中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊： 在各種儲(chǔ)能技術(shù)中，化學(xué)儲(chǔ)能的發(fā)展速度一直領(lǐng)先于物理儲(chǔ)能。但今年7月初，英利集團(tuán)透露了下一個(gè)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)和高產(chǎn)出項(xiàng)目——飛輪儲(chǔ)能設(shè)備，預(yù)計(jì)今年年底將推出第一批樣機(jī)，“十二五”期間將生產(chǎn)至少45萬臺(tái)。
除了飛輪儲(chǔ)能，抽水儲(chǔ)能一直以來被廣泛應(yīng)用，而另一種新的物理儲(chǔ)能方法——壓縮空氣儲(chǔ)能也受到越來越多的關(guān)注，同時(shí)，中科院電工研究所的科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)儲(chǔ)能的研發(fā)也取得進(jìn)展?？梢哉f，隨著能源體系對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)需求的提升，一直以環(huán)境污染小，運(yùn)行穩(wěn)定性高著稱的物理儲(chǔ)能技術(shù)正在迅速升溫，開始與化學(xué)儲(chǔ)能競(jìng)爭(zhēng)主角地位。
飛輪儲(chǔ)能：充放快捷、能量密度最大
早在上世紀(jì)50年代，瑞士歐瑞康公司就開發(fā)出飛輪儲(chǔ)能巴士。但此后三四十年間，由于高速旋轉(zhuǎn)飛輪驅(qū)動(dòng)、飛輪軸承摩擦等問題都難以解決，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展非常緩慢。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由高速飛輪、軸承支撐系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、功率變換器、電子控制系統(tǒng)和真空泵、緊急備用軸承等附加設(shè)備組成。谷值負(fù)荷時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由工頻電網(wǎng)提供電能，帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存能量，完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；出現(xiàn)峰值負(fù)荷時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)功率變換器輸出電流和電壓，完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。
與其他形式的儲(chǔ)能技術(shù)相比，飛輪儲(chǔ)能具有使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能密度高、不受充放電次數(shù)限制、安裝維護(hù)方便、對(duì)環(huán)境危害小等優(yōu)點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能功率密度大于5 kW/kg，能量密度超過20 Wh/kg，效率在90%以上，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)達(dá)20年，工作溫區(qū)為40℃~50℃，無噪聲，無污染，維護(hù)簡(jiǎn)單，可連續(xù)工作，積木式組合后可以實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)，輸出持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，主要用于不間斷電源（UPS）、應(yīng)急電源（EPS）、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制。
目前，國外已有公司和研究機(jī)構(gòu)嘗試將飛輪儲(chǔ)能引入風(fēng)力發(fā)電。其中，德國琵樂公司（Piller）的飛輪儲(chǔ)能具備在15秒內(nèi)提供1.65兆瓦電力的能力；美國Beacon power公司（BCON）的20兆瓦飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)已在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)開建，用來配合當(dāng)?shù)仫L(fēng)場(chǎng)，建成后可以滿足紐約州10%的儲(chǔ)能需要。
不過，飛輪儲(chǔ)能還具有很大的局限性。對(duì)于電網(wǎng)來說，可根據(jù)時(shí)間長(zhǎng)短將儲(chǔ)能分為三大塊：時(shí)間最長(zhǎng)的是能源管理，包括抽水儲(chǔ)能電站、壓縮空氣儲(chǔ)能和蓄電池。時(shí)間稍短的是過渡能源，通?？啃铍姵亟鉀Q。然而，時(shí)間最短的則是超級(jí)電容和飛輪。
據(jù)了解，飛輪儲(chǔ)能需要電能的持續(xù)輸入，以維持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒定。一旦斷電，飛輪儲(chǔ)能通常只能維持一兩分鐘。這也意味著，飛輪儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)不在于時(shí)間的長(zhǎng)短，而是充放的快捷。
早在上世紀(jì)80年代初期，中國科學(xué)院電工研究所就開始了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的探索，但之后國內(nèi)沒有開展實(shí)質(zhì)性的研究工作。直到上世紀(jì)90年代中期，在國外技術(shù)進(jìn)步的影響下，國內(nèi)的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)才逐步興起。但有專家認(rèn)為與國外技術(shù)水平差距在10年以上。
不過，光伏巨頭英利集團(tuán)涉足飛輪儲(chǔ)能消息的發(fā)布，與上述專家的觀點(diǎn)形成了鮮明的對(duì)比，立即引起了業(yè)界極大的興趣和關(guān)注。一向走在行業(yè)前沿、擅長(zhǎng)“蛙跳”戰(zhàn)術(shù)的英利此舉，意味著中國的新能源企業(yè)正逐步走向行業(yè)最前沿的尖端領(lǐng)域。據(jù)《財(cái)新網(wǎng)》報(bào)道，其技術(shù)已經(jīng)超過了歐美，國產(chǎn)化率達(dá)到了80%。當(dāng)前電機(jī)中飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)6萬轉(zhuǎn)/秒，將來會(huì)達(dá)到14萬轉(zhuǎn)/秒，而僅耗費(fèi)所儲(chǔ)能的2%以下。
抽水儲(chǔ)能：大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)
技術(shù)成熟、低成本、循環(huán)水利用等優(yōu)勢(shì)，使得抽水儲(chǔ)能廣泛應(yīng)用。
所謂抽水儲(chǔ)能是間接儲(chǔ)存電能的一種方式，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和提供系統(tǒng)的備用容量，還可以提高系統(tǒng)中火電站和核電站的運(yùn)行效率，是電網(wǎng)運(yùn)行管理的重要工具。
據(jù)《科學(xué)時(shí)報(bào)》了解，抽水儲(chǔ)能利用下半夜過剩的電力驅(qū)動(dòng)水泵，將水從下水庫抽到上水庫儲(chǔ)存起來，然后在次日白天和前半夜將水放出發(fā)電，并流入下水庫。在整個(gè)運(yùn)作過程中，雖然部分能量會(huì)在轉(zhuǎn)化間流失，但相比之下，使用抽水儲(chǔ)能電站仍然比增建煤電發(fā)電設(shè)備來滿足高峰用電而在低谷時(shí)壓荷、停機(jī)這種情況來得便宜，效益更佳。
上世紀(jì)六七十年代，日本、美國、西歐等國家和地區(qū)進(jìn)入抽水儲(chǔ)能電站建設(shè)的高峰期。截至2008年，美國和西歐經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家抽水儲(chǔ)能機(jī)組容量占世界抽水儲(chǔ)能電站總裝機(jī)容量55%以上，其中：美國約占3%，日本則超過了10%，中國、韓國和泰國3個(gè)國家在建抽水儲(chǔ)能電站17.53GW，加上日本后達(dá)到24.65GW。
雖然，抽水儲(chǔ)能是目前唯一一種實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)，但由于建設(shè)抽水儲(chǔ)能需要特殊的地理?xiàng)l件，同時(shí)，效率僅有70%左右，建設(shè)期長(zhǎng)達(dá)8~10年等因素，它的發(fā)展也受到了一定制約。
在我國，抽水儲(chǔ)能電站的設(shè)計(jì)規(guī)劃已形成規(guī)范。機(jī)組由早期的四機(jī)、三機(jī)式機(jī)組發(fā)展為水泵水輪機(jī)和水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)組成的二機(jī)式可逆機(jī)組，極大地減小了土建和設(shè)備投資。
中國電力科學(xué)研究院張文亮在其論文《儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用》中認(rèn)為，為進(jìn)一步提高整體經(jīng)濟(jì)性，機(jī)組正向高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量方向發(fā)展，現(xiàn)已接近單級(jí)水泵水輪機(jī)和空氣冷卻發(fā)電電動(dòng)機(jī)制造極限，今后的重點(diǎn)將立足于對(duì)振動(dòng)、空蝕、變形、止水和磁特性的研究，著眼于運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，在水頭變幅不大和供電質(zhì)量要求較高的情況下使用連續(xù)調(diào)速機(jī)組，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率控制。同時(shí)，提高機(jī)電設(shè)備可靠性和自動(dòng)化水平，建立統(tǒng)一調(diào)度機(jī)制以推廣集中監(jiān)控和無人化管理。
中國南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車研究所風(fēng)電事業(yè)部技術(shù)總監(jiān)郭知彼在接受媒體采訪時(shí)坦言，盡管其他新興儲(chǔ)能方式正在不斷取得發(fā)展，但短時(shí)間內(nèi)，由于其他儲(chǔ)能方式的污染和成本等問題，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域，抽水儲(chǔ)能仍將是最主要的方式。
壓縮空氣儲(chǔ)能：高效率儲(chǔ)能技術(shù)
壓縮空氣儲(chǔ)能電站（CAES）是一種用來調(diào)峰的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力壓縮空氣，并將其儲(chǔ)藏在典型壓力7.5 MPa 的高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過程中，燃料的2/3 用于空氣壓縮，其燃料消耗可以減少1/3，所消耗的燃?xì)庖瘸Ｒ?guī)燃?xì)廨啓C(jī)少40%，同時(shí)可以降低投資費(fèi)用、減少排放。
值得注意的是，壓縮空氣儲(chǔ)能電站建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水儲(chǔ)能電站，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制。不過，壓縮空氣儲(chǔ)能電站的優(yōu)勢(shì)也非常明顯，其儲(chǔ)氣庫漏氣開裂可能性極小，安全系數(shù)高，壽命長(zhǎng)，可以冷啟動(dòng)、黑啟動(dòng)，響應(yīng)速度快，主要用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負(fù)荷、頻率調(diào)制、分布式儲(chǔ)能和發(fā)電系統(tǒng)備用。
盡管這種“壓縮氣體能源儲(chǔ)備”的概念已經(jīng)提出了30多年，但目前全世界僅有德國、美國兩家壓縮空氣發(fā)電廠。
這兩家發(fā)電廠分別創(chuàng)建于19世紀(jì)中后期和19世紀(jì)末。目前，兩家壓縮空氣發(fā)電廠都運(yùn)營正常。同時(shí)，美國艾奧瓦州正在建設(shè)全球第三家壓縮空氣發(fā)電廠，負(fù)責(zé)“艾奧瓦儲(chǔ)備能源公園”(ISEP)項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作的美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)得到了來自美國能源部的資金支持，預(yù)計(jì)將于2012年投入運(yùn)營。
據(jù)了解，艾奧瓦儲(chǔ)備能源公園是一個(gè)壓縮空氣發(fā)電廠，該發(fā)電廠將充分利用艾奧瓦州豐富的風(fēng)力資源作為發(fā)電廠的運(yùn)行能源，存儲(chǔ)容量可用于50小時(shí)發(fā)電。一旦該項(xiàng)目開始運(yùn)營，其每年發(fā)電量將占艾奧瓦州用電量的20%左右，每年可以為艾奧瓦州節(jié)省大約500萬美元的能源成本。
不過，建設(shè)壓縮空氣發(fā)電廠并非易事。建設(shè)的首要任務(wù)之一，就是必須找到一個(gè)支持空氣壓縮存儲(chǔ)的地質(zhì)空間，但這需要占用大面積土地，因此，選址也成為制約其發(fā)展的決定性因素之一。
盡管在壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)準(zhǔn)備相關(guān)設(shè)施的時(shí)候產(chǎn)生很多費(fèi)用，但是相關(guān)科學(xué)家還是認(rèn)為這種形式的儲(chǔ)存模式比制造電池便宜得多。另外，它的高容量和高效率已成為其區(qū)別于其他儲(chǔ)能方式的決定性優(yōu)勢(shì)。
