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一、成熟度
一、成熟度
圖1所示為電力儲能系統(tǒng)的技術(shù)成熟度的總結(jié)與比較。根據(jù)成熟度不同可分為三個層次：
圖1 儲能技術(shù)成熟度
PHS- 抽水蓄能；CAES- 壓縮空氣；Lead-Acid: 鉛酸電池；NiCd: 鎳鎘電池；NaS: 鈉硫電池；ZEBRA: 鎳氯電池；Li-ion: 鋰電池；Fuel cell: 燃料電池；Metal-air: 金屬空氣電池；VRB: 液流電池；ZnbBr: 液流電池；PSB: 液流電池；Solar Fuel: 太陽能燃料電池；SMES: 超導(dǎo)儲能；Flywheel: 飛輪； Capacitor/Supercapcitor: 電容/超級電容；AL-TES: 水/冰儲熱/冷系統(tǒng)；CES:低溫儲能系統(tǒng)；HT-TES：儲熱系統(tǒng)
(1) 成熟技術(shù)：抽水蓄能電站和鉛酸電池技術(shù)已經(jīng)成熟，其使用已超過100年。
(2) 基本成熟的技術(shù)：壓縮空氣儲能、鎳鎘電池、鈉硫電池、鋰離子電池、液流電池、超導(dǎo)磁能、飛輪、電容、儲熱/冷等技術(shù)已經(jīng)完成研發(fā)并開始商業(yè)化，但是還沒有大規(guī)模普遍應(yīng)用，它們的競爭力和可靠性仍然需要電力企業(yè)和市場來進(jìn)一步檢驗(yàn)。
(3) 正在研發(fā)的技術(shù)：燃料電池、金屬-空氣電池和太陽能燃料正在研發(fā)中，雖然它們在技術(shù)上并沒有達(dá)到商業(yè)成熟的程度，但已經(jīng)通過了多個科研機(jī)構(gòu)的研究論證。另一方面，由于能源成本和環(huán)境問題的驅(qū)動，這幾種技術(shù)在不久的將來將具有巨大的商業(yè)潛力。
二、功率和放電時間
表1對各種類型電力儲能系統(tǒng)的功率和放電時間進(jìn)行了比較，根據(jù)它們的應(yīng)用情況，大體上分為三種類型：
(1) 能源管理：抽水儲能、壓縮空氣儲能適合于規(guī)模超過100MW和能夠?qū)崿F(xiàn)每天持續(xù)輸出的應(yīng)用，可用于大規(guī)模的能源管理，如負(fù)載均衡、輸出功率斜坡/負(fù)載跟蹤。大型電池、液流電池、燃料電池、太陽能電池和儲熱/冷適合于10~100MW的中等規(guī)模能源管理。
(2) 電力質(zhì)量：飛輪、電池、超導(dǎo)磁能、電容反應(yīng)速度快（約毫秒），因此可用于電能質(zhì)量管理包括瞬時電壓降、降低波動和不間斷電源等，通常這類儲能設(shè)備的功率級別小于1MW。
(3) 電能橋接：電池、液流電池和金屬-空氣電池不僅要有較快的響應(yīng)（約小于1秒），還要有較長的放電時間（1小時），因此比較適合橋接電能。通常此類型應(yīng)用程序的額定功率為100kW~10MW。
表1 各種儲能技術(shù)性能比較
表2 各種儲能技術(shù)性能比較（續(xù)）
三、儲存周期
表1還給出了各種儲能技術(shù)的能量自耗散率，其中抽水儲能、壓縮空氣儲能、燃料電池、金屬-空氣電池、太陽燃料和液流電池等的自耗散率很小，因此均適合長時間儲存。鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰電池、儲熱/冷等具有中等自放電率，儲存時間以不超過數(shù)十天為宜。飛輪、超導(dǎo)磁能、電容每天有相當(dāng)高的自充電比，只能用在最多幾個小時的短循環(huán)周期。
四、成本
成本是影響儲能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)性的最重要因素之一。表1分別列出了以每千瓦時、每千瓦、每千瓦時-循環(huán)為單位的各種儲能技術(shù)的成本?？梢姡兔壳邥r的成本而言，壓縮空氣、金屬-空氣電池、抽水儲能、儲熱技術(shù)成本較低。與其它形式儲能系統(tǒng)相比，在已經(jīng)成熟的儲能技術(shù)中壓縮空氣儲能的建設(shè)成本最低，抽水儲能次之。盡管電池的成本近年來下降很快，但同抽水儲能系統(tǒng)相比仍然較高。超導(dǎo)磁能、飛輪、電容單位輸出功率成本不高，但從儲能容量的角度看，價格很貴，因此它們更適用于大功率和短時間應(yīng)用場合?？傮w而言，在所有的電力儲能技術(shù)中，抽水儲能和壓縮空氣儲能的每千瓦時儲能和釋能的成本都是最低的。盡管近年來電池和其他儲能技術(shù)的周期成本已在大幅下降，但仍比抽水儲能和壓縮空氣儲能的成本高出不少。
對于表1，進(jìn)行以下說明：
?。?）表1所有成本均按照2009年美元匯率換算成美元；
?。?）壓縮空氣儲能每千瓦成本除了電站建造成本，還包括儲氣室建設(shè)成本，后者與儲氣量大小有關(guān)；
?。?）電池成本中不包括電池更換費(fèi)用；
?。?）各儲能系統(tǒng)每千瓦小時發(fā)電成本（以COST表示）計算公式如下：
對于壓縮空氣儲能系統(tǒng)：
其它儲能系統(tǒng)：
五、效率
各種電力儲能系統(tǒng)的充放電循環(huán)效率如圖2所示。可見，儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率大致可以分為三種：
(1) 極高效率：超導(dǎo)磁能、飛輪、超大容量電容和鋰離子電池的循環(huán)效率超過90%；
(2) 較高效率：抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電池（鋰離子電池除外）、液流電池和傳統(tǒng)電容的循環(huán)效率為60%~90%；
(3) 低效率：金屬-空氣電池、太陽燃料、儲熱/冷的效率低于60%；
效率計算公式一般分兩種，基于熱力學(xué)第一定律的儲能系統(tǒng)效率計算式：
上式適用于能量以機(jī)械能或電磁能形式儲存的儲能系統(tǒng)。
對于儲熱/冷系統(tǒng)，除了上式，往往還需從能量品位的角度評價儲能過程。
基于熱力學(xué)第二定律的儲能系統(tǒng)效率計算式：
六、能量密度和功率密度
表2還列出了各種儲能技術(shù)的能量密度和功率密度，其中能量密度等于存儲能量除以裝置體積（或質(zhì)量），功率密度等于額定功率除以存儲設(shè)備的體積（或質(zhì)量）?？梢?，盡管金屬-空氣電池和太陽能燃料的循環(huán)效率很低，但是它們卻有極高的能量密度（~1000Wh/kg），而電池、儲熱/冷和壓縮空氣儲能具有中等水平的能量密度。抽水儲能、超導(dǎo)磁能、電容和飛輪的能量密度最低，通常在30Wh/kg以下。然而，超導(dǎo)磁能、電容和飛輪的功率密度是非常高的，它們更適用于大放電電流和快速響應(yīng)下的電力質(zhì)量管理。鈉硫電池和鋰離子電池的能量密度比其它傳統(tǒng)電池的高，液流電池的能量密度比傳統(tǒng)電池稍低（應(yīng)該注意的是，不同廠商生產(chǎn)的相同類型的儲能系統(tǒng)會在能量密度數(shù)據(jù)有所不同）。
表2各儲能系統(tǒng)能量密度計算式為：
或
，以下是不同儲能系統(tǒng)所儲存的能量值E。
或，以下是不同儲能系統(tǒng)所儲存的能量值E。 ?。?）抽水蓄能儲存的機(jī)械能計算式為：
其中H為水位高度，g為重力加速度，V為水庫容量，為水密度。
?。?）壓縮空氣儲存的能量計算式為：
其中P為絕對壓力，V為儲氣容積，m為儲存的空氣質(zhì)量，R為理想氣體常數(shù)，T為絕對溫度，V1-V2為壓縮過程前后空氣體積。
（3）飛輪儲存的機(jī)械能計算式為：
其中J為轉(zhuǎn)動慣量，為飛輪角速度。
（4）超導(dǎo)儲能儲存的電能計算式為：
其中L為線圈電感系數(shù)，I為線圈電流。
?。?）電容儲存的電能計算式為：
其中C為電容，V為電壓，Q為總的電荷。
?。?）儲熱系統(tǒng)儲存的熱量計算式為：
非相變儲熱：
其中m為儲熱介質(zhì)質(zhì)量，T1，T2為吸熱前后溫度，Cp為比熱容。
相變儲熱：
其中m為相變介質(zhì)質(zhì)量，為相變熱，Cp為比熱容，m為相變點(diǎn)。
七、使用壽命和循環(huán)次數(shù)
表2還比較了不同電力儲能系統(tǒng)的使用壽命和循環(huán)次數(shù)?？梢钥闯觯切┰谠砩现饕揽侩姶偶夹g(shù)的電力儲能系統(tǒng)的循環(huán)周期非常長，通常大于20000次。例如，包括超導(dǎo)磁能和電容器。機(jī)械能或儲熱系統(tǒng)（包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪、儲熱/冷）也有很長的循環(huán)周期。由于隨著運(yùn)行時間的增加會發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的變化，因此電池和液流電池的循環(huán)壽命較其它系統(tǒng)低。
