廣東省能源集團貴州有限公司 李 強

隨著儲能技術(shù)的日漸成熟，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢彰顯出來，具體可體現(xiàn)為以下幾點：為大規(guī)模新能源發(fā)電創(chuàng)造有利條件。太陽能、風(fēng)能新能源所具備的優(yōu)勢是傳統(tǒng)化石能源達不到的，可維護電網(wǎng)運行安全。儲能技術(shù)的應(yīng)用，有利于實現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電；可以改變能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)。新能源符合可持續(xù)發(fā)展要求，隨著人類對能源需求的加大，有必要充分利用新能源，轉(zhuǎn)變能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，通過儲能技術(shù)能實現(xiàn)電力系統(tǒng)獨立運行或并網(wǎng)運行，促進新能源電力系統(tǒng)的優(yōu)化改造[1]。

1 某廠儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用類型

某廠新能源電力系統(tǒng)運行期間，新能源配建儲能基于一體化和自調(diào)度模式參與電力系統(tǒng)的發(fā)展，目前已累計增加新能源消納0.9億kWh。晚高峰時間，應(yīng)急集中調(diào)用全網(wǎng)儲能資源頂峰保供17次，累積放電量300萬kWh。內(nèi)蒙古電網(wǎng)新型儲能放電電力高達117萬kW，晚高峰時段的放電量可以達到175萬kWh，可以發(fā)揮儲能技術(shù)對保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要作用。

1.1 物理儲能技術(shù)

1.1.1 壓縮空氣儲能技術(shù)

壓縮空氣儲能系統(tǒng)在儲能過程中，風(fēng)電機組會輸出較大功率，此時富余的風(fēng)電會被注入壓縮空氣儲能電站內(nèi)，利用電動機驅(qū)動壓縮機，完成對空氣壓縮與降溫處理，隨后再將空氣存儲在專門的儲氣室中。如圖1所示，壓縮機與膨脹機被安裝于一根軸中，壓縮機所消耗的能量由膨脹機負責(zé)提供，在提高壓縮機工質(zhì)壓力的同時，也方便膨脹機做功。當(dāng)二者不處于同一個軸時，壓縮過程與膨脹過程就會被分開，從而形成壓縮空氣儲能技術(shù)的基本雛形。在儲能環(huán)節(jié)，系統(tǒng)依靠風(fēng)/光電或者低谷電能來帶動壓縮機運轉(zhuǎn)，使電能被成功轉(zhuǎn)化成空氣壓力能，然后高壓空氣會被集中密封存儲在已經(jīng)報廢的巖洞或礦井中，或者直接被存儲于人造儲氣罐。釋能環(huán)節(jié)放出高壓空氣，對膨脹機產(chǎn)生推動作用，使存儲的空氣壓力轉(zhuǎn)為機械能與電能[2]。

圖1 液態(tài)壓縮空氣儲能系統(tǒng)示意圖

某廠關(guān)于壓縮空氣儲能技術(shù)的有效應(yīng)用，剛好是在我國成功自主研發(fā)出10MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)的時代背景下，歷經(jīng)4000h采集試驗數(shù)據(jù)，為某廠引進新儲能裝置帶來了明確方向。購進該裝置后發(fā)電量逐漸達到了4萬kWh，其供電范圍增加到3000戶，并且在此設(shè)備儲能服務(wù)至上，投資的儲能成本得以縮減，綜合效益比往年有所增長。為促使某廠系統(tǒng)高效利用新能源，還對此裝置進行了升級改造，從100kW調(diào)整為500kW，整體儲能量呈遞增趨勢。

壓縮空氣能存儲多少能量，可依據(jù)熱力學(xué)區(qū)別環(huán)境壓力與環(huán)境空氣的做功能力，單位質(zhì)量下做功能力（可以轉(zhuǎn)換的功）如下：e=u-u0-T0（s-s0），式中：u指的是內(nèi)能；T為溫度；s為墑；0代表的是環(huán)境條件。由此可見，溫度越高，內(nèi)能u就越大，同時s也會越大；壓力越大，墑s越小，但是內(nèi)能基本不變，所以溫度與壓力的升高都會讓單位質(zhì)量空氣做功能力增加。壓縮空氣壓力是100倍大氣壓，溫度上環(huán)境溫度時，1m3空氣內(nèi)部的能量可以轉(zhuǎn)化為12.9kWh。壓縮空氣壓力增加到200倍大氣壓時，此時1m3空氣內(nèi)部可以儲存電能28.3kWh，將空氣加熱到300℃，可釋放54.4kWh。

筆者在對壓縮空氣儲能技術(shù)的研究中，以儲能技術(shù)為基礎(chǔ)，了解一種液態(tài)壓縮空氣儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過對空氣降溫液化技術(shù)的應(yīng)用，讓空氣以液態(tài)形式得以儲存，儲能環(huán)節(jié)經(jīng)過壓縮機的高壓空氣會進入回?zé)崞鬟M行降溫降壓處理，從而空氣被液化為常壓低溫液態(tài)空氣，這些液態(tài)空氣被儲存在儲液罐中。釋能環(huán)節(jié)液態(tài)空氣通過低溫泵進行升壓，再通過回?zé)崞鬟M行升溫，隨后來到燃燒室，與燃料一同混合燃燒，在膨脹機中膨脹做功。

1.1.2 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能技術(shù)主要是依靠旋轉(zhuǎn)中的風(fēng)輪形成動能，再借助動能轉(zhuǎn)化的方法完成對電能的高效存儲。飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用期間，一般可通過電機驅(qū)動飛輪達到預(yù)期速度，然后使電能轉(zhuǎn)為飛輪的動能，當(dāng)用電量增加的時候，可利用飛輪動能帶動電機實現(xiàn)發(fā)電。正常情況下，飛輪系統(tǒng)需在類似于真空的狀態(tài)下運行，從而降低摩擦或風(fēng)阻帶來的動能損失，保持系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，延長其使用壽命[3]。

某廠在飛輪儲能技術(shù)的應(yīng)用方面，主要是購進了盾石磁能自主研發(fā)的“兆瓦級飛輪儲能系統(tǒng)”，因該系統(tǒng)運行時轉(zhuǎn)速不受空氣阻礙而呈現(xiàn)高速飛轉(zhuǎn)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速可達到3.6萬r/min，致使某廠每年至少能夠節(jié)約110萬kWh電能，進一步貼合省本要求。而且還從青島地鐵三號線1MW/15MJ節(jié)能儲能系統(tǒng)實際安裝過程中汲取經(jīng)驗，安裝后為某廠同其他電力企業(yè)的競爭搶占了優(yōu)勢。

1.1.3 抽水儲能技術(shù)

該技術(shù)通過低谷階段的電價完成對能量儲存，無需較高成本，但水資源容易蒸發(fā)，系統(tǒng)泵水時也會產(chǎn)生較高功率，所以系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率只能達到70%。抽水儲能系統(tǒng)用到的儲能介質(zhì)是海水、地下水以及江河大壩等，過去系統(tǒng)須在上下游位置設(shè)蓄水池，而海水中也會在下游設(shè)蓄水池。但儲能期間會通過相應(yīng)舉措避免裝置受海水腐蝕。并且抽水儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中可進行調(diào)頻、調(diào)峰處理，并配合電力系統(tǒng)完成多項動態(tài)作業(yè)[4]。

某廠在應(yīng)用抽水儲能技術(shù)期間，主要考慮此項技術(shù)下能夠獲得1.5左右的水頭變幅。為提高對新能源的利用率，專門新建混合式抽水蓄能電站，安裝了4臺可逆式水輪發(fā)電機組（35萬kW），并且基于690m的水庫落差有序分布機組，促使蓄能電站建設(shè)后，為某廠帶來了可靠的高效儲能和優(yōu)質(zhì)發(fā)電服務(wù)。

1.2 化學(xué)儲能技術(shù)

化學(xué)儲能技術(shù)通過對化學(xué)電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用，憑借電池正負極間的氧化反應(yīng)完成充電與放電，實現(xiàn)化學(xué)能與電能轉(zhuǎn)化儲存。系統(tǒng)可進行快速功率吞吐處理，常見的化學(xué)電池有多種，具體如下。

鈉硫儲能電池。這種電池正極為多硫化鈉與硫，負極是熔融金屬鈉，電解質(zhì)與隔膜為Na-beta-氧化鋁。鈉硫儲能電池在儲能的能量密度上更高，充放電效率理想，運行費用較低，但電池需要在300℃的環(huán)境下運行，電池放電深度還有提升的空間；鋰電池。其能源轉(zhuǎn)化效率很高，能量密度較大，以鋰電池為主的化學(xué)儲能系統(tǒng)中包含儲能電池管理系統(tǒng)、充放電系統(tǒng)以及電池裝置，系統(tǒng)儲能效率可以超過85%，電池能量密度高，系統(tǒng)可經(jīng)過串并聯(lián)的方式得到高容量與高壓，適宜被用在新能源電力系統(tǒng)運行中的應(yīng)急供電和旋轉(zhuǎn)備用等方面；液流儲能電池。其輸出功率與電池組面積和儲能系統(tǒng)內(nèi)單電池數(shù)量有關(guān)，為提高電池儲能容量，應(yīng)提升電解液濃度與容積，電池放電時不需要加以保護，適合用在電能存儲與電力系統(tǒng)應(yīng)急供電。

某廠曾在早期建設(shè)了移動式磷酸鐵鋰電池電化學(xué)儲能電站（10MW/20MWh），專供35kV新能源電力系統(tǒng)獲取儲能服務(wù)。其中，所用變壓器為10.5±2×2.5%/0.4kV，且搭配20臺干式變壓器。在儲能優(yōu)化設(shè)計部分，應(yīng)用4輛移動儲能車（0.25MW/0.5MWh），并具有1臺儲能變流器（25kW）。而且為確保某廠人員便捷化通往電站，還設(shè)有5m寬的道路，用于實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的有效檢修。

1.3 相變儲能技術(shù)

與其他儲能技術(shù)相比，相變儲能技術(shù)步進系統(tǒng)組成簡單，且能量密度更大，常見的有冰蓄冷儲能、電儲熱與熔融鹽儲熱技術(shù)等。其中，冰蓄冷儲能技術(shù)憑借系統(tǒng)內(nèi)蓄冷介質(zhì)完成結(jié)冰與融冰，再存儲與釋放冷量，該技術(shù)可提升制冷機組運行效率，降低制冷設(shè)備在用電高峰階段的負荷。電儲熱技術(shù)以水和金屬資料為儲能介質(zhì)，將金屬進行固態(tài)液態(tài)轉(zhuǎn)化，可對熱能加以存儲與釋放，從而實現(xiàn)高溫儲熱，發(fā)揮金屬導(dǎo)熱性能良好的優(yōu)勢。熔融鹽儲熱技術(shù)就是對固態(tài)無機鹽加熱，使其達到熔融狀態(tài)。

為滿足某廠周邊電能用戶用電需求，專為周邊學(xué)校采取“光伏+箱變儲能”聯(lián)合儲能方式，配備光伏板（2500kW）和熱池（175臺）。同時以高溫?zé)岢匦问焦?jié)能電能，基本上在1080萬kWh發(fā)電量基礎(chǔ)上可以節(jié)省4300t傳統(tǒng)標準煤，且二氧化碳排放量減少1.08萬t，驗證以此項技術(shù)進行優(yōu)化改造，可以助力某廠達成節(jié)能目標。

2 某廠儲能技術(shù)在新能源電力系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

2.1 儲能技術(shù)在風(fēng)能電力系統(tǒng)中應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電廠中加強對儲能裝置的應(yīng)用，有利于提高系統(tǒng)功率，實現(xiàn)對系統(tǒng)有用功與無用功的調(diào)控。在系統(tǒng)調(diào)峰電能配置環(huán)節(jié)，儲能技術(shù)可以優(yōu)化電網(wǎng)接納水平。電廠出口并網(wǎng)處母線位置安裝儲能系統(tǒng)，憑借系統(tǒng)放電與儲能功能，對風(fēng)電系統(tǒng)進行功率控制，謹防電網(wǎng)受到風(fēng)電場的供電波動干擾，系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機裝置會安裝蓄電池，以達到電能后備存儲的目的。風(fēng)力發(fā)電場應(yīng)具有削峰填谷的功能，利用儲能技術(shù)，要求儲能系統(tǒng)額定功率值達到風(fēng)電系統(tǒng)的45%，為實現(xiàn)風(fēng)機設(shè)備離網(wǎng)發(fā)電目標，系統(tǒng)應(yīng)配置更大額定功率值動態(tài)儲能系統(tǒng)。

某廠在儲能技術(shù)合理應(yīng)用階段，借鑒了烏蘭察布儲能項目與興和縣500MW+150MW/300MWh（儲能）風(fēng)電項目，一定程度提高了新能源發(fā)電調(diào)節(jié)能力。

2.2 儲能技術(shù)在光伏電力系統(tǒng)中應(yīng)用

一直以來，光伏發(fā)電都是新能源發(fā)電系統(tǒng)的主要發(fā)電方式，光伏發(fā)電是依靠太陽能的電池原理，形成電勢差，完成太陽能向電能的高效轉(zhuǎn)化，使電能成為直流電。在該環(huán)節(jié)應(yīng)用儲能技術(shù)，其作用類似于風(fēng)力發(fā)電場，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中電池輸出功率產(chǎn)生波動時，此時儲能系統(tǒng)發(fā)揮作用，為光伏發(fā)電帶來瞬時功率，促進系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電。為促使某廠逐漸擴大多樣儲能技術(shù)的應(yīng)用范圍，參照了阿拉善盟地區(qū)光伏電力系統(tǒng)儲能經(jīng)驗。

2.3 儲能技術(shù)在光熱發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用

光熱發(fā)電與光伏發(fā)電不同，其區(qū)別在于光熱發(fā)現(xiàn)先對太陽能進行轉(zhuǎn)化，使其轉(zhuǎn)為熱能，隨后通過系統(tǒng)熱力循環(huán)完成熱能轉(zhuǎn)換。光熱發(fā)電系統(tǒng)最終會轉(zhuǎn)為交流電，將該發(fā)電系統(tǒng)和傳統(tǒng)發(fā)電模式充分結(jié)合，可以有效適應(yīng)現(xiàn)階段電網(wǎng)運行模式，可以并網(wǎng)使用。光伏發(fā)電期間完成電能轉(zhuǎn)化后，系統(tǒng)內(nèi)過剩電能會被儲存在系統(tǒng)蓄電池內(nèi)，光伏發(fā)電站產(chǎn)生的能量并不是光能，而是熱能，所以儲存的能量形式和光伏發(fā)電并不一樣，發(fā)電時需要借助儲能設(shè)備完成對電能的高效儲存。主要有“塔式光熱發(fā)電”“蝶式光熱發(fā)電”“槽式光熱發(fā)電”幾種技術(shù)類型。通過熱能的儲存完成全天24h不間斷持續(xù)供電。

在某廠現(xiàn)有基礎(chǔ)上，預(yù)計通過搭建高溫熔鹽罐、中央集熱塔（四棱柱鋼結(jié)構(gòu)）等裝置構(gòu)建完整的儲熱系統(tǒng)，借此提高熱能與電能的轉(zhuǎn)換率，該系統(tǒng)運行后基本上可以達到2h左右的儲熱時長，其儲熱發(fā)電功率在150kW左右，此時更易為某廠后續(xù)對太陽能的熱能的有效利用給予保障。

3 結(jié)語

總而言之，某廠新能源電力系統(tǒng)運行期間儲能技術(shù)的應(yīng)用，可以通過物理儲能技術(shù)、化學(xué)儲能技術(shù)、相變儲能技術(shù)、電磁儲能技術(shù)的應(yīng)用，為其光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化給予依據(jù)，借此達成省本目標，為電能的節(jié)約創(chuàng)造有利條件，逐步提高某廠電力生產(chǎn)效益。