儲能系統：利用可再生能源所需的關(guān)鍵設施

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眾所周知，我們對可再生能源的渴望正與日俱增，這是由諸多因素導致的，包括對氣候變化和緩解其源頭的擔憂(yōu)、“綠色”經(jīng)濟的大趨勢、對傳統化石能源（石油、天然氣、煤炭）的短期和長(cháng)期可用性的擔憂(yōu)、漫長(cháng)且往往具有政治風(fēng)險的供應鏈（想想來(lái)自俄羅斯的天然氣供應），以及政府法規和激勵措施。于是，可再生能源領(lǐng)域吸引了大量投資，僅2022一年的估計總額就超過(guò)1000億美元（圖1）。

圖1：可再生能源投資的走勢雖偶有小幅下降，但總體呈現出明顯增長(cháng)的趨勢，新的大型可再生能源項目的投資額較2021年同期增長(cháng)12%，2022年第一季度達1200億美元。（圖源：Bloomberg/NEF）

基于可再生能源的電力系統，其結構和使用傳統燃料的系統是不同的，因為太陽(yáng)能和風(fēng)能等流行的可再生能源本質(zhì)上就不是連續可用的。這種不可預測性完全不同于我們對傳統發(fā)電廠(chǎng)的預期和經(jīng)驗，畢竟后者可以全天候提供相同的輸出，與有沒(méi)有陽(yáng)光或風(fēng)無(wú)關(guān)。

非可再生燃料電力系統只有兩個(gè)主要元素：作為電源的發(fā)電機和為最終用戶(hù)提供電力的輸電線(xiàn)路。相比之下，要讓可再生能源成為靠譜的電源，就必須要引入一些額外的功能：

l 首先，從可再生能源獲取的“原始”能量是不能直接使用的，必須通過(guò)功率變換器/調節器轉化為穩定、清潔的120/240伏交流電。

l 其次，對于無(wú)法穩定供能的可再生能源（通常情況都是如此），需要在從能源到用戶(hù)的路徑上添置一套儲能系統 (ESS)，以便接受并儲存從這些能源獲取的能量，這樣才可以隨時(shí)根據需要為用戶(hù)供電，不論上述能源在此時(shí)是否可用。

此外，更先進(jìn)的ESS系統還可以將未使用或未儲存的電力回輸到電網(wǎng)中。

多種多樣的ESS方案

如前所述，基本可再生能源的可用性，只是更廣泛的能源難題的一部分。一個(gè)完整的系統不僅需要能源，還需要儲能系統和輸電線(xiàn)路（圖2）。目前，在構建基于可再生能源的實(shí)用、完整的系統時(shí)，如何實(shí)現這種臨時(shí)儲能是一個(gè)重要問(wèn)題。

圖2：一套完整的并網(wǎng)ESS系統需要的不僅僅是儲能子系統；它還需要能源和輸電線(xiàn)路。（圖源：Saft/Total Energies）

不論移動(dòng)式還是固定式裝置，都有儲能的需求，具體合適的方案取決于系統的大小和定位。當最終應用的規模擴大，或者不再需要移動(dòng)時(shí)，會(huì )有更多可行的方案（圖3）。

圖3：儲能方案顯然不在少數，但它們的可行性取決于定位和容量。（圖源：貿澤電子）

儲能方案大致可分為機械、化學(xué)、電氣和液壓方法，具體包括：

l 利用可再生能源將氫氣從水中分離出來(lái)，然后儲存在燃料電池中使用。

l 把水抽到高處，然后在需要時(shí)釋放出來(lái)，使之流經(jīng)渦輪發(fā)電機。

l 將空氣壓縮儲存在罐體或洞穴中，然后在需要時(shí)釋放出來(lái)，推動(dòng)渦輪發(fā)電機轉動(dòng)。

l 使用電機使飛輪旋轉，將能量?jì)Υ嬖谛D的質(zhì)量中，然后在需要時(shí)將該電機用作發(fā)電機，提取儲存的能量。

l 加熱鹽類(lèi)直至熔融，然后在需要時(shí)讓其冷卻，提取儲存的熱能。

l 使用電動(dòng)絞盤(pán)提升并堆放重物，然后在需要時(shí)讓重物以受控的方式下落，此時(shí)絞盤(pán)電機充當發(fā)電機（圖4）。

圖4：一種通過(guò)重力儲能的形式是使用自動(dòng)起重機吊起重達35噸的混凝土塊，然后讓它們以受控的方式下落，帶動(dòng)發(fā)電機轉動(dòng)。（圖源：Energy Vault）

l 使用超級電容器，通過(guò)電荷的物理排列來(lái)儲存能量。

l 當然，還可以使用電池，利用電化學(xué)變化來(lái)儲存和釋放能量。

上述每一種儲能方案都具有各不相同的性能屬性，涉及：

l 按重量和體積計算的能量密度。

l 現場(chǎng)準備、許可問(wèn)題和環(huán)境影響。

l 向更大容量擴展的可行性。

l 儲能容量調整和升級的模塊化程度。

l 前期、運營(yíng)和持續維護成本。

l 風(fēng)險和安全問(wèn)題（對于密集儲能而言，這很重要）。

l 安裝的不確定性和風(fēng)險、工作壽命和耐用期限。

l 以及許多其他參數。

事實(shí)上，沒(méi)有任何一種方案能夠成為適合所有場(chǎng)景的“最佳”方案（圖5）。適用于特定情況的方案是通過(guò)對諸多屬性和關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行仔細的評估、排名和權衡來(lái)確定的。

圖5：各種儲能方案涵蓋了廣泛的功率和儲能容量。（圖源：Elsevier/Science Direct）

電池是一種頗具吸引力的方案

在一眾儲能方案中，可充電電池具有諸多優(yōu)勢，因而成為了一種較為普遍的選擇。至于電池的種類(lèi)，雖然經(jīng)典的鉛酸電池和其他電池化學(xué)物質(zhì)也是可以使用的，但鋰基化學(xué)物質(zhì)通常是首選。

鋰化學(xué)物質(zhì)在許多關(guān)鍵需求上都能提供出色的性能，某些關(guān)鍵屬性上更是有著(zhù)顯著(zhù)優(yōu)勢。例如，按重量和體積計算，此類(lèi)電池的能量密度非常高，但對現場(chǎng)準備的要求不高，而且工作時(shí)沒(méi)有聲響，自身也沒(méi)有活動(dòng)部件，維護工作量很小。

電池儲能的另一項關(guān)鍵優(yōu)勢在于，無(wú)論初始設計的規模多大，都可以在之后輕松調整，以適應新的要求。此外，電池組本質(zhì)上就是模塊化的。如果日后需要更大的容量，只需再投入少量的設計工作，就可以增加額外的電池模塊。這與水力/重力等儲能方案形成了鮮明對比。

不僅如此，如果單個(gè)電池或模塊發(fā)生故障，也可以在不影響或關(guān)閉系統其他部分的情況下進(jìn)行更換。簡(jiǎn)而言之，電池儲能通常能夠很好地滿(mǎn)足最主要的應用需求，而它在其他情況下的缺點(diǎn)也是可接受的。

可充電電池，尤其是鋰電池，具有吸引力的原因還有很多。它們在純電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)和卡車(chē)設計中得到了廣泛應用，因而在電池技術(shù)和關(guān)鍵性的電源管理系統，以及相應的電路和組件方面已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。此外，電池相關(guān)電子產(chǎn)品的成本一直在下降，性能不斷提高，行業(yè)專(zhuān)業(yè)知識和經(jīng)驗也在增加，這在很大程度上也得益于汽車(chē)的高產(chǎn)量。

在電池儲能系統中，還有一種不尋常的方案：使用從舊車(chē)或報廢車(chē)中回收的低成本舊電池來(lái)構建固定的系統。這些電池仍然有不小的可用容量。按照通常的標準，當電池存儲容量下降到其原始值的80%時(shí)，就會(huì )被認為不再適合其最初的應用，然而此時(shí)它們仍然保有大部分容量，如果回收重用這些“二手”的舊電池，依然能夠組成容量可觀(guān)的固定儲能裝置（圖6）。

圖6：隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展成熟，其產(chǎn)生的“二手”舊電池容量不斷增加。（圖源：Circular Energy Storage Research and Consulting）

基于舊電池的ESS設計并不局限于家庭或小型建筑物等小規模裝置。它們同樣使用能夠支持辦公樓、商場(chǎng)甚至工廠(chǎng)的大規模裝置。與新電池一樣，這些重新利用的電池組也能從大容量電動(dòng)汽車(chē)電池技術(shù)相關(guān)的現有組件和專(zhuān)業(yè)技術(shù)中受益。

并網(wǎng)還是離網(wǎng)？

基于電池的ESS可以支持兩種基本的電力系統拓撲結構：獨立或并網(wǎng)。兩者都可以配置為不間斷電源系統 (UPS)。

獨立系統具有獨立的能源（通常但不一定是可再生能源）來(lái)為電池組充電。在非電池能源可用的情況下，由該能源為負載供電，同時(shí)為電池充電；當該能源不可用時(shí)，負載由電池單獨供電。

在可以或者需要連接電網(wǎng)，并且電網(wǎng)可用的情況下，此類(lèi)ESS可從電網(wǎng)和其他能源（如并非隨時(shí)都可獲得的風(fēng)能和太陽(yáng)能）獲取電力。如果可再生能源產(chǎn)生的電力有富余，則由該能源為負載供電并為電池充電。復雜的ESS算法可以平衡供電分配，從而盡可能提高可用性并降低運行成本。

在電網(wǎng)可用，并且電費便宜時(shí)，可由電網(wǎng)為電池充電。反過(guò)來(lái)，當電費昂貴，或者可再生能源不可用或滿(mǎn)足不了需求時(shí)，則使用電池供電。通過(guò)仔細管理可用能源和負載情況，此類(lèi)ESS可以確保供電穩定并降低成本。

當電池已經(jīng)充滿(mǎn)電，可再生能源也能夠滿(mǎn)足用電需求，因而不需要使用電網(wǎng)供電時(shí)，更先進(jìn)的ESS系統可以將富余電力回輸到電網(wǎng)中，從而實(shí)現進(jìn)一步的收益并降低總體成本。為此，這類(lèi)系統需要使用“雙向”ESS電源單元，例如TDK的EZA系列中的電源單元（圖7）。這些單元能夠透明地將電力從可用的地方引導到需要或可以存儲的地方。

圖7：借助雙向電源，可以同時(shí)使用AC線(xiàn)路電源和其他能源為電池充電，并將電力引導到需要或可以存儲的地方。（圖源：TDK）

基于電池的ESS也可以用作不間斷電源系統 (UPS)，無(wú)論電網(wǎng)是否可用，都能支持負載。UPS有離線(xiàn)和在線(xiàn)兩種拓撲結構。離線(xiàn)UPS的結構簡(jiǎn)單、成本較低。在該系統中，負載直接由電網(wǎng)供電；當電網(wǎng)供電中斷時(shí)，系統需要幾秒鐘時(shí)間才能切換到以電池作為電源。離線(xiàn)結構適用于不太關(guān)鍵的情況，例如用作住宅備用電源時(shí)，或者有備用發(fā)電機但沒(méi)有真正意義上的儲能裝置時(shí)（發(fā)電機的燃料也是一種儲能形式，但必須啟動(dòng)發(fā)電機才能使用）。

對于公共安全建筑、醫院甚至數據中心等關(guān)鍵任務(wù)設施而言，就需要使用在線(xiàn)UPS。在該系統中，負載始終由電池供電，而電池又由電網(wǎng)（如果可用）或備用電源持續充電，供電分配通過(guò)ESS算法來(lái)管理。當為電池充電的電源（無(wú)論是電網(wǎng)還是其他電源）中斷時(shí)，不會(huì )出現間斷或瞬變。

正如Generac PWRcell系統所展現的那樣，在線(xiàn)系統各個(gè)組件的技術(shù)在性能上取得了進(jìn)步，成本也下降到了可供家用的水平（圖8）。

圖8：Generac PWRcell等新型家用系統無(wú)縫整合了電網(wǎng)電源、太陽(yáng)能電池電源和電池儲能裝置；此外還可以整合一個(gè)可選的發(fā)電機（圖中未表示）。（圖源：Generac Power Systems, Inc.）

該系統具有三種無(wú)縫銜接的模式：

1) 日間模式：使用太陽(yáng)能供電，同時(shí)為電池充電，并向電網(wǎng)回售多余電力。

2) 夜間模式：使用電池供電，能源使用得到優(yōu)化。

3) 電網(wǎng)停電模式：使用電池供電，并在日間使用太陽(yáng)能充電，需要時(shí)還可使用可選的發(fā)電機為電池充電。

通過(guò)行業(yè)標準定義設計和性能

與許多新興應用一樣，行業(yè)標準在ESS的自身發(fā)展和接受度方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。隨著(zhù)新能源和ESS裝置的廣泛使用成為現實(shí)，主要供應商、監管機構和專(zhuān)業(yè)組織制定了涵蓋多個(gè)領(lǐng)域的必要標準：

l 基本安全，因為這些系統涉及高電壓和大電流。這些標準可能只是多年來(lái)一直實(shí)施的電氣和建筑規范的加強版。

l 選址和物理放置，因為ESS通常很大、很重而且能量密集，其結構中也可能含有危險材料。

l 兼容性，因為用戶(hù)希望能夠以一致的方式將不同供應商的產(chǎn)品結合使用。從物理連接器的基本硬件級別，到各種高級操作問(wèn)題，都會(huì )涉及這一方面。

l 使用關(guān)鍵參數的標準度量來(lái)定義如何衡量系統的性能。

l 通常情況下，這些標準是由許多成熟和新興的組織頒布的，因此理解和遵循它們可能并不容易。這些數量眾多的標準涵蓋了從基本的有形安裝問(wèn)題到單個(gè)組件、子系統和整個(gè)完整系統的各種內容。本文最后的資源部分列出了一些網(wǎng)站和資料來(lái)源，它們有助于解決這個(gè)經(jīng)常令人困惑的問(wèn)題。

結語(yǔ)

如果供電和輸電系統部分或全部依賴(lài)可用性不連續或不可預測的能源，那么儲能系統就是其重要的組成部分。擺在用戶(hù)面前的儲能方案多種多樣，每種方案都在關(guān)鍵的電氣、機械和物理性能以及安裝參數方面存在權衡?；陔姵氐?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/儲能系統">儲能系統是一個(gè)非常有吸引力的方案，因為它具有非常高的可用性、模塊化程度、可擴展性、能量密度、可管理性，而且工作過(guò)程中不產(chǎn)生噪音。

資源

l Pacific Northwest National Laboratory和Sandia National Laboratories，“Energy Storage System Guide for Compliance with Safety Codes and Standards”

l Underwriters Laboratory，“UL 9540: Standard for Safety of Energy Storage Systems and Equipment”

l National Fire Protection Agency，“NFPA 855, Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems”

l Solar Power World，“Industry safety codes and standards for energy storage systems”

l IEEE Power & Energy Society，“Battery Energy Storage System Regulations”

作者簡(jiǎn)介

Bill Schweber是貿澤電子撰稿人，也是一名電子工程師。他撰寫(xiě)了三本關(guān)于電子通信系統的教科書(shū)，以及數百篇技術(shù)文章、意見(jiàn)專(zhuān)欄和產(chǎn)品功能介紹。在過(guò)去的職業(yè)生涯中，他曾擔任多個(gè)EE Times子網(wǎng)站的網(wǎng)站管理員以及EDN的執行編輯和模擬技術(shù)編輯。他在ADI公司（模擬與混合信號IC的知名供應商）負責營(yíng)銷(xiāo)傳播工作，因此他在技術(shù)公關(guān)職能的兩個(gè)方面都很有經(jīng)驗，既能向媒體展示公司產(chǎn)品、故事和信息，也能作為這些信息的接收者。在擔任ADI的MarCom職位之前，Bill曾是一份備受尊敬的技術(shù)期刊的副主編，并曾在其產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)和應用工程團隊工作。在擔任這些職務(wù)之前，他曾在英斯特朗公司 (Instron Corp.) 實(shí)操模擬和電源電路設計以及用于材料測試機器控制的系統集成。他擁有哥倫比亞大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位和馬薩諸塞大學(xué)電子工程碩士學(xué)位，是注冊專(zhuān)業(yè)工程師，并持有高級業(yè)余無(wú)線(xiàn)電執照。他還規劃、編寫(xiě)并演示了各種工程主題的在線(xiàn)課程，包括MOSFET基礎知識、ADC選擇和驅動(dòng)LED。