長時間大量儲存和釋放電能的方法

楊春華 蔣新沅

（湖南省芷江春陽灘水電有限公司 懷化市 419100）

在電網供電過程中發(fā)供電是同步進行的，用電過程中的高峰期缺電與低谷期余電的矛盾十分突出。一方面發(fā)電部門發(fā)出的電必須同時耗用不能儲存，在用電高峰期用最大出力發(fā)電供電仍然十分緊張，低谷期電力又大量剩余；另一方面水力發(fā)電普遍存在豐水期有電送不出只能大量放水，白白浪費寶貴的資源，枯水期又達不到用電所需；太陽能發(fā)電和風力發(fā)電也存在類似的問題。如何將一時不能用掉的豐盈電能儲存起來，在缺電時投入供電是人們長期研究希望解決的問題。

1 當前電力系統(tǒng)中使用的幾種主要儲能技術

目前世界上的電能儲存技術主要有附表幾種。

附表 電能儲存技術統(tǒng)計

從附表幾種儲能技術來看，抽水蓄能電站雖然容量較大，維持時間也較長，但受地理環(huán)境的限制，難以滿足實際需求。其他幾種儲能技術因容量小，放電持續(xù)時間短等不足，同樣難以滿足實際需要。將電能轉換成化學能儲存在電極板中，對極板進行技術處理后能夠儲存較長時間，是儲存大量電能的可靠途徑。

2 電能大量儲存過程

將電能儲存有形化，是實現電能大量儲存的技術核心，根據現有蓄電池工作原理，對蓄電池結構進行改造，使電極板與電池槽能方便快捷的分離組合，當電極板充足電能后將其取出處理并用極板盒封存，使電極板與電池槽和電解液徹底分離，就實現了電能儲存的有形化，充足電能的電極板能夠長時間大量儲存。電極板與電池槽分離組合以及電極板的封存處理，電解液的排放注入等整個過程由自動化設備完成。

現以單組鉛蓄電池為例說明電能儲存有形化和電能大量儲存的過程（現實中由多組經改造后的電池串并聯來實現）如原理圖（附圖）所示。

圖中由V1、V2電池槽，V3、V4電解液儲存罐、輸排液電磁閥、管路、電極板和外接電路等部分組成。當電極板A1充足電能時，已由PbSO4轉化成PbO2，K1板由PbSO4轉化成Pb，電解液則轉化成H2SO4，其反應式為：

附圖 原理圖

當A1、K1趨近充電完畢時在V2中裝上未充電的電極板A2與K2，如圖V2用虛線表示的電極板，裝上 K2、A2后，經過一定時間 V1中的 K1、A1電極板已充電完畢，取出K1、A1進行處理、封存。已處理封存好的電極板即為“有形電能產品”，此時V2中的K2、A2在繼續(xù)充電，這樣就實現了充電儲能過程的連續(xù)性。在V2充電的過程中，DF3電磁閥開啟，排放反應后的電解液，V1中的H2SO4排放完畢后，DF3電磁閥關閉，DF1開啟向V1注入電解液，當液面達到規(guī)定高度時DF1關閉，V1又處于待充電狀態(tài)。待V2中K2與A2趨近充電完畢時，又給V1中裝上未充電的電極板待充電……這樣V1、V2交替連續(xù)循環(huán)充電，就能實現電能的大量儲存；電能儲存量的多少，根據法拉第電解第二定律可知，“各電極板上析出產物的量與各該物質的當量成正比”（《機電工程手冊》“化學電源與物理電源”）即

式中Q——通過電池的電量或產生的電量（C）；

I——電流強度（A）；

t——時間（s）；

n——電極上生成（或消耗）的物質克當量數；

F=96520C法拉第常數。

化學電源的理論比能量計算式為：

式中W——理論比能量（W·h/kg）；

Q——理論容量（A/h）；

E——電動勢（v）；

m——按電池反應；假定是完全反應時的活性物質質量（kg）。

根據鉛蓄電池放電反應式的分子量和克當量數（在此不再贅述）由法拉第電解定律及比能量計算公式得知鉛蓄電池的理論比能量為175.5 W·h/kg，因此，根據以上兩式則有：

也就是說所儲存電能的多少與參加電能儲存電極板的質量成正比；只要在V1和V2電池槽中交替連續(xù)循環(huán)充電，將已充足電能的極板不斷地處理封存，用足夠數量的未充電的電極板重復這一過程，大量豐盈的電能就儲存起來了。

3 已充足電能的電極板長時間貯存方法

這里仍以鉛蓄電池為例進行說明；其貯存方法關鍵是要保證所儲存的電量不損失或損失很小；鉛蓄電池的正負極是由氧化鉛粉和硫酸、再根據其它要求加入各種添加劑后，涂填到極板骨架上而制成，有板式和管式兩種。然后通過化成才能形成電池的正極（PbO2）和負極（Pb）板；一般情況由廠家把電極板制成干荷電極，其貯存期限為1年；固定型防酸式鉛蓄電池充電擱置7天自放電容量損失不得超過二次放電平均容量的10%，根據不同的充放制，其壽命為3～8年，貯存期限為3年。這就是鉛蓄電池現有的基本性能；蓄電池充足電能后切斷充電電源，擱置不使用會產生容量損失；主要是電解液和極板的相互作用產生自放電所導致。如何使存放的電極不產生自放電所導致的容量損失是電能大量貯存的關鍵技術。

蓄電池充足電能后，電極板中PbO2和Pb的物理化學性質：

（1）二氧化鉛。PbO2呈棕黑色（或暗褐色），顯微結晶重質粉末，密度9.375 g/cm3，不溶于水和乙醇，緩溶于硝酸和醋酸銨，汛速溶于鹽酸及硝酸與過氧化氫溶液，加熱到290℃分解，與強堿加熱生成高鉛酸鹽，有毒。

（2）鉛。Pb呈藍灰色或銀灰色，密度為11.336g/cm3，熔點327.4℃，常溫下在干燥的空氣中不會氧化，在潮濕的空氣中含有CO2，在其表面先生成氧化亞鉛（Pb2O）再慢慢轉化成堿式碳酸鉛〔3PbCO3·Pb（OH）〕薄膜，阻止氧化，難溶于稀鹽酸（HC1）和硫酸（H2SO4）等。

根據蓄電池電極的制作工藝和構成材料的物理化學性質，及電能大量儲存操作過程的特點，電極板裝有保護架，以增強其機械性能，當電極充滿電能時，將極板與電池槽及電解液進行分離，然后將極板上的殘留電解液處理干凈，再處理電極隔板，只要保持正負極板既無化學的也無物理性質的接觸并與空氣隔離，切斷電子轉移的途徑，就可保證電極所充電能不損失或損失很小，能夠較長時間貯存?zhèn)溆谩＞唧w操作過程和電極板處理技術在此不再闡述。

4 電能的釋放過程

將貯存的已充足電能的極板裝入相應的電池槽內，再注入電解液靜止（20～60）min即可，電能釋放設備和電能儲存設備基本相同，只減少整流裝置，增加逆變裝置，根據需求將多組電池串并聯，經逆變后向外提供電力。如果用于電力系統(tǒng)，為了提高其響應時間，需在已安裝好的電池槽內預先裝入存放的已充足電能的電極板，并保持浮充電狀態(tài)，只要電網需要電力補充，其響應時間可在μs級以內。電能釋放的過程是充電過程的逆過程。在此不再冗述。

有形電能產品的性能和普通蓄電池一樣，效率已達85%，主要體現在容量、比能量和比功率以及貯存時間等方面。所釋放電能的多少，是根據在規(guī)定的或在保證指定的放電條件下應該放出的最低限度的電量，其額定容量的計算和普通蓄電池一樣采用恒電流放電法，在t時間內，恒電流放電時的容量為：

式中Q——容量（A/h）；

I—放電電流（A）；

t——放電到終止電壓的時間（h）；

由電能儲存量的表達式：

可知，極板所釋放電能的量與參加電能釋放的極板的質量成正比。只要用足夠數量的已充足電能的電極板在電池槽中交替連續(xù)運行，就能長時間大量地釋放電能，經串并聯和逆變后向電網提供電力。

5 結 語

將豐盈電能儲存起來用于電力網調頻調峰以補充電網在負荷高峰期的電力需求，很多國家都在進行研究和探索，當前用于電力網的電能儲存有鈉硫電池，鉛蓄電池，超導體、液流電池等；鈉硫電池的比能量較高，其實際比能量已達（100～120）W·h/kg，還有美國正在密西根動工修建的巨大的鉛蓄電池裝置，總重為 2720t，容量為 30MW/h，占地 2023m2；但這些技術無一不受到儲存量的制約，不能長時間或大量儲存電能。電能有形化技術可以長時間和大量儲存電能；在電能釋放時用串并聯的方法形成電力對外供電，其容量可大可小，方法簡單，原理可靠，技術成熟；放電時間可根據電網需求進行操作，適應所有酸堿蓄電池制作。經實驗，該技術有很好的實用前景。

1 趙凱華，陳熙謀.電磁學[M].西安：西安人民教育出版社，1978.

2 沈鴻.機電工程手冊[M].上海：上海機械工業(yè)出版社，1982.

3 楊春華.一種將電能轉換成有形產品實現長時間大量儲存的方法[P].2011-11-17.