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1、其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。论语常将有日思无日，莫待无时思有时。增广贤文能源研究与信息 第 28 卷 第 3 期 Energy Research and Information Vol.28 No.3 2012 收稿日期：2012-05-16 作者简介：陈玉和(1962-)，男(汉)，高级工程师， 文章编号:1008-8857(2012)03-0147-06 储能技术发展概况研究 陈玉和(南京师范大学 资产经营有限公司,江苏 南京 210024)摘 要:我国能源建设面临的主要问题有人均能源储备量少，能源开发利用设备和技术落后，环境污染严重等。因此，研究价值高、应用前景广阔的储能技术，
2、已受到科技界和企业界的密切关注，成为国际能源界研究的热点之一。储能方式主要有物理储能、化学储能、电磁储能和相变储能四大类型，其中物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能及高温熔岩等；化学储能包括铅酸、锂离子、钠硫和液流等电池储能；电磁储能包括超级电容储能、超导储能和超级电池；相变储能包括蓄热和蓄冷储能等。对储能技术进行分类介绍，对其工作原理、技术现状、发展前景及优缺点进行了讨论，为进一步研究储能技术提供参考。关键词:储能技术;物理储能;化学储能;电磁储能 相变储能 中图分类号:TM910 文献标识码:A“十二五”期间，中国把新能源产业列入了国家重点支持的七大领域之一，不但国家政策支持，各地
3、方也制定了很多优惠政策鼓励企业发展新能源产业。在具体实施路径、发展规模以及重大政策举措等方面，对新能源的开发利用和传统能源的升级变革进行了部署，但是储能技术的发展却远远跟不上新能源技术的发展需要。由于具有随机性和间歇性，风能、太阳能等可再生能源发电会对电网产生严重冲击，将引发大规模恶性事故，此时就需要在直流母线或交流系统中加入具有储能功能的装置，以跟踪负荷的变化。因此，研发与风电/光伏发电机组容量相匹配的高效储能装置及其配套设备，并可以支持充放电状态的迅速切换，还可以确保系统的安全稳定，已成为充分利用可再生能源的关键技术。另外，由于加入了储能装置，对于分布式发电系统，尤其针对用可再生能源发电的
4、分布式发电系统，使得其能源利用率有效提高、环境污染情况得到有效改善、系统的经济性也得到了保证1。从整个世界范围来看，随着新能源技术的发展与智能电网的水平提高，储能技术正逐渐受到越来越多的关注，美国、欧盟、日本、韩国等也都专门设立经费支持研究与开发储能技术。目前各国都还处于将储能技术用于产业应用的初级阶段，又由于我国与国际先进储能技术水平的差别不是很大，大力加强储能技术的研发强度可以使我国在未来的能源技术竞争中占据强有利的地位。储能技术作为提高能源综合利用效率的一种有效途径，它可以解决电能供需在时间与空 先天下之忧而忧，后天下之乐而乐。范仲淹老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。唐王勃
5、 能源研究与信息 2012年 第 28 卷 148 间的不匹配的矛盾。储能技术可按照适用场合和电能转化类型等分成多种类型。按照后者，主要可分为物理储能、化学储能、电磁储能和相变储能四种2。其中，物理储能包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能及新兴的高温熔岩储能等；化学储能包括铅酸、锂离子、镍镉、液流和钠硫等电池储能；电磁储能包括超级电容储能、超导储能和超级电池；相变储能包括相变蓄冷技术和相变蓄热技术3。本文主要针对储能技术按照电能转化类型进行分类阐述，对其工作原理、应用场合、技术现状、发展前景及优缺点进行介绍，为进一步研究储能技术提供参考。1 物理储能 物理储能一般用于大规模储能领域，主要包括抽
6、水储能、压缩空气储能、飞轮储能及近年来新兴的高温熔岩储能等，其中抽水储能是主要的储能方式。物理储能是利用天然的资源来实现的一种储能方式，因此更加环保、绿色，而且具有规模大、循环奉命长和运行费用低等优点。缺点是建设局限性较大，其储能实施的地理条件和场地有特殊要求。而且因为其一次性投资较高，一般不适用于小规模且较小功率的离网发电系统。1.1 抽水储能 目前在电力系统中应用最广泛的一种物理储能技术，即为抽水储能。它是一种间接的储能方式，用来解决电网高峰与低谷之间的供需矛盾。水库中的水被下半夜过剩的电力驱动水泵从下水库抽到上水库储存起来，然后在第二天白天和前半夜将水闸打开，放出的水用来发电，并流入到下
7、水库。即使在转化间会有一部分能量因此而流失，但在低谷时压荷、停机等情况下，使用抽水储能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而来得便宜，具有更佳的效果。除此以外，抽水储能电站还可以作为电网运行管理的重要工具，不但能担负调频、调相还可以做事故备用等动态功能。1.2 压缩空气储能“压缩空气能源储备”的功能类似于一个大容量的蓄电池。在非用电高峰期，空气通过采用电机带动压缩机被压缩进一个特定的地下空间存储。然后，在用电高峰期，地下的压缩空气是通过一种特殊构造的燃气涡轮机，将其释放进行发电。虽然燃气涡轮机的运行仍然需要天然气或其他石化燃料作为动力，但是利用这种发电方法，将比正常的发电技术节省一半的能源
8、燃料。找到一个适合空气压缩存储的地质空间是建设压缩空气发电厂的必要条件之一。最终确定合适的空气存储空间需要经历一些过程：在厂址附近地区，严密的地震检测是必要环节；然后进行反复计算，用计算机模拟周围环境；并参考其他压缩空气发电厂相关数据，进行联合分析，最终确定合适的厂址。针对在准备相关设施时产生的费用较高这一现象，专家未置否认态度，但是从长远看来，专家一致认为这种形式的储存模式仍然要比制造电池便宜得多。1.3 飞轮储能 飞轮储能突破了传统化学电池的局限，是一种用物理方法实现的储能方式。当飞轮以一定角速度旋转时，即就具有一定的动能，飞轮电池正是以其动能形式转换成电能的，且高技术型的飞轮用于储存电能
9、，可以看作是标准电池。飞轮电池中有一个复合电机(电动机/发电机)，充电时该电机作为电动机运转，在外界电源的驱动下，电机带动飞轮进行高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能进行能量存储；放电时，电机作为发电机 人不知而不愠，不亦君子乎？论语丈夫志四方，有事先悬弧，焉能钧三江，终年守菰蒲。顾炎武第 3 期 陈玉和:储能技术发展概况研究 149 运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能(动能)到电能的转换过程。当飞轮电池发出电能时，飞轮电池的飞轮在真空环境下转速逐渐下降。飞轮储能装置拥有传统化学电池无可比拟的优势，并且它的理论论证已经比较成熟，而且它的技术特点非常符合未来
10、能源储存技术的发展方向，因此该技术已经逐渐被人们所认同。目前，航天航空设备和其它的一些领域中不断地有飞轮技术出现的身影，而且人们也正在不断地开发应用于更多领域的飞轮储能装置，飞轮储能装置的应用正在逐渐丰富我们的生活，可以预见，未来几年，飞轮储能装置将会占据很大一部分的储能装置市场。飞轮储能装置的能量密度甚至与超级电容与电池等储能装置比都要大。同时，由于飞轮储能是纯物理储能，具有稳定可靠，对使用环境(温度、压力等)的要求低的优势，相比于不具备环保优势的化学储能方式，具有明显的优势。1.4 高温熔盐储能 高温熔盐储能市场自 2006 年起开始进入飞速发展，2006 至 2010 年的 5 年间，其
11、市场规模从 1 570 万美元猛增到 2.504 亿美元。得益于政府的一系列激励措施，特别是在西班牙，高温熔盐储能的年复合增长率高达 99.8%。到 2010 年底，高温熔盐储能市场的 97%份额应用在了聚光太阳能热发电(CSP)厂，这一领域已成为该储能技术应用的最大市场。全球范围内的高温熔盐储能市场基本集中于西班牙、美国和意大利三个国家。截止 2010 年底，全球范围内高温熔盐储能设备装机容量已达 1 572 MW，其中处于绝对领先地位的西班牙，其市场占份额最大，为 1 500 MW，美国 32 MW，意大利 40 MW。在太阳能热发电市场的推动下，高温熔盐储能市场将会迎来更加迅猛的发展。2
12、011 年全球的高温熔盐储能市场规模在2.11 亿美元，据乐观预计，到 2020 年，其市场规模将达 18.48 亿美元。2 化学储能 化学储能无疑是使用最多最广的一种储能方式，具有使用方便、环境污染小，并且能量不受卡诺循环限制及具有很高的转化效率等优点。其原理是利用化学反应转化电能的装置/系统，是一种直接的储能方式。其中，燃料电池一般由燃料、氧化剂、电极、电解液等组成，被誉为改变未来世界的十大科技之首。燃料电池中，一般采用氢作为燃料，而电极只用作化学反应的场所却并不参与化学反应，所以这种装置具有质量轻、不用充电、无污染工作可靠且寿命长等优点。不足之处是它用来维持能量的方式是通过不断补充燃料进
13、行供应，所以需要维护的时间比较长，这也限制了其应用范围，但是在汽车和电力工业中，燃料电池却倍受青睐。各类化学电池始终在朝着高容量、高功率、低污染、长寿命、高可靠性方向发展，不断扩大其应用范围。其中在提高能源利用率的基础上，能量供求时间与空间匹配的矛盾也被成功解决。无论是节能还是减排，无论是绿色新政，还是低碳经济，化学储能正被赋予诸多新的科学与社会意义。锌锰电池、锌镍电池、碱锰电池、铅酸电池、锂电池等产品阶段是化学电池的发展先后经过的阶段4。近年来，随着新理论及新材料的突破，燃料电池、金属空气电池、钠硫电池、锂离子电池、镍基电池、超级电容器及液流蓄电池等新型化学储能技术日益成为研究和商业化热点5
14、。3 电磁储能 3.1 超级电容储能 超级电容是一种双电层电容器，它是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的 以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。旧唐书魏征列传其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。论语 能源研究与信息 2012年 第 28 卷 150 一种。超级电容的基本原理是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。超级电容器的四大显著特点是使用寿命长、充放电效率高、环境适应力强、能量密度高，由此超级电容储能也是当今世界最值得研究的课题之一。超级电容器从诞生到现在，已经历了三十多年的发展历程。目前，微型的超级电容器在小型机械设备(例如电
15、脑内存系统、音频设备、照相机和间歇性用电的辅助设施)上得到广泛应用。而大尺寸的柱状超级电容器则多被用于汽车领域和自然能源采集上，可以预见超级电容器在该两大领域的未来市场上有着不可估量的巨大发展潜力。然而，超级电容器的研发工作一直蒙受电池(主要为镍氢电池、锂电池)的影响之下。相比于镍氢电池和锂电池很容易获得社会及地方政府的支持，因而极大地推动了该项技术交流，也更容易吸引全世界的关注，超级电容器却形成了鲜明对比，由于很难得到雄厚的资金支持(来源于国家、社会和政府)，因此其技术的进步和发展也就受到很大程度的制约。另外，高成本、低能量密度的超级电容器现状也无法与锂电池形成竞争，这使它在很多领域也备受冷
16、落。但是毋庸置疑，超级电容器凭借自身使用寿命长、高充放电效率等显著特点，只要找准自身发展的合适领域，未来发展的前景是非常巨大的。3.2 超导储能 在磁场中放置一个超导体圆环，周围温度被降至圆环材料的临界温度以下，然后该磁场被撤去，圆环中便由于电磁感应而产生感生电流。只要温度一直处于临界温度以下，该感生电流就会一直持续下去。试验数据表明，这种电流的衰减时间超过10 万年。显然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。超导储能装置是一种把能量储存于超导线圈的磁场中，通过电磁相互转换实现储能装置的充电和放电的先进储能方式。超导储能的优点是能量损耗非常小，因为在超导状态下线圈不具有电阻，而且它的主要存储性
17、能也很好，几乎不会对环境造成污染。缺点是实现超导的温度非常低，因此，持续维持线圈处于超导状态所需要的低温而花费的维护费用就十分昂贵。维持低温的费用过高就成为了人们在选择长期能量储备方式时不得不考虑的因素，这样便限制了超导储能应用的普及。但是，超导储能仍然是许多科研工作者的研究方向。3.3 超级电池 为了集化学电池与超级电容的优点于一身，利用其各自的优点，工程师们试图发明两者的混合体超级电池。超级电池的主要特点为成本较低、能量密度高、存储能量高、循环使用寿命长、环境适应能力强。高能量密度这一关键技术是工程师们需要解决的第一个难题，因为一旦攻克了这一难题，在运输行业和自然能源采集方面得到应用的高成
18、本、大功率超级电容器就可由超级电池替代。必将经历漫长的过程才能将理想的超级电池应用到市场中，但可喜的是，一些超级电池的雏形已经被一些先进的公司呈现给世人。虽然首批超级电池的循环寿命短、能量密度低，但相比超级电容器坎坷的发展经历，超级电池的未来要明朗得多。4 相变储能 相变储能技术是提高能源利用率的一种重要手段。该技术是一项利用高储能密度兼高导热率的物质的相变，储存、转换能量来达到充分利用能源的目的。相变储能技术主要分为相变蓄热技术和相变蓄冷技术。利用相变材料的相变潜热来实现能量的储存和利用，有助于提高能效和开发可再生能源，是近年来能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。吾日三省乎吾
19、身。为人谋而不忠乎？与朋友交而不信乎？传不习乎？论语勿以恶小而为之，勿以善小而不为。刘备第 3 期 陈玉和:储能技术发展概况研究 1514.1 相变蓄热技术 相变蓄热技术是为了解决在许多能源利用系统中存在的不协调的供能和耗能之间的关系，不合理的能量利用及大量白白浪费的能量。相变蓄热技术吸收与释放来储存和释放能量是利用相变材料PCM(Phase Change Materials)发生相变时进行的能量转化方式。因此，能量供求双方在时间、地点、强度上的不匹配可以得到有效缓解，能源被合理地应用、环境污染得到有效改善，并且广义热能系统可以得到优化运行6。相变蓄热技术在各个领域都有广泛的应用，它不仅能二次
20、利用工业废热及余热，减少环境污染，还可以实现节能减排，替代使用不可再生能源。在制冷、低温和高温范围内展开研究是国外一直的计划，其中很多已经实现商品化的要属制冷与低温范围的技术，其技术发展比较成熟。盐溶液、水合盐、石蜡类和脂肪酸类主要为法国、日本、澳大利亚等国家生产的主要相变蓄热产品类型。高温相变蓄热技术的发展得到了 20 世纪 80 年代美国实施的自由号空间站计划的极大推动6。4.2 相变蓄冷技术 相变蓄冷技术是利用相变材料在其本身发生相变的过程中，通过吸收并在必要时向环境放出冷量，从而实现电网负荷被平衡、环境温度被控制和节能等目的。它在制冷低温、暖通空调、建筑节能、热能回收、太阳能利用、航空
21、航天等领域都有广泛的应用前景。相变蓄冷技术主要分为三种：冰蓄冷技术；气体水合物蓄冷技术；潜热型功能热流体蓄冷技术。4.2.1 冰蓄冷技术 冰由于具有大蓄能密度，因此冰蓄冷所需的蓄冷槽体积比水蓄冷小得多，由此造成冰蓄冷槽易于布置在建筑物内或周围。冰蓄冷的主要缺点是：冰具有很低的相变温度，且由于蓄冰时存在较大的过冷度，导致能耗增加，且制冷机组的COP 降低7。4.2.2 气体水合物蓄冷技术 气体水合物蓄冷技术是利用气体水合物可以在水的正常冰点以下及冰点以上结晶固化的特点形成的特殊蓄冷技术。用制冷剂气体水合物作为蓄冷的高温相变材料可以克服冰、水、共晶盐等蓄冷介质的弱点。早期被研究的气体水合物蓄冷对大
22、气臭氧层有破坏作用，国内外随后对一些替代制冷剂气体水合物进行了研究，并已经得到了具有较好的蓄冷特性的制冷剂气体水合物7。4.2.3 潜热型功能热流体蓄冷技术 潜热型功能热流体是一种固液多相流体，其主要成分是特制的相变材料微粒和单相传热流体潜水，是通过两种成分相互混合而成的。混合成的流体状态分为相变乳状液和微胶囊乳状液两种。潜热型功能热流体蓄冷技术的特点是：潜热型功能热流体具有比较大的蓄冷密度，广泛的材料来源及低廉的价格，其中为蓄释冷过程中的强化传热创造条件，其相变前后都能保持流动状态7。5 结 论 本文将储能技术进行分类介绍，综述了各种储能技术的工作原理、应用场合、技术现状、优缺点以及它们各自
23、的应用前景。随着储能技术朝着具有高转换效率、高能量密度、低应用成本、环保且友好的环境方向发展，大力发展储能环节，可以更好地实现能源的高效综合利用，优化能源结构并保障能源安全供应。谋事在人，成事在天！增广贤文一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。增广贤文 能源研究与信息 2012年 第 28 卷 152 参考文献:1 田 军,朱永强,陈彩虹.飞储能技术在分布式发电中的应用J.电力系统,2010,4(8):28-42.2 程时杰,文劲宇,孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用J.电气应用,2005,24(4):1-6.3 常 乐,张敏吉,梁 嘉,等.储能在能源安全中的作用J.中外能源,2012,17
24、(2):29-35.4 李大勇,段焕强.新型化学储能技术的产业化J.高科技与产业化,2011,8(6):50-54.5 杨裕生,程 杰,曹高萍.规模储能装置经济效益的判据J.电池,2011,41(1):19-21.6 房丛丛,钱焕群.相变蓄热技术及其应用J.节能,2011,30(11):27-30.7 管 天.相变蓄冷技术的研究现状和发展J.冷藏技术,2007,30(3):44-49.A survey on the development of energy storage technologies CHEN Yuhe(Nanjing Normal University Investment
25、Co.,Ltd,Nanjing,210024,China)Abstract:The major problems for the energy construction in China today are low per capita energy reserves,outdated equipment and technologies for energy exploitation and utilization,and serious environmental pollution,etc.Therefore,the scientific and technological circle
26、s and enterprises have increasingly paid close attention to the energy storage technologies which have great research values and a vast range of prospects in applications.Those technologies have also become one of the research highlights in the global energy industry.There are four main patterns for
27、 energy storage,the physical energy storage,the chemical energy storage,the electromagnetic energy storage,and the phase change energy storage.In this paper,the energy storage technologies were introduced and their working principles,status quo,development prospects and merits or defects were discus
28、sed,which provides a reference for the further research of energy storage technologies.Key Words:energy storage technology;physical energy storage;chemical energy storage;electromagnetic energy storage;phase change energy storage 德国将于 2022 年前关闭国内所有核电站 德国环境部长洛特根于 2011 年 5 月 30 日宣布，德国将于 2022 年前关闭国内所有核
29、电站。德国由此成为首个宣布不再使用核能的主要工业国家。目前，德国共有 17 座核电站，全国用电总量中有四分之一来自核电。按照由德国基督教民主联盟、基督教社会联盟和执政伙伴自由民主党三党领导层达成的最新时间表，其中，7 座1980 年以前投入运营的核电站将永久性停运；其余 10 座核电站原则上将于 2021 年前关闭，但其中 3 座可能将在新能源无法满足用电需求的情况下“超期服役”一年。此番决定是德国执政联盟在日本福岛核电站事故后妥协的结果。2002 年，德国政府曾通过“核电逐步退出”法令，确定到 2022 年左右关闭德国境内全部核电站。2010 年 10 月，德国联邦议院通过了默克尔政府有关延长核电站运营期限的计划，将德国关闭最后一座核电站的时间由 2022 年推迟到大约 2035 年。(尹 航)