抽水蓄能是世界上最重要的儲能技術之一，目前全世界裝機容量超過127 GW。該技術自20世紀初開始使用，已有100年的歷史。我國在上世紀60年代后期也開始了抽水蓄能電站的開發(fā)。 目前，抽水蓄能電站在電力輔助服務上扮演著不可替代的角色。就讓本文帶你簡明全面了解抽水蓄能技術！
浙江安吉天荒坪抽水蓄能電站
抽水蓄能技術原理及特點
抽水蓄能電站由兩個相互連接且位于不同高度的水庫組成。 管道將上部和下部水庫連接。 在充電過程中，電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能。 通過將水從下部水庫通過管道輸送到上部水庫，泵將它們轉(zhuǎn)化為勢能。在低電時，存儲在上部水庫中的水可以通過渦輪機返回到下部水庫，由此從勢能產(chǎn)生機械能，并且在發(fā)電機的幫助下再次產(chǎn)生電能。儲存的能量與水的總質(zhì)量和上下兩蓄水池之間的高度差的乘積成比例。
抽水蓄能電站作為一個中間存儲系統(tǒng)，通常被用作電力輔助服務，以維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在新能源發(fā)電日益增多的今天，抽水蓄能的意義愈發(fā)重大。 一是解決電力系統(tǒng)日益突出的調(diào)峰問題；
二是發(fā)揮調(diào)壓調(diào)相作用，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定；三是發(fā)揮事故備用作用；此外，抽水蓄能電站還具有黑啟動、系統(tǒng)特殊負荷等功能。
抽水蓄能電站結(jié)構及組成部分如下圖所示：
1. 上水庫，用于在較高地勢差處蓄水
2. 進水結(jié)構，作為進水管道的入口，在維護時起到封閉作用
3. 上游管道及克服高度差的壓力管，用于在上下水庫之間運輸水
4. 平壓塔，用來降低壓力并提高控制效率
5. 配備渦輪機和泵，發(fā)電機和電動機
6. 出口結(jié)構，可能帶有平壓塔，以連接下水庫
7. 下水庫，用于儲水
抽水蓄能技術優(yōu)缺點
抽水蓄能有著許多其他儲能技術不可比擬的優(yōu)點。抽水蓄能電站作為一項100年歷史的技術，比起其他儲能技術，已經(jīng)發(fā)展的十分成熟。除此之外，抽水蓄能電站還有著長達80年甚至100年的使用壽命?，F(xiàn)在的抽水蓄能電站還擁有極高的存儲效率，可實現(xiàn)高達80％的整體效率。 能量流和各個組件的損耗如下圖所示。并且除了充放電過程中的能量損耗，自身的損耗（所謂自放電率）極低。
誠然，抽水蓄能技術的缺點也是一目了然的。抽水蓄能電站的建設有著極大的地理限制，因為上下水庫要求存在于較近的距離內(nèi)，并有著較高的高度差。且在高度差有限的條件下，抽水蓄能電站所能達到的能量密度很為有限。除此之外，對該技術發(fā)展最大的限制是它極低的經(jīng)濟性，抽水蓄能電站的投資成本很高，回報周期很長，通常需要30年以上的回報周期，有些甚至根本不能盈利。
抽水蓄能在中國
我國抽水蓄能電站的發(fā)展起步較晚，在上世紀60年代后期才開始研究抽水蓄能電站的開發(fā)。但起步晚、起點高是我國抽水蓄能產(chǎn)業(yè)的特點。
我國抽水蓄能電站裝機容量已居世界第一，截至2018年底中國抽水蓄能裝機容量為30GW，占發(fā)電總裝機1.6%；在建規(guī)模為50GW。據(jù)預測到2030年中國風抽水蓄能裝機達130GW。未來十年，將新增抽水蓄能裝機100GW。
我國已建和在建抽水蓄能電站主要分布在華南、華中、華北、華東等地區(qū)，以解決電網(wǎng)的調(diào)峰問題，按照國家“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃要求，“十三五”期間新開工抽水蓄能6000萬千瓦，到2025年達到9000萬千瓦左右。
我國的抽水蓄能電站一直沒有成熟的商業(yè)模式，一直以來是把它當作電網(wǎng)的運行工具對待的，所以一直把它放在電網(wǎng)的管理之中。然而電力體制改革之后，電網(wǎng)為抽水蓄能電站出資卻不能在電網(wǎng)運營中得到全部補償，致使抽水蓄能電站發(fā)展積極性大打折扣。而如今隨著電改的深入，峰谷電價制度的推進，以及各省在抽水蓄能商業(yè)模式上的諸多嘗試，抽水蓄能電站的發(fā)展獲得了再次邁進。例如湖南省抽水蓄能輔助服務專項市場采用雙邊協(xié)商交易和要約招標兩種方式進行交易。
海中蓄能，未來抽水蓄能的進階版
前文有述，抽水蓄能有著地理限制及能量密度低的缺點，這也是嚴重限制該技術發(fā)展的兩大因素。為此，德國Fraunhofer研究所提出了名為海中蓄能（StEnSEA）的新技術。
2011年，物理學教授Horst Schmidt-B?cking博士（法蘭克福歌德大學）和Gerhard Luther博士（薩爾大學）提出了一個新的泵儲存系統(tǒng)的想法。該系統(tǒng)安置在海床中，利用大海深處的高水壓來在空心體中存儲電力。不久之后，F(xiàn)raunhofer研究所驗證了其可行性并成立專屬部門進行研究，并在2016年11月在模型規(guī)模上進行了測試。
其蓄能主體為多個內(nèi)直徑30米的混凝土空心球。這些球會被放在600-800米深的海床上。每個球里都有一臺水輪發(fā)電機和一臺水泵。當電網(wǎng)負載低，電力多余時，水泵就會耗電把海水抽出，進行蓄能。當電網(wǎng)負載高，需要峰值發(fā)電時，這些球體的閥門就會打開，讓涌進的海水驅(qū)動水輪發(fā)電。
研究人員們預計，如果使用5兆瓦的水輪發(fā)電機，每個30米直徑空球可以最高連續(xù)發(fā)電4小時。意味著每個空球都可以存儲20兆瓦時的電力。如果有80個以上的蓄能球被并聯(lián)在一起，其總蓄能效果足以有效影響電網(wǎng)。該項目負責人MatthiasPuchta表示，通過全球探測，適合建造該系統(tǒng)的地點的總儲能，加起來一共有8170億千瓦時。
該項技術尚處于研究中，未來有望成為新的高效儲能技術。
參考資料：
[1] Technologischer überblick zur Speicherung von Elektrizit?t-ISEARWTH Aachen
[2] Stromspeicherpotenziale für Deutschland-Universit?t Stuttgart
[3] https://baike.baidu.com/item/%E6%8A%BD%E6%B0%B4%E8%93%84%E8%83%BD%E7%94%B5%E7%AB%99
[4] http://www.sohu.com/a/128222287_354973
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Stored_Energy_at_Sea
[6] http://www.chinapower.com.cn/informationzxbg/20190212/1265552.html
[7]http://www.tftpjs.cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20140301&year_id=2014&quarter_id=3&falg=1
