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何为储能？

时间：2023-05-09 13:07来源：

摘要：储能是将产生出来的能量供以后使用，以减少能源需求和能源产量之间的不平衡。可以应用于整个时基和能量密度，范围从皮瓦到千瓦不等，即能量可以存储数纳秒或数年。

储能是将产生出来的能量供以后使用，以减少能源需求和能源产量之间的不平衡。可以应用于整个时基和能量密度，范围从皮瓦到千瓦不等，即能量可以存储数纳秒或数年。

下图比较了电站级电池和电路板元器件，前者辅助太阳能光伏 (PV) 捕获能量；后者则作为更小的临时能量存储，用在滤波、自举电路、几乎无损能量交换，谐振和其他电路应用。

图 1 – 宏观（电站级）及微观（电路板或电路）储能解决方案的比较

我们知道储能有多种形式，大部份与储能相关的讨论，往往集中在电池存储的解决方案上。在此框架下，深入研究还是遇到了瓶颈。从电子学的角度看，能量可以以电化学势的形式存储在可充电电池中。如电容器和超级电容器设备中的电压，以及磁性设备（即电感器和变压器）中的电流。动态能量以动能（即飞轮）和势能（即山顶的蓄水池）的形式存储。能量以方便、高效、低成本为目的，最终将其转化为电能。举例说明，将热能存储在加热的盐中供后续取用；以及利用沸腾的水旋转涡轮机（也称为相变材料储能的一种形式）；常见的能量储存还包括压缩空气，应用在变电站。有更为直接的能源存储和利用形式，但没有明确定义。例如重新利用大型数据中心的余热，在冬季直接供暖给附近的住户。

由于储能涵盖了广泛的组件和应用。根据某些解决方案的预期性和设计差别，对其进行细分，以确保其得到合理利用和安全执行，这一点非常重要。在本次讨论中，我们将比较或对比各种解决方案，但前提是我们要先定义一些关键术语，并了解在研究各种储能组件和解决方案时需考虑的重要因素。

值得注意的是能量储存在某些地方普遍使用，其他地方则需要特定的组件或应用。例如，能量储存不适用摩尔定律，因为它主要涉及化学和物理学思维。重点是储能密度大约每10年翻一倍，而半导体则是每18个月到24个月翻一倍。

从设计角度看，这涉及到对能源储存极为细分的开发时间表和路线图预期。因为负载方面的元素（如系统功率预算或密度），在时间表的推进上更接近于摩尔定律的轨迹。

从普遍角度看，负载需求只会随着时间的推移而增加。这往往会对储能解决方案的能量密度提出越来越高的要求，尽管总体影响在很大程度上由系统应用而定。纵然趋势是普遍的，处理趋势的方法却可能存在较大差异。

举例来说，数据中心的架构和建筑物关键备用电源的分配，与共模电磁干扰 (EMI) 滤波器中用来过滤和分流能量的安全电容器截然不同。即使将范围缩小到电源储能，仍有许多方面需要考虑。例如储能解决方案、设计参数以及对可靠性的影响。在电源方面，储能设备也可以作为关键的安全组件，因此要遵守特定的设计降额标准、测试或认证要求，以及热量对元器件寿命的影响。

电池与电容器

在电荷存储方面，解决方案通常是电容器或电池类别，不过有些设备结合了这两种功能。事实上任何两个有绝缘但可极化的平行板，或两板间有电介质（电容器的基本设计）。电容器将电荷以物理方式存储在极板之间的电场。如果电池不是以物理方式存储电荷而是以电化学方式，在端子之间使用离子导电电解质，那么我们倾向将其称之为电池。更具体地说，电池是由不同材料之间的半电池电压组成并形成具有端电压的电池单元。

电池根据电解质的特性分为湿电池和干电池。湿电池是一种含有液体电解质的电池，而干电池是固态电解质电池。由于老化、热效应或灾难性短路（如热失控），甚至阴极和阳极电极之间的隔离屏障受损，干电池的使用寿命往往更长或失效时破坏性较小，因为电解质不会随着时间的推移而衰减。

另一个重要的电池分类是它们是否被视为是一次或二次蓄电池。一次电池是不可充电的一次性电池，而二次电池是可充电电池并有多种用途。对几乎所有的储能应用来说，尽管一次电池（通常是碱性电池）非常普遍，但二次电池却优于一次电池。因为它可以重复使用并减少废弃物（大多数电池的化学物质含有有害物质），可以满足系统的终生蓄电需求，还不需要更换，更加经济实惠。考虑在不久的将来，如果物联网（IOT）或工业物联网（IIOT）等低功耗应用，达到数十亿甚至1T设备的规模时，推动减少使用一次电池将变得更为重要。

不要低估可充电电池

电池常被视为简单的2端子直流电源设备，但它们却远不止于此。很多储能解决方案都被过度简化，尽管设备特性的实际情况可能要求采用不同的方法。二次电池完美阐述了这一点，因为有许多参数和品质因数决定了一切，从容量到阻抗、循环寿命到安全性能。其中一些项目在下表列出/定义。

品质因数	定义	影响
充电状态 (SOC)	- 蓄电池充电量占额定容量的百分比（开路端电压）， 0–100%。	- 最常见用来表示电池电量的品质因数。
充电率	- 电池充电或放电速率，通常是电池规格表给出的最小/最大规格，并以电池容量比率表示（例如 40 mAh 的额定电池，最大放电额定值为2.0 C，意味着最大放电速率为 80 mA）。	- 影响电池的最小或最大充电/放电速率，同时保证规格和可靠性。 - 通常给出的是短脉冲（例如更高电流）和稳态电流的值。
快充速率	- 充电周期恒流部分的电流限制（通常由电池管理系统 [BMS] 设置）。	- 确定在转换到恒压充电之前，大部分电池容量的充电速度。 - 通常是充电时间和整体循环寿命/容量寿命之间的权衡。
放电深度 (DOD)	- 蓄电池取出电量占额定容量的百分比，0–100%（与 SOC 相反）	- 与 SOC 相同的用法，但代表的是已使用多少电池容量。
循环	- 在电池被认为不符合规格（最小容量）之前，能够充电/放电的循环次数。	- 循环寿命是最重要的电池特性之一，受到各种化学变量以及应用/环境因素的影响。
等效串联电阻 (ESR)	- 端子处测量电池的固有内阻（通常为交流电阻或频率相关电阻）	- 影响电池的自放电（亦称保质期） - 解释为什么电池（例如锂离子）的ESR 随 SOC 降低呈指数增长时会倾向升温。
恒压充电	- BMS 控制器向电池施加恒定电压，电池利用有机电荷转移汲取电流。	- 通常是在接近充电后期或在满充电模式。
恒流充电	- BMS 控制器向电池施加恒定电流，电池充电至目标电压才结束。	- 当电池处在低充电状态，通常是在充电初期。
电池平衡	- 电池组（甚至是双电池超级电容器）可能要求电池端电压在相邻电池的一定范围内，即使不同电池的容量存在差异。	- 将电池组的所有电池设在差不多的 SOC，以达到优化操作和可靠的性能表现。 - 平衡还有助于减轻 ESR 不匹配，从而降低不安全的使用风险。

表 1 – 二次电池和常见用法的相关术语

注意，该表并没有详列电池相关的所有参数和术语，但已提到重点。现在我们更了解常用术语或指标，来看一个二次电池放电曲线的例子，如下图所示。

图 2 – 二次（可充电）锂离子电池放电曲线示例

应注意以下几点：
1）电压和电流要根据各种充电状态进行控制，这通常是BMS电路或电源管理IC（PMIC）的主要工作。
2) 前置条件电流阈值通常是最大(也称为快速充电）电流的 10-20%，这可能会开始进入低容量电池中BMS 的底噪。
3) 从低 SOC开始（即低端电压），一个循环始于恒流模式，并在接近充满电时，转换为恒压模式（即 SOC > 80–90%），相当于满充电模式，适当的情况下也用在电池平衡。

还需考虑这些特性在每种电池化学成分上的不同。意味着我们必须了解这些操作和充电/控制在化学上的细微差别，才能以经济且安全的方式实施。锂离子/聚合物 (Li-Ion/Li-Po) 的处理方式与镍氢 (NiMH)、磷酸铁锂 (LiFePO4 或 LFP) 或密封铅酸 (SLA) 溶液不同。

也许之前已经设计构建了一个电池供电系统，但发现计算出的容量/寿命与现实之间存在巨大差异。这种测量数据远低于初期计算的标称冲击，这种现象非常普遍，因为有太多的因素需要考虑，以至于最初并未将大多数必要的变量和降额因素纳入系统储能的计算。此外，许多电池需要经过调节，也就是在制造后要经过几个受控的充电/放电循环，它们才能充分发挥潜力。
无论实际负载曲线如何？设计人员通常会尝试确定合理的稳态平衡电流消耗，然后除以规格表和最大额定容量来估算电池寿命。如上所述，这种简单的估算方法，可能忽略了电池化学的特性。此外，这种方法还忽略了可能对电池性能产生巨大影响的其他生产和环境因素，导致无法解释关键的降额因素。

仅是极端温度就会让容量计算有很大的波动，以确保在各种工作和环境条件下能满足系统负载需求。这些设计差距往往会增加计算寿命和实际寿命之间的误差。

储能规模

在构建储能解决方案时，不仅要考虑能量所需的供应量，还要考虑需供应能量的时间。该能量储存的响应时间通常与所需的能量以及传递该能量所需的时间直接相关。

数据中心是一个很好的案例研究，因为它往往有多层能量存储且每层用途都不同，因此响应时间范围也不一样。下图回顾了从较小的能源需求有最短的响应时间，到无限能源/时间的备用电源。这些解决方案的成本 ($/Wh) 与能源量和响应时间成反比。换句话说，模块化解决方案越可用，通常也就越昂贵。

图 3 – 数据中心备用电源级别和响应时间，由 PowerRox [4] 提供

要注意储能要求有时完全由监管机构或政府政策订定，即使在实际应用中不一定是最适当的。

不同的储能应用

储存能量可以有广泛的应用和增值用途。关键或备用能量存储可能是最常见的，尤其是在大功率。在电源方面，储能设备不仅用来存储能量以供负载需要使用，还可以滤波、满足瞬态要求、偏置控制 IC，甚至在谐振拓扑应用中促进接近无损的能量交换。

从单个系统到电站级应用，储能越来越多在调峰应用中使用。这意味着有更本地化、快速响应和可充电的能量存储（通常使用锂离子电池，虽然超级电容器在需要极端响应和循环寿命时也可以执行此功能）用来满足不频繁的峰值需求。其他的基础设施可以减少（包括备用电源）因为通常有较低的稳态需求，同时使用峰值功率存储确保正常运行时间和满足可用性和可靠性的要求。

对此采用的模块化方案是系统用的电池备份单元 (BBU) 逆变器，一个BBU只支持一个系统备份，该 BBU 直接位于主电源上的共享输出电压总线。BBU 处理短维持时间几乎没有时间延迟，从而实现上游能量存储（例如飞轮或建筑储能），并有更多时间来初始化和接管负载。将这种短维持时间从系统电源分离出来，通过减少体积庞大的电解电容器使电源变得更小、更便宜，密度更高，同时还能达到与电解电容器相同的备用目的。

在许多住宅光伏应用中，储能的经济作用大于技术作用。在大规模生产用于住宅应用的普遍、廉价的PV板之前，家庭或建筑光伏实际上只用在离网系统。当公用电网不可行，这也就代表当时的光伏设备非常昂贵，而用户通常依赖这种配置来满足他们的电力需求（现在称为孤岛微电网）。逆变器会在白天尽可能从光伏阵列中获取电力，然后将多余的能量存在电池中，以便在阵列不发电（晚上或阴天）或负载需要额外的电源时供给。今天大多数住宅光伏设备都是为那些已连接到电网，但想补助水电费的人使用。换句话说，这些人反向使用光伏发电，甚至可能产生额外的税收抵免并降低年底赋税。这种经济优化的方式可能是在电力供应充足的时候储存能源，然后在能源的动态成本更高时卖回电力公司。

可持续能源储存

储能可用来满足许多可持续发展目标。如前所述，减少对一次电池的需求以及基础设施是很值得的储能方案目标。事实上，大部份提高可持续发展的做法通常是依赖某一种能量储存。为了应对气候变迁大力推动可再生能源，而储能绝对是重中之重。例如在间歇性能源（即风能和太阳能）方面用来稳定和平衡电网，或是将储存多余的能量转移或出口到其他使用非可再生能源的地区。

一般引领可持续发展的主要行业大都集中在电气化运输或自动化生产。电动汽车和飞机对储能的依赖程度相当高，但储能要如何在未来工厂（即智能工厂或工业 4.0）增加附加价值就不太明显。工厂自动化通常意味着机器设备的增加，这些设备往往需要密集和动态负载，因此加剧对上述调峰技术的需求，更高水平的计算和网络带来的负载需求也将促使能源足迹密度的增加，这些都可以透过智能放置和利用能源存储解决方案来持续优化。在某个时刻，尝试调整所有电力基础设施的规模，随时满足峰值需求是不切实际的，因此本地化储能将成为高能源密度负载足迹的关键推动力。

虽然有些储能解决方案使用的是有机无毒材料，但当今大多数常用的使用材料仍含有害物质，除此之外还有使用稀土金属等有限资源。储能解决方案通常源于能源密集制造工艺并使用危险化学品作为这些工艺的输入和输出。为了评估储能方案的可持续性发展，还必须将端到端或隐含能源纳入整体考虑。

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