电力储能及其主要技术类型

什么是储能？

储能是指通过介质或设备把能量存储起来，在需要时再释放的过程，通常储能主要指电力储能。储能又是石油油藏中的一个名词，代表储层储存油气的能力。

电力储能技术一般包括物理储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等），化学储能（如铅酸电池、液流电池、钠硫电池、锂离子电池等），电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能等）等。根据各种技术的特点，一般抽水蓄能、压缩空气储能和化学电池储能适合于电力系统调峰、大型应急电源、可再生能源并网等应用场合，而飞轮储能、超导电磁储能和超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量，抑制电力系统低频振荡等。

物理储能

Physical energy storage

物理储能主要指的是利用抽水、压缩空气、飞轮等物理方法实现能量的存储，分别对应重力势能、分子势能与旋转动能。与其他储能方式相比，物理储能的发展历史长、技术成熟、成本较低，已经实现了商业化应用。

一、抽水储能

抽水储能是目前最成熟、应用时间最长、容量最大的一种储能方式，也是解决大规模电力系统调峰困难的途径之一。在全球电力储能装置中，抽水储能占比达97%。抽水储能需要高低两个水库，通过双向运转的电动水泵机组把低水库的水运送到高水库储能。抽水储能电站的寿命可达40年以上，容量可达到百兆甚至千兆瓦，转换效率平均为75%左右，但是受制于地理条件，选址较为困难，通常远离负荷中心。

抽水储能系统示意图

二、压缩空气储能

压缩空气储能将空气存储于高压密封设施内，放电时再由高压气体驱动燃气轮机发电。与抽水储能类似，压缩空气储能容量大、寿命长，同时也受地理条件的限制，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷等。其主要缺点是进行空气压缩或者在释放高压空气做功时发生热量损失，使能量转换效率不高，通常低50%。

压缩空气储能系统示意图

三、飞轮储能

飞轮储能的能量存储于高速旋转的转子中，将转子置于高真空环境中并采用磁悬浮轴承大大减小了热量损失和摩擦损失，能量转换效率达到95%，并且飞轮储能几乎不需要运行维护，设备寿命长，缺点是持续出力的时间较短。飞轮储能适用于快速、高功率的有功或者无功支撑、旋转备用等，是提供调频服务的最佳电源。

飞轮储能系统示意图

化学储能

Chemical energy storage

化学储能是通过氧化还原反应将化学能和电能进行相互转换以存储能量的技术。在氧化和还原反应的过程中，离子的转移带来电荷的流动，最终实现电能的储存和释放。目前化学储能主要包括铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等。化学储能作为目前技术较成熟、应用广泛的储能技术，其特点在于功率和能量可根据不同应用需求灵活配置，响应速度快，不受地理等外部条件的制约，适用于大规模应用和批量化生产，但存在使用寿命有限、制造和循环成本较高的限制。近年来随着技术进步，可充电电池在大规模储能方面的应用也越来越广泛，特别是在独立运行的风力储能或太阳能电站中。

一、铅酸电池

铅酸电池是目前发展最为成熟的一类电化学储能技术，与其他电化学储能技术相比，颇具价格优势。近几年，以铅炭电池为代表的改性铅酸电池的应用，一定程度上提升了传统铅酸电池的循环寿命、转换效率等技术性能，使得铅酸电池成为一些分布式发电及微网项目业主方的首选技术之一。铅酸电池具有免维护性、优越的高低温性能、耐过充和优越的充电接受能力、电池一致性高等特点。但是其比能量和比功率较低、低温性能差、循环寿命较短，且在制造过程中存在一定的环境污染。铅炭电池是从传统的铅酸电池演进出来的新技术，它是在铅酸电池的负极中加入了活性炭，与传统的铅酸电池相比，铅炭电池具有充放电速度快、放电效率高、循环寿命长等特点。

铅酸电池放电过程中化学反应示意图

二、 锂离子电池

由于锂离子电池具有高能量密度、高电压平台、良好的功率性能和长寿命等特点，这使得锂离子电池从一开始商业化便迅速成为“明星电池”，在消费电子产品、动力电池和储能电池领域占据了重要的地位。

锂离子电池示意图

三、液流电池

液流电池是一种利用电化学反应来进行大规模储能的新型储能技术，通过正负极电解质溶液发生可逆的氧化/还原反应对电池进行充放电，实现电能与化学能之间的相互转换与能量存储。它们不同于将电化学活性物质储存在电极表面的铅酸等常规二次电池，液流电池的核心是实现充放电循环过程的活性物质储存在电解液中，单电池装置或半电池电极仅仅是作为发生氧化/还原反应的场所，而不是电化学活性物质储存的地点。

液流电池示意图

四、钠硫电池

钠硫电池是一种二次电池，可以反复使用，因此原材料也比较节省，电池制备成本相对较低。可它的能量却完全不会受到任何影响，使用起来效率也特别高，还容易对钠硫电池进行维护修理。钠硫电池具有许多特色之处：①比能量（即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量）高，其理论比能量为760Wh/kg，实际已大于150Wh/kg，是铅酸电池的3～4倍。②可大电流、高功率放电，其放电电流密度一般可达200～300mA/cm2，并瞬时可放出其3倍的固有能量。③充放电效率高，由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电效率几乎100%。但钠硫电池也有不足之处，其工作温度在300～350℃，所以，电池工作时需要一定的加热保温。但采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。此外，钠硫电池适用于大容量电能储存，钠硫电池技术的发展趋势是低温化，同时保留硫、钠活性体系固有的高比能量、低成本优点，该技术的突破成为目前研究热点。

钠硫电池示意图

电磁储能

Elctromagnetic energy storage

电磁储能包括超导储能、电容储能、超级电容器储能。超导储能采用超导体材料制成线圈，利用电流流过线圈产生的电磁场来储存电能，由于超导线圈的电阻为零，电能储存在线圈中几乎无损耗，储能效率高达95%。电容储能用电荷的方式将电能直接储存在电容器的极板上，充放电快，能量密度高。由于一般的电容器的容量比较小，作为储能器件以前只能用于间断性的高压脉冲电源。超级电容器是一种双电层电容器，采用极高介电常数的电介质和特殊的电极结构，电极表面积成万倍的增加，因此可以用较小体积制成大容量电容器，电储能大幅度增强。

一、超导储能

超导储能系统是目前唯一能将电能直接存储为电流的储能系统。它将电流导入环形电 感线圈，由于该环形电感线圈由超导材料制成，因此电流在线圈内可以无损失地不断循环， 直到导出为止。超导线圈大多用常规的铌钛（ NbTi ）或铌三锡（ Nb3Sn ）等材料组成的导 线绕制而成，它们都要运行在液氦的低温区（4.2K），储能容量较大；也有采用Bi系等高温超导材料绕制储能线圈的，但这种高温超导材料在液氮温区的磁场特性很差，即其临界 电流随磁场强度的增大而迅速减小，因而无法在液氮温区产生很强的磁场，使储能容量难 以做大。超导储能系统具有极高的充放电效率和很短的负荷反应时间，但价格极其昂贵， 约为其他类型储能系统数十至数百倍，而且建设大规模的强磁场也会带来严重的环境问 题。超导储能系统通常包括三个主要部分，即超导单元、低温恒温系统和一个电源转换系统。

超导储能系统具有如下优点：超导储能系统可长期无损耗地储存能量，其转换效率超 过90%；超导储能系统可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电网的连接，响应速 度快（毫秒级）；由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，因此可 将超导储能系统建成所需的大功率和大能量系统；超导储能系统除了真空和制冷系统外没 有转动部分，使用寿命长；超导储能系统在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。

二、超级电容器储能

超级电容器是基于多孔炭电极/电解液界面的双电层电容，或者基于金属氧化物或导 电聚合物的表面快速、可逆的法拉第反应产生的准电容来实现能量的储存。其结构和电池 的结构类似，主要包括双电极、电解质、集流体、隔离物4个部件。

超级电容单元

超级电容器兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的优点，从而使得超级电容器实 现了电容量由微法级向法拉级的飞跃，彻底改变了人们对电容器的传统印象。目前，超级 电容器已形成系列产品，实现电容量0.5～1000F，工作电压12～400V，最大放电电流400～ 2000A。与电池相比，超级电容器性能特点为：

①具有法拉级的超大电容量；

②比脉冲 功率比蓄电池高近10 倍；

③充放电循环寿命在100000 次以上；

④能在−40～70℃的 环境温度中正常使用；

⑤有超强的荷电保持能力，漏电流非常小；

⑥充电迅速，使用便 捷；

⑦无污染，真正免维护。