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1、大规模的能量储存系统及技术摘要现代社会，人类社会越来越离不开电了，但是电能只能即发即用，那么如何将电能储存，并实现大规模的储存将会对人类的现代化作出进一步的贡献。据调查研究，目前国内外储存电能的形式有飞轮蓄能、抽水蓄能、蓄冷蓄能、蓄热蓄能、高效电池蓄能、压缩空气蓄能、燃料电池蓄能以及超导电磁寻能等，但基于技术及经济方面的考虑，抽水储能仍然是目前的主流储存电能的方式，本文将简单的谈下抽水储能方面的技术及系统。关键词：电能储存技术，抽水储能，电力系统0引言近年来，随着我国人民生活水平的提高和产业结构的调整，系统中电力负荷结构也在不断发生变化，电力的增长速度超过电量的增长速度，系统的负荷峰谷差逐年增
2、大，使各系统的调峰问题愈来愈突出，运行中经常由于突然出现的负荷高峰与预测相距较大而造成电网拉闸限电，严重影响了电力系统的供电质量及电力系统的经济效益，也给国民经济带来了很大损失。现代电网的大规模互联，使系统的结构和运行方式越来越复杂多变，而越来越严格的环境和生态要求，又使建造新的发电和输电系统非常困难，随着电力系统的重构和市场化，对已有设备的充分利用就显得日益重要。互联电力系统运行在越来越接近其传输极限的水平上，这进一步增加了输电系统的压力。当一个大系统由于事故的连锁反应而导致系统瓦解，出现大面积停电时，会造成难以估计的经济损失和社会影响。规划和运行中的不确定因素和不安全因素的增加对系统的安全
3、稳定控制提出了越来越严峻的挑战。而无论是调峰问题，还是稳定问题，其根源都在于能量的不平衡，或者说是电能的生产、输送、消费的瞬时不平衡，电能存储技术可以提供一种简单的解决电能供需不平衡问题的办法。各种形式的储能装置可以在电网负荷低谷的时候作为化学形式,物理形式又可以分为机械储能和电磁场储能。1 电能储存现状1.1 飞轮储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
4、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
5、求。12 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
6、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。 1.3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。1.4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
7、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。1.5 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
8、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。1.6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。1.7 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。1.8 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
9、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
10、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。理论分析与实验研究均已证实S M E S 的储能效率高达95% ，优于其他储能方式。同时，SMES还能大量减少CO2 和SO2 等有害气体在大气中的排放量。美国、英国、加拿大等十几个发达工业国家十分重视SMES 技术的商业化与实用化。目前，美国正在开展将此项技术由实验室推向商业市场的研究。就我国的国情来说，在努力
11、建立非碳能源体系的同时，应积极考虑开展SMES技术的相关研究，否则在未来的电力工业建设方面又将落后于世界发展的步伐。据测算，如能在高温超导上取得突破，从而采用大规模的超导材料储存电能，我国电能将能节约1/3以上 ,这还不包括在输电环节上由于采用超导技术而节约的电能。2 抽水储能的优势与意义2.1 为什么要发展抽水储能抽水蓄能是目前电力系统中最成熟、最实用、最经济的大规模储能方式。抽水蓄能电站兼具水泵和水轮机两种工作方式,在电力负荷低时用电网的多余电能将水抽到上水库贮存,在电力负荷高峰时将水放下来发电。抽水蓄能是在耗电和电力系统经济型的矛盾中获得发展价值。中国确定了到2020年非石化能源占比15
12、%的目标,这包含了水电、风电、核电和太阳能发电的快速增长。但可再生能源的发展给电力系统带来了较大的压力,电力系统急需配置大容量的储能装置以优化电源结构和改变运行方式,从而保证发电供电的稳定性和连续性;目前大规模的储能技术仍以抽水蓄能为主。相比其他储能技术,抽水蓄能有投资成本低、使用寿命长、能量转换效率稳定和应用成熟等优势;抽水蓄能电站在电力系统中承担调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能,因而在电力系统中发挥重要作用。2.2抽水储能的意义抽水蓄能电站是间接储存电能的一种方式，被誉为国家的“电力粮库”。专家认为，建设抽水蓄能电站可保证风电、太阳能资源实现规模开发，并顺利接入电网，是
13、现代大电网不可缺少的重要组成部分。抽水蓄能电站建成后，利用其启停灵活的特点，既可作为电源，又可发挥平抑电网负荷、削峰、填谷的作用电网负荷随用电负荷变化随时调度，火电机组从启动到并网发电一般需要3个小时左右，而抽水蓄能电站的发电启动只需3分钟。夏自平说，如果靠火电机组开停机进行负荷调度，不仅无法适应电网负荷变化快的现状，且开停一台火电机组需要几十万元费用，成本非常高。抽水蓄能电站建成之后，利用其启停灵活的特点，既可作为电源，又可发挥平抑电网负荷、削峰、填谷的作用。此外，抽水蓄能电站还可以作为“应急电源”，保证电网稳定、安全运行。抽水蓄能电站机组启停速度快等特点，使其能通过对机组负荷的及时调整，起
14、到调节电网供电频率及紧急事故“备用电源”的作用。这意味着，电网一旦发生紧急情况，抽水蓄能电站能够迅速启动，避免大面积停电事故的发生，或者在发生事故的情况下迅速恢复供电，避免事故扩大。近年来，随着我国清洁能源迅猛发展和用电负荷的快速增长，电网用电结构发生了较大的变化，用电负荷的峰谷差逐年加大。为确保电网安全稳定、经济高效运行，上世纪90年代开始，我国蓄能电站建设步伐加快，兴建了广东广蓄一期、北京十三陵、浙江天荒坪等为代表的一批大型抽水蓄能电站。截至2009年底，全国抽水蓄能电站装机容量1454.5万千瓦，完全投产17座，占全国总装机的1.66。全国在建抽水蓄能电站12座，装机容量1114万千瓦，
15、抽水蓄能电站发展已初具规模。据了解，对电网而言，抽水蓄能电站扮演着双重角色：抽水时是电网的用户，放水发电时又是向电网供电的重要电源。随着电网规模的扩大和全国联网步伐的加快，抽水蓄能对电网的意义越发重要。在受端电网建设抽水蓄能电站，不仅可以为受端电网提供事故备用电源，而且可以弥补远距离直流输电时高峰不能输出无功、低谷不能吸收无功的缺陷。此外，抽水蓄能电站在低谷时吸纳电量，可以显著增加电网远距离输电能力，提高线路的输送效率，改善线路运行状况。为保护环境、应对气候变化，近年来我国风电、太阳能发电快速增长，对电力系统的安全可靠运行提出了更高要求。目前，在甘肃、内蒙古等风电投产速度较快的地区，普遍存在风
16、电并网后电量难以全部消纳送出的问题。国网能源研究院副总经济师兼能源战略与规划所所长白建华认为，为保证大规模风电开发最终能顺利并网消纳，需要在送电端电网或受电端电网建设大量抽水蓄能电站等调峰电源来实现配套输送。为适应风能、太阳能等间歇式能源入网的特点，抽水蓄能在我国电网中的比重和作用将越来越大。专家分析，按照我国目前火电、核电、风电的发展速度，到2015年左右，必须新增3000万至4500万千瓦的抽水蓄能机组，以满足电网安全稳定经济运行的需求。特别是在“西电东送、南北互供、全国联网”电力发展战略以及智能电网建设不断推进之际，大力发展蓄能机组已是当务之急。由于抽水蓄能电站的建设有天然的资源要求，蓄能电站应该因地制宜采用多种方式。只要设计合理，几乎所有常规的梯级水电站只要把几台机组换成双向可逆的抽水蓄能机组，就都可以起到抽水蓄能电站的作用。如果经济合理，有
