VENTURA 發電廠(站)發出的多余電能是如何存儲的?

在電網供電過程中發電與供電是同步進行的。一方面熱電站發出的電必須耗用不能儲存，在用電高峰期用最大功率發電供電仍然十分緊張，而在用電低谷期電力又大量剩余;另一方面水力發電普遍存在豐水期有電送不出只能大量放水，而枯水期又達不到用電所需;太陽能發電和風力發電也存在類似的問題。發電站的多余電能是否能儲存起來?其實很多知友已經給出了答案，理論上多余的電能是可以被儲存起來的，這篇文章探討的更多是——這些電能是如何被存儲起來的?

我們首先來看看，是怎樣的原理讓電能存儲得以實現。

能量是守恒的，電力的儲存和釋放可以通過物理和化學變化來實現。按照其能量形式，儲能分為物理形式和化學形式，詳見下圖。

在此基礎上，我們討論一下如何用不同的形式儲存電能——

1.抽水蓄能：抽水蓄能電站有一個建在高處的上水庫和一個建在電站下游的下水庫，抽水蓄能屬于機械儲能方式，由可逆式水輪發電機實現電能和儲存于上水庫中的水的重力勢能之間的轉化。

2. 壓縮空氣儲能：屬于機械儲能方式，通過空氣壓縮機和渦輪機實現電能和儲存于密閉氣室的空氣的勢能之前的轉化。

3.飛輪儲能：這是一種機械儲能方式。通過電動機(發電機)實現電能和飛輪轉動動能之間的轉化。

4. 超導線圈儲能：是一種電感儲能，將直流電以磁場形式儲存于超導螺旋管中。

5. 超級電容儲能：超級電容包括雙電層電容和法拉第準電容。前者是類似普通電容器一樣儲存電場能，后者實際發生了氧化還原反應，只是其充放電具有電容特性，儲存的是化學能。

6. 蓄電池儲能：無論是傳統的鉛酸電池還是現今的硫化鈉和鋰電池，都發生了電化學變化，顯然是化學儲能。

7. 氫儲能：氫儲能是燃料電池的主要形式，充放電都是氧化還原反應，也是一種化學儲能。

除超導和超級電容是直接儲存電磁場能量外，其他都是將電能轉化為其他能量形式儲存的。

這么多的電能儲存方式，分別都有哪些特點呢? 抽水儲能電站

抽水儲能最早于19世紀90年代在意大利和瑞士得到應用，迄今已有100多年的歷史，抽水儲能電站是當前唯一能大規模解決電力系統峰谷困難的一個途徑。它是以一定水量作為能量載體，通過能量轉換向電力系統提供電能的一種特殊形式的水電站。在電力負荷低谷時或豐水期，利用電力系統待供的富余電能或季節性電能，將下水庫中的水抽到上水庫，以位能形式儲存起來;待電力系統負荷高峰時或枯水季節，再將上水庫的水放下，送往電力系統。抽水蓄能電站既是一個吸收低谷電能的電力用戶，又是一個提供峰荷電力的水電站。這種方案的優點：技術上成熟可靠，容量可以做得很大，僅受到水庫庫容的限制。缺點：首先是建造受到地理條件的限制，必須有合適的高低兩個水庫。另外，在抽水和發電兩個過程中都有相當數量的能量被損失。還有一個缺點是這種抽水儲能電站受地理條件限制，一般都遠離負荷中心。不但有輸電損耗，且當系統出現重大事故而不能工作時，它也將失去作用。

2. 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能電站是20世紀50年代提出的。該系統把廉價的電力儲存起來，供高峰用電期使用。它利用過剩的非峰荷電帶動壓縮機，把地下的儲氣庫充滿空氣，以后再把空氣釋放出來，推動透平發電機發電。壓縮空氣儲能很早就用于氣動工具，它的原理和抽水儲能基本相同，因此只要做到較大規模，就可以用于解決峰谷差問題。這里最關鍵的是能否找到合適的儲存壓縮空氣的場所，例如密封的山洞或廢棄礦井等。目前，世界上只有少數國家建成了示范性電站。

3. 飛輪儲能

飛輪儲能也稱為飛輪電池。飛輪儲能裝置中有一個內置電機，它既是電動機也是發電機。在儲存電能時，它作為電動機給飛輪加速;當需要電能時，它又作為發電機給外設供電，此時飛輪的轉速不斷下降;而當飛輪空閑運轉時，整個裝置則以最小損耗運行。飛輪的加速和減速實現了充電和放電。由于采用變速恒頻的電力電子技術，輸出電能的頻率可保持不變。同時，飛輪機組可以制成單元型，根據需要組合成更大功率的裝置，并安裝在負荷附近。這樣既可根據需要逐步擴展，又可避免輸電損失。由于在實際工作中，飛輪的轉速可達40000～500000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強，進一步減少了整個系統的重量，同時，為了減少充放電過程中的能量損耗(主要是摩擦力損耗)，電機和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機械摩擦;同時將飛輪和電機放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率(輸入輸出)可以達到95%左右。飛輪儲能的研究主要著力于研發提高能量密度的復合材料技術和超導磁懸浮技術。其中超導磁懸浮是降低損耗的主要方法，而復合材料能夠提高儲能密度，降低系統體積和重量。

4. 磁場儲能(超導線圈儲能)

磁場儲能就是在電感中充入電流時存儲的磁場能。磁場儲能發揮其作用得益于超導線圈。它通過快速、高效的換流器與電力系統連接。由于超導線圈在運行時沒有電阻，因此它的儲能效率很高。同時它的電流密度遠高于常規線圈，可以做到很高的儲能密度。另外其響應時間只受控制回路的時間常數和換流器開關時間限制，因而響應速度很快，適合于在瞬變狀態下，例如電力系統的暫態過程下使用。它的缺點是需要深冷設備，即使是高溫超導線圈也要在液氮溫度下運行。當然，目前超導線圈儲能的實用技術上仍有一定的困難。需要在成本、高溫超導線材、變流器、控制策略、降低損耗和提高穩定性、失超保護技術等方面展開研究。

5. 電場儲能(超級電容儲能)

電場儲能就是利用電容器儲存電荷的能力來儲存電能。過去由于電容器的電容量太小，電容儲能只在弱電方面或高壓脈沖技術方面得到應用。隨著超級電容器的出現，電容儲能開始向能源領域進軍。所謂超級電容器，就是有超大電容量的電容器，它的電介質具有極高的介電常數，因此可以在較小體積內制成以法拉為單位的電容器，比一般電容量大了幾個數量級。電容器儲能同樣具有快速充放電能的優點，甚至比超導線圈更快。且不需要復雜的深冷設備。但超級電容器的電介質耐壓很低，制成的電容器一般僅有幾伏耐壓。如果能把電壓提高，則儲能將以平方的關系增長，這正是目前超級電容的研究方向。另外，由于它的工作電壓低，所以在實際使用中必須將多個電容器串聯使用。這就要求增加充放電的控制回路，使每個電容器能工作在最佳條件下，這也是需要研究的問題之一。盡管如此，超級電容儲能將在交通和能源領域中得到廣泛的應用。

6. 可充電電池儲能

可充電電池儲能也就是二次電池，也叫蓄電池。它是一種電化學儲能方式。由于它的價格、儲能密度等因素的限制，以前并不把它放在能源領域的儲能范圍之內。但近年來隨著技術進步，將可充電電池用于大規模儲能的情況也逐漸增多，特別是在獨立運行的風力或太陽能電站中，蓄電池已成為基本的儲能裝備。電池有多種類型。鉛酸電池是人們最熟悉的一種蓄電池，現在密封型免維護的鉛酸電池已成為這類電池的主流。堿性電池中的鎘鎳電池現在已被鎳氫電池逐步取代。與堿性電源相比，鉛酸電池有容量大、結構堅固、充放循環次數多等優點，但其價格也貴得多。這就限制了它在能源領域中的應用。另一類性能優異的電池是近年來被廣泛使用的鋰離子二次電池，它徹底解決了充放電的記憶效應，大大方便了使用，在制造過程中基本上避免了對環境的污染，有綠色電池之稱。主要缺點是價格太貴，如果能進一步提高儲能密度并降低成本，那么它將很有希望用于供電設備的儲能中。

7. 氫儲能(燃料電池)

氫儲能的提出主要是受到燃料電池成功開發的影響。在能源供應中，燃料電池目前已經達到了可供實際使用的階段。氫能具有以下主要優點：1)能量高。除核燃料外，氫的發熱值是目前所有燃料中最高的。2)氫燃燒性能好，點燃快。3)氫本身無色、無臭、無毒，十分純凈，它自身燃燒后只生成水和少量的氮化氫，而不會產生一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物、鉛化物和顆粒塵粉等對人體有害的污染物質，少量的氮化氫稍加處理后也不會污染環境，而且它燃燒后所生成的水，還可繼續制氫，反復循環使用。4)利用形式多，可以以氣態、液態或固態金屬氫化物出現，能適應貯運以及各種應用環境的不同要求。這正是吸引人們努力去研究它的原因。但燃料電池在應用和研究中，還存在一些問題急需解決，主要有：氫的制備問題;催化劑的價格問題;氫氣的儲存問題。

通過以上的介紹，我們可以知道，發電站發出的多余電能是可以被儲存的，只不過電能不能大量儲存是系統設計和運行的制約因素。21世紀的電力系統以綠色、高效、靈活、可靠作為建設目標。電能儲存技術是實現這一目標的重要措施之一，在提高電能質量和供電可靠性方面可發揮重要的作用。電能儲存技術的削峰填谷能力，是發電能力不穩定的風能、太陽能等可再生能源大規模并網的技術前提。

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