2.2　能量儲存技術

2.2.1　機械能的儲存

在許多機械和動力裝置中，常采用旋轉飛輪來儲存機械能。飛輪儲能系統的核心是電能與機械能之間的轉換，所以能量轉換環節是必不可少的，它決定著系統的轉換效率，支配著飛輪系統的運行情況。電力電子轉換器對輸入或輸出的能量進行調整，使其頻率和相位協調起來?？偨Y起來，在能量轉換裝置的配合下，飛輪儲能系統完成了從電能轉化為機械能，機械能轉化為電能的能量轉換環節。例如，在帶連桿曲軸的內燃機、空氣壓縮機及其他工程機械中都利用旋轉飛輪儲存的機械能使汽缸中的活塞順利通過上死點，并使機器運轉更加平穩；曲柄式壓力機更是依靠飛輪儲存的動能工作。核反應堆中的主冷卻劑泵也必須帶一個巨大的重約6t的飛輪，這個飛輪儲存的機械能即使在電源突然中斷的情況下仍能延長泵的轉動時間達數十分鐘之久，而這段時間是確保緊急停堆安全所必需的。

機械能以勢能方式儲存是最古老的能量儲存形式之一，包括彈簧、扭力桿和重力裝置等。這類儲存裝置大多數儲存的能量都較小，常被用來驅動鐘表、玩具等。需要更大的勢能儲存時，只能采用壓縮空氣儲能和抽水儲能。

壓縮空氣是工業中常用的氣源，除了吹灰、清砂外，還是風動工具和氣動控制系統的動力源?，F在大規模利用壓縮空氣儲存機械能的研究已呈現誘人的前景。它是利用地下洞穴（如廢棄的礦坑、廢棄的油田或氣田、封閉的含水層、天然洞穴等）來容納壓縮空氣。供電需要量少時，利用多余的電能將壓縮空氣壓入洞穴，當需要時，再將壓縮空氣取出，混入燃料并進行燃燒，然后利用高溫煙氣推動燃氣輪機做功，所發的電能供高峰時使用。與常規的燃氣輪機相比，因為省去了壓縮機的耗功，故可使然汽輪機的功率提高50%。2009年壓縮空氣儲能被美國列入未來十大技術，德、美等國有示范電站投入運營，如1978年德國亨托夫投運的290MW的壓縮空氣蓄能電站、美國電力研究協會（EPRI）研發的220MW的壓縮空氣蓄能電站 。

利用谷期多余的電能，通過抽水蓄能機組（同一機組兼有抽水和發電的功能）將低處的水抽到高處的上池（水庫）中，這部分水量以勢能形式儲存，待電力系統的用電負荷轉為高峰時，再將這部分水量通過水輪機組發電。這種大規模的機械能儲存方式已成為世界各國解決用電峰谷差的主要手段。目前我國已建成抽水蓄能電站20余座，占全國總裝機容機容量的1.73%。典型的抽水儲能示范工程有惠州抽水儲能電站、十三陵抽水儲能電站等?；葜莩樗畠δ茈娬臼悄壳拔覈畲蟮某樗畠δ苁痉豆こ?，十三陵蓄能電廠是華北電網最大的抽水蓄能電廠，建在風景秀麗的十三陵水庫旁，為華北電網提供可靠的調頻、調峰緊急事故備用電力，為保證首都的政治供電發揮很重要的作用。抽水蓄能電站如圖2-2所示。

2.2.2　熱能的儲存

熱能是最普遍的能量形式，所謂熱能儲存，就是把一個時期內暫時不需要的多余熱量通過某種方式收集并儲存起來，等到需要時再提取使用。從儲存的時間來看，有3種情況：①隨時儲存。以小時或更短的時間為周期，其目的是隨時調整熱能供需之間的不平衡，例如熱電站中的蒸汽蓄熱器，依靠蒸汽凝結或水的蒸發來隨時儲熱和放熱，使熱能供需之間隨時維持平衡。②短期儲存。以天或周為儲熱的周期，其目的是維持1天（或1周）的熱能供需平衡。例如對太陽能采暖，太陽能集熱器只能在白天吸收太陽的輻射熱，因此集熱器在白天收集到的熱量除了滿足白天采暖的需要外，還應將部分熱能儲存起來，供夜晚或陰雨天采暖使用。③長期儲存。以季節或年為儲存周期，其目的是調節季節（或年）的熱量供需關系。例如把夏季的太陽能或工業余熱長期儲存下來，供冬季使用；或者冬季將天然冰儲存起來，供來年夏季使用。熱能儲存的方法一般可以分為顯熱儲存、潛熱儲存和化學儲存3大類。

2.2.3　電能的儲存

儲能技術目前在電力系統中的應用主要包括電力調峰、提高系統運行穩定性和提高供電質量等。能量存儲技術可以提供一種簡單的解決電能供需不平衡問題的辦法，這種方法在早期的電力系統中已經有所應用。

日常生活和生產中最常見的電能儲存形式是蓄電池。它先將電能轉換成化學能，在使用時再將化學能轉換成電能。此外，電能還可儲存于靜電場和感應電場中。

電能儲存常用的是蓄電池，正在研究開發的是超導儲能。世界上鉛酸蓄電池的發明已有100多年的歷史，它利用化學能和電能的可逆轉換，實現充電和放電。鉛酸蓄電池價格較低，但使用壽命短，質量大，需要經常維護。近來開發成功少維護、免維護鉛酸蓄電池，使其性能有一定提高。目前，與光伏發電系統配套的儲能裝置，大部分為鉛酸蓄電池。1908年發明鎳-銅、鎳-鐵堿性蓄電池，其使用維護方便、壽命長、質量輕，但價格較貴，一般在儲能量小的情況下使用?，F有的蓄電池儲能密度較低，難以滿足大容量、長時間儲存電能的要求。新近開發的蓄電池有銀鋅電池、鉀電池、鈉硫電池等。某些金屬或合金在極低溫度下成為超導體，理論上電能可以在一個超導無電阻的線圈內儲存無限長的時間。這種超導儲能不經過任何其他能量轉換直接儲存電能，效率高，啟動迅速，可以安裝在任何地點，尤其是消費中心附近，不產生任何污染。但目前超導儲能在技術上尚不成熟，需要繼續研究開發。

鈉硫電池在300℃的高溫環境下工作，其正極活性物質是液態硫（S），負極活性物質是液態金屬鈉（Na），中間是多孔性陶瓷隔板，如圖2-3所示。鈉硫電池在國外已是發展相對成熟的儲能電池，其壽命可以達到使用10～15年。日本東京電力公司在鈉硫電池系統開發方面處于國際領先地位，2002年開始進入商品化實施階段，2004年在Hitachi自動化系統工廠安裝了當時世界上最大的鈉硫電池系統，容量是57.6MW·h 。

鋰離子電池由于兼具高比能量和高比功率的顯著優勢，被認為是最具發展潛力的動力電池體系。目前制約大容量鋰離子動力電池應用的最主要障礙是電池的安全性，即電池在過充、短路、沖壓穿刺、振動、高溫熱沖擊等濫用條件下，極易發生爆炸或燃燒等不安全行為，其中，過充電是引發鋰離子電池不安全行為的最危險因素之一。近年來鋰離子電池作為一種新型的高能蓄電池，它的研究和開發已取得重大進展。

超級電容器根據電化學雙電層理論研制而成，可提供強大的脈沖功率，充電時處于理想極化狀態的電極表面，電荷將吸引周圍電解質溶液中的異性離子，使其附于電極表面，形成雙電荷層，構成雙電層電容，如圖2-4所示。超級電容器歷經多年的發展，已形成系列產品，儲能系統最大儲能量達30MJ。但超級電容器價格較為昂貴，目前在電力系統中多用于短時間、大功率的負載平滑和電能質量峰值功率場合，如大功率直流電機的啟動支撐、動態電壓恢復器等，在電壓跌落和瞬態干擾期間提高供電水平。

2.2.4　化學能的儲存

化學能是各種能源中最易儲存和運輸的能源形態。穩定化合物（比如化石燃料等）可以儲存化學能。生物系統能夠將能量儲存在富含能量的分子（比如葡萄糖和ATP等）的化學鍵中。其他形式的化學能儲存包括氫氣、烴類的燃燒和各種電池?；瘜W物質（儲能材料）所含的化學能通過化學反應釋放出來，反之，也可通過反應將能量儲存到物質中，實現化學能與熱能、機械能、電能、光能等能量之間的相互轉換。從廣義上講，儲存原油和各種石油產品、液化石油氣（LPG）、液化天然氣（LNG）、煤等化石燃料本身就是對化學能的儲存。

制氫儲能電站是化學能儲存電能的一個例子。抽水蓄能電站日益被人們重視，它在削峰填谷方面確實發揮著越來越大的作用。但是，其致命的缺點是對地形的依賴性太強，化學能儲電中化學電源是很典型的?；瘜W電源是將物質化學反應所產生的能量直接轉換為電能的一種裝置。按其工作性質和儲存方式不同，可分為原電池（一次電池）、蓄電池（二次電池）、儲備電池和燃料電池。用完即丟棄的電池稱為一次電池，作為小型便攜式的電源產品而被廣泛使用。可以充放電的電池叫作二次電池，廣泛用作汽車的輔助電源。在當今社會中，化學電源已被廣泛應用，如錳干電池和汽車上使用的鉛蓄電池。鉛酸蓄電池如圖2-5所示。