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電力系統(tǒng)儲能（原書第2版）

2023-08-06 12:00 作者:流浪在銀河邊緣的阿強(qiáng) 0人讀過 | 我要投稿

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一本儲能技術(shù)通識講義。

介紹各種儲能技術(shù)，各種儲能方法的基本概念、工作原理和應(yīng)用。

內(nèi)容簡介

《電力系統(tǒng)儲能（原書第2版）》主要討論儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，詳細(xì)介紹了各種儲能技術(shù)的基本原理及具體示例、儲能對電力系統(tǒng)的影響，并對各種儲能技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，重點(diǎn)關(guān)注了可再生能源與儲能之間的關(guān)系。

《電力系統(tǒng)儲能（原書第2版）》適合從事電力系統(tǒng)儲能技術(shù)研究的科研工作人員或企業(yè)研發(fā)人員閱讀。

前言/序言

前言

　20世紀(jì)五六十年代，電力行業(yè)發(fā)生了諸多變化。20世紀(jì)50年代以來，電力行業(yè)先后連續(xù)建設(shè)了一批核電站、燃煤發(fā)電廠、燃油發(fā)電廠和燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電廠。不同規(guī)模與發(fā)電量的傳統(tǒng)發(fā)電廠向用戶提供連續(xù)、可靠、廉價的電力。這些發(fā)電廠在集中管理與控制的電力市場中運(yùn)營，通過高壓電網(wǎng)保證規(guī)模輸送效率，并確保資源使用的安全性?！?/p>

　自20世紀(jì)90年代以來，電力行業(yè)又發(fā)生了新的變化。這些變化起因于電力供應(yīng)自由化、對發(fā)電的環(huán)境影響的關(guān)注、對現(xiàn)有和新建熱電廠實(shí)行相關(guān)排放控制，以及最近將可再生能源開發(fā)列為國家目標(biāo)。無法斷定在接下來的50年中隨著經(jīng)濟(jì)、政治和技術(shù)的發(fā)展會不會給電力行業(yè)帶來根本性變化。但是有一種變化是可以預(yù)料到的，尤其是考慮到可再生能源發(fā)電的增長所帶來的變化，那就是儲能的發(fā)展和應(yīng)用?！?/p>

　不能單獨(dú)考慮電能的供應(yīng)，必須同時考慮雙重電力和能量供應(yīng)要求?？稍偕茉吹闹饕毕菰谟诒M管可以在一年內(nèi)提供一定量的電能，但大多數(shù)可再生能源是間歇性的（用“多變”表述更合適），另外一些是隨機(jī)性的，這樣就無法按需提供電能。因此，它們對供電安全的貢獻(xiàn)有限。如果可再生能源大規(guī)模使用，電力輸出的這種變化可能會給電力系統(tǒng)帶來問題。在利用可再生能源發(fā)電滿足供電系統(tǒng)需求時必須對隨機(jī)間歇性供電與供電安全性之間的相互影響進(jìn)行更為詳細(xì)的研究。注意供電安全需要的是電力輸送的連續(xù)性而不是能量的連續(xù)性。而且，可再生能源發(fā)電的特征是針對具體系統(tǒng)而定的，并取決于系統(tǒng)的自然地理情況和位置。

　　供電的變化性可以同時具有短期和長期的性質(zhì)，其中短期變化性與儲能的使用關(guān)系更為密切。對于長期變化性的情況，即間歇發(fā)電對變化性沒有影響或影響很小時（例如，當(dāng)大型反氣旋天氣系統(tǒng)覆蓋大部分風(fēng)力發(fā)電場時，這種沒有影響或影響很小的情況會持續(xù)幾天），供電安全可能取決于與當(dāng)前峰值需求有關(guān)的傳統(tǒng)發(fā)電廠的裝機(jī)容量裕量?！?/p>

　從短期看，電力輸出的日常變化在一定程度上可以通過現(xiàn)有傳統(tǒng)發(fā)電廠來補(bǔ)償，但是這樣會產(chǎn)生額外的成本。產(chǎn)生這些成本的因素包括頻繁循環(huán)的低效率欠載運(yùn)行及快速負(fù)荷增加，這會對發(fā)電設(shè)備造成損壞，從而需要耗費(fèi)更多的維護(hù)成本。另外，也可以采用大量快速反應(yīng)發(fā)電廠，例如開式循環(huán)燃油（燃?xì)猓┹啓C(jī)或柴油發(fā)電機(jī)以及其他同樣經(jīng)濟(jì)效益低下并會產(chǎn)生污染的方案。在這些情況下，使用儲能裝置從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來說都是值得考慮的，特別是風(fēng)力發(fā)電具有很高滲透率的情況。例如，風(fēng)能可以提供大量電力，但不一定具備滿足峰值需求的能力，這就會大大增加系統(tǒng)成本?！?/p>

　關(guān)于更高效發(fā)電和用電的儲能應(yīng)用存在于TerGazarian博士在本書中提到的包括化學(xué)、生物、電化學(xué)、電氣、機(jī)械和熱力在內(nèi)的各種可選擇方案中。新興的潛在顛覆性技術(shù)正在不斷涌現(xiàn)，為儲能提供可選擇的未來解決方案，以此來滿足從小規(guī)模消費(fèi)者到電力系統(tǒng)規(guī)模儲能的各個不同層面的市場需求。

　　除了已經(jīng)在發(fā)電和能量傳輸中成為主流儲能形式的化學(xué)燃料（包括氫）以外，目前最主要的儲能形式包括：

　蓄電池：大約從21世紀(jì)頭10年中期開始，就已經(jīng)研究出了較新的蓄電池技術(shù)。這些技術(shù)目前可以提供重要的公共電網(wǎng)的載荷平衡能力，隨著鋰電池技術(shù)在電動汽車上的應(yīng)用，在接下來的10年中，隨著鋰蓄電池性能的明顯提高，電動和混合動力汽車將會大量被消費(fèi)者所使用?！　?/p>

電網(wǎng)儲能：電網(wǎng)儲能也被稱為汽車—電網(wǎng)儲能系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，并入能量網(wǎng)的現(xiàn)代化電動汽車可以在需要時將儲存在蓄電池中的電能釋放回電網(wǎng)中?！?/p>

　燃料電池：電動裝置可以通過燃料電池供電，但是在所有潛在市場中，供氫成了重要的問題。燃料電池具有應(yīng)用潛力的3個市場被分類為固定應(yīng)用、汽車應(yīng)用和便攜應(yīng)用。固定電力市場包括小功率家用設(shè)施；商用住宅、醫(yī)院和酒店使用的中等功率設(shè)施；以及在兆瓦級工廠使用的大功率設(shè)施。旨在滿足運(yùn)輸用途的主要技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，即低溫固體聚合物燃料電池（Solid Polymer Fuel Cell，簡稱SPFC），特別是質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，簡稱PEMFC）。便攜式電力市場包括電力需求在幾毫瓦到數(shù)百瓦的設(shè)備，從電子產(chǎn)品、筆記本式計(jì)算機(jī)到軍用設(shè)備。　

可再生燃料電池：這一項(xiàng)發(fā)展也是建立在燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)之上，但是也可以被分類為蓄電池，因?yàn)槠涑潆娏渴艿交瘜W(xué)成分?jǐn)?shù)量的限制?！　?/p>

太陽能光伏：作為可再生能源，與化石燃料發(fā)電相比，太陽能光伏有很多優(yōu)點(diǎn)。太陽能光伏的突出優(yōu)點(diǎn)是低碳，而且由于在當(dāng)?shù)匕l(fā)電，不需要通過國家電網(wǎng)輸送，從而減少相關(guān)的輸送損失。高成本仍然是太陽能光伏發(fā)展的主要障礙，但是如果科學(xué)家可以制造出可靠、低成本的太陽能電池即廉價的有機(jī)光伏產(chǎn)品，就可以為滿足日益增長的能源需求和減少碳排放做出重要貢獻(xiàn)?！　?/p>

大型太陽能發(fā)電廠：通過絕緣的容器存儲利用太陽能光線加熱的熱熔鹽，這些液體將用于產(chǎn)生供送到汽輪機(jī)用于發(fā)電的蒸汽。最近西班牙和美國取得了一些進(jìn)展，可能會在以色列、埃及、法國、澳大利亞、阿爾及利亞和南非進(jìn)一步安裝?！　?/p>

抽水蓄能：抽水蓄能是世界上最大的公共電網(wǎng)儲能方式?！　·r

海洋能：目前正在考慮選擇不同的水閘或潮汐瀉湖，尤其是在英國塞汶河口?！　?/p>

壓縮空氣：這些方案使用泵將可再生能源產(chǎn)生的壓縮空氣送到地下洞穴或地下蓄水層中，以便在電力需求達(dá)到峰值時，可以釋放這些壓縮空氣來供給使用天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)。幾年來，全球范圍內(nèi)只有兩個項(xiàng)目：一個項(xiàng)目在阿拉巴馬州；另一個在德國。美國目前有新設(shè)施在建。　　

風(fēng)袋：這是壓縮空氣儲能的一種變形。目前英國正在開發(fā)一種柔性風(fēng)袋，用于以海底壓縮空氣的形式儲存風(fēng)力機(jī)中的多余能量?！　?/p>

地下儲熱：目前正在開展一些項(xiàng)目來調(diào)研如何使用地質(zhì)構(gòu)造儲存位于地質(zhì)構(gòu)造附近的發(fā)電廠產(chǎn)生的大量熱能。與此同時，此舉旨在對“礫石層”局部儲能進(jìn)行調(diào)研，并將其作為較小規(guī)模儲熱的一種方式。熱能將以水的形式儲存并通過泵送到用水的住宅或公司，其運(yùn)行方式與集中供熱系統(tǒng)的運(yùn)行方式相似?！?/p>

　熱能儲存：從20世紀(jì)80年代以來人們就開始利用熱能儲存來滿足空調(diào)需求。其工作原理是利用非峰值電力制冰，然后在峰值時段利用，從而通過冰儲存以實(shí)現(xiàn)制冷。2009年，已經(jīng)在35個國家的3300多棟建筑中使用。　　

飛輪：最近利用一個20MW飛輪儲能廠作為應(yīng)急備用電源，同時為系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)提供輔助，即保證供電質(zhì)量。供電質(zhì)量是一個很重要的問題。

　世界人口每35年翻一番，對能源的需求增長則更為快速，每年約增長5%，也就是每14年翻一番，這也導(dǎo)致了對碳?xì)滟Y源的需求的增長。這種情況下，除了環(huán)境因素外，可持續(xù)能源的開發(fā)對于長期發(fā)展是非常重要的。盡管不確定性大大增加，但是如果假設(shè)可以提供足夠的電能（MW級），則關(guān)鍵的問題在于在考慮到系統(tǒng)中存在大量可變輸出可再生資源以及智能電網(wǎng)隨時間變化的需求快速增長的前提下持續(xù)保證供電和需求的平衡?？稍偕Y源將發(fā)揮重要作用，但是使用可提供容量支持從而提高可再生資源和輸電設(shè)施的價值的儲能設(shè)施也將具有重要意義。

序言

風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電自身固有的間歇性問題是新能源發(fā)展的瓶頸。隨著新能源發(fā)電規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，其對電力系統(tǒng)的影響也越來越大。用電低谷將多余的能量儲存起來，用電高峰期再釋放出來，是解決新能源發(fā)電功率間歇性問題的關(guān)鍵。因此，大規(guī)模儲能技術(shù)的研究就變得越來越重要。本書主要討論了各種儲能技術(shù)，詳細(xì)論述了各種儲能方法的基本概念、工作原理和應(yīng)用。

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