储能电站物理储能技术工作原理

      按照技术原理划分，储能技术主要分为物理储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等）、化学储能（如铅蓄电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池）和电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能等）三大类。其中：最成熟的是抽水蓄能、铅蓄电池；正处于示范推广阶段的是飞轮储能、压缩空气储能、锂电池；发展处于初期的技术有铝空气电池、液流电池、钠硫电池、固态电池、燃料电池、超导磁蓄能、超级电容等。下面就详细讲一下物理储能电站工作原理

a.抽水储能

      抽水蓄能电站配备上、下游两个水库，负荷低于电能富余时，将下游水库的水抽到上游水库保存；负荷高峰电能缺口时，利用储存在上游水库中的水发电。抽水蓄能是目前存储大规模电力技术最成熟、成本效益最好的储能技术，也是当前唯一广泛采用的大规模能量存储技术，世界总装机容量已超过150,000 MW。

图1：抽水蓄能工作原理

      抽水蓄能电站将电网负荷低时的多余电能转变为电网高峰时期的高价值电能，适用于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，并且因为备用电源，效率较高，储能容量大。缺点是其受地理条件、转 化效率等方面的制约较大，响应时间是分钟级，应对电网负荷波动能力较差，同时投资周期较大，抽蓄损耗和线路损耗均较大。抽水蓄能 电站能够用于黑启动、控制电网频率、提供备用容量和提高火电站和核电站的运行效率等方面。

b.压缩空气储能

      压缩空气储能是一种基于燃气轮机的储能技术，利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，将空气高压密封在密封空间中，在需要电能时，释放高压空气推动汽轮机发电。压缩空气储能燃料消耗比调峰用燃气轮机组可以减少1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40， 安全系数高，使用寿命长。压缩空气储能规模大，仅次于抽水蓄能， 场地限制较小，适用于大型电站，，同时建造受地穴、矿井等特殊地形条件的限制；建造成本和运行成本比较低，低于钠硫电池或液流电池，也低于抽水蓄能电站，具有很好的经济性；通过维护使用寿命可达 40-50 年，压缩空气储能使用的原料是空气，不会燃烧，没有爆炸的危险，不会产生任何有毒有害气体，因此安全性和可靠性高。由于其储能规模大、成本低，在全球范围内有很大的发展空间。压缩空气储能由于能够弥补抽水蓄能的先天不足，因此将是有效解决我国大规模储能问题的重要技术选择。压缩空气储能的缺点主要为两方面：一是效率较低，由于空气受到压缩时温度会升高， 空气释放膨胀的过程中温度会降低，因此在压缩空气的过程中，一部分能量以热能的形式散失，在膨胀前需要重新进行加热，且通常以天然气作为加热空气的热源， 由此导致储能效率降低；二是依赖大型储气装臵，且依赖燃烧化石燃料，造成污染。

图2：压缩空气储能工作原理

目前美国正计划在俄亥俄州建造世界上最大容量的压缩空气储能电站，总装机容量达到2700 MW。我国于 2003 年开始压缩空气储能的研究，哈尔滨电力部门正在利用现有的地道作为贮气室进行研究。 华北电力大学等国内高校正在进行压缩空气系统热力性能计算及其经济分析的研究。随着分布式能量系统的发展以及减少储气库容积和提高储气压力的需要，8~12 MW 微型压缩空气储能系统已经成为当前研究的热点。

c.飞轮储能

      飞轮储能的原理是将电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，供电时，将飞轮的动能通过发电机转化为电能输出到外部负载。飞轮转子是飞轮储能系统中的核心部件之一。飞轮转子材料一般选用强度很高的玻璃纤维或碳纤维等复合材料，在低速时也可选用高强度钢和铝合金。飞轮转子的设计力求提高转子的极限角速度，减轻转子质量，最大限度地增大储能量。轴承系统用于支撑飞轮转子，是制约飞轮转速的关键因素之一。轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。目前，轴承系统一般主要采用永磁轴承、 电磁轴承、超导悬浮轴承等非接触式磁轴承或其它低摩擦功耗轴承支承飞轮，并对轴承进行机械保护。

      飞轮储能的主要优点是高充放电率，高循环次数，响应速度快，无污染，维护简单，寿命一般为20 年，使用寿命不受充放电深度的影响；相较于其它储能技术飞轮储能几乎无摩擦损耗、风阻小，比功率可达8 kW/kg 以上，远远高于传统电化学储能技术；工况环境适应性好，在-20～50 ℃温度下都能正常工作。

      缺点是成本高、能量密度较低，保证系统安全性方面的费用很高，储能损耗较高，不适合用于能量的长期存储。空载下的相对能量损失大，每小时超过2.5；飞轮储能理论能量密度高达200～400 Wh/kg， 但是在实际应用过程中，受限于材料因素，安全稳定运行的飞轮储能密度通常不高于100 Wh/kg；价格昂贵也是影响飞轮储能大规模推广的重要因素之一。

      受益于电力电子技术、磁悬浮技术和高强度碳素纤维技术的进步，飞轮储能技术近年来发展迅速。据文献国际先进的飞轮储能系统储能效率已经达到了 99.4，可储能 100 kWh。2004 年，巴西实现了利用超导与永磁悬浮轴承的飞轮储能，用于电压补偿。2011 年，世界最大的飞轮储能系统完成安装，容量20 MW，采用了当前世界最先进的碳纤维复合飞轮转子技术，吸收并释放1 MW 的电能仅需15 分钟。我国飞轮储能研究起步较晚，目前还只是从事系统基础研究及小容量试点。飞轮储能技术的发展正朝着大功率、高效率、低损耗和安全可靠的方向发展。