儲能效率

儲能效率是指儲能元件儲存起來的電量與輸入能量的比。

儲能技術主要分為物理儲能（如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、化學儲能（如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池）和電磁儲能（如超導電磁儲能、超級電容器儲能等）三大類。

蓄電池儲能效率關係到蓄電池的壽命和成本，要提高蓄電池儲能效率就要了解儲能效率都受哪些因素的影響，除了蓄電池自身構造會影響其儲能效率，如元件材質、製造工藝、電解液配置等，蓄電池儲能效率也與充電狀態、充放電電流、充電電壓、環境溫度等一些外部因素有很大關係。

基本介紹

• 中文名：儲能效率
• 外文名：Energy storage efficiency 
• 一級學科：工程技術
• 二級學科：能源工程
• 儲能技術：分為物理、電磁儲能、化學儲能
• 蓄電池效率：與充電狀態、充放電電流等有關

儲能技術

儲能技術主要分為物理儲能（如抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、化學儲能（如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池）和電磁儲能（如超導電磁儲能、超級電容器儲能等）三大類。根據各種儲能技術的特點，飛輪儲能、超導電磁儲能和超級電容器儲能適合於需要提供短時較大的脈衝功率場合，如應對電壓暫降和瞬時停電、提高用戶的用電質量，抑制電力系統低頻振盪、提高系統穩定性等；而抽水儲能、壓縮空氣儲能和電化學電池儲能適合於系統調峰、大型應急電源、可再生能源併入等大規模、大容量的套用場合。

蓄電池儲能效率測試系統的設計

蓄電池儲能效率測試系統的基本原理見圖，系統的主要元件有:單相智慧型電錶、充電器、逆變器、單片機、負載等。工作過程可以簡要的描述為:充電開始時，電錶接在交流電源和蓄電池的充電模組之間，通過電錶可以直接讀出蓄電池充電完成消耗的電能，這部分電能包括兩部分:充電器以及各種開關器件損耗的電能、蓄電池內阻耗能和儲存的電能。當充電完成時，由充電模組向控制模組發出充電完成信號(持續高電平)，控制模組此時將電錶數據送至單片機，由單片機將數據記錄並顯示出來。然後控制模組向充電模組發出指令使充電電路停止工作，並向逆變模組發出指令使逆變電路工作，向負載供電。此時將電錶接在逆變器與負載之間，通過電錶可以直接讀出負載從蓄電池獲取的電能，由於電錶只能檢測220V交流電，所以從電錶獲取的電能實際上包含了逆變器消耗電能和負載消耗的電能。

當放電完成時，由逆變模組向控制模組發出放電終止信號，控制模組此時將電錶傳送過來的電量數據送至單片機，由單片機將數據記錄並顯示出來。然後控制模組向逆變模組發出指令使逆變電路停止工作，並斷開負載。考慮到蓄電池充電和放電的不同步，單相電度表即可作為充電電能計量也可用作放電電能計量。若是要再次檢測，重複以上的操作。

蓄電池儲能效率影響因素

蓄電池儲能效率關係到蓄電池的壽命和成本，要提高蓄電池儲能效率就要了解儲能效率都受哪些因素的影響，除了蓄電池自身構造會影響其儲能效率，如元件材質、製造工藝、電解液配置等，蓄電池儲能效率也與充電狀態、充放電電流、充電電壓、環境溫度等一些外部因素有很大關係。

充電狀態的影響

充電狀態是指蓄電池在充電時達到的狀態，簡而言之滿充時的充電狀態為100%。根據國家的相關規定，在充電狀態不同時對蓄電池的儲能效率有不同的標準，在充電狀態小於50%時，要求蓄電池儲能效率大於95%;充電狀態在75%的時候，要求蓄電池儲能效率大於90%;充電狀態在90%時，要求蓄電池儲能效率大於85%。

充放電電流的影響

由蓄電池特性可知，在對蓄電池進行放電時，大電流放電蓄電池實際釋放的能量小於小電流放電時蓄電池釋放的能量，這說明蓄電池的儲能效率與放電率有很大的關係。

通過圖能夠看出蓄電池的庫倫效率在電流變大時也不斷增加，這是由於當大電流充放電時，會縮短蓄電池的充放電時間，所以蓄電池由於自放電而損失的能量就比較小。而充電效率和放電效率，在電流比較小的時候，兩者都會隨著電流的增大不斷的增大，當超過某一時刻後，兩者就會隨著電流的增大而減小，這是因為電流過大時電池內部的極化現象就會加劇，蓄電池的功率損耗就會變大，進而使得能量損耗的增加，所以導致蓄電池的效率下降。所以在選擇充放電電流的時候不能盲目選擇，電流過大或者過小都會降低蓄電池的效率，要根據實際的情況對蓄電池充放電電流進行選擇。

充電電壓的影響

充電效率實際也就是把硫酸鉛轉變成二氧化鉛和鉛活性物質的時消耗的電量和充電過程中輸入到蓄電池電量的比值，在此假設蓄電池沒有自放電，那么蓄電池的儲能效率就等於充電效率乘以放電效率。而在充電過程中消耗的電能主要由於蓄電池內析氣和腐蝕等一些副反應。閥控式鉛酸蓄電池的充電效率較高，充電效率和荷電狀態有很大關係，一直到蓄電池滿電荷之前蓄電池的充電效率都會很高，在接近完全充滿電的時候由於產生過充電反應，所以充電效率就會降低。以單體蓄電池為例，其額定電壓一般為2.0V，如圖給出了在恆壓充電方式下充電電壓和儲能效率的關係曲線，可以看出，在電壓較小的時候隨著充電電壓的升高儲能效率會增加，當超過一定值時由於副反應的發生，儲能效率會下降。

環境溫度的影響

將蓄電池的充電方式設定為恆壓限流，在環境溫度小於10℃時，會對蓄電池內的電流擴散造成影響使其降低，但是對交換電流的密度影響不大，所以加劇了蓄電池內部濃度差的極化，導致了儲能效率的減小。低溫條件下，對於放電過程中產生的，充電時其溶解的速度會降到很小，而且上的空隙不能夠使電解液保持飽和度最小，對充電的化學反應有一定的阻礙力，最終導致的結果就會使儲能效率下降。

其他儲能效率

飛輪儲能

近年來，飛輪儲能技術取得突破性進展是基於下述三項技術的飛速發展：一是高能永磁及高溫超導技術的出現；二是高強纖維複合材料的問世；三是電力電子技術的飛速發展。 利用超導，我們可以把具有一定質量的飛輪放在永磁體上邊，飛輪兼作電機轉子。當給電機充電時，飛輪增速儲能，變電能為機械能；飛輪降速時放能，變機械能為電能。儲能飛輪裝置示例：超導體是由鋇釔銅合金製成，並用液氮冷卻至77K，飛輪腔抽至10-8托的真空度（托為真空度單位，1Torr（托）=133.332Pa），這種飛輪能耗極小，每天僅耗掉儲能的2%。

1994年，美國阿貢（ANL）國家實驗室用碳纖維試製一個儲能飛輪：直徑38厘米，質量為 11千克，採用超導磁懸浮，飛輪線速度達1000米/秒。它儲的能量可將10個100瓦燈泡點燃2～5小時。該實驗室目前正在開發儲能為50千瓦小時的儲能輪，最終目標是使其儲能達5000千瓦小時的儲能飛輪。一個發電功率為100萬千瓦的電廠，約需這樣的儲能輪200個。

1992年美國飛輪系統公司（AFS）開發了一種用於汽車上的機-電電池（EMB），每個“電池”長18厘米，直徑23厘米，質量為23千克。電池的核心是一個以20萬轉/分旋轉的碳纖飛輪，每個電池儲能為1千瓦小時，它們將12個“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以100千米/小時的速度行駛480千米。機-電電池共重273千克，若採用鉛酸電池，則共重396千克。機-電電池所儲的能量為鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8 倍，且它的“比功率”（即爆發力）極高，是鉛酸電池的25倍，是汽油發動機的10倍，它可將該車在8秒鐘內由靜止加速至100千米/小時。

飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能。眾所周知。當飛輪以一定角速度旋轉時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉換成電能的。高技術型的飛輪用於儲存電能，就很像標準電池。飛輪電池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉，在外電源的驅動下，電機帶動飛輪高速旋轉，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉速從而增大其功能；放電時，電機則以發電機狀態運轉，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能(動能)到電能的轉換。當飛輪電池輸出電的時，飛輪轉速逐漸下降，飛輪電他的飛輪是在真空環境下運轉的，轉速極高(高達200000r/min)，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據稱，飛輪電池比能呈可達150W·h/kg，比功率達5000-10000W/kg，使用壽命長達25年，可供電動汽車行駛500萬公里。

抽水儲能

抽水儲能電站儲存能量的釋放時間從幾小時到幾天，綜合效率在70~85%之間。

水輪機的效率：現在的轉輪技術模型最高有95%，80-90年代的水輪機模型效率最高只90%。中、小型水輪機的效率可能只有75~80%左右。 大型水泵的效率大約在85~90%之間。

再考慮發電機效率98%左右。看起來抽水儲能的效率也就是70~80%左右。

超導儲能

超導儲能系統（SMES）利用超導體製成的線圈儲存磁場能量，功率輸送時無需能源形式的轉換，具有回響速度快(ms 級)，轉換效率高(≥96%)、比容量(1-10 Wh/kg)/比功率(104-105kW/kg)大等優點，可以實現與電力系統的實時大容量能量交換和功率補償。

SMES 可以充分滿足輸配電網電壓支撐、功率補償、頻率調節、提高系統穩定性和功率輸送能力的要求。

氫儲能

氫儲能在電力供過於求的時候採用電解水的方式獲得氫，然後低溫液態存儲起來，在需要的時候通過燃燒產生能量，氫也是燃料電池的主要燃料之一。目前氫能的生產成本是汽油的4～6倍，其運輸、存儲、轉化過程的成本也都較化石能源高。有人提出利用太陽能，風能和水能發電電解水，真正實現新能源產生新能源，並達到儲存能量效果，真正實現“清潔能源的可持續利用”。