VENTURA 发电厂(站)发出的多余电能是如何存储的?
VENTURA 发电厂(站)发出的多余电能是如何存储的?
在电网供电过程中发电与供电是同步进行的。一方面热电站发出的电必须耗用不能储存，在用电高峰期用最大功率发电供电仍然十分紧张，而在用电低谷期电力又大量剩余;另一方面水力发电普遍存在丰水期有电送不出只能大量放水，而枯水期又达不到用电所需;太阳能发电和风力发电也存在类似的问题。发电站的多余电能是否能储存起来?其实很多知友已经给出了答案，理论上多余的电能是可以被储存起来的，这篇文章探讨的更多是——这些电能是如何被存储起来的?
我们首先来看看，是怎样的原理让电能存储得以实现。
能量是守恒的，电力的储存和释放可以通过物理和化学变化来实现。按照其能量形式，储能分为物理形式和化学形式，详见下图。
在此基础上，我们讨论一下如何用不同的形式储存电能——
1.抽水蓄能：抽水蓄能电站有一个建在高处的上水库和一个建在电站下游的下水库，抽水蓄能属于机械储能方式，由可逆式水轮发电机实现电能和储存于上水库中的水的重力势能之间的转化。
2. 压缩空气储能：属于机械储能方式，通过空气压缩机和涡轮机实现电能和储存于密闭气室的空气的势能之前的转化。
3.飞轮储能：这是一种机械储能方式。通过电动机(发电机)实现电能和飞轮转动动能之间的转化。
4. 超导线圈储能：是一种电感储能，将直流电以磁场形式储存于超导螺旋管中。
5. 超级电容储能：超级电容包括双电层电容和法拉第准电容。前者是类似普通电容器一样储存电场能，后者实际发生了氧化还原反应，只是其充放电具有电容特性，储存的是化学能。
6. 蓄电池储能：无论是传统的铅酸电池还是现今的硫化钠和锂电池，都发生了电化学变化，显然是化学储能。
7. 氢储能：氢储能是燃料电池的主要形式，充放电都是氧化还原反应，也是一种化学储能。
除超导和超级电容是直接储存电磁场能量外，其他都是将电能转化为其他能量形式储存的。
这么多的电能储存方式，分别都有哪些特点呢? 抽水储能电站
抽水储能最早于19世纪90年代在意大利和瑞士得到应用，迄今已有100多年的历史，抽水储能电站是当前唯一能大规模解决电力系统峰谷困难的一个途径。它是以一定水量作为能量载体，通过能量转换向电力系统提供电能的一种特殊形式的水电站。在电力负荷低谷时或丰水期，利用电力系统待供的富余电能或季节性电能，将下水库中的水抽到上水库，以位能形式储存起来;待电力系统负荷高峰时或枯水季节，再将上水库的水放下，送往电力系统。抽水蓄能电站既是一个吸收低谷电能的电力用户，又是一个提供峰荷电力的水电站。这种方案的优点：技术上成熟可靠，容量可以做得很大，仅受到水库库容的限制。缺点：首先是建造受到地理条件的限制，必须有合适的高低两个水库。另外，在抽水和发电两个过程中都有相当数量的能量被损失。还有一个缺点是这种抽水储能电站受地理条件限制，一般都远离负荷中心。不但有输电损耗，且当系统出现重大事故而不能工作时，它也将失去作用。
2. 压缩空气储能
压缩空气储能电站是20世纪50年代提出的。该系统把廉价的电力储存起来，供高峰用电期使用。它利用过剩的非峰荷电带动压缩机，把地下的储气库充满空气，以后再把空气释放出来，推动透平发电机发电。压缩空气储能很早就用于气动工具，它的原理和抽水储能基本相同，因此只要做到较大规模，就可以用于解决峰谷差问题。这里最关键的是能否找到合适的储存压缩空气的场所，例如密封的山洞或废弃矿井等。目前，世界上只有少数国家建成了示范性电站。
3. 飞轮储能
飞轮储能也称为飞轮电池。飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在储存电能时，它作为电动机给飞轮加速;当需要电能时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降;而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。飞轮的加速和减速实现了充电和放电。由于采用变速恒频的电力电子技术，输出电能的频率可保持不变。同时，飞轮机组可以制成单元型，根据需要组合成更大功率的装置，并安装在负荷附近。这样既可根据需要逐步扩展，又可避免输电损失。由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～500000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，既轻又强，进一步减少了整个系统的重量，同时，为了减少充放电过程中的能量损耗(主要是摩擦力损耗)，电机和飞轮都使用磁轴承，使其悬浮，以减少机械摩擦;同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦。这样飞轮电池的净效率(输入输出)可以达到95%左右。飞轮储能的研究主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降低损耗的主要方法，而复合材料能够提高储能密度，降低系统体积和重量。
4. 磁场储能(超导线圈储能)
磁场储能就是在电感中充入电流时存储的磁场能。磁场储能发挥其作用得益于超导线圈。它通过快速、高效的换流器与电力系统连接。由于超导线圈在运行时没有电阻，因此它的储能效率很高。同时它的电流密度远高于常规线圈，可以做到很高的储能密度。另外其响应时间只受控制回路的时间常数和换流器开关时间限制，因而响应速度很快，适合于在瞬变状态下，例如电力系统的暂态过程下使用。它的缺点是需要深冷设备，即使是高温超导线圈也要在液氮温度下运行。当然，目前超导线圈储能的实用技术上仍有一定的困难。需要在成本、高温超导线材、变流器、控制策略、降低损耗和提高稳定性、失超保护技术等方面展开研究。
5. 电场储能(超级电容储能)
电场储能就是利用电容器储存电荷的能力来储存电能。过去由于电容器的电容量太小，电容储能只在弱电方面或高压脉冲技术方面得到应用。随着超级电容器的出现，电容储能开始向能源领域进军。所谓超级电容器，就是有超大电容量的电容器，它的电介质具有极高的介电常数，因此可以在较小体积内制成以法拉为单位的电容器，比一般电容量大了几个数量级。电容器储能同样具有快速充放电能的优点，甚至比超导线圈更快。且不需要复杂的深冷设备。但超级电容器的电介质耐压很低，制成的电容器一般仅有几伏耐压。如果能把电压提高，则储能将以平方的关系增长，这正是目前超级电容的研究方向。另外，由于它的工作电压低，所以在实际使用中必须将多个电容器串联使用。这就要求增加充放电的控制回路，使每个电容器能工作在最佳条件下，这也是需要研究的问题之一。尽管如此，超级电容储能将在交通和能源领域中得到广泛的应用。
6. 可充电电池储能
可充电电池储能也就是二次电池，也叫蓄电池。它是一种电化学储能方式。由于它的价格、储能密度等因素的限制，以前并不把它放在能源领域的储能范围之内。但近年来随着技术进步，将可充电电池用于大规模储能的情况也逐渐增多，特别是在独立运行的风力或太阳能电站中，蓄电池已成为基本的储能装备。电池有多种类型。铅酸电池是人们最熟悉的一种蓄电池，现在密封型免维护的铅酸电池已成为这类电池的主流。碱性电池中的镉镍电池现在已被镍氢电池逐步取代。与碱性电源相比，铅酸电池有容量大、结构坚固、充放循环次数多等优点，但其价格也贵得多。这就限制了它在能源领域中的应用。另一类性能优异的电池是近年来被广泛使用的锂离子二次电池，它彻底解决了充放电的记忆效应，大大方便了使用，在制造过程中基本上避免了对环境的污染，有绿色电池之称。主要缺点是价格太贵，如果能进一步提高储能密度并降低成本，那么它将很有希望用于供电设备的储能中。
7. 氢储能(燃料电池)
氢储能的提出主要是受到燃料电池成功开发的影响。在能源供应中，燃料电池目前已经达到了可供实际使用的阶段。氢能具有以下主要优点：1)能量高。除核燃料外，氢的发热值是目前所有燃料中最高的。2)氢燃烧性能好，点燃快。3)氢本身无色、无臭、无毒，十分纯净，它自身燃烧后只生成水和少量的氮化氢，而不会产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和颗粒尘粉等对人体有害的污染物质，少量的氮化氢稍加处理后也不会污染环境，而且它燃烧后所生成的水，还可继续制氢，反复循环使用。4)利用形式多，可以以气态、液态或固态金属氢化物出现，能适应贮运以及各种应用环境的不同要求。这正是吸引人们努力去研究它的原因。但燃料电池在应用和研究中，还存在一些问题急需解决，主要有：氢的制备问题;催化剂的价格问题;氢气的储存问题。
通过以上的介绍，我们可以知道，发电站发出的多余电能是可以被储存的，只不过电能不能大量储存是系统设计和运行的制约因素。21世纪的电力系统以绿色、高效、灵活、可靠作为建设目标。电能储存技术是实现这一目标的重要措施之一，在提高电能质量和供电可靠性方面可发挥重要的作用。电能储存技术的削峰填谷能力，是发电能力不稳定的风能、太阳能等可再生能源大规模并网的技术前提。
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