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              發的電用不完的,能儲存起來嗎?
              發布時間:2022-09-28
              瀏覽次數:810

              版權歸原作者所有,如有侵權,請聯系我們

              今年夏天,四川各地持續高溫,電力供需緊張形勢進一步加劇。在大家的印象里,四川水資源豐富,擁有多座巨型水電站,水電裝機容量和發電量,均居全國第一的水電大省,為何會在夏季出現電力缺口?

              今年極為異常的高溫干旱,是最主要的直接原因。嚴峻的高溫干旱災害性天氣,讓四川面臨歷史同期最高的極端高溫、歷史同期最少的降水量、歷史同期最高的電力負荷三“最”疊加的局面。

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              來源:veer圖庫

              Part.1

              現代人的世界,離不開電

              電能作為現代社會的運行基礎,廣泛應用于生產生活的各個領域。發電站將風能、水能、煤炭中貯存的化學能等類型的能量轉換為電能,利用電網傳輸到千家萬戶,人們再按照自己需求將電能轉換成別的能量。舉個例子,遠方的發電站生產出的電力傳輸到了你家里,你再用電來照明(電能轉換成光能),做飯(電能轉換成熱能),洗衣服(電能轉換成機械能)。

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              圖片來源:參考文獻1

              目前的發電模式有一個很重要的特點:消耗多少就生產多少。發電廠的發電功率是根據電網另一端的用電功率實時調整的,到晚上大家要開燈了,發電機的發電功率會根據電網的參數實時調整,發電功率和用電功率處在一個動態的平衡當中。

              四川省內的電站,采用水利發電的裝機量是總發電裝機量的百分之八十二,而徑流式水電站(河里流過多少水就發多少電,沒有存水的水庫)又占到水電總裝機的百分之六十。水利發電站的發電功率受制于河流水量的大小。

              豐水期水流較大,水電站如果將流過的水全部用于發電,電量消耗不完,因此出現了能量多余,只能將一部分水直接放走。而在枯水期,水流太小,將所有流過的水用于發電也無法滿足電力需求,導致能量缺乏。

              徑流式水電站在實際運行時,不可避免地會遇到以上兩種情況,導致發電能力有時候被浪費了,有時候又不能滿足用電需求。

              圖片

              圖片來源:作者

              輸電線路,效率高但規劃建造需要時間。我國的電能輸送技術目前可以說是藍星最強(國家電網:低調,低調),在電網的設計初期,會考慮到各地的用電量需和發電站的發電功率,規劃合適的布局,盡可能最大化的利用發電站的發電能力,減少能源的浪費。然而,要是遇到幾十年一遇的極端情況的話,設計的電網也會有沒能力招架的時候。

              Part.2

              電網系統的后盾——儲能技術

              當電網沒能力招架了怎么辦?這時候就需要儲能設施出場救急了。儲能設施是干什么的呢?打個比方,它相當于一個小金庫,把平時多出來的電能存到儲能設施里,有需要的時候再取出來用。這樣才是能量利用率最高的解決辦法。儲能系統種類繁多,各有特色,主要有抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、電化學儲能、超級電容器儲能。

              目前世界上裝機容量最多的電網儲能設施是抽水蓄能電站,在用電低谷時,抽水蓄能電站利用網的多余發電量,將水從低處的水庫抽取到高處的水庫儲存起來;到用電高峰期時,再利用抽到高處水庫中的水進行發電。這樣一來,平時多余的電能讓抽水蓄能電站儲存起來,在發電站無法滿足用電需求時,再由抽水蓄能電站發電,分擔發電站的壓力。

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              安徽響水澗抽水蓄能電站

              (圖片來源:新華社)

              風力發電和太陽能發電的發電功率波動很大,而且很迅速。風刮一會兒停一會兒,或是云朵把太陽遮了一會兒,兩者的發電功率跟過山車似地波瀾起伏。這也是現在的風力發電和光伏發電能量利用率不高的重要原因,波動太快導致電網無法承受。(電網:我的小心臟受不了這種波瀾)。有效提高這些電能利用率的辦法,也是建造儲能設施。在發電功率冗余的時候把電能存起來,然后發電功率不足時輔助放電,把發電功率給“熨平”,這樣電網才能承受。

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              (圖源:作者自制)

              抽水電站能勝任這個工作嗎?不行,對于光電和風電來說,抽水蓄能電站的反應速度總是“慢半拍”,沒辦法滿足要求。抽水蓄能電站儲備能量通常需要幾天的時間,而且建設抽水蓄能電站對環境的要求也比較高。因此目前的抽水蓄能電站幾乎都用于在電力系統處于較大載荷時分擔發電壓力。

              化學電池目前最有希望滿足上述要求,化學電池的充放電切換迅速,反應極快。生活中最常見的儲能設備就是化學電池了。手機、平板、電動汽車的儲能設備都是化學電池。不過電池的性能雖好,大規模使用還是會面臨成本問題。以平時使用的手機充電寶為例,在不考慮損耗的理想情況下,需要7.5個容量一萬毫安時的充電寶才能存下一度電。這還是使用了能量密度很高(當然,價格也很感人)的鋰離子電池的情況下。

              Part.3

              電池技術的發展——沒有摩爾定律可言

              摩爾定律是英特爾創始人之一戈登·摩爾的經驗之談,其核心內容為:集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經過18個月到24個月便會增加一倍。換言之,處理器的性能大約每兩年翻一倍,同時價格下降為之前的一半。

              在電池行業,這句話可以這么說:大約每兩年電池能量密度翻一番,或是同等的能量密度下價格降低一半,當然,這在電池行業簡直是天方夜譚。鋰離子電池產業發展二十多年來,一直集中在通信、消費電子以及電動汽車行業,在應用規模更大的儲能電池行業,由于鋰電池的成本高、且難以應對穿刺、沖撞以及高低溫等特殊環境,大規模儲能電池的應用始終停留在實驗階段。電池技術的發展,還有很長的路要走。

              圖片

              (圖片來源:參考文獻2)

              目前,國內外儲能技術的主要研究方向都是電化學儲能,一些新技術在實驗室階段也取得了可喜的進展。不過,新技術從實驗室走向實用階段,還有很遠的路要走。當儲能技術和輸電技術發展到一個全新的水平時,我們有望擺脫對化石能源的重度依賴。每一次能源行業的重大進展,都將人類帶到了一個全新的發展階段,未來會是如何,技術的進步會給我們這些普通人的生活帶來什么樣的變化呢?讓我們拭目以待。

              參考文獻:

              [1]Hosein, Stefan & Hosein, Patrick & Kattick, Walter & Ratan, Varma. (2016). Web application for power grid fault management. 1-5. 10.1109/ICIAS.2016.7824052.

              [2]吳皓文, 王軍, 龔迎莉,等. 儲能技術發展現狀及應用前景分析[J]. 電力學報, 2021, 36(5):10.

              [3]朱雪艷. 四川省水電站棄水成因及應對分析[J]. 產業創新研究, 2019(9):2.



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