十八世紀四五十年代的一天，萊頓大學的馬森布羅克進行了一個奇特的試驗——用一支槍管懸在空中，用起電機與槍管連著，另用一根銅線從槍管中引出，浸入一個盛有水的玻璃瓶中。當起電機被搖動時，他自己一手拿水瓶子，另一只手去碰槍管，突然，一股強大的力量擊打到他的手，讓他全身都震動了。由此他得出結(jié)論：把帶電體放在玻璃瓶內(nèi)可以把電保存下來。后來，人們把這個瓶子稱為“萊頓瓶”，也就是今天我們使用的電池的雛形。不久之后，“萊頓瓶”被美國的本杰明·富蘭克林在大名鼎鼎的“風箏試驗”中用來收集電能，人類儲存電能的夢想由此開啟。

儲能電站的液流電池車間

如今，我們的生活充滿各種各樣的電池：干電池、銀鋅電池、鉛酸電池、鋰電池……然而在大規(guī)模儲能方面，我們依然走在探索的路上。

探索之路

近年來，隨著風電、光伏發(fā)電等可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，儲能系統(tǒng)作為破解可再生能源間歇性、波動性的“未來武器”進入人們的視野。如何將更多的新能源納入大電網(wǎng)，同時還不會危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定？如何將以往調(diào)度人員眼中不可控、不可調(diào)度的“垃圾電源”變成遵守紀律的“優(yōu)質(zhì)電源”？面對這些前瞻性、世界性的難題，國家電網(wǎng)公司將目光鎖定大規(guī)模儲能系統(tǒng)。

“國家電網(wǎng)公司早在2004年就開始研究化學儲能，‘十一五’期間部署了儲能領(lǐng)域的早期研發(fā)，上海市電力公司還聯(lián)合相關(guān)機構(gòu)進行鈉硫電池的研發(fā)探索。”中國電科院電工與新材料研究所總工惠東博士向記者介紹。

前期的研究結(jié)果認為，電化學儲能領(lǐng)域有著潛在而廣泛的應(yīng)用前景，建議以此為切入點進行深入研發(fā)。為此，中國電科院成立了電池特性研究室，開始研究液流電池，并從鋰離子電池入手開始深入研究。早期研究初步理順了各種電池的特性和適用對象，還參加了國家相關(guān)項目的研究。2009年，液流電池的研究被納入國家973項目。

惠東說：“以前我們的研究更多集中在電池裝置技術(shù)方面。在應(yīng)用方向上，一方面以電池儲能為載體，著力提高間歇性可再生能源的利用效率；另一方面用于提升用戶側(cè)的電能質(zhì)量。”2009年，國家電網(wǎng)公司領(lǐng)導與專家一行去日本參觀了一個風電加儲能的試驗項目，深受啟發(fā)，于是結(jié)合張北風電檢測中心建立起一個儲能實驗室研究基地，中心任務(wù)就是要搭建一個真實的平臺，開展儲能和風光相結(jié)合的檢測研究。

201 1年4月30日召開的風光儲項目建設(shè)通氣會上，儲能研究團隊作為風光儲項目重頭的專業(yè)性團隊，初步梳理了方案，提出了新的設(shè)計和建設(shè)思路，隨后這個方案進一步修正、細化、完善，最終確定了在鋰離子電池儲能裝置中，以比亞迪的6兆瓦×6小時和東莞新能源的4兆瓦×4小時作“能量型應(yīng)用”，用于低倍率大容量充放電；以中航鋰電的3兆瓦×3小時和萬象的1兆瓦×2小時作“功率型應(yīng)用”，用于高倍率大功率充放電。在大量應(yīng)用技術(shù)較成熟的鋰電池的同時，放眼世界化學儲能技術(shù)，采用普能公司的2兆瓦×4小時全釩液流電池，對4兆瓦×6小時的鈉硫電池進行國際招標。

如何配比

在儲能電站設(shè)計之初，一個非常重要的問題擺在面前：多少儲能配多少風光？這個比例并不是一個簡單的數(shù)學問題，一方面，它關(guān)系到未來風光儲輸工程的“海陸空”三軍能否相互補充，發(fā)揮最佳“作戰(zhàn)”效果；另一方面，由于大規(guī)模儲能電池的價格目前還很昂貴，所以無限量的儲能配備并不現(xiàn)實，亦不經(jīng)濟合理，成本問題也必須優(yōu)先考慮。但是最佳配比問題即使翻遍世界各個試驗數(shù)據(jù)都難以找到現(xiàn)成的答案。

惠東介紹，在利用可再生能源的進程中，新能源與儲能相結(jié)合的理論和實踐，國外亦有嘗試。例如日本曾用34兆瓦鈉硫電池配比51兆瓦風電場，實現(xiàn)平滑波動等功能，但是這樣超過1︰2的配比比例太高，對我國的風光儲輸項目而言并不經(jīng)濟，違背了經(jīng)濟合理原則。在2006至2007年間，日本還有一則試驗，用4兆瓦儲能電池配比30兆瓦風電場進行示范，但這個試驗中，儲能系統(tǒng)只發(fā)揮單一的平滑出力功能，效果并不理想，而且試驗后這些設(shè)備就拆除了，并不作為可再生電源長久使用。之后，國際上有參考價值的項目和試驗很少，且都是小規(guī)模、更注重用戶側(cè)功能的試驗而非實踐，對我國風光儲大規(guī)模并網(wǎng)運行、并且更注重發(fā)電側(cè)調(diào)節(jié)的項目而言，可參考性并不強。

經(jīng)過精密的試驗和計算，最終風光儲輸項目的新能源與儲能建設(shè)配比方案為：100兆瓦風電、40兆瓦太陽能發(fā)電和20兆瓦儲能電池。惠東介紹，綜合考慮技術(shù)風險性、安全性、可實現(xiàn)性、經(jīng)濟可比性和技術(shù)靈活性等幾方面因素，我們的儲能系統(tǒng)采用14兆瓦磷酸鐵鋰電池、4兆瓦鈉硫電池和2兆瓦液流電池，儲能總?cè)萘窟_到95兆瓦時。不過，這個數(shù)據(jù)對于科研人員而言只是一個開端，更精確的配比方案正是這個項目建成后的一項重要試驗課題。技術(shù)部副主任劉漢民說：“工程投產(chǎn)運行后，將最終試驗出風、光、儲三者之間的最佳配比。”

如同一道新的菜肴，只有先確定了科學配比、美味可口的菜譜，未來才能用新能源的“原材料”做出人人可品嘗的“佳肴”。

集成控制

嚴格說來，風光儲輸不僅僅是一個新能源項目，對于我國儲能系統(tǒng)而言還是一個試驗場，確切地說是世界首個集科研、技術(shù)開發(fā)、比對、試驗以及生產(chǎn)運行為一體的綜合平臺，承擔著多重角色：它是先進電池儲能技術(shù)的試驗應(yīng)用平臺，也是多種電池以不同容量配比協(xié)同生產(chǎn)運行的平臺，還是不同類型化學電池應(yīng)用功能效果技術(shù)對比平臺，是多類型儲能監(jiān)控系統(tǒng)高級應(yīng)用功能的技術(shù)開發(fā)平臺，還是大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)集成技術(shù)的研究平臺。

一位來參觀的領(lǐng)導曾指出，風光儲輸示范工程就是要給其他項目做榜樣，重要的是“學得會，還要學得起”。這個定位就意味著作為其中重要環(huán)節(jié)的儲能系統(tǒng)，不能僅僅停留在實驗室階段，而要能示范、能通用、能推廣。“以前，我們的研究更專注于儲能對新能源并網(wǎng)的作用，盡管也有很多突破，但更多是實驗室行為，并不涉及經(jīng)濟性和生產(chǎn)能力。如今這么大規(guī)模的儲能電站建設(shè)以及接踵而來的生產(chǎn)運行，迫使科研人員必須考慮電池的生產(chǎn)能力以及未來一段時間電池技術(shù)的發(fā)展前景。”惠東說。2009年以后，受國內(nèi)電動汽車快速發(fā)展的影響，鋰電池發(fā)展很快，因此儲能電站確定了“化學儲能以鋰電池為主、鈉硫電池和液流電池為輔”的原則，同時綜合考慮系統(tǒng)集成技術(shù)，如接線方式和方案，對電池應(yīng)用的特征，包括電池裝置控制，以及監(jiān)控技術(shù)和監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)。

集中控制是儲能電站的“大腦”，統(tǒng)領(lǐng)管理著儲能電站的三種類型、27.5萬塊電池，這些電池并不是簡單地串聯(lián)在一起，而是需要一套先進的監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出充電、放電等各種指令，并讓這些電池如同士兵一樣按照指揮統(tǒng)一行動。這個“大腦”就是儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)，由中國電科院自主研發(fā)。作為儲能電站運轉(zhuǎn)的核心中樞，可以實現(xiàn)三種儲能系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控，并在世界上首次實現(xiàn)多類型化學電池儲能系統(tǒng)協(xié)同配合新能源發(fā)電的示范應(yīng)用，使我國在儲能集成控制領(lǐng)域躍入世界前列。

從世界儲能技術(shù)橫向比較，日本在鈉硫電池、液流電池和改性鉛酸電池儲能技術(shù)方面處于國際領(lǐng)先水平，美國在鋰寓子電池制造及系統(tǒng)集成方面領(lǐng)先，并在電池壽命、性能、原材料以及理論研究等方面方案優(yōu)于我國，但我國通過風光儲輸示范工程的建設(shè)和運行，在儲能集成控制技術(shù)應(yīng)用上已經(jīng)達到國際領(lǐng)先水平，同時將儲能與風和光一起組合并進行商業(yè)運用，我國也是首開先河，前景廣闊。

近年來，我國一直在電池的制造方面持續(xù)投入，雖然日、美的鋰電池技術(shù)積累深厚，但是業(yè)界也流行一句話——“世界鋰電看中國”，就是說我國在電池制造的性價比和商業(yè)應(yīng)用方面走在前列。

隨著我國電動汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，另一種儲能原材料不能忽視，那就是從電動汽車上“退役”下來電池，那些能量不足以啟動電動汽車的廢舊電池，卻完全可以回收到儲能電站里發(fā)揮余熱，這將重新定義電動汽車的電池壽命，亦為儲能電站進行新的成本核算增添內(nèi)容。兩條看似無關(guān)聯(lián)的行業(yè)，在新的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域重合交疊，為未來的經(jīng)濟跨界發(fā)展趨勢做出完美的印證。

對于儲能系統(tǒng)和電池發(fā)展的明天，惠東用“大容量、高可靠性、高安全性、長壽命、低成本”幾個詞勾勒出未來的方向。