1.2　典型儲能技術

1.2.1　典型儲能技術的分類

能量存儲技術的發展隨著電力工業發展中的問題而發展，不能存儲電能本身，但可以通過將電能轉換為化學能、機械能或電磁能來存儲。不同的儲能方式可分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能和電蓄熱儲能等，其中：機械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等，電化學儲能主要包括鋰離子電池儲能、全釩液流電池儲能、鈉硫電池儲能等，電磁儲能主要包括超導儲能（SMES）、超級電容器儲能等，電蓄熱儲能主要包括顯熱蓄熱、相變蓄熱和熱化學蓄熱等。電力系統儲能的具體應用見表1-2。

由表1-2得到各種儲能技術的功率等級及額定功率下可放電時間，如圖1-8所示。

多種類型儲能技術特點不同，如儲能規模、儲存自耗散率、運行周期、儲能循環效率等都存在差異性，具體如下：

（1）儲能規模。儲能規模指標包括功率等級和持續放電時間/響應時間，功率等級越高、放電時間越長，儲能系統的規模越大。根據各種類型電力儲能系統的功率和放電時間進行比較，抽水儲能和壓縮空氣存儲適用于超過100MW的應用，并且能夠持續提供日產量，可用于大規模能源管理，例如負載平衡、輸出功率斜坡及負載跟蹤等情況；液流電池、大型電池、燃料電池、太陽能電池及蓄熱適用于偏中等規模能量管理。

（2）運行周期與能量自耗散率。兩者是儲能系統性能的具體體現指標。運行周期分為短期（小于1h）、中期（1h至1周）和長期（大于1周）。能量自耗散率等于儲能系統自身的能量消耗除以儲能總量，通過比較可知，壓縮空氣儲能、金屬-空氣電池、抽水蓄能、燃料電池、太陽能電池和液流電池等的自耗散率很小，因此均適合長時間儲存；鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池、電蓄熱儲能等具有中等自放電率，儲存時間以不超過數十天為宜；超導儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能每天有較高的自充電比率，只能用在最多幾個小時的短循環周期。

（3）儲能循環效率。儲能循環效率是體現儲能系統技術性能最重要的指標之一。儲能系統的循環效率大致可以分為：①極高效率時，超導儲能、飛輪儲能、超級電容器儲能和鋰離子電池的循環效率超過90%；②較高效率時，抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電池（鋰離子電池除外）、液流電池和傳統電容器的循環效率可以達到60%～90%；③低效率時，金屬-空氣電池、太陽能電池、電蓄熱儲能的效率低于60%。

基于熱力學第一定律的儲能循環效率的計算公式為

式（1-1）適用于能量以機械能或電磁能形式儲存的儲能系統。

1.2.2　典型儲能技術的發展與應用

1.2.2.1　典型機械儲能技術的發展與應用

抽水蓄能是機械儲能的典型代表，以抽水蓄能為代表介紹機械儲能技術應用的特點。抽水蓄能電站是一種特殊類型的水電站，它以一定量的水作為能量載體，通過能量轉換將水的重力勢能轉換為電能。抽水蓄能電站是一種解決低負荷與峰值負荷之間供需矛盾的間接儲能方法。抽水蓄能電站可根據自然徑流條件或工廠單元的組成和功能、水庫的數量和位置、發電廠的形式、水頭的水位、單元的類型和規定進行分類。抽水蓄能電站主要由上水庫、下水庫、引水系統、車間、抽水蓄能機組等部分組成。抽水蓄能電站有抽水和發電兩種工況。可逆單元通常是雙機器單元，即水輪機和泵合并成機器單元，操作條件的變化取決于轉輪的旋轉方向：當電網負荷低或水量充足時，下水庫中的水通過剩余電能被泵送到上水庫，并以勢能的形式儲存；當電網負荷較高或水量較低時，上水庫中的水被釋放，驅動水輪發電機組發電并將其送至電力系統，只要地理條件合適，抽水蓄能電站就可以建造相對較大的容量。抽水蓄能電站工作原理圖如圖1-9所示。

1.抽水蓄能技術的發展歷程

歐洲最大的抽水蓄能電站是英國的Dinoring電站，建于1984年，是世界上第一個能夠在短時間內滿負荷運行的抽水蓄能電站。Dinoring電站的年度經濟效益相當可觀，年利潤可保持在1億多英鎊。抽水蓄能電站在電網設備中占有很高的競爭地位，具有價格低、性能高的優點。法國最大的抽水儲能電站是GrandMaison，建于1987年。它不僅可以調整法國電網系統的峰值負荷、填谷和儲備，而且可以與國外交換10%的電力，不僅可以穩定法國的電網，而且可以實現國際交流。

美國地域遼闊，經濟發展迅速，電力需求很大，因此對抽水蓄能電站的投入巨大。在已建成的眾多發電站中，有超過20個裝機容量大于20萬kW的抽水蓄能電站。1984年，美國最大的抽水蓄能電站正式投入運營，即Bathcoanty電站，它使用起來非常靈活，不僅可以調峰填谷，還可以降低抽水成本，是美國電網系統不可或缺的一部分。

20世紀90年代以后，日本抽水蓄能電站的發展超過了美國。日本周邊海域為抽水蓄能電站的發展提供了強有力的條件。隨著日本電力需求的快速增長和科技的進步，日本已建成大量抽水蓄能電站，抽水蓄能電站技術在設計、施工、管理和投資方面均位居世界第一。2016年，日本安裝了11個抽水儲能電站，裝機容量超過100萬kW。

與日本、美國、法國等發達國家相比，我國的抽水蓄能電站起步較晚，經過多年的努力，我國的抽水蓄能電站在設計、施工和運行管理等方面積累了豐富的經驗，趨向成熟，富有成效。截至2017年年底，我國抽水蓄能電站裝機容量已居世界第一，在運規模2849萬kW，在建規模3871萬kW，預計到2020年，運行總容量將達4000萬kW。

由于利用火力進行調峰不利于系統的節能和減排，在當前新能源消納難的背景下，國內外學者積極研究以抽水蓄能電站聯合風電場協同調控，提高風力發電、光伏發電等新能源的消納能力，減少棄風、棄光率。在風電-抽水蓄能聯合系統優化的小型仿真系統中，日本學者對風電-抽水蓄能聯合系統與普通風力發電系統進行了對比分析，結果表明，風電-抽水蓄能聯合系統可有效降低風電場棄風電量。

目前，我國對風儲聯合優化的研究尚處于起步階段，國外學者對此進行了較為深入的研究。從電力系統規劃的角度，荷蘭學者對抽水蓄能電站和風電場聯合運行的裝機容量進行了初步研究。通過優化風儲聯合運行系統，確定了一定風電裝機容量下抽水蓄能電站裝機容量的優化方法。丹麥學者建立了風電-抽水蓄能聯合系統的經濟優化模型，優化了抽水蓄能電站的裝機容量，最大限度地提高了風電利用率，降低了單位電價的成本。歐洲國家提出了六種不同的風電-抽水蓄能聯合系統運行模式，并建立了相應的運行模式和經濟評價，該模型利用抽水蓄能電站存儲多余的風電，并在高峰負荷期開始抽水蓄能。

隨著電力工業改革的深入，電力工業逐漸進入市場環境，風電存儲系統已經將越來越多的市場經濟因素考慮在內。在電力市場環境下，有學者建立了優化模型，旨在優化風電-抽水蓄能聯合系統的整體經濟效益。該模型將綜合運行系統的經濟效益與兩個系統單獨運行的經濟效益進行了比較，并考慮了峰谷價格差異和電網的傳輸限制，優化了風電-抽水蓄能聯合系統，驗證了系統的經濟可行性，分析了風電-抽水蓄能聯合系統運行的電網穩定性和風電滲透率，以及潮流分布的改善效果和經濟效益，建立了峰谷電價下風電-抽水蓄能聯合系統的能量轉換效益評估模型。通過對風電-抽水蓄能聯合系統的分析，指出峰谷價格差異可以用來提高組合系統的經濟效益。

2.抽水蓄能技術的應用

抽水蓄能裝置具有運行速度快、響應靈活的優點，既可以用作電源也可以用作負載。它在電網調峰、填谷、調頻、改善電網運行狀況和提高運行經濟效益方面的作用得到了充分驗證，技術成熟可靠。

抽水蓄能電站不僅是在低谷時吸收電能的用戶（抽水條件），而且是在峰值負荷下提供電力的水電站（發電條件）。利用抽水蓄能電站的蓄電功能可以作為風電的調節電源，可以充分發揮抽水蓄能和風能之間的互補性，可以有效解決風電運行中的消納問題，減少電網連接難度、電力限制和市場難度等問題。

（1）調峰功能。在白天電網負荷高峰時，抽水蓄能電站存儲在上水庫的水驅動水輪發電機組發電，將電能快速輸送給電網，而抽水蓄能機組從停止到滿負荷發電運行一般僅需2min。另外相比于傳統煤電的單向調峰，抽水蓄能調峰是雙向調峰，就解決棄風問題而言，其調峰彈性要遠勝煤電。且煤電只能在其自身裝機能力范圍內通過增減負荷來調峰，抽水蓄能電站卻可以吸收過剩風電，調峰更具靈活性。

（2）填谷功能。在夜間的用電低谷，抽水蓄能電站借助多余電能，如火電站、核電站和風電場產生的電能，將水抽送到上水庫儲存起來，等到負荷量比較大時再進行發電。它具有啟動靈活、爬坡速度快的特點，能夠很好地緩解穩定性和連續性差的風電給電力系統帶來的不利影響。

（3）調頻功能。在設計上，抽水蓄能機組就考慮了迅速啟動和跟蹤負荷狀態的效果。一般的抽水蓄能機組從靜止到滿載所花的時間很短，調節出力的速度也非常快，達到10000kW/s，而且允許轉換的次數也很多。

1.2.2.2　典型電化學儲能技術的發展與應用

電化學儲能系統可以快速調節接入點的有功功率和無功功率，可提高系統的穩定性，提高電源質量。當容量足夠大時，它甚至可以實現調峰。隨著大功率逆變技術的不斷成熟和電池技術的不斷發展，電化學儲能系統在電力系統中的應用前景越來越廣泛。

1.電化學儲能技術的發展歷程

目前，發達國家都把電化學儲能技術作為能源領域的戰略新興產業進行支持，并取得相應成果：由于政府政策支持和經濟發展的激勵，日本從20世紀70年代即開始投入大量人力和物力支持電化學儲能技術的發展；在歐洲，西班牙馬德里20世紀90年代后期建造了1MW/（4MW·h）的大型鉛酸電池儲能系統，德國Herne市建造了1.2MW/（1.2MW·h）的用于減少電網波動的鉛酸電池儲能電站；在美國，南加利福尼亞州于2009年8月建立了32MW·h的當時世界上最大的鋰離子電站。

我國的儲能技術也得到了廣泛應用，2006年年底，中國科學院上海硅酸鹽研究所成功研制了具有自主知識產權的大容量儲能用鈉硫單體電池；2010年，上海世博會上展示運行了100kW/（800kW·h）的鈉硫電池儲能裝置，并建設了三個儲能示范電站（漕溪站、前衛站、白銀站）；2011年6月，中國國際清潔能源博覽會上展示了新型能源發電儲能電站系列產品；2011年9月，南方電網整合比亞迪環保鐵電池技術在深圳龍崗建立了3MW×4h儲能電站，同時比亞迪同國家電網合作在河北省張北縣建成投產一座140MW的可再生能源電站，是集風力發電、光伏發電、儲能、智能輸電于一體的新能源綜合利用平臺。

電化學儲能技術發展非常迅速，鉛酸蓄電池儲能系統是一種比較成熟的儲能系統，包括由鉛及其氧化物制成的電極和由硫酸溶液構成的電解質，鉛酸蓄電池商業應用較為廣泛，例如德國柏林DEWAG電廠使用的8.5MW×1h儲能系統，以及西班牙馬德里Evidelderola技術示范中心的4MW×1h系統，PREPA在波多黎各采用的20MW×0.7h機組。目前最大的鉛酸蓄電池儲能系統是美國加利福尼亞州建造的10MW×4h系統，見表1-3。

硫化鈉電池具有高效率和大容量的特點，是一種新型有前途的大容量電能儲能電池，具有廣闊的發展前景。它的體積可以減少到普通鉛酸蓄電池的1/5，便于運輸、安裝和模塊化制造。其效率可達80%以上，循環壽命可超過6000次。在鈉硫電池的研究和應用方面，日本的相關技術處于領先地位。

鋰離子電池對于電能的存儲取決于陰極和陽極材料中鋰離子的嵌入和脫嵌。鋰離子電池儲能技術近年來發展十分迅速，表1-4列出了國內外鋰離子電池儲能系統的應用情況。目前，以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池儲能技術正成為研究和應用的熱點。2008年，Altaimano開發出1MW鈦酸鋰電池系統；2010年，東芝使用鈦酸鋰作為負極材料來開發超級鋰電池并已成功商業化。

2.電化學儲能技術的應用

隨著各種電化學儲能技術的發展及廣泛應用，儲能電池將應用于電力系統的各個方面，如發電、輸電、配電、使用和調度等，改變現有電力系統的生產、運輸和使用方式，有助于傳統電力系統向“互聯互通、智能化、互動性、靈活性、安全性和可行性”的新一代電力系統改造。

（1）發電側。鋰離子電池和液流電池將成為支持新能源大規模開發的重要儲能技術，推動新能源成為新一代電力系統的主要電源。截至2017年年底，國內風電和光伏并網容量已達2.93億kW，占全部裝機容量的17%。根據國家非化石能源發展目標和碳減排目標，減緩水電和核電裝機容量，截至2030年年底，我國風電、光伏發電等新能源發電總裝機容量應至少達到8.8億kW，新能源作為主要電源將成為我國新一代電力系統的主要特征。為此，鋰離子電池和液流電池必須在短期大功率輸出和快速響應性能方面取得進一步突破，有效抑制大規模新能源發電輸出的波動，靈活跟蹤發電計劃的輸出曲線，實現新能源電廠的可衡量與可控。

（2）電網側。液流電池因其可作為大容量電網級儲能電站而備受青睞，可為電網提供各種輔助服務，增強電網調度控制的靈活性和安全性。液流電池具有循環壽命長、容量大、響應速度快、安全性高的優點，預計將取代目前投入運行的鋰離子儲能電站，并在未來發展成10萬kW以上的電網級儲能電站。液流電池電網級儲能電站可提供多種輔助服務，如調峰、調頻和調壓。同時，圍繞大型能源基地、變電站、負荷中心、電網終端等領域建設大容量液流儲能電站，可以充分發揮儲能電站在促進電力平衡中的重要作用。

（3）用戶側。鋰離子電池將成為推動分布式小型電池儲能系統發展的主要技術，而新型電池可作為鋰離子電池的輔助應用。未來，鋰離子電池技術將進一步突破，能量密度將接近600W·h/kg，充電時間將縮短至30min，使用壽命將達到15年，滿足小型分布式儲能、移動電源的性能要求。新型電池可與鋰離子電池組合，實現電動汽車、家用分布式儲能等領域的融合應用。在未來，可以選擇分布式光存儲系統以獨立地供電，以便為具有大潛力、電力需求小和對電網依賴性低的一些用戶帶來經濟效益。

1.2.2.3　典型電磁儲能技術的發展與應用

1.電磁儲能技術的發展歷程

近幾年，超導儲能的研究一直是超導電力技術的熱點之一。超導儲能的概念在20世紀70年代一經提出，其能量存儲能力便受到關注。隨著技術的發展，超導儲能不僅可作為一種儲能裝置以平衡電力系統的日負荷曲線，還可以作為一種可以參與電力系統運行和控制的有源和無功電源，通過積極參與電力系統的電力補償提高電力系統的穩定性、輸電能力和電能質量。

1969年，Ferrier提出了使用超導電感來存儲電能的概念。20世紀70年代早期，威斯康星大學應用超導中心（USC）使用超導電感線圈和三相AC/DCGraetz橋電路來分析和研究Graetz橋在儲能單元和儲能單元之間相互作用中的作用。為了有效地抑制波動，電力系統中廣泛地應用超導儲能。20世紀70年代中期，LASL和BPA（Bonneville電力管理局）聯合開發了30MJ/10MW超導儲能系統，并將其安裝在華盛頓州塔科馬市，以解決從西北太平洋到南加州的雙回路500kV交流輸電線路的低頻振蕩問題。BPA電網為了提高輸電線路的輸電能力，采用30MJ超導儲能系統進行性能測試，超導儲能可以有效地解決BPA電網中從西北太平洋到南加州的雙回路500kV交流輸電線路的低頻振蕩問題。

1987年，美國核防御辦公室啟動了SMES-ETM計劃，開展了大容量（1～5GW·h）超導儲能的方案論證、工程設計和研究。到1993年年底，R.Bechtel團隊建成了500MW/（1MW·h）的示范樣機，并將其安裝于加利福尼亞州布萊斯，可將南加利福尼亞輸電線路的負荷傳輸極限提高8%。

1999年，德國ACCEEL、AEG和DEW聯合開發了2MJ/800kW超導儲能系統，以解決DEW實驗室敏感負載供電質量問題。日本九州電力公司已開發出30kJ和3.6MJ/1MW超導儲能系統，日本中央電力公司、關西電力公司、國際超導研究中心也開展了超導儲能系統研究工作。

中國科學院電氣工程研究所和中國科學院合肥分院等離子體物理研究所很早就開始研究超導磁體。在超導磁體分離、磁流體推進、核磁共振甚至磁約束核聚變托卡馬克磁體方面做了大量工作。進入21世紀，隨著高溫超導技術的發展，清華大學開發了3.45kJBi-2223中小型企業超導磁體和150kVA的低溫超導儲能系統，并用它來提高實驗室研究的電能質量。2005年，華中科技大學開發出35kJ/7.5kW直冷HTS超導儲能系統原型，開發了基于超導儲能的限流器方案和實驗樣機，并于2006年啟動了1MJ/0.5MVA高溫超導儲能系統的研究項目。

超級電容器的開發始于20世紀80年代。Helmholz于1879年發現了電化學雙層界面的電容特性，并提出了雙層理論。1957年，貝克爾獲得了第一個高比表面積活性炭電化學電容器作為電極材料的專利（提出小型電化學電容器可用作儲能裝置）。1962年，標準石油公司生產了一種以活性炭作為電極材料和硫酸水溶液作為電解質的6V型超級電容器。1979年，NEC開始為電動汽車的啟動系統生產超級電容器，并開始大規模商業化應用電化學電容器，并由此提出了超級電容器的概念。幾乎同時，松下研究了使用活性炭作為電極材料和有機溶液作為電解質的超級電容器。此后，隨著材料和關鍵技術的突破，超級電容器的質量和性能穩步提高，超級電容器已大規模工業化。

超級電容器的工業化始于20世紀80年代。20世紀90年代，Econd和ELIT推出了適用于大功率啟動應用的電化學電容器。松下、NEC、愛普科斯、麥克斯韋、NESS等公司都非常積極地開展超級電容器研究。目前，美國、日本和俄羅斯的產品幾乎占據了整個超級電容器市場，每個國家在產品性能和價格方面都有自己的特點和優勢。自問世以來，超級電容器已被世界上許多國家廣泛接受，全球的需求快速擴張，已成為化學電源領域的新興產業亮點。根據美國能源管理局的數據，超級電容器的市場容量從2007年的40億美元增加到2013年的120億美元。2013年我國超級電容器的市場容量達到31億元。

2.電磁儲能的應用

電磁儲能主要是指利用電磁超導現象、超級電容器進行能量的存儲和釋放的技術，主要包括超導儲能、超級電容器儲能，性能對比見表1-5。

超導儲能是一種使用超導線圈直接存儲電磁能量并在需要時將其返回電網或其他負載的電力設施。它通常由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、轉換器和測量與控制系統組成。

超導儲能可用于調節電力系統的峰值和谷值（例如，當電網負荷較低時存儲多余的能量，并在電網負荷達到峰值時將存儲的能量發送回電網）減少甚至消除電網的低頻功率振蕩，以改善電網的電壓和頻率特性。同時，它還可用于調節無功功率和功率因數，以提高電力系統的穩定性。

超導儲能因其快速響應特性而廣泛應用于電力系統。其主要功能是提高電網穩定性，提高供電質量。為提高電網的穩定性，超導儲能系統可以抑制電網的低頻振蕩，提高電網的輸電能力。此外，通過向電網提供有功和無功功率，超導儲能系統可以防止由發電機故障或連接到電網的重負載引起的電壓降，從而穩定電壓。提高供電質量主要體現在：①提高FACTS設備的性能；②補償負載波動；③提高電網的對稱性；④作為備用電源；⑤保護重要負荷。

超級電容器具有高功率密度和快速充放電的特點，特別適用于脈動功率操作和快速響應。超級電容器還可以與蓄電池混合使用，結合兩者的優點，大大擴展應用范圍，提高經濟性。

超級電容器在電動汽車領域備受矚目，并逐漸擴展到低功率電子設備、消費電子和軍事領域。超級電容器還廣泛應用于電力系統，如電能質量調節、風力發電和太陽能發電并網，以及大規模儲能等場合。超級電容器可有效調節電能質量，緩解電壓驟降、跳變和失真，實現電力系統電壓動態穩定，確保系統波動時敏感負載的穩定性，典型應用是動態電壓恢復器（DVR）和靜態同步補償器（STATCOM）。ABB開發的基于超級電容器的DVR已成功應用于新加坡的4MW半導體工廠，可實現160ms的低電壓穿越。由中國科學院電氣工程研究所和無錫力豪科技有限公司共同開發的基于超級電容器的DVR可以實現補償輸出，大大降低DVR的運行成本。超級電容器儲能系統也可用于控制非線性輸出發電系統的有功功率波動，有效抑制直流側過電壓，為系統提供動態無功功率支持，減少對電網的影響，提高故障后機組的穩定性。因此，超級電容器可用于調節和控制風力發電和太陽能發電系統的功率輸出。2005年，美國加利福尼亞州為950kW風力渦輪機建造了450kW超級電容器儲能系統，以調節從機組到電網的電力傳輸波動。

超級電容器作為備用電源和直流電源可應用于發電廠和變壓器/配電站中的控制、保護、信號和通信設備。例如，超級電容器開關裝置可克服電解電容器儲能硅整流器開關裝置的缺點，如容量有限、漏電流大、可靠性差等，可實現連續頻繁操作，并可通過電路浮充快速充電。超級電容器還可以用作風電機組和FTU的備用電源，以實現快速充電和放電。使用大容量超級電容器儲能元件的DVR設備甚至可以取代不間斷電源（UPS），作為電網中短期電壓中斷的補救措施。清華大學與漳州科華聯合開發的儲能超級電容器不間斷電源系統可實現雙輸出電壓的高精度控制，允許負載輸出100%不平衡，實現輸出電壓精度達2%。

超級電容器還可以應用于大容量能量管理，例如調峰和大規模儲能。特別是超級電容/電池混合儲能由于投資少、運行成本低，被認為是未來儲能的發展方向。在混合儲能系統中，超級電容器充當濾波器，可在負載短時突變和短路的情況下提供高功率接入，平滑電池的充電和放電電流，避免大電流對電池的影響，減少充放電循環，延長儲能系統的使用壽命。通過改進算法和優化容量，混合儲能系統還可以有效地降低投資和運營成本。

1.2.2.4　典型電蓄熱儲能技術的發展及其應用

1.典型電蓄熱技術國內外發展

大規模蓄熱技術的研究和應用始于20世紀70年代初。由于全球油價上漲，美國、法國、英國等發達國家出現了嚴重的能源危機，從而意識到了能源合理化利用的緊迫性和重要性。因此，美國率先開展了電蓄熱技術研究，并開始在相關領域進行研究和開發。

我國電蓄熱裝置主要分布在電力系統和電力充足的地區。近年來，由于水電和核電的快速崛起，以及煤炭、石油等傳統能源價格的上漲，電熱蓄熱裝置在市場上具有很強的競爭力。隨著電力峰谷之間的差距逐年擴大，為了進一步改善生活環境，國家電力部門已經出臺了各種優惠政策，將電蓄熱裝置轉變為更好的供暖形式，這是提高能源效率和保護環境的重要手段。

2.典型電蓄熱鍋爐的應用

電蓄熱儲能技術主要包括顯熱儲能（油、液態金屬、固體非金屬類等）、相變潛熱儲能（有機材料、無機鹽等）、水蒸氣蓄熱、吸附蓄熱、熱化學蓄熱等。從對比上看，顯熱儲能容易做到大容量，且儲能周期長，技術成熟度高。在高溫500℃以上的，儲能周期達到1d以上的電蓄熱儲能方式只有熔鹽類、熱化學類儲能。水蒸氣蓄熱雖也可做到大容量，儲能周期也較長，但需要熱水溫度達到120～300℃，且占地面積龐大。熱化學蓄熱在可行性上可以滿足大容量、長周期儲能的需求，但是目前正在研發過程中，沒有商業化應用。

電蓄熱儲能的典型代表為電極水蓄熱鍋爐系統，主要由電極鍋爐、儲水罐、循環水泵、恒壓供水設備、換熱器等設備組成。其工作過程是將電能轉換為熱能，并將熱能轉移到介質中，介質（水）從低溫加熱至高溫，然后通過循環水泵送至供熱用戶，釋放能量，之后介質（水）從高溫下降到低溫，進入電極鍋爐，并保持熱平衡往復運動。

電極水蓄熱鍋爐系統的特點如下：

（1）電極水蓄熱鍋爐效率高達99.8%，加熱速度快。

（2）10kV高壓電直接供電，可減少變壓器的初投資。

（3）可根據用戶負荷變化自動實現無級調節。

（4）蓄熱模式可儲能高壓熱水，但熱水罐的體積龐大，熱散失率高。

電極水蓄熱鍋爐通常配備有兩個電極板。將電極板浸入水中并通電后，可利用水電阻發熱將水轉化為高溫水，高溫水可以通過鍋爐的外部熱交換器儲存，也可以直接用于加熱用戶。電極水蓄熱鍋爐利用水的電導直接加熱，因此所有的電能都轉化為熱能，這與傳統的鍋爐不同。通過調節鍋爐內水位，可實現調節運行負荷的效果。當鍋爐缺水時，電極板之間的電流通道自然切斷，高壓電極鍋爐通過調節電阻相應地調節熱負荷，與傳統鍋爐相比，電極水蓄熱鍋爐系統調節范圍更廣，其結構如圖1-10所示。

電極水蓄熱鍋爐可分為噴射式和浸沒式兩種。具體如下：

（1）噴射式電極水蓄熱鍋爐通過將爐水直接噴射到電極上進行加熱。交流電流從相電極流出，使用水作為導體，通過中性點流向另一相電極。由于水具有電阻，電流可直接在水中產生熱量。噴射式電極水蓄熱鍋爐的結構如圖1-11所示。

根據中央水室承壓方式的不同，噴射式電極水蓄熱鍋爐分為承壓和不承壓兩種類型，其中承壓型的射流遠且水流形狀不變，可保護鍋爐不受電弧放電損傷、出力控制范圍更廣，具體的結構對比如圖1-12所示。

（2）浸沒式電極水蓄熱鍋爐采用電極直接浸沒入爐水的方式加熱，通過電極加熱爐水、爐內水循環、爐外給水3個環節實現，其結構如圖1-13所示。

這兩種電極水蓄熱鍋爐型式具有不同的特點及應用范圍，噴射式電極水蓄熱鍋爐利用水的電阻特性加熱，電能轉化熱能的效率高達100%；浸沒式電極水蓄熱鍋爐對水質要求較高，電極浸泡于爐水中，使用壽命比噴射式電極水蓄熱鍋爐短。

3.電蓄熱儲能技術的應用

熱電廠通過安裝電蓄熱設施來解決“以熱定電”的限制，實現大規模調峰。熱電廠配置電蓄熱系統示意如圖1-14所示。在此方案下，參與調峰的熱電廠的運行機制為：①在低谷期間蓄熱，并在此期間減少（甚至關閉）電力輸出，參與調峰；②用電高峰時，需要配備備用鍋爐，以確保在正常供暖的情況下火電機組的供熱能力充足。分析表明，通過配置蓄熱可以實現電-熱解耦，提升系統調峰能力，增加新能源并網空間。

通過分配蓄熱量來參與調峰，可以保證熱電廠的熱負荷要求，同時在低負荷期間可以降低功率輸出。通過靈活操作，可以提高機組的調峰能力，并可以為新能源并網提供額外空間。蓄熱可以很好地抑制熱負荷峰值期間的熱負荷波動，減輕熱負荷的壓力，避免使用昂貴的熱源，如尖峰鍋爐；也可以在低熱負荷期間儲存多余的熱量，以避免加熱電源的關閉。

熱電機組的工作原理和蓄熱器的配置方案可以改變熱電機組的運行特性，通過配置蓄熱實現靈活運行，增加電力輸出的可調范圍，為新能源并網提供空間，將帶有蓄熱的熱電機組納入當前的電力調度系統，可以形成電力和熱力綜合調度系統，提高系統對新能源的接受程度。

通過使用蓄熱可以實現汽輪機和蓄熱器的組合運行。根據功耗，一天的電力負荷期可分為高峰期（16：00—21：00）、低谷期（23：00—5：00）和平峰期（其他時間）。汽輪機與蓄熱器配合供熱原理示意如圖1-15所示。

圖1-15中，在一天的電力負荷平峰期，通過增加汽輪機供熱量可以使蓄熱器蓄熱，然后通過在蓄熱器中釋放熱量來減少汽輪機的熱量供應。夜間電力負荷低，具體的組合操作策略取決于蓄熱器的最大存儲和釋放能力。如果蓄熱器在電負荷平峰期可以存儲足夠的熱量，則可以根據電負荷的低谷期的特定峰值需求來減小功率輸出。蓄熱器的補償加熱可以在電負荷的高峰期釋放多余的熱量。如果蓄熱器的蓄熱能力不足，可以在平峰期和高峰期（平峰期在高峰期之前）一起儲存，然后滿足低谷期的調峰需求。

當采用蓄熱方案時，熱電機組可以在低谷期降低其最小功率輸出，由于此時正是新能源發電中風力發電高峰期，可以增加風電的消納。采用蓄熱方案前后系統消納風電空間變化示意如圖1-16所示。

考慮到限電負荷的不穩定性和供暖用戶對穩定熱源的需求，應選擇具有足夠容量的蓄熱裝置，以確保在提升風電場功率限制期間穩定的熱源輸出。因此，風電供暖方式一般包括大容量蓄熱裝置、配電裝置、加熱管道等部件，大容量蓄熱的電熱結合系統是棄風供暖加熱的有效形式之一。

（1）電-熱聯合系統調峰。當在電-熱聯合系統中考慮能量存儲時，存儲能量輸入和輸出的形式不一定都是電能。在廣義能量存儲（熱存儲/冷卻）中，輸入是電能，輸出是終端消耗所需的熱能，技術更簡單，更容易滿足大容量、高可靠性和低價格的大規模新能源消納的要求。成熟的水、耐火磚等介質的顯熱蓄熱和相變蓄熱的儲能效率很高，在大容量蓄熱中廣泛應用，電-熱聯合系統可以通過更簡單、更經濟的方式解決我國能源發展中新能源發電效率及能源消納提升的關鍵問題，其機理如圖1-17所示。

（2）棄風電蓄熱供熱調峰。電網峰值負荷調節能力不足是制約風電消納的重要因素，儲能是緩解風電熱儲存問題的有效措施。與飛輪儲能、鋰電池儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能等儲能方式相比，電蓄熱儲能在功率和容量方面具有更大的經濟效益，成本為300～1000美元/kW，30～100美元/（kW·h）。因此，如果以熱能的形式使用能量，則熱量儲存是最佳選擇。

我國政府在北方推廣應用電蓄熱技術并開展了項目試點，一些歐洲國家也開展了相應的研究。從電網年度棄風規律及電網蓄熱運行特性可以看出，由于峰值負荷調節能力不足，低谷期，風電與電蓄熱用電規律是相匹配的，導致棄風嚴重，如何將電蓄熱供熱應用于棄風消納成為研究的重點，棄風用于電蓄熱-供熱電量匹配如圖1-18所示，省級電網的電力負荷由省內發電①提供，在發電①側，由于調峰能力不足，棄風將在③和④產生，可間斷的電蓄熱用戶⑤切斷連續加熱電源，結合分時電價，合理利用風能。

在蓄熱式電采暖端設置了一種新型的蓄熱設備，其優點是占地面積小，運行安全水平高，投資成本低，并且在整個過程中平移了負荷高峰時期。按負荷運行方式調節熱量的釋放，建立了一個可調度、靈活的蓄熱裝置，可以改善電網接受間歇電熱輸入，是一種連續輸出的新型儲能裝置。在省級電網調度端建立聯合熱電調度控制平臺，在調度和蓄熱之間建立信息交互網絡，實現信息交互。在非高峰電力負荷，無風電接納能力的情況下，需要控制風電輸出，由調度端向蓄熱站提供蓄熱的信息，在很大程度上保證蓄熱來自棄風電量，考慮到蓄熱設備的熱效率和電網風電棄風頻率，蓄熱設備滿負荷儲存的熱量應保證連續供暖需求1.5～2d，具體的電蓄熱示范工程示意圖如圖1-19所示。

電熱-相變蓄熱系統使用10kV高壓電直接加熱蓄熱體內的相變蓄熱材料，加熱功率30MW，蓄熱容量120MW·h，使用空氣作為導熱交換介質，同時利用循環風機控制換熱系統的換熱，保證供熱出水口熱功率。整個系統占地面積約270m2（高度約4m）。蓄熱系統熱輸出功率為3.3MW，可供10萬m2區域供熱。