儲能系統

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儲能系統在對儲能過程進行分析時，為了確定研究對象而劃出的部分物體或空間範圍，稱為儲能系統。它包括能量和物質的輸入和輸出、能量的轉換和儲存設備。儲能系統往往涉及多種能量、多種設備、多種物質、多個過程，是隨時間變化的複雜能量系統，需要多項指標來描述它的性能。常用的評價指標有儲能密度、儲能功率、蓄能效率以及儲能價格、對環境的影響等。

任務與作用

由於人們所需的能源都具有很強的時間性和空間性，為了合理利用能源並提高能量的利用率，需要使用一種裝置，把一段時期內暫時不用的多餘能量通過某種方式收集並儲存起來，在使用高峰時再提取使用，或者運往能量緊缺的地方再使用，這種方法就是能量存儲。

能量儲存系統的基本任務是克服在能量供應和需求之間的時間性或者局部性的差異。產生這種差異有兩種情況，一種是由於能量需求量的突然變化引起的，即存在高峰負荷問題，採用儲能方法可以在負荷變化率增高時起到調節或者緩衝的作用。由於一個儲能系統的投資費用相對要比建設一座高峰負荷廠低，儘管儲能裝置會有儲存損失，但由於儲存的能量是來自工廠的多餘能量或新能源，所以它還是能夠降低燃料費用的。另一種是由於一次能源和能源轉換裝置之類的原因引起的，則儲能系統(裝置)的任務則是使能源產量均衡，即不但要削減能源輸出量的高峰，還要填補輸出量的低谷(即填谷)。

例如，太陽能熱利用系統中，需要設置儲能器。太陽能熱利用的工作原理如圖1所示，熱流離開集熱器後入儲能器，然後經過熱能轉換器供給熱機。在沒有太陽光期間，冷流體直接經過儲能器，提取存儲的熱量並傳給熱機工作。

所以，能源儲存系統可以儲存多餘的熱能、動能、電能、位能、化學能等，改變能量的輸出容量、輸出地點、輸出時間等。

儲能系統要求

對於不同應用目的有各自的儲能要求，但歸納起來，一個良好的儲能系統共有的特性如下。

①單位容積所儲存的能量(容積儲熱密度)高，即系統儘可能儲存多的能量。如高能電池，由於其能量密度比普通電池要大，使用壽命也較長，深受消費者歡迎。

②具有良好的負荷調節性能。能源儲能系統在使用時，需要根據用能一方的要求調節其釋放能量的大小，負荷調節性能的好壞決定着系統性能的優劣。

③能源儲存效率要高。能量儲存時離不開能量傳遞和轉換技術，所以儲能系統應能不需過大的驅動力而以最大的速率接收和釋放能量。同時儘可能降低能量存儲過程中的泄漏、蒸發、摩擦等損耗，保持較高的能源儲存效率。

④系統成本低、長期運行可靠。如果能源儲存裝置在經濟上不合理，就不可能得到推廣應用。

儲能技術方法

儲能主要包括熱能、動能、電能、電磁能、化學能等能量的存儲，儲能技術方法見表1.5。儲能技術的研究、開發與應用主要是以儲存熱能、電能為主，廣泛應用於太陽能利用、電力的「移峰填谷」、廢熱和餘熱的回收以及工業與民用建築和空調的節能等領域。

(1)熱能存儲技術

熱能存儲就是把一個時期內暫時不需要的多餘熱量通過某種方法儲存起來，等到需要時再提取使用。包括顯熱儲能技術、潛熱儲能技術、化學反應熱儲能技術三種，三種熱能存儲的比較見表1.6。

顯熱儲能技術是通過加熱儲能介質提高其溫度，而將熱能儲存其中。常用的顯熱儲能材料有水、土壤和岩石等。在溫度變化相同的條件下，如果不考慮熱損失，那麼單位體積的儲熱量水最大，土壤其次，岩石最小。世界上已有不少國家都對這些儲熱材料進行了試驗和應用。就目前來說，這是一種技術比較成熟、效率比較高、成本又比較低的儲能方法。

潛熱儲能技術是利用儲能介質液相與固相之間的相變時產生的熔解熱將熱能儲存起來的。實際應用的潛熱儲能介質，有十水硫酸鈉(化學式是Na2S04·10H20)、五水硫代硫酸鈉(化學式是Na2S04·5H20)和六水氯化鈣(化學式是CaCl2·6H20)等。該技術的特點是在低溫下儲能，具有較高的儲能量密度，可在一定的相變溫度下取出熱量，但是儲能媒介物價格昂貴，容易腐蝕，有的介質還可能產生分解反應，儲存裝置也較顯熱型複雜，技術難度較大。

化學能存儲技術利用能量將化學物質分解後分別儲存能量，分解後的物質再化合時，即可放出儲存的熱能。可以利用可逆分解反應、有機可逆反應和氫化物化學反應三種技術實現，其中氫化物化學反應技術是最有發展潛力的，國內外都正在進行深入的研究，如果能夠取得突破性的成功，就將為解決能源短缺的問題提供良好的途徑。

(2)電能存儲技術

工業上已應用的電能存儲技術主要有三種，分別為水力儲能技術、壓縮空氣儲能技術、飛輪儲能技術。水力儲能技術是最古老的、技術最成熟的、設備容量最大的商業化技術，全世界已有約500座水力儲能電站，其中容量超過1000MW的有35座。水力儲能系統一般有兩個大的儲水庫，一個處於較低位置，另外一個則位於較高的提升位置。在用電低峰期，將水從位置較低的水庫送到位置高的儲水庫中去儲存起來。當需要電能時，可以藉助高位水庫水流的勢能推動水能機發電。

壓縮空氣儲能是在用電低峰期將空氣加壓輸送到地下鹽礦、廢棄的石礦、地下儲水層等。當用電負荷較大時，壓縮空氣就可與燃料燃燒，產生高溫、高壓燃氣，驅動燃氣輪機做功產生電能。應用的機組設備容量已達到幾百兆瓦。如裝機容量為290MW的德國芬道爾夫電站1980年就已投入使用。

飛輪儲能發電技術是一種新型技術，它與電力網連接實現電能的轉換。飛輪儲能發電系統如圖1．12所示，該系統主要由電機、飛輪、電力電子變換器等設備組成。飛輪儲能的基本原理就是在電力富裕條件下，將電力系統中的電能轉換成飛輪運動的動能。而當電力系統電能不足時，再將飛輪運動的動能轉換成電能，供電力用戶使用。與其他儲能技術相比，飛輪儲能技術具有效率高(80%～90%)、成本低、無污染、儲能迅速、技術可靠等優點，受到日本、美國、德國研究工作者的關注。如日本沖繩電力公司開發了210MJ的飛輪儲能系統；德國1996年研製了儲能5MW·h/100MW·h的超導磁懸浮儲能飛輪儲能電站，系統效率達96%。