陆 宇 汤雪华 唐丽婵

（上海电气集团股份有限公司 中央研究院，中国 上海 200070）

0 引言

电能已成为人类日常生活中最重要的能源之一。进入21世纪以来，人们对电能质量的要求不断增长，而传统的电力系统已经无法很好地满足用户需求。同时，随着社会的发展，环境污染和资源浪费等问题变得越来越严重，因此人们对地热能、海洋能、生物质能等新能源进行了开发和利用。但是，由于新能源发电的不稳定性和断续性，大规模的并网运行将会导致不可预计的后果。为了既满足人们的用电需求，又能够不污染环境，储能技术则显得格外重要。它能将地热能、海洋能等新能源储存起来，在适当的时候提供电能，起到了既不污染环境又能发电的作用。

1 储能技术的研究

储能技术历经了几十年的发展，其方式可以大致分为四类：物理储能、化学储能、电磁储能以及相变储能。每种储能方式又可以细分如下。物理储能主要包括压缩空气储能、抽水储能和飞轮储能；化学储能则主要有锂离子电池储能、钠流电池储能、铅酸电池储能等；电磁储能则包括超级电容和超导储能，其中超导储能是指将能量存储在以超导材料所制成的线圈中。当需要能量供应时，线圈中的能量便可以释放出来[1]。下面就介绍几种常用的储能方式。

1.1 物理储能

1.1.1 压缩空气储能

压缩空气储能顾名思义，就是把空气进行压缩并存储在高压密封的空洞中。这些空洞可以是地下报废的矿井、深海中的储气罐亦或是被封闭的山洞等。压缩空气储能其本质实际上是一种燃气轮机发电厂，它所起到的主要作用是节能和环保。当电网用电负荷处于低谷时，利用电网过剩电力将空气进行压缩，并把压缩的空气储藏在高压密封的空洞中；当电网负荷处于高峰状态时，则将之前储藏的空气释放出来驱动燃气轮机发电[2]。

相比于传统的燃气轮机而言，压缩空气储能所消耗的燃气至少可以节约40%。从商业角度来看，德国曾在1979年就已成功建立了290MW的压缩空气储能发电厂，而美国则于1991年完成了110MW的发电厂，至今仍处于运行状态[3]。总之，压缩空气储能技术发展至今已相对比较成熟，并且可以带来一定的经济效益，但是这种技术主要受地理条件所限制，在城市中运用的可能性极小，比较适合于有密封空洞的偏远地区。

1.1.2 抽水储能

抽水储能技术是所有储能技术中最完善、应用最广、容量也最大的一种技术。它在调峰调频和稳定电网等方面有着举足轻重的作用。抽水储能系统主要由以下几部分组成：上游水库、下游水库、传输和发电系统。当用电负荷处于低谷时，储能系统的电动机就会启动，将下游水库中的水抽到上游水库中并存储起来，这一动作是将电能转换为势能的过程；而当用电负荷处于高峰状态时，则利用势能转换为电能，将上游水库的水放到下游水库中去。

利用抽水储能技术所建造的电站，其容量大小可以按照用户需求来决定，设备的寿命基本上可以维持30到40年，其整体工作效率一般在77.5%左右。目前，世界上已有超过至少90GW的抽水储能系统处于运行中[4]。该项技术最大的特点就是它可以存储非常多的能量，技术方面相对稳定可靠。但是，它的缺点主要是受到地理条件的限制，往往会建造在比较偏远的地方。这样，在整个电力传输过程中不仅会造成电力的损耗，而且当系统运行出现故障时，也难以在第一时间进行维修。

1.1.3 飞轮储能

飞轮储能技术已存在大约有200多年的历史，它是一种基于机械运动的储能方式。当系统处于储能阶段时，利用电动机驱动飞轮高速旋转，将电能转换为动能；而在用电高峰时，高速旋转的飞轮则将动能转换为电能，使电动机作为发电机运行释放能量。飞轮储能的主要优点有建造周期短、设备运行使用时间长、储存能量高、环保无污染等。但是维护成本高、自放电率高也是其主要缺点。

目前，基于飞轮储能技术国内外都已研制出了一些产品。例如：中国科学院的电工研究所就已经研制出了基于飞轮储能技术的高速电机；美国的艾泰沃公司研制出了500kW的直流清洁能源等[5]。此外，该项技术还有一个良好的应用前景，就是可将其应用于电动汽车上。当电动汽车处于刹车制动时，飞轮可以吸收能量；而在高速行驶时，则可以把飞轮储存的能量释放出来用于加速。

1.2 电池储能

电池储能是所有储能技术中应用最广泛、也最为人所熟悉的一种技术。其本质是化学能和电能之间的一种能量转换。电池储能为新能源的发展提供了良好的基础。一方面，可以将太阳能、风能这种新能源所提供的能量储存起来，在用户需要时提供电能；另一方面，也可以在电网用电低谷时将多余电能储存起来，在用电高峰时释放出来，起到削峰填谷的作用。

按照电池所使用的不同材料，我们可以将电池分为锂离子电池、钠流电池、铅酸电池等[6]。而每种电池都有各自的特点。

1.2.1 锂离子电池

锂离子电池最早是在1992年由SONY公司研制出的，该电池具有储能密度高、体积小、使用寿命长、环保等特点。在所有储能电池中，锂离子电池不仅解决了充放电过程中的记忆效应，并且它的循环效率和储能密度也相比其他电池高很多。然而，如果要大规模应用锂离子电池储能还有一些问题需要解决。首先，锂离子电池由于在制作过程中加入了充电保护电路致使其成本较高；其次，在大规模应用锂离子电池时，必须解决电池的一致性问题。否则，电池在长时间使用以后会使电池性能急剧下降。

1.2.2 钠流电池

近20多年来，有关钠硫电池的研究已有了重大突破，并且在一些国家都已实现了商业化。例如：日本京瓷公司所研制的钠流电池储能系统已有100多套投入运营中，其总容量已超过100MW。钠流电池具有较高的储能密度，可达140KWh/m3，其整体的效率大约在80%左右，整体的充放电次数至少可以达到6000多次。但是，和锂离子电池一样，由于其高额的成本致使其大规模的应用成为瓶颈。

1.2.3 铅酸电池

在电池储能领域中铅酸电池具有较早的历史，发展至今已有150多年的历史。该电池因其成熟的技术以及相对较低的成本成为了电池储能领域中的首选。但是，由于其可充放电的次数以及能量密度相比其他储能电池有明显的弱势，所以随着技术的不断进步，铅酸电池将会逐渐退出历史舞台。

1.3 电磁储能

1.3.1 超级电容

电容本身就是一种储能元件，而超级电容与普通电容的不同在于超级电容的电极表面积是普通电容的几万倍，并且其电荷层之间的距离也在0.5nm以下。超级电容相比其他几种不同的储能方式有着很大的优势。原因是它不仅具有较高的功率密度，同时它的充放电次数也很长，在不同温度下都可以稳定的工作并且具有环保无污染的特性。但是，超级电容也有自身的缺点，它两端的电压起伏比较大，在进行串联的时候很难做到均压。

1.3.2 超导储能

超导储能是指将能量存储在以超导材料所制成的线圈中。当需要能量供应时，线圈中的能量便可以释放出来。它的特点是具有较快的响应速度以及较高的综合效率。总之，不同的储能方式都有各自的特点，每种储能方式都有自己适合的场合，需要根据具体的需求来决定究竟选择哪种储能方式。各种储能技术的特点见表1。

表1 各种储能技术特点

2 储能技术的发展前景

新能源的发展是未来不可避免的趋势，而储能在整个新能源的发展过程中更是不可或缺的一环。储能技术在实现绿色电网、解决偏远地区用电供需矛盾和提升用户电能质量等方面提供了一系列的解决方法。它不仅可以用于电网、企业、住宅小区这种大规模的场合，同时也可以应用于新能源汽车这种日常交通工具中。但是，由于部分储能技术仍处于起步阶段，一些应用都还不是很成熟，所以在整个储能技术领域仍有很大的发展空间。

1）现阶段储能电池的发展瓶颈围绕着三点：环保、高效、低成本。如何研制出环保，高性能、低成本的电池是储能研发领域的一个重要课题。只有将这三点有机的联合在一起才能更快、更好地走向市场化。

2）不同储能技术的协同发展：每个储能技术都有自己的优点和缺点，各项技术都有自己所属的专项领域。针对现阶段的一些实际问题，如果能够有机的把不同储能技术联合起来使用，就可以达到扬长避短、事半功倍的效果。这也将成为储能领域中的一个重点研究方向。

3 总结

本文讨论了几种不同储能技术的特性及各自的优缺点，对储能技术今后的发展前景做了一定的概述。随着社会的进步，发展绿色能源已是未来不可避免的趋势，而储能技术是新能源发展的关键技术。只有解决了储能的问题，新能源的发展才能得到真正意义上的突破。

［1］张文亮,丘明,来小康.储能技术在电力系统中的应用[J].电网技术,2008,32(7)：1-9.

［2］陈建斌,胡玉峰,吴小辰.储能技术在南方电网的应用前景分析[J].南方电网技术,2010,4(6)：32-33.

［3］Rufer A,Hotellier D,Barrade P.A Supercapaciotr-Based Energy Storage Substation for Voltage Compensation in Weak Transporation Networks[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2004,19(2):629-636.

［4］程时杰,李刚,孙海顺,文劲宇.储能技术在电气工程领域中的应用与展望[J].电网与清洁能源,2009,25(2)：4-5.

［5］贾宏新,张宇,王育飞,何维国,符杨.储能技术在风力发电系统中的应用[J].可再生能源,2009,27(6)：10-11.

［6］桂长清.风能和太阳能发电系统中的储能电池[J].电池工业,2008,13(1)：50-54.