在各种储能技术中，化学储能的发展速度一直领先于物理储能。但今年7月初，英利集团透露了下一个高投入、高风险和高产出项目——飞轮储能设备，预计今年年底将推出第一批样机，“十二五”期间将生产至少45万台。

 

除了飞轮储能，抽水储能一直以来被广泛应用，而另一种新的物理储能方法——压缩空气储能也受到越来越多的关注，同时，中科院电工研究所的科学家对超导储能的研发也取得进展。可以说，随着能源体系对储能技术需求的提升，一直以环境污染小，运行稳定性高著称的物理储能技术正在迅速升温，开始与化学储能竞争主角地位。

 

 

早在上世纪50年代，瑞士欧瑞康公司就开发出飞轮储能巴士。但此后三四十年间，由于高速旋转飞轮驱动、飞轮轴承摩擦等问题都难以解决，飞轮储能技术发展非常缓慢。

 

飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。

 

与其他形式的储能技术相比，飞轮储能具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境危害小等优点。飞轮储能功率密度大于5 kW/kg，能量密度超过20 Wh/kg，效率在90%以上，循环使用寿命长达20年，工作温区为40℃~50℃，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作，积木式组合后可以实现兆瓦级，输出持续时间较长，主要用于不间断电源（UPS）、应急电源（EPS）、电网调峰和频率控制。

 

目前，国外已有公司和研究机构尝试将飞轮储能引入风力发电。其中，德国琵乐公司（Piller）的飞轮储能具备在15秒内提供1.65兆瓦电力的能力；美国Beacon power公司（BCON）的20兆瓦飞轮储能系统已在纽约州史蒂芬镇开建，用来配合当地风场，建成后可以满足纽约州10%的储能需要。

 

不过，飞轮储能还具有很大的局限性。对于电网来说，可根据时间长短将储能分为三大块：时间最长的是能源管理，包括抽水储能电站、压缩空气储能和蓄电池。时间稍短的是过渡能源，通常靠蓄电池解决。然而，时间最短的则是超级电容和飞轮。

 

据了解，飞轮储能需要电能的持续输入，以维持转子的转速恒定。一旦断电，飞轮储能通常只能维持一两分钟。这也意味着，飞轮储能优势不在于时间的长短，而是充放的快捷。

 

早在上世纪80年代初期，中国科学院电工研究所就开始了飞轮储能系统的探索，但之后国内没有开展实质性的研究工作。直到上世纪90年代中期，在国外技术进步的影响下，国内的飞轮储能技术研发才逐步兴起。但有专家认为与国外技术水平差距在10年以上。

 

不过，光伏巨头英利集团涉足飞轮储能消息的发布，与上述专家的观点形成了鲜明的对比，立即引起了业界极大的兴趣和关注。一向走在行业前沿、擅长“蛙跳”战术的英利此举，意味着中国的新能源企业正逐步走向行业最前沿的尖端领域。据《财新网》报道，其技术已经超过了欧美，国产化率达到了80%。当前电机中飞轮转速达6万转/秒，将来会达到14万转/秒，而仅耗费所储能的2%以下。

 

 

技术成熟、低成本、循环水利用等优势，使得抽水储能广泛应用。

 

所谓抽水储能是间接储存电能的一种方式，其主要应用领域包括调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用和提供系统的备用容量，还可以提高系统中火电站和核电站的运行效率，是电网运行管理的重要工具。

 

据《科学时报》了解，抽水储能利用下半夜过剩的电力驱动水泵，将水从下水库抽到上水库储存起来，然后在次日白天和前半夜将水放出发电，并流入下水库。在整个运作过程中，虽然部分能量会在转化间流失，但相比之下，使用抽水储能电站仍然比增建煤电发电设备来满足高峰用电而在低谷时压荷、停机这种情况来得便宜，效益更佳。

 

上世纪六七十年代，日本、美国、西欧等国家和地区进入抽水储能电站建设的高峰期。截至2008年，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水储能电站总装机容量55%以上，其中：美国约占3%，日本则超过了10%，中国、韩国和泰国3个国家在建抽水储能电站17.53GW，加上日本后达到24.65GW。

 

虽然，抽水储能是目前唯一一种实现大规模应用的大容量储能技术，但由于建设抽水储能需要特殊的地理条件，同时，效率仅有70%左右，建设期长达8~10年等因素，它的发展也受到了一定制约。

 

在我国，抽水储能电站的设计规划已形成规范。机组由早期的四机、三机式机组发展为水泵水轮机和水轮发电电动机组成的二机式可逆机组，极大地减小了土建和设备投资。

 

中国电力科学研究院张文亮在其论文《储能技术在电力系统中的应用》中认为，为进一步提高整体经济性，机组正向高水头、高转速、大容量方向发展，现已接近单级水泵水轮机和空气冷却发电电动机制造极限，今后的重点将立足于对振动、空蚀、变形、止水和磁特性的研究，着眼于运行的可靠性和稳定性，在水头变幅不大和供电质量要求较高的情况下使用连续调速机组，实现自动频率控制。同时，提高机电设备可靠性和自动化水平，建立统一调度机制以推广集中监控和无人化管理。

 

中国南车集团株洲电力机车研究所风电事业部技术总监郭知彼在接受媒体采访时坦言，尽管其他新兴储能方式正在不断取得发展，但短时间内，由于其他储能方式的污染和成本等问题，在大规模储能领域，抽水储能仍将是最主要的方式。

 

 

压缩空气储能电站（CAES）是一种用来调峰的燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型压力7.5 MPa 的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。在燃气轮机发电过程中，燃料的2/3 用于空气压缩，其燃料消耗可以减少1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40%，同时可以降低投资费用、减少排放。

 

值得注意的是，压缩空气储能电站建设投资和发电成本均低于抽水储能电站，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制。不过，压缩空气储能电站的优势也非常明显，其储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。

 

尽管这种“压缩气体能源储备”的概念已经提出了30多年，但目前全世界仅有德国、美国两家压缩空气发电厂。

 

这两家发电厂分别创建于19世纪中后期和19世纪末。目前，两家压缩空气发电厂都运营正常。同时，美国艾奥瓦州正在建设全球第三家压缩空气发电厂，负责“艾奥瓦储备能源公园”(ISEP)项目设计工作的美国圣地亚国家实验室已经得到了来自美国能源部的资金支持，预计将于2012年投入运营。

 

据了解，艾奥瓦储备能源公园是一个压缩空气发电厂，该发电厂将充分利用艾奥瓦州丰富的风力资源作为发电厂的运行能源，存储容量可用于50小时发电。一旦该项目开始运营，其每年发电量将占艾奥瓦州用电量的20%左右，每年可以为艾奥瓦州节省大约500万美元的能源成本。

 

不过，建设压缩空气发电厂并非易事。建设的首要任务之一，就是必须找到一个支持空气压缩存储的地质空间，但这需要占用大面积土地，因此，选址也成为制约其发展的决定性因素之一。

 

尽管在压缩空气储能技术准备相关设施的时候产生很多费用，但是相关科学家还是认为这种形式的储存模式比制造电池便宜得多。另外，它的高容量和高效率已成为其区别于其他储能方式的决定性优势。

 

《科学时报》 (2010-11-08 B3 技术)