楊晨雨

（廣州市奔流電力科技有限責(zé)任公司，廣州 510700）

引言

隨著全球能源需求的不斷增長和環(huán)境問題的日益突出，儲能技術(shù)作為一種重要的能源管理手段，越來越受到關(guān)注，我國的儲能裝置主要為抽水蓄能、壓縮空氣蓄能、鋰離子電池儲能、鈉硫電池儲能和鉛酸電池儲能等，截至2023 年6 月，我國裝機(jī)規(guī)模超過1 733 萬千瓦/3 580 萬千瓦時，平均儲能時長2.1 h。

儲能裝置可以在電力供應(yīng)不足或過剩時進(jìn)行能量儲存和釋放，以滿足電力需求的變化和減少對環(huán)境的影響。然而，儲能裝置作為能源儲存和轉(zhuǎn)化設(shè)備的重要組成部分，其性能易受到多種環(huán)境因素的影響。包括溫度、濕度、空氣污染等。這些環(huán)境因素可能會導(dǎo)致儲能裝置的可靠性下降、壽命縮短、性能降低，甚至引發(fā)安全事故。因此，研究儲能裝置應(yīng)對環(huán)境影響的策略和建議具有重要意義。

為了提高儲能裝置的性能和使用壽命，本文將從溫度、濕度、空氣污染等環(huán)境因素入手，分析其對儲能裝置可靠性運(yùn)行的影響，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略。

1 儲能裝置的類型和應(yīng)用

1.1 儲能裝置的定義和分類

儲能裝置是一種可以將電能、光能、熱能等不同形式的能源轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男问絻Υ嫫饋?，以便在需要時釋放出來供使用的設(shè)備。儲能裝置的類型眾多，目前常見的包括電容器、電池、飛輪、超級電容器、壓縮空氣儲能、抽水蓄能、熱能儲存等[1,2]。

儲能裝置可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，例如按照儲能媒介分類，可以分為電容器儲能、電池儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能、熱能儲存等；按照儲能方式分類，可以分為直接儲能和間接儲能；按照儲能裝置的工作原理分類，可以分為化學(xué)儲能、物理儲能、熱能儲能等。

1.2 儲能裝置的工作原理

儲能裝置的工作原理與其類型密切相關(guān)。不同的儲能裝置有不同的工作原理，目前應(yīng)用較為廣泛的儲能裝置主要分為化學(xué)儲能裝置、物理儲能裝置及熱能儲能裝置。

化學(xué)儲能裝置是通過化學(xué)反應(yīng)將電能、光能或熱能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，然后通過逆反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、光能或熱能。其主要應(yīng)用形式為電池儲能、超級電容器儲能、液流儲能、熱能儲能。

物理儲能裝置是通過物理過程將電能、光能或熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過逆過程將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能、光能或熱能。其主要應(yīng)用形式為抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能。

熱能儲能裝置是通過熱能轉(zhuǎn)化器將熱能轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械能，然后通過逆過程將電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能。其主要應(yīng)用形式為地?zé)醿δ?、太陽能熱儲能、生物質(zhì)熱儲能、燃煤熱儲能、核能熱儲能[3,4]。

1.3 儲能裝置的應(yīng)用場景

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，儲能裝置主要用于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低電力系統(tǒng)對化石燃料的依賴，提高電力系統(tǒng)的能效。例如，抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等可以用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰、削峰填谷，超級電容器、電容器等可以用于電力系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和功率補(bǔ)償。

而在分布式電源、充電樁等新型電力設(shè)備在電力系統(tǒng)中的占比逐漸增大的背景下，儲能裝置逐漸兼具了實現(xiàn)能源的高效利用和管理的作用。例如，可以用于平滑電力負(fù)荷波動，分布式儲能可以用于支持分布式能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，電動汽車儲能可以用于提高電動汽車的能效和減少電網(wǎng)負(fù)荷[5,6]。

圖1 儲能裝置分類示意圖

2 環(huán)境因素對儲能裝置可靠性的影響

環(huán)境因素對儲能裝置的可靠性有很大的影響。其中主要的影響因素為溫度、濕度、空氣污染物及其他環(huán)境因素[7,8]。

2.1 溫度對儲能裝置可靠性運(yùn)行的影響

受能量轉(zhuǎn)換的溫度要求高，儲能裝置的適宜運(yùn)行溫度位于（0~30）℃之間；溫度過高或過低都會導(dǎo)致儲能裝置的容量和能量效率下降。在高溫下，儲能裝置的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率加快，容易導(dǎo)致電池過熱和容量下降。在低溫下，儲能裝置的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率減慢，電池內(nèi)阻增大，容易導(dǎo)致電池放電能力下降[9]。

溫度對儲能裝置的循環(huán)壽命也有很大的影響。在高溫下，儲能裝置的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率加快，容易導(dǎo)致電池過早失效。在低溫下，儲能裝置的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率減慢，電池內(nèi)阻增大，容易導(dǎo)致電池過放電和容量下降，從而縮短電池的循環(huán)壽命。

溫度過高或過低都會對儲能裝置的安全性產(chǎn)生影響。在高溫下，儲能裝置容易發(fā)生熱失控，導(dǎo)致電池短路、爆炸等安全問題。在低溫下，儲能裝置的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率減慢，電池內(nèi)阻增大，容易導(dǎo)致電池過放電和容量下降，從而降低電池的安全性。

溫度對儲能裝置的自放電率也有一定的影響。在高溫下，儲能裝置的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率加快，容易導(dǎo)致電池自放電率增加。在低溫下，儲能裝置的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率減慢，電池內(nèi)阻增大，容易導(dǎo)致電池自放電率降低。

2.2 濕度對儲能裝置可靠性運(yùn)行的影響

濕度主要通過影響裝置內(nèi)部的含水量對儲能裝置的可靠運(yùn)行產(chǎn)生影響，其理想的濕度環(huán)境為在25 ℃的條件下，適度在（5~95）%的區(qū)間內(nèi)。

圖2 儲能裝置過熱示意圖

濕度會影響電解液的含水量，從而影響電池的放電性能和循環(huán)壽命。如果電解液的含水量過高，會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，從而降低電池的放電性能和循環(huán)壽命。相反，如果電解液的含水量過低，會導(dǎo)致電池內(nèi)部干涸，從而降低電池的容量和循環(huán)壽命。

濕度會導(dǎo)致電極的腐蝕，從而影響電池的放電性能和循環(huán)壽命。在潮濕的環(huán)境中，電極表面的金屬離子容易與水分子發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣和氧氣，從而加速電極的腐蝕。電極的腐蝕會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，從而降低電池的放電性能和循環(huán)壽命。

濕度會導(dǎo)致電池的自放電加快，從而影響電池的儲存性能。在潮濕的環(huán)境中，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會更加活躍，從而導(dǎo)致電池的自放電加快。自放電加快會導(dǎo)致電池的容量下降，從而降低電池的儲存性能。

濕度會影響電池的安全性能。在潮濕的環(huán)境中，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會更加活躍，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部的溫度升高。如果電池內(nèi)部的溫度過高，會導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控，從而引發(fā)火災(zāi)等安全事故。

2.3 空氣污染物對儲能裝置可靠性運(yùn)行的影響

空氣污染物對儲能裝置具有腐蝕作用，對儲能裝置可靠性運(yùn)行的影響主要體現(xiàn)在降低電極活性、增加內(nèi)阻、影響電池?zé)岱€(wěn)定性、降低儲能設(shè)備的使用壽命以及增加設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)成本等方面，其中起到主要腐蝕作用的物質(zhì)為PM2.5、SO2、NOx 等。

降低電極活性：空氣污染物可能沉積在儲能設(shè)備的電極表面，降低電極的活性，從而影響儲能設(shè)備的性能。例如，對于鋰離子電池，PM2.5 等顆粒物可能會堵塞電極材料的孔隙，降低電極比表面積，影響鋰離子的傳輸速率，進(jìn)而降低電池的容量和循環(huán)壽命。

增加內(nèi)阻：空氣中的污染物可能引起電極表面的電阻增加，從而增加儲能設(shè)備的內(nèi)阻。內(nèi)阻的增加會導(dǎo)致儲能設(shè)備在充放電過程中產(chǎn)生更多的熱量，降低設(shè)備的效率，同時可能加速設(shè)備的老化。

影響電池?zé)岱€(wěn)定性：空氣污染物可能與電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生熱量，從而影響電池的熱穩(wěn)定性。例如，鋰電池在高溫下可能會發(fā)生熱失控，導(dǎo)致性能下降，甚至發(fā)生安全事故。

降低儲能設(shè)備的使用壽命：空氣中的污染物可能引起儲能設(shè)備的腐蝕，降低設(shè)備的使用壽命。例如，對于鉛酸電池，硫酸根離子和氮氧化物等污染物可能會引起電極板的腐蝕，導(dǎo)致電池容量下降。

影響設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)：空氣中的污染物可能會增加設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)成本。例如，對于空氣過濾器，需要定期更換以確保空氣的清潔度，否則會影響儲能設(shè)備的性能[10]。

2.4 其他環(huán)境因素對儲能裝置可靠性運(yùn)行的影響

除溫度、適度、空氣污染物對儲能裝置的可靠性運(yùn)行存在較大影響外，結(jié)合實際運(yùn)維過程中所遇問題，還存在下述環(huán)境因素對儲能裝置的可靠運(yùn)行存在影響。

海拔高度：海拔高度會影響大氣壓力和氧氣含量，從而影響儲能裝置的性能。例如，在高海拔地區(qū)，儲能裝置的放電效率可能會降低。

電磁干擾：儲能裝置周圍的電磁干擾可能會影響其正常運(yùn)行。例如，無線電波、電力線、電磁鐵等產(chǎn)生的電磁輻射可能會干擾儲能裝置的電路。

生物侵害：儲能裝置周圍的生物可能會對其造成侵害，例如老鼠、昆蟲等。

3 應(yīng)對環(huán)境影響的策略

綜上可知，環(huán)境因素對儲能裝置的可靠性運(yùn)行具有較大的影響，為了提高儲能裝置的可靠性及使用壽命，應(yīng)當(dāng)采取有效的環(huán)境影響防護(hù)措施，降低其對儲能裝置的不利影響。

3.1 采用耐候性設(shè)計理念

耐候性設(shè)計是指在設(shè)計儲能裝置時考慮到其在不同環(huán)境條件下的耐久性和可靠性。具體來說，耐候性設(shè)計主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料選擇方面[11,12]：

可采用防塵、防水、防震等結(jié)構(gòu)，以防止外界環(huán)境對儲能裝置造成損害。例如，在儲能裝置的外殼上使用密封圈、防水膠等材料，或者使用特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計來減輕震動和沖擊。

材料選擇方面，可優(yōu)先選擇具有耐腐蝕、耐高溫、耐低溫、抗氧化等特性的材料，以確保儲能裝置在惡劣的環(huán)境條件下能夠正常運(yùn)行。

3.2 對不同環(huán)境因素采取針對性優(yōu)化策略

由上文可知，不同的環(huán)境因素對儲能裝置的影響原理不同，造成的影響也不同，因此可針對不同的環(huán)境因素采取針對性優(yōu)化策略[13-15]。

1）溫度影響因素優(yōu)化策略

在高溫或低溫環(huán)境下，儲能裝置需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒峁芾怼＠纾簩⑸崞靼惭b在儲能裝置內(nèi)部或外部，根據(jù)需要調(diào)整散熱風(fēng)速或方向，可有效幫助儲能裝置散熱，從而降低其內(nèi)部溫度。當(dāng)儲能裝置對溫度較為敏感時，可使用空調(diào)控制儲能裝置周圍的溫度。

2）濕度影響因素優(yōu)化策略

針對濕度過高的情況，可利用除濕機(jī)來降低儲能裝置內(nèi)部的濕度，除濕機(jī)可以通過吸附或冷凝的方式來去除空氣中的水分，從而達(dá)到降低濕度的目的。

而當(dāng)濕度過低時，可使用加濕器來增加儲能裝置內(nèi)部的濕度。加濕器可以通過噴霧、蒸發(fā)等方式來增加空氣中的水分含量，從而達(dá)到增加濕度的目的。

3）空氣污染物影響因素優(yōu)化策略

空氣污染物影響因素主要通過空氣污染物控制控制，其主要通過空氣過濾、通風(fēng)、控制污染源等策略實現(xiàn)。

空氣過濾是指在儲能裝置的進(jìn)氣口和出氣口安裝空氣過濾器，過濾掉空氣中的顆粒物、有害氣體等污染物?？諝膺^濾器的選擇應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量和儲能裝置的運(yùn)行要求進(jìn)行。

通風(fēng)系統(tǒng)是指在儲能裝置內(nèi)部安裝通風(fēng)系統(tǒng)，以確保內(nèi)部空氣流通，降低污染物濃度。通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)儲能裝置的運(yùn)行要求進(jìn)行設(shè)計，并配備相應(yīng)的過濾器。

污染源控制則是對于儲能裝置周圍的污染源，應(yīng)該采取相應(yīng)的控制措施，例如減少工業(yè)排放、控制交通污染等。

3.3 規(guī)范化儲能裝置的日常運(yùn)維

建立環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對儲能裝置的工作環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理環(huán)境污染問題，確保儲能裝置在良好的環(huán)境中運(yùn)行。

制定定期維護(hù)與檢查規(guī)劃，定期對儲能裝置進(jìn)行清潔維護(hù)，檢查電極、隔膜等關(guān)鍵部件的性能，確保儲能裝置在良好的工作狀態(tài)下運(yùn)行。同時定期對儲能裝置進(jìn)行清洗，去除表面的灰塵、污垢等污染物。清洗過程中應(yīng)避免對儲能裝置造成損害。

3.4 推動相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新

研究開發(fā)新型的儲能裝置材料及技術(shù)，例如具有自清潔功能的材料、抗腐蝕材料、高強(qiáng)度材料、光催化技術(shù)、靜電除塵技術(shù)等，以去除空氣中的污染物，提高其對環(huán)境污染的抵抗能力。

同時可配合其他單位開發(fā)新型的污染源控制技術(shù)，例如工業(yè)排放控制技術(shù)、交通污染控制技術(shù)等，以減少空氣污染物的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

環(huán)境因素對儲能裝置的可靠性運(yùn)行具有顯著影響。為了確保儲能裝置在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行，本文探討了環(huán)境因素對儲能裝置可靠性運(yùn)行的影響，并提出了環(huán)境因素對儲能裝置可靠性運(yùn)行的影響，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對策略和建議，通過這些策略，可以有效地減少環(huán)境因素對儲能裝置性能的影響，從而提高儲能裝置的性能和穩(wěn)定性。

未來可進(jìn)一步探討不同環(huán)境因素對儲能裝置可靠性運(yùn)行的影響機(jī)理，以及更加有效的應(yīng)對策略。同時開展儲能裝置對環(huán)境的影響研究，以便更好地實現(xiàn)儲能裝置與環(huán)境的和諧共存。