1.1 能量转换、储存与利用

1.1.1 太阳能、风能与储能技术

太阳能是指太阳的热辐射能，太阳每秒钟照射到地球的能量为49.94亿J，相当于500万t标准煤燃烧所产生的能量。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。

太阳能的主要优点有：①太阳光普照大地，处处皆有，可直接开发和利用，便于采集；②清洁无害，开发利用太阳能不会污染环境，是最清洁能源之一；③取之不尽，用之不竭，是现今世界上可以开发的最丰富的可再生能源，且能量巨大，每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于160万亿t标准煤。太阳能的主要缺点有：①分散性，到达地球表面的太阳辐射能的总量尽管很大，但是能流密度很低，因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要光热转换和光电转换器件和设备；②不稳定性，由于受到昼夜、季节以及地理纬度、海拔等自然条件的限制，还有晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的、又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决储能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量储存起来，以供夜间或阴雨天使用。因此，储能技术成为太阳能利用的重要组成部分。

光伏太阳能发电示意如图1.1所示。

风能是空气流具有的动能，空气流做功而提供给人类可利用的能量，属于可再生能源。空气流速度越高，风能越大。风能通过传动发电。尽管风能丰富且广泛分布，但它具有典型的随机性和间歇性。大规模风电并网将给电力系统带来一系列挑战。风电并网造成的主要影响有：①风电的随机波动性使得风电成为扰动源，对电力系统的稳定运行构成威胁；②电网故障时，风电机组受低电压穿越能力限制将自动脱网，导致电网运行状况恶化；③由于电网承受扰动的能力有限，超过电网容纳能力的风电将难以消纳；④风电的波动性还会造成系统接入点的电压波动，带来闪变等电能质量问题；⑤作为电源，风电接入电网将影响原有电力系统的运行方式，增加系统备用容量的需求，对系统运行的经济性产生影响。因此，发展储能技术是提高风电质量的有效途径。

风能发电示意如图1.2所示。

储能技术由一系列设备、器件和控制系统等组成，以实现电能或热能的存储和释放。储能就像水库，多雨时把水蓄起来，干旱时把水放出来发电或灌溉等。在新能源科学与技术应用中，储能系统具有动态吸收能量并适时释放的特点，能有效弥补太阳能、风能的间歇性、波动性的缺点，改善太阳能发电场和风电场输出功率的可控性，提升输出电能的稳定水平，从而提高发电的质量。储能技术对于全球节能减排与优化能源结构的目标实现有着积极的推动作用，是智能电网、可再生能源接入、分布式发电、微网系统及电动汽车发展必不可少的支撑技术之一。尤其对于电力系统，储能技术应用贯穿于发电、输电、供电、配电、用电等各个环节。它不但可以有效地实现需求侧管理、消除峰谷差、平滑负荷，而且可以提高电力设备的运行效率、降低供电成本，最终提高电能质量和用电效率，保障电网优质、安全、可靠供电和高效用电的需求，促进电网的结构形态、规划设计、调度管理、运行控制与使用方式等的优化与改善。

储能系统示意如图1.3所示。

1.1.2 储能技术的分类与应用

图1.4涵盖了各种能量产生、储存和应用的形式。根据能量来源的不同，可以将能量产生分为8大类，即太阳能、风能、生物质能、核能、热能、机械能、化学能和电磁能等。根据能量转换（化）形式的不同，可以将储能技术分为机械储能、电磁储能、化学储能和相变储能等4大类，其中：①机械储能的典型特征是将电能转换为机械能进行储存，常见的储能方式有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等3种；②电磁储能的典型特征是将电能转换为电磁能进行储存，常见的储能方式有超导储能；③化学储能的典型特征是将电能转化为化学能进行储存，常见的储能方式有铅酸蓄电池、锂离子电池、碱性电池（镍镉电池、镍氢电池等）、金属-空气电池、超级电容器储能、钠硫电池和液流电池等7种；④相变储能的典型特征是将能量转换为热能进行储存，即相变储热，常见的储能方式有显热储热、潜热储热和化学能储热3种。

图1.5给出了不同储能方式的功率等级和放电时间，可以看到，不同储能方式的储能功率及其对应的放电时间不同，根据这一特点，基于不同的需求，如削峰填谷、调峰调频、稳定控制、改善电能质量乃至紧急备用电源等，应选择不同的储能方式。表1.1给出了不同储能技术的性能比较。表1.2给出了各种典型储能技术的主要优、缺点和研究应用现状。

1.1.2.1 机械储能

1.抽水蓄能

抽水蓄能是目前电力系统中应用最为广泛、寿命周期最长（40～60年）、循环次数最多（10000～30000次）、容量最大（500～8000MW·h）的一种成熟的储能方式，主要用于系统备用和调峰调频。在负荷低谷时段抽水蓄能设备工作在电动机状态，将水抽到上游水库保存；而在负荷高峰时设备工作在发电机状态，利用储存在水库中的水发电。但抽水蓄能受建站选址要求高、建设周期长、机组响应速度相对较慢等因素的影响，其大规模推广应用受到一定程度的约束与限制。图1.6为抽水蓄能电站。

在未来的5～10年，抽水蓄能技术的主要研究方向是变速抽水蓄能机组。变速抽水蓄能机组分为交流励磁变速抽水蓄能机组和阀控变频抽水蓄能机组。目前，有人提出了将泵和水轮机合并为一体的可逆式水泵水轮机的新抽水蓄能机组结构，有效地提高了抽水蓄能电站建设的经济性，成为现代抽水蓄能电站应用的主要形式。

日本、美国和西欧等国家和地区在20世纪60—70年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期。到2010年为止，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量的55%以上，其中美国约占3%，日本则超过了10%^［6］。未来抽水蓄能电站的重点将着眼于运行的可靠性和稳定性，在水头变幅不大和供电质量要求较高的情况下使用连续调速机组，实现自动频率控制。

2.压缩空气储能

压缩空气储能电站是一种调峰用燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型压力为7.5MPa的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。压缩空气储能电站建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，但其能量密度低，建设受地形制约，对地质结构有特殊要求。

压缩空气储能成本较低，并且具有安全系数高、寿命长（20～40年）、响应速度快等特性。但其储能密度低、依赖大型储气洞穴并产生化石燃料燃烧污染是其主要的制约因素。目前，针对这些问题，压缩空气储能的发展方向是积极开展新型压缩空气储能系统的研发，如等温压缩空气储能系统、地面压缩空气储能系统、液态空气储能系统、先进的绝热压缩空气储能系统以及空气蒸汽联合循环压缩空气储能系统等。

世界上第一座商业运行的压缩空气储能电站是1978年投入运行的德国Huntorf电站，目前仍在运行中。机组的压缩机功率为60MW，释能输出功率为290MW，系统将压缩空气存储在地下600m的废弃矿洞中。机组可连续充气8h，连续发电2h。1991年投入商业运行的美国亚拉巴马州Mclntosh压缩空气储能电站，其地下储气洞穴在地下450m，压缩机组功率为50MW，发电功率为110MW，可以实现连续41h空气压缩和26h发电。另外日本、意大利、以色列等国也正在建设压缩空气储能电站。我国对压缩空气储能系统的研发起步较晚，但该研究领域正逐渐受到相关科研院所、电力企业和政府部门的重视。

3.飞轮储能

飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机/发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换过程；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换过程。飞轮储能功率密度大于5kW/kg，能量密度超过20W·h/kg，效率在90%以上，循环使用寿命长达20年，工作温区为-40～50℃，无污染，维护简单，可连续工作，积木式组合后可以实现兆瓦级，主要用于不间断电源（UPS）/应急电源（EPS）、电网调峰和频率控制。飞轮储能如图1.7所示。

飞轮储能关键技术包括：①安全可靠并可支持高速运行的轴承；②可以承受高速旋转重力的转子设计与材质。飞轮储能的储能容量、自放电率等方面是制约飞轮储能系统发展的重要因素。随着日渐成熟的超导磁悬浮技术和单体并联技术，飞轮储能将逐渐克服现有的能量密度低、自放电率高等缺点，其应用领域将逐步扩展到大型新能源电力系统的储能领域。

国外飞轮储能系统已形成系列商业化产品，如Active Power公司的500kW Clean Source DC和Beacon Power公司生产的由10个25kW·h单元组成的Smart Energy Matrix储能系统等。目前，飞轮储能装置已投入电网实际运行，如纽约电力管理局就通过试验安装1MW/（5kW·h）的飞轮储能装置来解决电动机车引起的电压突变。飞轮储能具有良好的负荷跟踪和快速响应性能，可用于容量小、放电时间短，但瞬时功率要求高的应用场合。

1.1.2.2 电磁储能

电磁储能常见的储能方式为超导储能。超导储能系统是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施，它是一种新型高效的蓄能技术。超导储能系统主要由大电感超导储能线圈（图1.8）、氦制冷器（使线圈保持在临界温度以下）和交-直流变流装置构成。当储存电能时，将发电机组（如风力发电机）的交流电经过整流装置变为直流电，激励超导线圈；发电时，直流电经逆变装置变为交流电输出，供应电力负荷或直接接入电力系统。由于采用了电力电子装置，这种转换非常简便，转换效率高（≥96%），响应极快（毫秒级），并且比容量（1～10W·h/kg）、比功率（104～105kW/kg）大，可以实现与电力系统的实时、大容量能量交换和功率补偿。它的储能效率高达90%以上，远高于其他储能技术。但和其他储能技术相比，超导储能仍很昂贵，除了超导本身的费用外，因维持系统低温导致维修频率提高，相关维修费用也相当可观。目前，在世界范围内有许多超导储能工程正在进行建设或者处于研制阶段。

目前世界上1～5MJ/MW低温超导储能系统装置已形成产品，100MJ超导储能系统已投入高压输电网中实际运行，5GW·h超导储能系统已通过可行性分析和技术论证。超导储能系统的发展重点在于基于高温超导涂层导体研发适于液氮温区运行的兆焦级系统，解决高场磁体绕组力学支撑问题，并与柔性输电技术相结合，进一步降低投资和运行成本，结合实际系统探讨分布式超导储能系统及其有效控制与保护策略。超导储能系统在美国、日本、欧洲一些国家或地区的电力系统已得到初步应用，在维持电网稳定、提高输电能力和用户电能质量等方面发挥了重要的作用。

1.1.2.3 化学储能

不同的化学储能电池具有各自的技术特点。目前，铅酸蓄电池主要应用于汽车启停电源、电动自行车、储备电源、通信基站等；镍镉电池、镍氢电池主要应用于玩具、混合动力汽车、规模储能方面；锂离子电池主要应用于消费电子、电动汽车、电动工具、规模储能、航空航天等；超级电容应用于电动大巴、轨道交通、能量回收、电能质量调控等方面；钠硫电池、液流电池主要应用在规模储能方面。

1.1.2.4 相变储能

相变的发生过程通常是等温或近似等温的过程，即发生相变时，物质的温度变化很小或者保持不变，此温度就是相变温度。在相变的发生过程中，相态的变化必然伴随着能量的吸收和放出，这部分能量就是相变潜热。相变潜热是相变储热的方式，所以相变储热其实是热能存储的范畴。