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可再生能源具有替代傳統(tǒng)能源發(fā)電的巨大潛力，但其間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性是重大問題，嚴(yán)重影響電網(wǎng)穩(wěn)定性和負(fù)載平衡，導(dǎo)致供需不匹配。儲(chǔ)能技術(shù)可用于促進(jìn)可再生能源的利用、提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)頻率，還可用于電網(wǎng)調(diào)峰、平滑負(fù)荷、提高用電設(shè)備利用率及降低用電成本。然而，儲(chǔ)能技術(shù)種類繁多，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中科學(xué)地選擇儲(chǔ)能技術(shù)顯得尤為重要。

儲(chǔ)能包括儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷三種形式，在儲(chǔ)電方面又分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能。與化學(xué)儲(chǔ)能相比，物理儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)更顯著，如壽命長(zhǎng)、方便維修、安全性強(qiáng)等，已經(jīng)成為可再生能源發(fā)電配套的重要選項(xiàng)。新型物理儲(chǔ)能是指除抽水蓄能外的新型電儲(chǔ)能技術(shù)，包括壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能等。本文主要分析三種新型物理儲(chǔ)能方式的原理及技術(shù)路線等，并總結(jié)了每種儲(chǔ)能方式的優(yōu)勢(shì)和不足，在新能源發(fā)電及電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等領(lǐng)域中，為新型物理儲(chǔ)能技術(shù)路線的選擇提供參考。

1 壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)路線及主要設(shè)備

壓縮空氣儲(chǔ)能是指在充電過程中利用電網(wǎng)中低谷電或新能源中不穩(wěn)定的棄風(fēng)、棄光等電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，吸取環(huán)境空氣并將其壓縮至高壓空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣裝置中，使電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能；在放電過程中，釋放出高壓空氣，推動(dòng)空氣膨脹機(jī)做功發(fā)電，使壓縮空氣的內(nèi)能重新轉(zhuǎn)化為電能。

1.1 傳統(tǒng)補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能

系統(tǒng)在膨脹機(jī)前需要設(shè)置燃燒室，通過燃料燃燒來加熱膨脹機(jī)入口的壓縮空氣，以提升空氣膨脹機(jī)進(jìn)氣溫度，提高空氣做功能力。其主要設(shè)備有空氣壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)氣室、燃燒器等。

1.2 先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能

在壓縮過程中，通過采取良好的保溫隔熱措施，盡量降低壓縮機(jī)與環(huán)境的換熱而減少熱量耗散，可以使壓縮過程最大限度地接近絕熱壓縮過程，或者說實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)絕熱壓縮過程。釋能過程中，儲(chǔ)存的壓縮熱能可用于加熱膨脹機(jī)入口空氣，實(shí)現(xiàn)無須補(bǔ)充燃料的非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能。其主要設(shè)備有壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、換熱器、蓄熱器、膨脹機(jī)和儲(chǔ)氣室等。

1.3 等溫壓縮空氣儲(chǔ)能

在加壓過程中通過連續(xù)冷卻空氣來降低熱量損失，并且在氣體釋放過程中使用回收的壓縮余熱來維持等溫膨脹。其主要設(shè)備有液體活塞、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)氣室、液壓泵和液壓馬達(dá)等。

1.4 液態(tài)空氣儲(chǔ)能/超臨界空氣儲(chǔ)能

儲(chǔ)能過程中，利用電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)壓縮空氣并液化儲(chǔ)存在液態(tài)空氣儲(chǔ)罐中，同時(shí)回收未液化空氣的冷能。釋能時(shí)，液態(tài)空氣經(jīng)過泵加壓后經(jīng)過蓄冷器回收并儲(chǔ)存冷能，此時(shí)液態(tài)空氣已經(jīng)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)空氣，氣態(tài)空氣通過加熱器形成高溫高壓空氣推動(dòng)空氣膨脹機(jī)做功。其主要設(shè)備有壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、液態(tài)空氣儲(chǔ)罐、換熱器、節(jié)流閥、蓄冷器、蓄熱器和低溫泵等。

1.5 壓縮空氣儲(chǔ)能＋外部熱源耦合

系統(tǒng)在膨脹過程中利用太陽能、風(fēng)能、工業(yè)廢熱或電廠余熱等熱源來逐級(jí)加熱高壓空氣，提高空氣做工能力。其主要設(shè)備有壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、換熱器、外熱源、膨脹機(jī)和儲(chǔ)氣室等。

2 重力儲(chǔ)能的技術(shù)路線及主要設(shè)備

重力儲(chǔ)能系統(tǒng)主要利用谷電或過剩電力驅(qū)動(dòng)起重機(jī)等設(shè)備提升重物儲(chǔ)存勢(shì)能，用電高峰時(shí)重物下落帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，重物一般選擇金屬、砂石、混凝土等密度較大的建筑廢料。

2.1 海下儲(chǔ)能系統(tǒng)

在海洋底部放置中空球體，當(dāng)水從球體中被抽出來時(shí)儲(chǔ)存能量。釋能時(shí)，在海水靜壓力的作用下，海水會(huì)流入中空球體內(nèi)，并通過渦輪機(jī)發(fā)電。其主要設(shè)備有發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)、水泵、中空球體儲(chǔ)罐等。

2.2 活塞水泵結(jié)構(gòu)

在有富余電力時(shí)利用液壓系統(tǒng)舉起活塞。當(dāng)需要電力時(shí)，活塞下沉，利用活塞的重量擠壓密封儲(chǔ)水池中的水流經(jīng)渦輪機(jī)發(fā)電。其主要設(shè)備有發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)、活塞、水泵等。

2.3 基于構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)

基于構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)重力儲(chǔ)能方式包括儲(chǔ)能塔結(jié)構(gòu)、支撐架和承重墻等。儲(chǔ)能塔結(jié)構(gòu)是依靠起重機(jī)將重物以碼垛的形式堆疊到一定高度來儲(chǔ)存能量，釋能時(shí)依次放下重物。支撐架和承重墻結(jié)構(gòu)原理與儲(chǔ)能塔結(jié)構(gòu)類似，利用支撐架或承重墻支撐和堆疊重物。其主要設(shè)備有起重機(jī)、重物、支撐架、滑輪組、發(fā)電機(jī)／電動(dòng)機(jī)等。

2.4 基于山體落差－機(jī)車斜坡軌道系統(tǒng)

機(jī)車斜坡軌道結(jié)構(gòu)的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)采用成熟的軌道技術(shù)，儲(chǔ)能時(shí)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)大量機(jī)車上坡，將電力轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能。當(dāng)釋能時(shí)，大量機(jī)車在重力的作用下運(yùn)動(dòng)至山下，此時(shí)鏈條帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。其主要設(shè)備有起重機(jī)、機(jī)車、軌道、鏈條、發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)等。

2.5 基于山體落差－山地纜繩索道結(jié)構(gòu)

山地纜繩索道結(jié)構(gòu)的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)原理是在陡峭的峽谷或山的邊緣建造兩臺(tái)起重機(jī)，儲(chǔ)能時(shí)通過閥門釋放儲(chǔ)存的砂子和礫石并將其裝載到儲(chǔ)存容器中，利用纜繩或索道結(jié)構(gòu)將重物從較低的儲(chǔ)存地點(diǎn)移動(dòng)到較高的山體上。其主要設(shè)備有砂礫儲(chǔ)存站、起重機(jī)、纜繩、存放砂石的筐、發(fā)電機(jī)／電動(dòng)機(jī)等。

2.6 基于地下豎井

儲(chǔ)能時(shí)利用電能來提升懸掛的重物以儲(chǔ)存能量。釋能時(shí)重物落下至豎井底部釋放能量。其主要設(shè)備有支架、滑輪、纜繩、電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)、重物、卷筒、液力耦合器等。

3 飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)路線及主要設(shè)備

飛輪儲(chǔ)能是一種簡(jiǎn)單的動(dòng)能存儲(chǔ)形式，充電時(shí)電能轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，放電時(shí)轉(zhuǎn)子機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并且系統(tǒng)的響應(yīng)速度非?？欤軌蛟诙虝r(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率的存儲(chǔ)。隨著磁軸承和高效電機(jī)/發(fā)電機(jī)的引入，飛輪儲(chǔ)能已成為新型物理儲(chǔ)能中的有力競(jìng)爭(zhēng)者。飛輪儲(chǔ)能主要設(shè)備有飛輪轉(zhuǎn)子、軸承系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電力電子變換器以及真空室。

3.1 軸承

目前飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)按選擇的軸承不同有以下四種技術(shù)路線：

(1)機(jī)械球軸承

機(jī)械球軸承具有初始成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但很少用于支撐飛輪轉(zhuǎn)子，原因是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，摩擦損失大。在大多數(shù)情況下，球軸承與磁軸承輔助使用，或作為捕捉軸承，在磁軸承失效時(shí)捕捉轉(zhuǎn)子。磁軸承與轉(zhuǎn)子無接觸，損耗小，不磨損，不需要潤(rùn)滑，缺點(diǎn)是成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(2)被動(dòng)磁軸承

被動(dòng)磁軸承系統(tǒng)沒有外部控制，由永磁體組成，永磁體提供懸浮飛輪的斥力。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子先在機(jī)械備用軸承上旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過某個(gè)臨界速度，被動(dòng)磁軸承就會(huì)發(fā)揮作用。被動(dòng)磁軸承的剛度較低，且在轉(zhuǎn)子振動(dòng)過程中剛度無法調(diào)節(jié)。

(3)主動(dòng)磁軸承

主動(dòng)磁軸承系統(tǒng)利用位置反饋控制器和一組電磁制動(dòng)器使轉(zhuǎn)子懸浮，功率放大器將電流驅(qū)動(dòng)到制動(dòng)器，制動(dòng)器激發(fā)磁場(chǎng)并產(chǎn)生力使轉(zhuǎn)子懸浮。非接觸式渦流位置傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子瞬時(shí)位置，并將信號(hào)送入主動(dòng)磁軸承控制器，將位置設(shè)定值與實(shí)際值進(jìn)行比較，控制功率放大器的輸出電流。反饋控制器通過主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的剛度和阻尼來降低飛輪轉(zhuǎn)子的振動(dòng)。

(4)超導(dǎo)磁軸承

超導(dǎo)磁軸承由超導(dǎo)定子和永磁轉(zhuǎn)子組成，飛輪利用高溫超導(dǎo)體的作用力實(shí)現(xiàn)無接觸懸浮。超導(dǎo)磁軸承的成功利用仍然需要被動(dòng)磁軸承和主動(dòng)磁軸承，并且儲(chǔ)能系統(tǒng)里的低溫恒溫器表面的渦流和高溫超導(dǎo)體的磁滯容易造成超導(dǎo)磁軸承旋轉(zhuǎn)損耗。

3.2 飛輪轉(zhuǎn)子材料

飛輪儲(chǔ)能轉(zhuǎn)子材料的強(qiáng)度和密度決定了飛輪轉(zhuǎn)子的能量容量。碳纖維復(fù)合材料和合金鋼是制造轉(zhuǎn)子常用的兩種材料。更高強(qiáng)度的轉(zhuǎn)子意味著可實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速，因此復(fù)合轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)/分鐘，而鋼制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通常為數(shù)千轉(zhuǎn)/分鐘。材料的選擇取決于能源需求、風(fēng)險(xiǎn)、成本和應(yīng)用領(lǐng)域。

4 三種新型物理儲(chǔ)能方式對(duì)比

對(duì)三種新型物理儲(chǔ)能進(jìn)行了技術(shù)比較，重力儲(chǔ)能的成本最低，響應(yīng)速度為秒級(jí)，但是以固體為介質(zhì)的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)功率等級(jí)最大只達(dá)到５０ＭＷ，適用于建設(shè)中等容量和功率的儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過增加被提升物的質(zhì)量和提升高度可提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率和容量?；钊媒Y(jié)構(gòu)的重力儲(chǔ)能雖然可以達(dá)到２７５０ＭＷ功率等級(jí)，但是技術(shù)不成熟，活塞與水池壁之間的密封性使其足以抵抗水壓是該項(xiàng)技術(shù)最大的難點(diǎn)。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以達(dá)到３００ＭＷ功率等級(jí)，容量可達(dá)到１８００ＭＷ·ｈ，并且能量密度大，適合作為大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能模式。壓縮空氣儲(chǔ)能響應(yīng)速度與功率、能量成本都介于重力儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能之間，運(yùn)行壽命較長(zhǎng)，但是在不耦合其他外部熱源的情況下，其能量轉(zhuǎn)換效率要低于飛輪儲(chǔ)能。飛輪儲(chǔ)能的能量轉(zhuǎn)換效率最高，但飛輪儲(chǔ)能的缺點(diǎn)是系統(tǒng)存在摩擦損耗，自放電率高，運(yùn)行壽命也相對(duì)較短，并且初始成本相對(duì)較高，功率等級(jí)低，可以通過設(shè)置多個(gè)飛輪組成飛輪組來提高整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率等級(jí)。

5 三種新型物理儲(chǔ)能方式發(fā)展趨勢(shì)

(1)壓縮空氣儲(chǔ)能

國(guó)內(nèi)３００ＭＷ級(jí)以上大型壓縮空氣儲(chǔ)能設(shè)備制造技術(shù)尚不成熟，３００ＭＷ級(jí)壓縮空氣儲(chǔ)能電站的系統(tǒng)集成、關(guān)鍵設(shè)備研制、自動(dòng)控制及智能化運(yùn)行技術(shù)亟須開發(fā)突破。液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)和超臨界壓縮空氣系統(tǒng)能量密度大，儲(chǔ)氣裝置體積小，但系統(tǒng)熱量損失大，儲(chǔ)能效率低，未來可逐步解決能量損失大的技術(shù)問題。采用液態(tài)／超臨界空氣儲(chǔ)能技術(shù)＋外部熱／冷源耦合的方式，可提高系統(tǒng)儲(chǔ)能效率，小容量?jī)?chǔ)氣罐也解決了對(duì)熱源地和儲(chǔ)氣裝置選址的限制問題，適合未來的發(fā)展方向。

(2)重力儲(chǔ)能

可根據(jù)不同地理位置和儲(chǔ)能容量需求來設(shè)計(jì)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)方案，儲(chǔ)能介質(zhì)可以選擇混凝土、砂石等建筑廢料，可有效提高系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。基于山體落差和地下豎井的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，承重能力強(qiáng)，相關(guān)的電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)技術(shù)、吊裝技術(shù)等將會(huì)被重點(diǎn)關(guān)注。通過建設(shè)多個(gè)重力儲(chǔ)能系統(tǒng)集群，可以使其儲(chǔ)能容量和功率更大，從而適合大規(guī)模儲(chǔ)能方案，但是同時(shí)選址會(huì)受到相應(yīng)限制。

(3)飛輪儲(chǔ)能

在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中相比于機(jī)械軸承、主／被動(dòng)磁軸承和超導(dǎo)磁軸承，混合軸承（不同軸承的混合）可達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，更具有研究?jī)r(jià)值。高轉(zhuǎn)速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)子質(zhì)量小、體積小、儲(chǔ)能密度高，優(yōu)勢(shì)更明顯，更具有發(fā)展前景。提高轉(zhuǎn)速是提高飛輪儲(chǔ)能量的有效途徑，轉(zhuǎn)速提升的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)子材料，大多飛輪轉(zhuǎn)子材料可承受的邊緣線速度較低，限制了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展，可承受高速旋轉(zhuǎn)的復(fù)合材料轉(zhuǎn)子飛輪適合未來發(fā)展趨勢(shì)。

6 結(jié)論

本文主要對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)路線進(jìn)行分析對(duì)比以及探討其發(fā)展趨勢(shì)。通過分析可以看出，壓縮空氣儲(chǔ)能更適合作為大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能模式，在壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)路線中液態(tài)空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)能量密度大，選址更靈活，但儲(chǔ)能效率低，未來可逐步解決能量損失大等技術(shù)問題。重力儲(chǔ)能可選擇建筑廢料作為儲(chǔ)能介質(zhì)，更具有成本優(yōu)勢(shì)。飛輪儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)換效率高，但是功率等級(jí)相對(duì)較低，可研發(fā)復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子來提升儲(chǔ)能功率。重力儲(chǔ)能與飛輪儲(chǔ)能更適用于建設(shè)中等容量和功率的儲(chǔ)能系統(tǒng)，但是通過建設(shè)多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)集群可以使其儲(chǔ)能功率和容量增大。

原標(biāo)題：新型物理儲(chǔ)能技術(shù)路線展望