多能互补能源系统中储能原理及其应用

多能互补能源系统中储能原理及其应用

王海娟

北京京能清洁能源电力股份有限公司鹿鸣山官厅风电场    河北张家口  075000

摘要 :当下我国正处于能源结构改革的关键时期，综合开发并利用新能源,是实现碳达峰碳中和的重要途径。多能互补能源系统能源效率越高，对资源环境友好，是未来能源发展的主要模式之一。因此作为技术人员应该明确内部的储能技术，综合氢储能、电化学储能等多种储能模式，根据底层的储能逻辑，扩大多能互补系统在社会生活中的应用。

关键词: 多能互补能源系统、储能原理、应用

引言:当下科技快速发展，对于电能的需求量也在不断增加。自然界中的不可再生资源储量有限，绿色低碳可持续已经成为了当下发展的关键，清洁能源在能源体系中占比不断提高，要积极整合风电、光伏发电、生物质能、地热能等不同模式，真正实现多能互补系统，降低化石燃料的使用量，减少环境污染。

一、多能互补能源系统的概述

  储能技术作为互补能源系统中的基础技术，直接影响了清洁能源的利用率，发展清洁能源作为能源未来发展的必然方向。技术人员在实际应用过程中应该整合风力发电、太阳能发电的优点，取长补短，保证用户侧的需求平衡。同时可以适当增加风电光伏发电的消纳，保证整体的供电质量。适当配合火电应用，解决风力光伏等清洁能源发电中的随机性问题，降低自然清洁能源发电对于电网带来的不稳定性冲击，为达成双减目标奠定更加坚实的技术基础。

二 、  多能互补能源系统中储能原理

（一）氢储能

  氢储能是一种将能量转化为氢能储存起来的技术。在可再生资源发电过程中，由于风能、太阳能发电稳定性有限，电力存在间歇性。氢储能主要可以通过氢的化学键的形式将电能储存起来。当其他能源输出存在问题时，可以通过氢燃烧进行补充有效解决可再生能源电网并网的问题，氢气可以直接利用在化工、冶金等其他领域中。

  例如，在实际应用过程中，可以将风能发电，太阳能发电和其他可再生资源发电中剩余的能量的直接流向控制单元，当控制单元接受到外界信号时电解槽将会以电解水的形式，将产生的电能转化为氧气和氢气中存储的化学能。氢气由储氢设备进行储存，可以直接应用于化工业，冶金工业和氢燃料电池等领域，实现资源的多效利用。

（二）电化学储能

  化学储能作为一种基础的储能形式，利用化学反应，可以直接将电能以化学能的形式进行储存再释放。相较于物理储能方式，电化学储能配置灵活，受环境影较小，可制作与小型便携器件，可以驱动多种电力电子设备。一般常见的电化学储能方式，包括超级电容器储能和蓄电池储能技术。

（1）超级电容器储能

  超级电容器具有储存电荷的能力，放电功率小，对周围环境污染较小。是目前较为理想的储能器件，双层电容器通过内置电极和电解质，可以构建界面内的双电层储存电能。在电容器中受到库伦力、分子间作用力的影响，固液面出现稳定的正负电荷电容器储能，可逆地在储存电容器内。超级电容器的储能量有限，当大量的活性物质吸附在电极材料中，会导致整体的导电率下降。

（2）蓄电池储能。

    蓄电池储能是当下主流的电化学储能技术，蓄电池储能，主要通过电池正负极的氧化还原还原反应进行充放电，一般的电池由双向变流器，控制中心、辅助装置组成。蓄电池的储电性能直接影响了整体储能系统的运行，相较而言蓄电池储能技术力发展历史时间长，整体的适应性好，响应时间较短，能够满足不同场景下的用电需求。在实际作业过程中，根据电极材料电解溶液的不同蓄电量的性能调查，目前主要的蓄电池包括铅酸电池、锂电池和全钒液流电。

  例如，铅酸电池的电极主要是铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。锂电池是通过电化学嵌入的方式来保证锂离子在正负电极中间进行移动，在120 mA/cm2电流密度下充放电，能量效率达82%。

（三）压缩空气储。

  压缩空气储能作为一种全新的储能方式，能够满足电力系统峰值时负载的多种要求。在压缩过程中有电动机，压缩空气做功，将压缩过程中的空气储存在储气渗出气室和储热装置，可以双向交换。在夜间和周末等非高峰期，可用储存在蓄水池中的低成本电力压缩空气，而是在电力高峰期间可以出取出压缩空气并与燃料混合，以满足供电高峰的需求。

（四）超导电磁储能

  超导电磁储能主要通过直流电在导体中形成的磁场来储存能量，超导电磁储能作为一种新型的储能方式。在超导电磁储能中，低温制冷器对氦气或者是氮气进行低温制冷，构造低温超导磁体。超导线圈的电阻较小，整体的损耗为0，能量转化效率较高，能够在短时间内将电能传输到电网上，超导材料具有高延展性，但相对而言到目前为止，超导材料的造价较高，能量密度较低，长时间的作业后，会造成一定的能量消耗。

三、多能互补能源系统的应用

（一）电池储能机构的应用

   电池材料的发展使得整体的蓄电池储能技术也在不断成熟，利用电池储能技术对多效互补能源进行优化，具有有一定的稳定性和经济性，电池储能可以深入参与光电等多种系统的调整和优化，以降低风电光电的随机性和不稳定性，保证电网供应链的可持续性。

  目前主流电网中应用全钒液流电池，其整体的寿命性异常，响应时间较短，安全高效能够实现大规模的高效储能，但全钒液流电池体积较大，占地面积较高，难以适用多重环境。锂离子电池应应运而生，锂离子电池整体的能量密度较高，利用效率极高，可以达到95%以上，经实验测算，整体的循环次数可以达到5000字。2020年广州和佛山利用锂离子电池储能技术，对当地电网进行了调整，提高了电网运行的灵活性，在锂离子电池应用过程中，需要综合考量电解液和隔膜材料的性质，以保证电池的受热受热稳定性和安全性。此外，超导储能技术可以直接将电能储存在磁场中，储存过程中无能量形式的转化，整体的充电放电速度较快响应，效率较高，但相对而言超导材料的能量密度较低，后续的维护较为复杂，一般用于小型的电网功率调节，提供1 MW 以下的电力。超导电磁储能所需要的物理线圈结构较为复杂，超导电磁充能在未来发展过程中具有广阔的空间。

（二）实现场景分析

  多能互补空间系统作为能效管理过程中的关键，在实际场景应用过程中，应该明确电热协同调度问题，基于热力学原理持续优化模型解决传统的输电中存在问题。在实际应用过程中应该综合考虑光伏发电，热电，产业，设备，满足不同场景下用户对于电能的需求，进行博弈分析，实践电能热能的平衡约束，综合能源系统模型进行策略求解，以保证整体的合作收益。

  例如，可以根据用电量，以用户的日电负荷为纵坐标，将全年分为高峰季、日常期，夏季用电量偏高，11:00~22:00整体的电负荷需求较大。因此在实际参数设定过程中有明确多能互补综合能源系统中的基本参数，明确热泵性能参数，光伏电池单位造价，光伏电池使用寿命，热电联产设备的运行系数等。电网作为最小的功能体，对其进行有效的供需平衡分析。保证输出功率稳定，衔接化设计，避免单一构件功率变化，最大程度提高整个电网的供电效果。

总结：多能互补供电系统是能源体系未来发展的必然方向，目前的传统技术仍存在一定的局限性，技术人员应该明确不同储能技术的特点，合理采用新材料新技术，完善内部的工艺制造，加强对电极材料和电解质溶液的创新，提高整体的能量密度以及耐压值，确保电网系统的稳定性和可持续性。

参考文献：

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