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浅谈电能储存技术

廖振1  乔海祥2   欧阳明3

1长沙理工大学,长沙,410076

                                   2  长沙理工大学,长沙,410076

            3长沙理工大学电气与信息工程学院,长沙,410076

 

摘要:本文介绍了国内外存储电能的现状,并浅析这些技术的优缺点;提出了一些大规模贮存电能的新设想,并进行了简要的分析;笔者认为, 发展储存电能技术将改变和优化能源结构,缓解能源危机,提高再生能源的利用率,将对人类的生产生活产生深远的影响。

关键字:电能储存  飞轮蓄能  超导磁储能  弹簧机械储能  分散储电能

 

1 前言

自人类应用电力160 多年来,电力极大地影响了我们的生活。但是,如何方便经济地储存电力,仍然是困扰科学家的难题,目前人们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。

虽然我们在短期内还无法解决大规模存储电能这一难题。不过这个领域非常值得去研究,因为如果能够解决这个难题的话,那么现阶段电力系统的很多问题就可以迎刃而解了。下面笔者就来介绍一下当前国内外存储电能的一些方法:

2 电力储存现状

2.1 飞轮蓄能

飞轮储能技术作为一种新的电能存储技术,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。

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;而且所需轴承质量不轻,须适应长时间高速旋转的要求。

2.2  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。

抽水蓄能电站具有两大特性:一、它既是发电厂,又是用户,抽水储能是在电能过剩的情作用是其他任何类型发电厂所没有的;二、启动迅速,运行灵活、可靠,对负荷的急剧变化可做出快速反应,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,在世界各国得到普遍采用。但是这种储能方式造价较高,建设周期较长,而且抽水储能电站的选址又受到地形的限制,建设难度较大。                       

2.3蓄热蓄能

电量富余时,用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。还有的电厂以高压热水形式储存热能。

2.4蓄冰蓄能

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5 0 %, 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6 0 %, 两者之间价差达数倍。如果我们采用蓄冷蓄热技术, 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, 每台中央空调可因此而节约运行费用3 0 %以上。

2.5 压缩空气蓄能

   将电网用电低谷的富余电量,由电动机带动空气压缩机,将空气压入密闭的下洞穴储存起来,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一座型的压缩空气储能装置,利用地质结构的高压承受能力,直接在地下开挖大容积的高压空气储气体。当电能富裕时,通过压缩机将空气压入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。

2.6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 100 千瓦新型钠硫电池,充放电效率可达到 90% 以上。

2.7 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。

2.8 超导磁储能

以上是目前已经实现的一些电能存储方法,一般是通过将电能转换成机械能或是化学能的方式来储存它。在此,笔者重点介绍一下超导储能,因为就目前情况看,只有超导储能才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, 他又將一定量的电流通入铅环, 然后切断电源, 使电流在铅环中没有休止地流动下去。过了几年, 当这位科学家再去测量铅环的电流时, 他惊异地发现, 电流没有明显的减弱。这说明电流在超导中没有损耗,可以长时间的保持下去。于是,科学家设想在地下很深的地方挖一个大坑,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, 当需要时, 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能保持强大的电流,这为我们储存电能提供了十分诱人的前景。随着超导材料的研究不断取得新的成果,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S M E S 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CO2 和SO2 等有害气体在大气中的排放量。美国、英国、加拿大等十几个发达工业国家十分重视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技术的相关研究,否则在未来的电力工业建设方面又将落后于世界发展的步伐。据测算,如能在高温超导上取得突破,从而采用大规模的超导材料储存电能,我国电能将能节约1/3以上 ,这还不包括在输电环节上由于采用超导技术而节约的电能。

3 电力储存的设想

针对上述电力储能的优点和不足,提出如下新的存储电能的方法:

3.1特殊用户分散存储电能    

   如果仅仅让电厂或是水电站来存储大量的电能,这难度还比较大,实际上我们可以将储能分散到一些特殊用户,让这些用户来存储电能。例如:在进行房地产开发时,可以以小区为单位,配置一个储电房。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存储的电能提供给用户。

3.2   我们在采用抽水蓄能这种方法时只是将电能转换为水的势能,其实还能通过增加水的动能来存储电能。我们通过某种方式让水获得一定的流速,电力供不应求时,上水库的水放出用发电,这样冲击水能机的速度就更快,发出的电能也就越多。

  3.3   弹性势能储存能

    可制造这样一种机械设备,内部装有弹性性能很好的弹簧用来存储电能。我们知道弹性势能的计算公式:E= 0.5*K*x2。其中E是弹性势能的能量, K是弹性系数,x是弹簧发生弹性形变的长度。我们要想存储更多的电能,一方面要增大K,一方面要增大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来更多地存储能量。我们可通过计算说明理由:假设发电机的功率W=60兆瓦/秒,弹簧弹性系数K=10千牛/米;再根据公式 E=0.5*k*x2,将发电机一秒发出的电能储存到弹簧中,得到弹簧形变的大小x=109.54米,倘若是储存发电机一个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K的目的。可将100个相同的弹簧并联,就构成了弹性系数为原来的100倍的弹性体系。那么弹性形变x就减少为原来的十分之一。如果将足够多的弹簧并联起来,就能够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,得到理想的结果。

 

 

几种电力储存效率见下表:                                                                                       

 

储能方式

 

飞轮储能

 

 

蓄热储能

 

超导磁储能

 

压缩空气蓄能

 

抽水蓄能

 

燃烧电池蓄能

 

高效电池蓄能

储能效率

 

80%至90%

 

 

90%以上

 

 

92%至95%

 

77%至90%

 

 

60%至70%

 

45%至60%

 

90%以上

 

4 结语

    通过上面分析叙述,我们看到,每种存储电能的方法都有自己的优缺点。        笔者认为,超导储能这项技术虽然还不成熟,可是其储能效率比其他几种技术要高,还能够长时间的储存,而且是以直接存电(不是将电能转换为其他形式的能量间接地存储起来)的方式来储存电能,因此,超导储能会有很广阔的发展前景。现在许多国家包括我们中国在内都有”战略石油储备”,”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”这一困扰人类一百多年的难题。

 

  

参考文献:

1作者:王殿华,<<储存能源的疑难>>,<<科技视野>>,2006年, 12页和13页

2.    <<珠江环境报>> ,    892  

3.   作者: 辜承林,  <<电机学>>,  华中科技大学出版社

 

作者简介: 廖振     长沙理工大学电气工程及其自动化05级在校学生

          乔海祥   长沙理工大学电气工程及其自动化05级在校学生 

指导老师: 欧阳明.

欧阳明:长沙理工大学电气与信息工程学院  副教授