电能储存

浅谈电能储存技术

廖振1乔海祥2欧阳明3

1长沙理工大学,长沙,410076

2 长沙理工大学,长沙,410076

3长沙理工大学电气与信息工程学院,长沙,410076

摘要:本文介绍了国内外存储电能的现状，并浅析这些技术的优缺点；提出了一些大规模贮存电能的新设想，并进行了简要的分析;笔者认为,发展储存电能技术将改变和优化能源结构,缓解能源危机,提高再生能源的利用率,将对人类的生产生活产生深远的影响。

关键字:电能储存飞轮蓄能超导磁储能弹簧机械储能分散储电能

1 前言

自人类应用电力160 多年来，电力极大地影响了我们的生活。但是，如何方便经济地储存电力，仍然是困扰科学家的难题，目前人们还无法实现大规模的储存电能，因此，电力的生产和消费几乎是同时发生的。

虽然我们在短期内还无法解决大规模存储电能这一难题。不过这个领域非常值得去研究,因为如果能够解决这个难题的话,那么现阶段电力系统的很多问题就可以迎刃而解了。下面笔者就来介绍一下当前国内外存储电能的一些方法：

2 电力储存现状

2．1 飞轮蓄能

飞轮储能技术作为一种新的电能存储技术，与超导储能技术、燃料电池技术

一样，都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术，已经开始越来越广泛地应用于国内外许多行业。飞轮储能装置主要有3 个核心构件：飞轮、电机和电力电子装置。

基本工作原理是：将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来；当外界需要电能时，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载。它要求飞轮空闲运转时候损耗非常小。当外设通过电力电子装置给电机供电时，电机就作为电动机使用，它的作用是给飞轮加速，储存能量；当负载需要电能时，飞轮给电机施加转矩，电机又作为发电机使用，通过电力电子装置给外设供电；当飞轮空闲运转时，整个装置就以最小损耗运行。

飞轮储能系统具有高效率（80%～90%）、无污染、合理的功率密度及充能迅速等优点，极具发展潜力，目前应用最多的是汽车动能的储存或电能储存。但其储能密度与飞轮材料的强度、质量和几何形状有关，故要慎重选择适当材料及飞轮形状；而且所需轴承质量不轻，须适应长时间高速旋转的要求。

2．2 抽水蓄能

即把低水位的水泵至高水位的水库中，将电能转换成水的势能储存起来。待负荷尖峰出现时，再启动水轮发电机组向电网补充电能。抽水蓄能电站在电网中的调峰填谷、紧急事故备用、调频、调相等作用已被世界各国公认，但在我国，人们对抽水蓄能电站的作用和效益仍比较陌生。其实，一定比例的抽水蓄能电站在电力系统中是必不可少的。

抽水蓄能电站具有两大特性：一、它既是发电厂，又是用户，抽水储能是在电能过剩的情作用是其他任何类型发电厂所没有的；二、启动迅速，运行灵活、可靠，对负荷的急剧变化可做出快速反应，除调峰填谷外，还适合承担调频、调

相、事故备用等任务。抽水储能是目前最古老、技术最成熟、设备容量最大的商业化技术，在世界各国得到普遍采用。但是这种储能方式造价较高，建设周期较长，而且抽水储能电站的选址又受到地形的限制，建设难度较大。

2.3蓄热蓄能

电量富余时，用电生产蒸汽导入蓄热器储存，电量短缺时，再将蓄热器的蒸汽送给汽轮机组发电。还有的电厂以高压热水形式储存热能。

2.4蓄冰蓄能

用夜间电网用电低谷的电能制冷（或制冰），在白天将储存的冷量放出作空调用。采用这种技术的中央空调用户, 它可在夏季非空调使用时间或用电低谷时段内, 使空调机处于制冰状态, 把冷量以冰的形式储存起来, 再于空调使用时间内把冰块融化, 将冷量释放出来, 从而做到电能“储蓄”之效。

现行的峰谷分时电价规定( 以福建为例, 各地略有差别) : 每日用电高峰时段, 其电价比基本电价上浮5 0 %, 而在用电低谷时段( 即每日的后半夜) , 其电价比基本电价下降6 0 %, 两者之间价差达数倍。如果我们采用蓄冷蓄热技术, 在用电低谷时段的低电价位多用电, 而在用电高峰时段少用电, 由此获得的效益将相当可观。据保守估计, 每台中央空调可因此而节约运行费用3 0 %以上。2．5 压缩空气蓄能

将电网用电低谷的富余电量，由电动机带动空气压缩机，将空气压入密闭的下洞穴储存起来，即将电能转化为空气的气压内能。已有文献报道美国将建造一座型的压缩空气储能装置，利用地质结构的高压承受能力，直接在地下开挖大容积的高压空气储气体。当电能富裕时，通过压缩机将空气压入地下储气体进行储能，当负荷高峰出现时，即由压缩空气推动涡轮机组发电。但这种储能方式

的大容量装置造价极高，建造周期也长，只有发达的工业国家才能够采用。2.6高效电池蓄能

高效电池选用电网低谷负荷充电，到高峰负荷时向外发电，其储存效率高。日本研制的100 千瓦新型钠硫电池，充放电效率可达到90% 以上。

2.7 燃料电池蓄能

一种已成熟应用、高效率、无污染的小型发电装置。它利用电网低谷电制氢，氢是燃料电池的主要燃料，当高峰缺电时，氢通过燃料电池发电。

2.8 超导磁储能

以上是目前已经实现的一些电能存储方法，一般是通过将电能转换成机械能或是化学能的方式来储存它。在此,笔者重点介绍一下超导储能,因为就目前情况看,只有超导储能才是真正意义上的储存电能。曾有一位美国科学家用铅作为材料, 做了一个封闭的圆环, 并把它放在超低温的环境中。接着, 他又將一定量的电流通入铅环, 然后切断电源, 使电流在铅环中没有休止地流动下去。过了几年, 当这位科学家再去测量铅环的电流时, 他惊异地发现, 电流没有明显的减弱。这说明电流在超导中没有损耗，可以长时间的保持下去。于是,科学家设想在地下很深的地方挖一个大坑,在里面充满着超低温的液态氦气, 把超导金属做成的线圈浸没在里面。平时, 可以把多余的电能储存到超导线圈里去, 当需要时, 再把电取出来使用。由于电能没有损耗, 所以能长期地储存下去。应该指出的是，超导体只有在直流情况下才有零电阻现象，若电流随时间变化，将会有功率耗散。超导线圈在电压为零或很小的情况下能保持强大的电流，这为我们储存电能提供了十分诱人的前景。随着超导材料的研究不断取得新的成果，超导在电能储备技术上的应用也开辟了一个崭新的技术领域——超导磁储能（SMES）技术。理论