程前后空氣體積。

（3）飛輪儲(chǔ)存的機(jī)械能計(jì)算式為：

其中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為飛輪角速度。

（4）超導(dǎo)儲(chǔ)能儲(chǔ)存的電能計(jì)算式為：

其中L為線圈電感系數(shù)，I為線圈電流。

（5）電容儲(chǔ)存的電能計(jì)算式為：

其中C為電容，V為電壓，Q為總的電荷。

（6）儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)存的熱量計(jì)算式為：

非相變儲(chǔ)熱：

其中m為儲(chǔ)熱介質(zhì)質(zhì)量，T1，T2為吸熱前后溫度，Cp為比熱容。

相變儲(chǔ)熱：

其中m為相變介質(zhì)質(zhì)量，為相變熱，Cp為比熱容，m為相變點(diǎn)。

表2還比較了不同電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命和循環(huán)次數(shù)?？梢钥闯?，那些在原理上主要依靠電磁技術(shù)的電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)周期非常長(zhǎng)，通常大于20000次。例如，包括超導(dǎo)磁能和電容器。機(jī)械能或儲(chǔ)熱系統(tǒng)（包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪、儲(chǔ)熱/冷）也有很長(zhǎng)的循環(huán)周期。由于隨著運(yùn)行時(shí)間的增加會(huì)發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的變化，因此電池和液流電池的循環(huán)壽命較其它系統(tǒng)低。