2.2　能量储存技术

2.2.1　机械能的储存

在许多机械和动力装置中，常采用旋转飞轮来储存机械能。飞轮储能系统的核心是电能与机械能之间的转换，所以能量转换环节是必不可少的，它决定着系统的转换效率，支配着飞轮系统的运行情况。电力电子转换器对输入或输出的能量进行调整，使其频率和相位协调起来。总结起来，在能量转换装置的配合下，飞轮储能系统完成了从电能转化为机械能，机械能转化为电能的能量转换环节。例如，在带连杆曲轴的内燃机、空气压缩机及其他工程机械中都利用旋转飞轮储存的机械能使汽缸中的活塞顺利通过上死点，并使机器运转更加平稳；曲柄式压力机更是依靠飞轮储存的动能工作。核反应堆中的主冷却剂泵也必须带一个巨大的重约6t的飞轮，这个飞轮储存的机械能即使在电源突然中断的情况下仍能延长泵的转动时间达数十分钟之久，而这段时间是确保紧急停堆安全所必需的。

机械能以势能方式储存是最古老的能量储存形式之一，包括弹簧、扭力杆和重力装置等。这类储存装置大多数储存的能量都较小，常被用来驱动钟表、玩具等。需要更大的势能储存时，只能采用压缩空气储能和抽水储能。

压缩空气是工业中常用的气源，除了吹灰、清砂外，还是风动工具和气动控制系统的动力源。现在大规模利用压缩空气储存机械能的研究已呈现诱人的前景。它是利用地下洞穴（如废弃的矿坑、废弃的油田或气田、封闭的含水层、天然洞穴等）来容纳压缩空气。供电需要量少时，利用多余的电能将压缩空气压入洞穴，当需要时，再将压缩空气取出，混入燃料并进行燃烧，然后利用高温烟气推动燃气轮机做功，所发的电能供高峰时使用。与常规的燃气轮机相比，因为省去了压缩机的耗功，故可使然汽轮机的功率提高50%。2009年压缩空气储能被美国列入未来十大技术，德、美等国有示范电站投入运营，如1978年德国亨托夫投运的290MW的压缩空气蓄能电站、美国电力研究协会（EPRI）研发的220MW的压缩空气蓄能电站 。

利用谷期多余的电能，通过抽水蓄能机组（同一机组兼有抽水和发电的功能）将低处的水抽到高处的上池（水库）中，这部分水量以势能形式储存，待电力系统的用电负荷转为高峰时，再将这部分水量通过水轮机组发电。这种大规模的机械能储存方式已成为世界各国解决用电峰谷差的主要手段。目前我国已建成抽水蓄能电站20余座，占全国总装机容机容量的1.73%。典型的抽水储能示范工程有惠州抽水储能电站、十三陵抽水储能电站等。惠州抽水储能电站是目前我国最大的抽水储能示范工程，十三陵蓄能电厂是华北电网最大的抽水蓄能电厂，建在风景秀丽的十三陵水库旁，为华北电网提供可靠的调频、调峰紧急事故备用电力，为保证首都的政治供电发挥很重要的作用。抽水蓄能电站如图2-2所示。

2.2.2　热能的储存

热能是最普遍的能量形式，所谓热能储存，就是把一个时期内暂时不需要的多余热量通过某种方式收集并储存起来，等到需要时再提取使用。从储存的时间来看，有3种情况：①随时储存。以小时或更短的时间为周期，其目的是随时调整热能供需之间的不平衡，例如热电站中的蒸汽蓄热器，依靠蒸汽凝结或水的蒸发来随时储热和放热，使热能供需之间随时维持平衡。②短期储存。以天或周为储热的周期，其目的是维持1天（或1周）的热能供需平衡。例如对太阳能采暖，太阳能集热器只能在白天吸收太阳的辐射热，因此集热器在白天收集到的热量除了满足白天采暖的需要外，还应将部分热能储存起来，供夜晚或阴雨天采暖使用。③长期储存。以季节或年为储存周期，其目的是调节季节（或年）的热量供需关系。例如把夏季的太阳能或工业余热长期储存下来，供冬季使用；或者冬季将天然冰储存起来，供来年夏季使用。热能储存的方法一般可以分为显热储存、潜热储存和化学储存3大类。

2.2.3　电能的储存

储能技术目前在电力系统中的应用主要包括电力调峰、提高系统运行稳定性和提高供电质量等。能量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，这种方法在早期的电力系统中已经有所应用。

日常生活和生产中最常见的电能储存形式是蓄电池。它先将电能转换成化学能，在使用时再将化学能转换成电能。此外，电能还可储存于静电场和感应电场中。

电能储存常用的是蓄电池，正在研究开发的是超导储能。世界上铅酸蓄电池的发明已有100多年的历史，它利用化学能和电能的可逆转换，实现充电和放电。铅酸蓄电池价格较低，但使用寿命短，质量大，需要经常维护。近来开发成功少维护、免维护铅酸蓄电池，使其性能有一定提高。目前，与光伏发电系统配套的储能装置，大部分为铅酸蓄电池。1908年发明镍-铜、镍-铁碱性蓄电池，其使用维护方便、寿命长、质量轻，但价格较贵，一般在储能量小的情况下使用。现有的蓄电池储能密度较低，难以满足大容量、长时间储存电能的要求。新近开发的蓄电池有银锌电池、钾电池、钠硫电池等。某些金属或合金在极低温度下成为超导体，理论上电能可以在一个超导无电阻的线圈内储存无限长的时间。这种超导储能不经过任何其他能量转换直接储存电能，效率高，启动迅速，可以安装在任何地点，尤其是消费中心附近，不产生任何污染。但目前超导储能在技术上尚不成熟，需要继续研究开发。

钠硫电池在300℃的高温环境下工作，其正极活性物质是液态硫（S），负极活性物质是液态金属钠（Na），中间是多孔性陶瓷隔板，如图2-3所示。钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池，其寿命可以达到使用10～15年。日本东京电力公司在钠硫电池系统开发方面处于国际领先地位，2002年开始进入商品化实施阶段，2004年在Hitachi自动化系统工厂安装了当时世界上最大的钠硫电池系统，容量是57.6MW·h 。

锂离子电池由于兼具高比能量和高比功率的显著优势，被认为是最具发展潜力的动力电池体系。目前制约大容量锂离子动力电池应用的最主要障碍是电池的安全性，即电池在过充、短路、冲压穿刺、振动、高温热冲击等滥用条件下，极易发生爆炸或燃烧等不安全行为，其中，过充电是引发锂离子电池不安全行为的最危险因素之一。近年来锂离子电池作为一种新型的高能蓄电池，它的研究和开发已取得重大进展。

超级电容器根据电化学双电层理论研制而成，可提供强大的脉冲功率，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容，如图2-4所示。超级电容器历经多年的发展，已形成系列产品，储能系统最大储能量达30MJ。但超级电容器价格较为昂贵，目前在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量峰值功率场合，如大功率直流电机的启动支撑、动态电压恢复器等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。

2.2.4　化学能的储存

化学能是各种能源中最易储存和运输的能源形态。稳定化合物（比如化石燃料等）可以储存化学能。生物系统能够将能量储存在富含能量的分子（比如葡萄糖和ATP等）的化学键中。其他形式的化学能储存包括氢气、烃类的燃烧和各种电池。化学物质（储能材料）所含的化学能通过化学反应释放出来，反之，也可通过反应将能量储存到物质中，实现化学能与热能、机械能、电能、光能等能量之间的相互转换。从广义上讲，储存原油和各种石油产品、液化石油气（LPG）、液化天然气（LNG）、煤等化石燃料本身就是对化学能的储存。

制氢储能电站是化学能储存电能的一个例子。抽水蓄能电站日益被人们重视，它在削峰填谷方面确实发挥着越来越大的作用。但是，其致命的缺点是对地形的依赖性太强，化学能储电中化学电源是很典型的。化学电源是将物质化学反应所产生的能量直接转换为电能的一种装置。按其工作性质和储存方式不同，可分为原电池（一次电池）、蓄电池（二次电池）、储备电池和燃料电池。用完即丢弃的电池称为一次电池，作为小型便携式的电源产品而被广泛使用。可以充放电的电池叫作二次电池，广泛用作汽车的辅助电源。在当今社会中，化学电源已被广泛应用，如锰干电池和汽车上使用的铅蓄电池。铅酸蓄电池如图2-5所示。