儲能系統(tǒng)：利用可再生能源所需的關(guān)鍵設(shè)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(dǎo)致的，包括對氣候變化和緩解其源頭的擔(dān)憂、“綠色”經(jīng)濟(jì)的大趨勢、對傳統(tǒng)化石能源（石油、天然氣、煤炭）的短期和長期可用性的擔(dān)憂、漫長且往往具有政治風(fēng)險(xiǎn)的供應(yīng)鏈（想想來自俄羅斯的天然氣供應(yīng)），以及政府法規(guī)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(jì)總額就超過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(xiàn)出明顯增長的趨勢，新的大型可再生能源項(xiàng)目的投資額較2021年同期增長12%，2022年第一季度達(dá)1200億美元。（圖源：Bloomberg/NEF）

基于可再生能源的電力系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和使用傳統(tǒng)燃料的系統(tǒng)是不同的，因?yàn)樘柲芎惋L(fēng)能等流行的可再生能源本質(zhì)上就不是連續(xù)可用的。這種不可預(yù)測性完全不同于我們對傳統(tǒng)發(fā)電廠的預(yù)期和經(jīng)驗(yàn)，畢竟后者可以全天候提供相同的輸出，與有沒有陽光或風(fēng)無關(guān)。

非可再生燃料電力系統(tǒng)只有兩個主要元素：作為電源的發(fā)電機(jī)和為最終用戶提供電力的輸電線路。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，必須通過功率變換器/調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、清潔的120/240伏交流電。

l 其次，對于無法穩(wěn)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的路徑上添置一套儲能系統(tǒng) (ESS)，以便接受并儲存從這些能源獲取的能量，這樣才可以隨時根據(jù)需要為用戶供電，不論上述能源在此時是否可用。

此外，更先進(jìn)的ESS系統(tǒng)還可以將未使用或未儲存的電力回輸?shù)诫娋W(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。一個完整的系統(tǒng)不僅需要能源，還需要儲能系統(tǒng)和輸電線路（圖2）。目前，在構(gòu)建基于可再生能源的實(shí)用、完整的系統(tǒng)時，如何實(shí)現(xiàn)這種臨時儲能是一個重要問題。

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

不論移動式還是固定式裝置，都有儲能的需求，具體合適的方案取決于系統(tǒng)的大小和定位。當(dāng)最終應(yīng)用的規(guī)模擴(kuò)大，或者不再需要移動時，會有更多可行的方案（圖3）。

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

儲能方案大致可分為機(jī)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，然后儲存在燃料電池中使用。

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

l 將空氣壓縮儲存在罐體或洞穴中，然后在需要時釋放出來，推動渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動。

l 使用電機(jī)使飛輪旋轉(zhuǎn)，將能量儲存在旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量中，然后在需要時將該電機(jī)用作發(fā)電機(jī)，提取儲存的能量。

l 加熱鹽類直至熔融，然后在需要時讓其冷卻，提取儲存的熱能。

l 使用電動絞盤提升并堆放重物，然后在需要時讓重物以受控的方式下落，此時絞盤電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)（圖4）。

圖4：一種通過重力儲能的形式是使用自動起重機(jī)吊起重達(dá)35噸的混凝土塊，然后讓它們以受控的方式下落，帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動。（圖源：Energy Vault）

l 使用超級電容器，通過電荷的物理排列來儲存能量。

l 當(dāng)然，還可以使用電池，利用電化學(xué)變化來儲存和釋放能量。

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(jì)算的能量密度。

l 現(xiàn)場準(zhǔn)備、許可問題和環(huán)境影響。

l 向更大容量擴(kuò)展的可行性。

l 儲能容量調(diào)整和升級的模塊化程度。

l 前期、運(yùn)營和持續(xù)維護(hù)成本。

l 風(fēng)險(xiǎn)和安全問題（對于密集儲能而言，這很重要）。

l 安裝的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)、工作壽命和耐用期限。

l 以及許多其他參數(shù)。

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

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，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)鍵屬性上更是有著顯著優(yōu)勢。例如，按重量和體積計(jì)算，此類電池的能量密度非常高，但對現(xiàn)場準(zhǔn)備的要求不高，而且工作時沒有聲響，自身也沒有活動部件，維護(hù)工作量很小。

電池儲能的另一項(xiàng)關(guān)鍵優(yōu)勢在于，無論初始設(shè)計(jì)的規(guī)模多大，都可以在之后輕松調(diào)整，以適應(yīng)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(shè)計(jì)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，如果單個電池或模塊發(fā)生故障，也可以在不影響或關(guān)閉系統(tǒng)其他部分的情況下進(jìn)行更換。簡而言之，電池儲能通常能夠很好地滿足最主要的應(yīng)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。它們在純電動和混合動力汽車和卡車設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，因而在電池技術(shù)和關(guān)鍵性的電源管理系統(tǒng)，以及相應(yīng)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)專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)也在增加，這在很大程度上也得益于汽車的高產(chǎn)量。

在電池儲能系統(tǒng)中，還有一種不尋常的方案：使用從舊車或報(bào)廢車中回收的低成本舊電池來構(gòu)建固定的系統(tǒng)。這些電池仍然有不小的可用容量。按照通常的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池存儲容量下降到其原始值的80%時，就會被認(rèn)為不再適合其最初的應(yīng)用，然而此時它們?nèi)匀槐Ｓ写蟛糠秩萘?，如果回收重用這些“二手”的舊電池，依然能夠組成容量可觀的固定儲能裝置（圖6）。

圖6：隨著電動汽車發(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(shè)計(jì)并不局限于家庭或小型建筑物等小規(guī)模裝置。它們同樣使用能夠支持辦公樓、商場甚至工廠的大規(guī)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汽車電池技術(shù)相關(guān)的現(xiàn)有組件和專業(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(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：獨(dú)立或并網(wǎng)。兩者都可以配置為不間斷電源系統(tǒng) (UPS)。

獨(dú)立系統(tǒng)具有獨(dú)立的能源（通常但不一定是可再生能源）來為電池組充電。在非電池能源可用的情況下，由該能源為負(fù)載供電，同時為電池充電；當(dāng)該能源不可用時，負(fù)載由電池單獨(dú)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ESS可從電網(wǎng)和其他能源（如并非隨時都可獲得的風(fēng)能和太陽能）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(fù)載供電并為電池充電。復(fù)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(yùn)行成本。

在電網(wǎng)可用，并且電費(fèi)便宜時，可由電網(wǎng)為電池充電。反過來，當(dāng)電費(fèi)昂貴，或者可再生能源不可用或滿足不了需求時，則使用電池供電。通過仔細(xì)管理可用能源和負(fù)載情況，此類ESS可以確保供電穩(wěn)定并降低成本。

當(dāng)電池已經(jīng)充滿電，可再生能源也能夠滿足用電需求，因而不需要使用電網(wǎng)供電時，更先進(jìn)的ESS系統(tǒng)可以將富余電力回輸?shù)诫娋W(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的收益并降低總體成本。為此，這類系統(tǒng)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(dǎo)到需要或可以存儲的地方。

圖7：借助雙向電源，可以同時使用AC線路電源和其他能源為電池充電，并將電力引導(dǎo)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(tǒng) (UPS)，無論電網(wǎng)是否可用，都能支持負(fù)載。UPS有離線和在線兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。離線UPS的結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。在該系統(tǒng)中，負(fù)載直接由電網(wǎng)供電；當(dāng)電網(wǎng)供電中斷時，系統(tǒng)需要幾秒鐘時間才能切換到以電池作為電源。離線結(jié)構(gòu)適用于不太關(guān)鍵的情況，例如用作住宅備用電源時，或者有備用發(fā)電機(jī)但沒有真正意義上的儲能裝置時（發(fā)電機(jī)的燃料也是一種儲能形式，但必須啟動發(fā)電機(jī)才能使用）。

對于公共安全建筑、醫(yī)院甚至數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵任務(wù)設(shè)施而言，就需要使用在線UPS。在該系統(tǒng)中，負(fù)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(xù)充電，供電分配通過ESS算法來管理。當(dāng)為電池充電的電源（無論是電網(wǎng)還是其他電源）中斷時，不會出現(xiàn)間斷或瞬變。

正如Generac PWRcell系統(tǒng)所展現(xiàn)的那樣，在線系統(tǒng)各個組件的技術(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(tǒng)無縫整合了電網(wǎng)電源、太陽能電池電源和電池儲能裝置；此外還可以整合一個可選的發(fā)電機(jī)（圖中未表示）。（圖源：Generac Power Systems, Inc.）

該系統(tǒng)具有三種無縫銜接的模式：

1) 日間模式：使用太陽能供電，同時為電池充電，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，并在日間使用太陽能充電，需要時還可使用可選的發(fā)電機(jī)為電池充電。

通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義設(shè)計(jì)和性能

與許多新興應(yīng)用一樣，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在ESS的自身發(fā)展和接受度方面發(fā)揮著重要作用。隨著新能源和ESS裝置的廣泛使用成為現(xiàn)實(shí)，主要供應(yīng)商、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和專業(yè)組織制定了涵蓋多個領(lǐng)域的必要標(biāo)準(zhǔn)：

l 基本安全，因?yàn)檫@些系統(tǒng)涉及高電壓和大電流。這些標(biāo)準(zhǔn)可能只是多年來一直實(shí)施的電氣和建筑規(guī)范的加強(qiáng)版。

l 選址和物理放置，因?yàn)?/span>ESS通常很大、很重而且能量密集，其結(jié)構(gòu)中也可能含有危險(xiǎn)材料。

l 兼容性，因?yàn)橛脩粝Ｍ軌蛞砸恢碌姆绞綄⒉煌?yīng)商的產(chǎn)品結(jié)合使用。從物理連接器的基本硬件級別，到各種高級操作問題，都會涉及這一方面。

l 使用關(guān)鍵參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)度量來定義如何衡量系統(tǒng)的性能。

l 通常情況下，這些標(biāo)準(zhǔn)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(shù)量眾多的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了從基本的有形安裝問題到單個組件、子系統(tǒng)和整個完整系統(tǒng)的各種內(nèi)容。本文最后的資源部分列出了一些網(wǎng)站和資料來源，它們有助于解決這個經(jīng)常令人困惑的問題。

結(jié)語

如果供電和輸電系統(tǒng)部分或全部依賴可用性不連續(xù)或不可預(yù)測的能源，那么儲能系統(tǒng)就是其重要的組成部分。擺在用戶面前的儲能方案多種多樣，每種方案都在關(guān)鍵的電氣、機(jī)械和物理性能以及安裝參數(shù)方面存在權(quán)衡?；陔姵氐?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/儲能系統(tǒng)">儲能系統(tǒng)是一個非常有吸引力的方案，因?yàn)樗哂蟹浅８叩目捎眯?、模塊化程度、可擴(kuò)展性、能量密度、可管理性，而且工作過程中不產(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”

作者簡介

Bill Schweber是貿(mào)澤電子撰稿人，也是一名電子工程師。他撰寫了三本關(guān)于電子通信系統(tǒng)的教科書，以及數(shù)百篇技術(shù)文章、意見專欄和產(chǎn)品功能介紹。在過去的職業(yè)生涯中，他曾擔(dān)任多個EE Times子網(wǎng)站的網(wǎng)站管理員以及EDN的執(zhí)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(yīng)商）負(fù)責(zé)營銷傳播工作，因此他在技術(shù)公關(guān)職能的兩個方面都很有經(jīng)驗(yàn)，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(dān)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)品營銷和應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)工作。在擔(dān)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(shè)計(jì)以及用于材料測試機(jī)器控制的系統(tǒng)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，是注冊專業(yè)工程師，并持有高級業(yè)余無線電執(zhí)照。他還規(guī)劃、編寫并演示了各種工程主題的在線課程，包括MOSFET基礎(chǔ)知識、ADC選擇和驅(qū)動LED。