儲(chǔ)能效率

     ont-family: sans-serif; font-size: 14px; line-height: 1.75em; text-indent: 2em;">儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能（如抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）、化學(xué)儲(chǔ)能（如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池）和電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等）三大類。

argin: 5px 0px; line-height: 1.75em; font-size: 14px; font-family: sans-serif; text-indent: 2em;">蓄電池儲(chǔ)能效率關(guān)系到蓄電池的壽命和成本，要提高蓄電池儲(chǔ)能效率就要了解儲(chǔ)能效率都受哪些因素的影響，除了蓄電池自身構(gòu)造會(huì)影響其儲(chǔ)能效率，如元件材質(zhì)、制造工藝、電解液配置等，蓄電池儲(chǔ)能效率也與充電狀態(tài)、充放電電流、充電電壓、環(huán)境溫度等一些外部因素有很大關(guān)系。

儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能（如抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）、化學(xué)儲(chǔ)能（如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池）和電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等）三大類。根據(jù)各種儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能適合于需要提供短時(shí)較大的脈沖功率場合，如應(yīng)對(duì)電壓暫降和瞬時(shí)停電、提高用戶的用電質(zhì)量，抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等；而抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和電化學(xué)電池儲(chǔ)能適合于系統(tǒng)調(diào)峰、大型應(yīng)急電源、可再生能源并入等大規(guī)模、大容量的應(yīng)用場合。

蓄電池儲(chǔ)能效率測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蓄電池儲(chǔ)能效率測試系統(tǒng)的基本原理見圖，系統(tǒng)的主要元件有：單相智能電表、充電器、逆變器、單片機(jī)、

負(fù)載等。工作過程可以簡要的描述為：充電開始時(shí)，電表接在交流電源和蓄電池的充電模塊之間，通過電表可以直接讀出蓄電池充電完成消耗的電能，這部分電能包括兩部分：充電器以及各種開關(guān)器件損耗的電能、蓄電池內(nèi)阻耗能和儲(chǔ)存的電能。當(dāng)充電完成時(shí)，由充電模塊向控制模塊發(fā)出充電完成信號(hào)（持續(xù)高電平），控制模塊此時(shí)將電表數(shù)據(jù)送至單片機(jī)，由單片機(jī)將數(shù)據(jù)記錄并顯示出來。然后控制模塊向充電模塊發(fā)出指令使充電電路停止工作，并向逆變模塊發(fā)出指令使逆變電路工作，向負(fù)載供電。此時(shí)將電表接在逆變器與負(fù)載之間，通過電表可以直接讀出負(fù)載從蓄電池獲取的電能，由于電表只能檢測220V交流電，所以從電表獲取的電能實(shí)際上包含了逆變器消耗電能和負(fù)載消耗的電能。

當(dāng)放電完成時(shí)，由逆變模塊向控制模塊發(fā)出放電終止信號(hào)，控制模塊此時(shí)將電表發(fā)送過來的電量數(shù)據(jù)送至單片機(jī)，由單片機(jī)將數(shù)據(jù)記錄并顯示出來。然后控制模塊向逆變模塊發(fā)出指令使逆變電路停止工作，并斷開負(fù)載。考慮到蓄電池充電和放電的不同步，單相電度表即可作為充電電能計(jì)量也可用作放電電能計(jì)量。若是要再次檢測，重復(fù)以上的操作。

蓄電池儲(chǔ)能效率影響因素

蓄電池儲(chǔ)能效率關(guān)系到蓄電池的壽命和成本，要提高蓄電池儲(chǔ)能效率就要了解儲(chǔ)能效率都受哪些因素的影響，除了蓄電池自身構(gòu)造會(huì)影響其儲(chǔ)能效率，如元件材質(zhì)、制造工藝、電解液配置等，蓄電池儲(chǔ)能效率也與充電狀態(tài)、充放電電流、充電電壓、環(huán)境溫度等一些外部因素有很大關(guān)系。

充電狀態(tài)的影響

充電狀態(tài)是指蓄電池在充電時(shí)達(dá)到的狀態(tài)，簡而言之滿充時(shí)的充電狀態(tài)為100％。根據(jù)國家的相關(guān)規(guī)定，在充電狀態(tài)不同時(shí)對(duì)蓄電池的儲(chǔ)能效率有不同的標(biāo)準(zhǔn)，在充電狀態(tài)小于50％時(shí)，要求蓄電池儲(chǔ)能效率大于95％；充電狀態(tài)在75％的時(shí)候，要求蓄電池儲(chǔ)能效率大于90％；充電狀態(tài)在90％時(shí)，要求蓄電池儲(chǔ)能效率大于85％。

充放電電流的影響

由蓄電池特性可知，在對(duì)蓄電池進(jìn)行放電時(shí)，大電流放電蓄電池實(shí)際釋放的能量小于小電流放電時(shí)蓄電池釋放的能量，這說明蓄電池的儲(chǔ)能效率與放電率有很大的關(guān)系。

通過圖［1］能夠看出蓄電池的庫倫效率在電流變大時(shí)也不斷增加，這是由于當(dāng)大電流充放電時(shí)，會(huì)縮短蓄電池

的充放電時(shí)間，所以蓄電池由于自放電而損失的能量就比較小。而充電效率和放電效率，在電流比較小的時(shí)候，兩者都會(huì)隨著電流的增大不斷的增大，當(dāng)超過某一時(shí)刻后，兩者就會(huì)隨著電流的增大而減小，這是因?yàn)殡娏鬟^大時(shí)電池內(nèi)部的極化現(xiàn)象就會(huì)加劇，蓄電池的功率損耗就會(huì)變大，進(jìn)而使得能量損耗的增加，所以導(dǎo)致蓄電池的效率下降。所以在選擇充放電電流的時(shí)候不能盲目選擇，電流過大或者過小都會(huì)降低蓄電池的效率，要根據(jù)實(shí)際的情況對(duì)蓄電池充放電電流進(jìn)行選擇。

充電電壓的影響

充電效率實(shí)際也就是把硫酸鉛轉(zhuǎn)變成二氧化鉛和鉛活性物質(zhì)的時(shí)消耗的電量和充電過程中輸入到蓄電池電

量的比值，在此假設(shè)蓄電池沒有自放電，那么蓄電池的儲(chǔ)能效率就等于充電效率乘以放電效率。而在充電過程中消耗的電能主要由于蓄電池內(nèi)析氣和腐蝕等一些副反應(yīng)。閥控式鉛酸蓄電池的充電效率較高，充電效率和荷電狀態(tài)有很大關(guān)系，一直到蓄電池滿電荷之前蓄電池的充電效率都會(huì)很高，在接近完全充滿電的時(shí)候由于產(chǎn)生過充電反應(yīng)，所以充電效率就會(huì)降低。以單體蓄電池為例，其額定電壓一般為2．0V，如圖給出了在恒壓充電方式下充電電壓和儲(chǔ)能效率的關(guān)系曲線，可以看出，在電壓較小的時(shí)候隨著充電電壓的升高儲(chǔ)能效率會(huì)增加，當(dāng)超過一定值時(shí)由于副反應(yīng)的發(fā)生，儲(chǔ)能效率會(huì)下降。

環(huán)境溫度的影響

將蓄電池的充電方式設(shè)置為恒壓限流，在環(huán)境溫度小于10℃時(shí)，會(huì)對(duì)蓄電池內(nèi)的電流擴(kuò)散造成影響使其降低，但是對(duì)交換電流的密度影響不大，所以加劇了蓄電池內(nèi)部濃度差的極化，導(dǎo)致了儲(chǔ)能效率的減小。低溫條件下，對(duì)于放電過程中產(chǎn)生的，充電時(shí)其溶解的速度會(huì)降到很小，而且上的空隙不能夠使電解液保持飽和度最小，對(duì)充電的化學(xué)反應(yīng)有一定的阻礙力，最終導(dǎo)致的結(jié)果就會(huì)使儲(chǔ)能效率下降。

其他儲(chǔ)能效率

飛輪儲(chǔ)能

近年來，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)取得突破性進(jìn)展是基于下述三項(xiàng)技術(shù)的飛速發(fā)展：一是高能永磁及高溫超導(dǎo)技術(shù)的出現(xiàn)；二是高強(qiáng)纖維復(fù)合材料的問世；三是電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展。 利用超導(dǎo)，我們可以把具有一定質(zhì)量的飛輪放在永磁體上邊，飛輪兼作電機(jī)轉(zhuǎn)子。當(dāng)給電機(jī)充電時(shí)，飛輪增速儲(chǔ)能，變電能為機(jī)械能；飛輪降速時(shí)放能，變機(jī)械能為電能。儲(chǔ)能飛輪裝置示例：超導(dǎo)體是由鋇釔銅合金制成，并用液氮冷卻至77K，飛輪腔抽至10－8托的真空度（托為真空度單位，1Torr（托）＝133．332Pa），這種飛輪能耗極小，每天僅耗掉儲(chǔ)能的2％。

1994年，美國阿貢（ANL）國家實(shí)驗(yàn)室用碳纖維試制一個(gè)儲(chǔ)能飛輪：直徑38厘米，質(zhì)量為 11千克，采用超導(dǎo)磁懸浮，飛輪線速度達(dá)1000米／秒。它儲(chǔ)的能量可將10個(gè)100瓦燈泡點(diǎn)燃2～5小時(shí)。該實(shí)驗(yàn)室目前正在開發(fā)儲(chǔ)能為50千瓦小時(shí)的儲(chǔ)能輪，最終目標(biāo)是使其儲(chǔ)能達(dá)5000千瓦小時(shí)的儲(chǔ)能飛輪。一個(gè)發(fā)電功率為100萬千瓦的電廠，約需這樣的儲(chǔ)能輪200個(gè)。

1992年美國飛輪系統(tǒng)公司（AFS）開發(fā)了一種用于汽車上的機(jī)－電電池（EMB），每個(gè)“電池”長18厘米，直徑23厘米，質(zhì)量為23千克。電池的核心是一個(gè)以20萬轉(zhuǎn)／分旋轉(zhuǎn)的碳纖飛輪，每個(gè)電池儲(chǔ)能為1千瓦小時(shí)，它們將12個(gè)“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以100千米／小時(shí)的速度行駛480千米。機(jī)－電電池共重273千克，若采用鉛酸電池，則共重396千克。機(jī)－電電池所儲(chǔ)的能量為鉛酸電池的2．5倍，使用壽命是鉛酸電池的8 倍，且它的“比功率”（即爆發(fā)力）極高，是鉛酸電池的25倍，是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的10倍，它可將該車在8秒鐘內(nèi)由靜止加速至100千米／小時(shí)。

飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。眾所周知。當(dāng)飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就具有一定的動(dòng)能。飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲(chǔ)存電能，就很像標(biāo)準(zhǔn)電池。飛輪電池中有一個(gè)電機(jī)，充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其功能；放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能（動(dòng)能）到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛輪電池輸出電的時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電他的飛輪是在真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高（高達(dá)200000r／min），使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能呈可達(dá)150W·h／kg，比功率達(dá)5000－10000W／kg，使用壽命長達(dá)25年，可供電動(dòng)汽車行駛500萬公里。

抽水儲(chǔ)能

抽水儲(chǔ)能電站儲(chǔ)存能量的釋放時(shí)間從幾小時(shí)到幾天，綜合效率在70～85％之間。

水輪機(jī)的效率：現(xiàn)在的轉(zhuǎn)輪技術(shù)模型最高有95％，80－90年代的水輪機(jī)模型效率最高只90％。中、小型水輪機(jī)的效率可能只有75～80％左右。 大型水泵的效率大約在85～90％之間。

再考慮發(fā)電機(jī)效率98％左右。看起來抽水儲(chǔ)能的效率也就是70～80％左右。

超導(dǎo)儲(chǔ)能

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）利用超導(dǎo)體制成的線圈儲(chǔ)存磁場能量，功率輸送時(shí)無需能源形式的轉(zhuǎn)換，具有響應(yīng)速度快（ms 級(jí)），轉(zhuǎn)換效率高（≥96％）、比容量（1－10 Wh／kg）／比功率（104－105kW／kg）大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)大容量能量交換和功率補(bǔ)償。

SMES 可以充分滿足輸配電網(wǎng)電壓支撐、功率補(bǔ)償、頻率調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和功率輸送能力的要求。

氫儲(chǔ)能

氫儲(chǔ)能在電力供過于求的時(shí)候采用電解水的方式獲得氫，然后低溫液態(tài)存儲(chǔ)起來，在需要的時(shí)候通過燃燒產(chǎn)生能量，氫也是燃料電池的主要燃料之一。目前氫能的生產(chǎn)成本是汽油的4～6倍，其運(yùn)輸、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)化過程的成本也都較化石能源高。有人提出利用太陽能，風(fēng)能和水能發(fā)電電解水，真正實(shí)現(xiàn)新能源產(chǎn)生新能源，并達(dá)到儲(chǔ)存能量效果，真正實(shí)現(xiàn)“清潔能源的可持續(xù)利用”。