电能储存技术探讨

电能储存技术探讨 电气时空? 技术发展 电能储存技术探讨 ?长沙理工大学廖振乔海祥欧阳明 摘要介绍了国内外储存电能的现状.并分析了这些 技术的优缺点,提出了一些大规模储存电能的设想.认为 发展电能储存技术将改变和优化能源结构,缓解能源危 机,提高可再生能源的利用率,将对人类的生产生活产生 深远的影响. 关键词电能;储存技术;现状;设想 自人类应用电力160多年来,电力极大地影响了人们的 生产生活.但是,如何方便经济地储存电能,仍然是困扰各国 科学家的难题.目前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. 虽然在短期内还无法解决大规模储存电能这一难题,不 过这个领域非常值得去研究,如果能解决这个难题,那么现阶 段电力系统的很多问题就可以迎刃而解了. 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储存技术,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. 它的基本工作原理是: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的储存.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:且所需轴承质量不轻,须适应长时间高速旋转的 要求 1.2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2大特性:(1)它既是发电厂,又是用 户,抽水蓄能是在电能过剩的情况下进行的,是其他任何类型 发电厂所没有的;(2)启动迅速,运行灵活,可靠,对负荷的急 剧变化可作出快速反应,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,在世界各罔得到普遍采用.但是这 种储能方式造价较高,建设周期较长,而且抽水蓄能电站的选 址又受到地形的限制.建设难度较大. 1.3蓄热储能 电量富余时,』=}{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.还有的发电厂以高 压热水形式储存热能. 1.4蓄冰储能 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50%;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60%,两者 之间价差达数倍.如果采用蓄冷蓄热技术,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,每台巾央空调可因此节约运行费用 3O%以上. 1.5压缩空气储能 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1座新型的压缩空气储能 装置.直接在地下开挖大容积的高压空气储气体.当电能富裕 …蚴 宙 睁电气时空 时,通过压缩机将窄气乐人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loo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超导储能 上述电能储存方法是通过将电能转换成机械能或是化学 能的方式进行储存.在此,笔者重点介绍超导储能,因为目前只 有超导储能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,他又将一定量的电流通入铅环,再切断电源,使电 流在铅环中无休止地流动下去.几年后,这位科学家再去测量 铅环的电流时,他惊异地发现,电流没有明显减弱.这说明电 流在超导中没有损耗,可长时间保持下去.于是,科学家设想 挖一个很深大坑,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,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保持强大的电流,这为 储存电能提供了十分诱人的前景.随着超导材料的研究的进 展,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 SMES的储能效率高达95%,优于其他储能方式.同时,SMES 还能大量减少有害气体存大气中的排放量.美国,英国,加拿 大等工业发达国家十分重视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.在努力建立非碳能源体系的同时,应 积极考虑开展SMES技术的研究.据测算,如能在高温超导上二 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 节约1/3以上,这还不包括在输电环节上南于采用超导技术而 节约的电能.. 1.9几种电力储存的效率(见附表) 附表几种电力储存能量的效率 2.1特殊用户分散储存电能 由电厂或水电站来储存大量电能的难度较大,可采用化 整为零的方式,让用户来储存电能.譬如.进行房地产开发时, 可以小区或每栋楼为单位,配置储电房.储电房中配置有蓄电 池,在用电低谷时段,将电能储存在蓄电池中,当电网处在高 峰时段,或是线路出现故障,无法正常供电时可将储电房中储 存的电能提供给用户. 2.2动能与势能转换储能 在采用抽水蓄能这种方法时.是将电能转换为水的势能, 其实,还能通过增加水的动能来储存电能.可以通过某种方式 让水获得一定的流速,当电力供不应求时,水库放水发电冲击 水轮机的速度会更快,发出的电能就更多. 此外,也可采用密度比水大许多的物体.将其从低处运到 高处,电力供不应求时,将重物从高处放下.滑轮的一端连接 发电机电,另一端连接发电机转轴,这样重物下降,发电机的 转轴会旋转进行发电.只要计算并控制好滑轮的转速,就能对 发电机的转速,频率等参数进行调控,从而将其重力势能转换 为电能,用来发电. 2.3弹性势能储能 可以制造这样一种机械设备.内部装有弹簧用来存储电 能.根据公式E=0.5Kx,要储存更多的电能,就要增大K或者 X.从数学表达式来看,增大X的意义更大.但从实际情况看,我 们更愿意通过提高K来更多地储存能量.下面通过计算说明 理由:假设发电机的功率W=60兆瓦/秒,弹簧弹性系数K=IO干 牛/米:再根据上述公式将发电机一秒发出的电能储存到弹簧 中.得到弹簧形变x=109.54米,若储存发电机l小时发出的电 能得到x=394344米,近40万米.这从实用角度讲是很不让人 满意的.所以,必须要通过提高弹性系数K来减小形变X.我们 可通过并联弹簧来提高弹性系数,将100个相同的弹簧并联, 就构成弹性系数为原来100倍的弹性体系,弹簧形变X减少 为原来的1/10.若将足够多的弹簧并联起来,可得到弹性系数 合适的弹性系统,这样便能有效地减少弹性形变x,得到理想 结果 3结束语 通过上面的分析可知,超导储能这项技术虽然还不成熟, 但其储能效率比其他几种技术要高.还能够长时间的储存,而 且是以直接储电(不是将电能转换为其他形式的能量间接地 储存起来)的方式来储存电能,因此,超导储能会有很广阔的 发展前景.现在许多国家包括中国在内都有”战略石油储 2电能储存的设想 针对上述电能储存的优点和不足,提如下新方法. 大众用电2008,,2 备”,”战略粮食储备”等.若是以后 电能可以大规模储存了那么可能也 会出现”战略电能储备”.展望未来, 随着科学技术的不断发展进步,人们 一 定能够解决”大规模储存电能”这一困扰人类100多年的 难题.