电能储存

电能储存

——备用电力系统的短期和长期储能方法储能被应用在不间断的备用系统，从市电过渡到发动机发电机发电或恢复市电。追溯到20世纪60年代的经典系统应用成串的铅酸蓄电池能将逆变器电源经过存储后为负载提供长达5分钟的供电时间[1][2]。在最近几年，新电池已经得到开发，并且新方法已经发展到为待机功能提供存储的能量。由于受到电子负载和电信设备对不间断电源需求的驱使，因此，对新的存储能量的方法的要求将继续下去，以期找到更好的储能方法。

一、电能存储的要求

对于存储在备用系统的能量的要求，前提条件是至少存在两个参数：(长期)能量交换持续时间和功率（能量）。进一步的备用系统定义的要求可以归纳如下：

1、短期储能系统

短期储能系统是指没有有效的传输手段联结电动机发电机或者备用馈线工具的备用系统。这些独立的系统，功率范围从100瓦到500千瓦，包括5-30分钟的储存能量的能力，这些建立在对公共事业单位停电时间的估计。

2、中期储能系统

中期储能系统是指具有有效的传输手段联结电动机发电机或者备用馈线工具或者其他的电源的备用系统。这些储能系统功率范围可高达10000千瓦，其中包括具有长达5分钟的储存能量的能力的系统，这些系统会根据时间来启动发动机、发电机组，使能量发生有效转移。

3、长期储能系统

长期储能系统是指被当做普通市电系统的一部分，并且提供除了备用功能之外的一些其他功能，比如调峰、电压和频率的稳定调节、无功补偿等。这样的备用系统就称为长期储能系统。这些长期储能系统的额定功率可以高达20兆瓦，其提供持续电源的能力也可以高达8小时。以上所述的短期储能系统和中期储能系统可以满足特定负载对不间断电源所提出的要求。

二、电能存储的方法

1、电池储能

电池已经成为备用电力系统在很大范围内应用率最为广泛的电子元件。各种类型的电池已经被设计制造用于具体的工作环境。

（1）电池储能的机理

电池组是由一个或更多个单元经过电气连接实现所要求的电压、储能或者其他参数要求的。在这篇文章中关注了两种运行方式：浮球和循环，如图表1所示[12]。

浮动操作描述了电话中心局的电池，这里的电池主要是保持电压的相对稳定，例如，直流48伏特。循环方式描述的是备用系统中的电池，例如不间断电源（UPS），其中电池的充电量被提取出来用于当市电系统出现故障时供应逆变器和交流负载的电力需求。这些电池，比如UPS中的电池额定功率为100kVA甚至更高，额定电压通常设定在直流460伏特。当市电恢复或引擎发电机已启动时，这些电池就开始恢复充电。电池组的许多其他应用也都需要在漂浮方式和循环方式中进行选择。

（2）备用电池组的类型

该标准参考的是由风帆克朗普顿主编的电池参考书[3]。然而，由于电池技术的飞速发展，会议记录和社会出版物为我们提供了更多的最新信

息。

具体的能源和为备用服务所使用的备用电池密度如图2所示[4]。

这些电池的应用，除了取决于图中因素外，还取决于其他的一些因素。

不同类型的电池组应经被应用于各种备用服务：

1）自从20世纪60年代开始大量的铅酸蓄电池已经被用于UPS[1]，并且被用作1983年之前的通讯设备的后备电源[5]。这

种类型的电池需要定期补充水，以符合其特定的重力测量。

这种电池由于会排放可燃性气体，因此出于安全考虑需要有

可靠的安全专项设施。为了方便排放这些可燃气体，大量的

电池组之间的气体空间是和空气相接触的，但是又通过一个

包含了闪存堕装置的排放装置与空气相隔离[6]。注意到在图2

中，与可比较的电池相比，大量的铅酸蓄电池具有最低的比

能量和能量密度。

2）在过去的20年中，阀控密封式铅酸（VRLA）电池在备用系统的使用中已经得到了巨大的增长[7]。同时注意到，在图2

中，这种电池的比能量和能量密度大约是普通铅酸蓄电池的

一到两倍。在阀控式密封铅酸电池中，为了排放气体包含了

一个泄气阀，用以尽量减少气体损失，同时防止气体与外界

空气在顶部直接接触[8]。Giess描述了两个UPS装置额定功率

设定为2.8MW和4.2MW为东亚的晶圆代工厂提供保护，直到

在现场的柴油机发电机可以联机。这些装置利用11652- V的

阀控式密封铅酸电池，在五分钟内放电到1900V（1.65V/单元）

[8]。

阀控式密封铅酸蓄电池的标准保修范围依据制造和正确充电和维修的要求从5年到20年不等；阀控式密封铅酸蓄电

池的性能还取决于保持电池组存放在25◦C(77◦F)的环境中，

而不是−40◦C到+65◦C的户外环境。当将电池组放在户外时，

必须对电池组进行保温加热，维持合适的温度，以防止电池

组冻结或储能能力的降低。实验表明在-6◦ç（20◦F）时，电池

容量减少了30％。而在-16℃（4℉）时，电池容量甚至将减

少55％[9]。

（3）锂离子电池储能

电信产品的系统需要小功率电源作为后备只用，比如移动电话中继站、电缆电视终端供应等设施。由于这些产品的能源系统要求体积小、重量轻，因此

它们需要使用比阀控式密封铅酸蓄电池能量密度比更高的电池组[10]。

由于锂是最轻的金属，同时也是最容易带正电的金属，因此受到对更高储能密度比和重量更轻电池组的需求的影响，人们开始研究使用锂金属作为阳极

的的电池组，例如使用氢元素作负极的3.04V电池。而锂金属的具体能量比达到3800Ah/Kg(1727Ah/lb)，与固定电池上使用的传统金属材料相比亦毫不逊色，例如，铅的能量比是260Ah/Kg(118Ah/lb)，镉的能量比则为480Ah/Kg(Ah/lb)。图2已经显示了电池的比较定位。锂离子电池的重量大约是传统铅酸蓄电池的四分之一，而体积则只有它的一半[4]。

K.M. 亚伯拉罕介绍了一种作为有线电视和电信电源备用电源的低成本锂离子电池。该模块是由小锂离子电池使用专有技术构建而成，具有80阿评级，11V和14 V的额定电压。这些模块可以通过串联和并联生产出电压为24V、36V、48V和96V，容量从25到300阿的后备电池组。表一显示了额定电压为36V、容量为160阿的锂离子电池和阀控式密封铅酸电池所做的比较[11]。

（4）镍金属氢化物电池储能

对电信服务质量要求的提高，使得开始出现了以光纤电缆取代金属电缆的必要性。这种变化正在由于备份电池电源使用量的迅速增加而实现。由于电力无法像通过金属电缆一样，通过光学和光纤电缆进行传递，因此光纤网络需要在网络的每个终端提供电源。这样光纤网络的终端不仅实现光信号转换成电信号，而且起到供应电源的作用。大量电池组被应用于市电的后备电源，而且必须能够提供几个小时的供电[12]。

T. Hirai讲述了光纤网络终端充电系统和镍金属氢化物（镍/氢）电池的发展。在图表2中，我们将MH / Ni电池和以前使用的镍镉电池进行了一番比较。这个电池组是由6个电池组成。它的标称容量是2000/mAh，重量是0.55英镑，运行温度为−10◦C到+55◦C，并且在30◦C工作时具备长达7.5年的预期