【兴电新 新科普】储能科普系列（五）

此前的系列科普中，我们已经详细介绍了铅炭电池，及以铅炭电池为基础的用户侧、发电侧储能技术。在之后的几篇科普中，我们将就大家非常关心的一些储能技术进行探讨，包括飞轮储能、抽水蓄能、压缩空气储能等技术。最终我们会发现，最适合新能源发电及目前普遍的用户侧储能需求的，仍然是化学储能方式。

1、抽水蓄能为何是目前装机容量最大，应用最广的储能形式？

2、哪些条件限制了抽水蓄能在用户侧及新能源发电的应用？

3、抽水蓄能的演变能够对我们进一步优化铅炭电池提供怎样的借鉴?

抽水蓄能经历了100多年的发展，是目前唯一经历过3代以上技术变革，大规模成熟应用的储能方式。尽管其受到地理环境、土木工程技术、天气等多项条件的制约，但是其高效及成熟的技术，使得其得以大规模推广和应用。目前抽水蓄能设施总装机超过90GW，并且仍然在快速扩张。

抽水蓄能是世界上应用最早的储能方式之一，在用电需求低谷时，通过利用自发点亮未达到满载水平的电力系统的可用点亮，水库可用于储存所产生的人工流入水量。20世纪初时，所有拥有水库的水里发电厂都安装有泵送机械装置，以补充上游水库的自然流入水量，主要目的是实现水利发电系统的季节性能量存储。

在后来的热电系统中，开始出现了只利用泵送流入水量的特殊水利发电厂，也就是纯抽水蓄能电站，此种发电站主要用于能量的日储存或周储存。

截至目前，抽水蓄能是唯一一种广泛应用于电力系统的大容量储能技术，在过去的几十年中，公共电网已经将抽水蓄能技术作为利用非高峰能量的最经济的储能方式。方法是将水泵送至上游水库，在高峰负荷时，通过可逆式谁捧-水轮机排出所储存的水，产生高峰负荷所需电力。

抽水蓄能通常包括：上游水库、水道、水泵、水轮机、电动机、发电机和下游水库。

与任何液压系统一样，抽水蓄能也会出现能量损耗，包括摩擦损耗、湍流、黏性阻力等，水轮机本身的效率也无法达到100%。水进入泄洪水道时也将保留一部分动能，最终将水的势能转换为电力时，发电机内也存在能量损耗。抽水蓄能的周转效率通常为70%-85%。

在1920年之前，多数抽水蓄能系统为4装置类型，其中的水轮机-发电机和水泵-电动机分别安装在两根不同的轴上。这种两套系统相互独立的设计现在已经很少见了，主要原因是基建成本较高。

1920年之后，抽水蓄能系统一般为3装置设计，水轮机、水泵和发电机-电动机均安装在一根水平或垂直的轴上。经过70年左右不断地摸索，逐渐形成了以下的结论：水平轴机组维修方便，但由于机组必须位于水下很深的位置，会产生高额的挖掘费用，或者也可以使用增压泵，但是会损失效率；垂直轴机组为如今最常用的3装置室外发电站布局。

1980年前后，可逆式2装置机组的应用逐渐广泛，与3装置机组相比，这种机组通过减少水压机、水阀和水道分叉数量，可以节省约30%的发电站基建成本。但是其缺点同样明显，水泵起动操作更为复杂且发电与泵送功能间的转换时间较长，因为水轮机轴的旋转方向必须反向，在两个方向的旋转速度均相同的情况下，2装置机组的整体效率低于3装置机组。

在100年的抽水蓄能技术开发历史中，单位储能容量已从原来的数十KW增加至400KW以上，工作扬程从低于100m增加至1400m以上，整体效率从40%左右增加至85%以上。此外，相关的土木工程建设也获得了巨大发展。目前建成的最大项目装机容量已经超过2000MW。

全世界在使用的的抽水蓄能设施总计超过90GW，总计为全球贡献了30%的发电量，在美国，抽水蓄能贡献约2.5%的基荷发电量。目前共有大约150座抽水蓄能发电站在运行中，总装机容量超过25GW。此外还需提到，2010年欧盟国家所消耗的电力中约有5%由抽水蓄能发电站提供。