為了提供穩(wěn)定的電力，太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電要求天氣持續(xù)晴好或有風(fēng)。

因此，在沒有陽光或沒有風(fēng)的時候，穩(wěn)定的能量流就會中斷。而另一方面，在晴朗有風(fēng)的的天氣里，太陽能電場和風(fēng)電場可能會產(chǎn)生超出需要的電力。

儲能系統(tǒng)可以吸收風(fēng)能和太陽能產(chǎn)生的多余能量，儲存起來供發(fā)電量少的時候使用。

對比風(fēng)能和太陽能這些可再生能源，化石燃料有一個巨大的優(yōu)勢：不受天氣情況限制。

但是由于儲能技術(shù)的進(jìn)步，這個優(yōu)勢在減弱。儲能系統(tǒng)可以吸收風(fēng)能和太陽能產(chǎn)生的多余能量，儲存起來供發(fā)電量少的時候使用。

在向風(fēng)能和太陽能等可再生能源和可變能源轉(zhuǎn)型的歷程中，工程師們很長時間以來一直都在研究儲能技術(shù)。

數(shù)十年來，水電站一直是全球主要的儲能方式。在美國，水電站承擔(dān)了 95% 的大型地面電站電力儲能容量。但是水電站設(shè)施要經(jīng)過漫長的報批流程，然后花幾年才能建好，并且有特定的選址要求。

鋰離子電池是另一種主要儲能解決方案。它們可以用在水電站這種電網(wǎng)級別，也可以用來滿足小一些的能源需求，例如公司、家庭和電動汽車這樣的級別。

想要將電網(wǎng)轉(zhuǎn)型為 100% 的可再生能源，光靠鋰離子電池和水電站是不夠的。能量還可以通過其他方式儲存，比如儲存在生態(tài)友好的電池中，儲存為飛輪的動能，或儲存為熔鹽中的熱能。

供電韌性

EVLO Energy Storage Inc. 正在魁北克省北部的因努伊特人社區(qū) Quaqtaq 測試其儲能系統(tǒng)，確定其是否能夠?qū)⒖稍偕茉摧斔偷诫娋W(wǎng)并服務(wù)遠(yuǎn)郊地區(qū)。在過去的三年，EVLO 儲能系統(tǒng)已經(jīng)幫助 Quaqtaq 社區(qū)集成太陽能。

“當(dāng)配電網(wǎng)遇到計劃或者計劃外的事件時，我們這里的微電網(wǎng)將自維持運行，從而提供電力連續(xù)性。”

——Adile Ajaja，EVLO 軟件團隊負(fù)責(zé)人

致力于可再生能源電力的魁北克水電公司 (Hydro-Québec) 子公司 EVLO 現(xiàn)已開發(fā)出一種更加有效的鋰離子電池儲能方式：磷酸鹽系鋰離子電池。

與傳統(tǒng)鋰離子電池不同，磷酸鹽系鋰離子電池使用無毒材料制成。對比傳統(tǒng)鋰離子電池，這種電池的成分也更加安全和穩(wěn)定。因為電池使用無毒材料制成，也直接避免了廢棄處理帶來的環(huán)境威脅。這些材料還可以重復(fù)利用和回收，推動了鋰離子電池循環(huán)生態(tài)的發(fā)展。

過去 40 年來，魁北克水電公司一直在開發(fā) EVLO 系統(tǒng)背后的技術(shù)。較小型的系統(tǒng)可以為商業(yè)大樓供電，更大型和更堅固的系統(tǒng)則可為電網(wǎng)和工業(yè)區(qū)供電。

磷酸鹽系鋰離子電池是當(dāng)今市場上最高效的電池之一。與其他類型的電池不同的是，磷酸鹽系鋰離子電池放電深度可達(dá) 100%，這意味著使用者可以使用電池中儲存的全部能量。

EVLO 軟件團隊負(fù)責(zé)人 Adile Ajaja 及其團隊使用 MATLAB 和 Simulink 進(jìn)行 EVLO 系統(tǒng)的開發(fā)和建模。他們之后將從該 Simulink 模型生成的代碼用在硬件上來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。

自第一個項目以來，EVLO 已將其解決方案帶到其他社區(qū)。公司最近在 Lac-Mégantic 鎮(zhèn)安裝了一個儲能系統(tǒng)來服務(wù)這塊區(qū)域的微電網(wǎng)。魁北克省的第一個微電網(wǎng)是一次災(zāi)后恢復(fù)工作的組成部分——幾年前，一列脫軌的火車使這塊區(qū)域遭到大面積破壞。

作為災(zāi)后恢復(fù)項目的一部分，EVLO 參與其中負(fù)責(zé)改進(jìn)電網(wǎng)的韌性。這些系統(tǒng)可以儲存來自 1,700 個太陽能板的能量，并用于服務(wù)市中心的 40 幢大樓、電動汽車充電站和自動化控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)更加高效的能量管理。當(dāng)主電網(wǎng)停電時，微電網(wǎng)和儲能系統(tǒng)還可以作為電力來源。“當(dāng)配電網(wǎng)遇到計劃內(nèi)或者計劃外的事件時，我們這里的微電網(wǎng)將獨立維持運行，從而提供持續(xù)電力，”Ajaja 說。

消除摩擦

芬蘭初創(chuàng)公司 Teraloop 在一項傳統(tǒng)儲能技術(shù)之上另辟蹊徑。該技術(shù)是一個飛輪，可以將能量儲存在一個快速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子里。但是與大部分飛輪不同的是，Teraloop 的辦法是將中心留空。

“想象一下沒有輪輞的輪胎”，Teraloop 首席技術(shù)顧問 James Hagerman 說，“大部分飛輪是實心的，有一個輪轂。”通過對傳統(tǒng)飛輪做進(jìn)一步的改進(jìn)，Teraloop 增強了磁力使得飛輪轉(zhuǎn)子懸浮，實現(xiàn)了幾乎無摩擦的旋轉(zhuǎn)。

“如果您需要在短時內(nèi)獲得大功率，比如地鐵加速......飛輪可以完勝電池。”

——James Hagerman，Teraloop 首席技術(shù)系統(tǒng)顧問

Teraloop 通過去掉輪轂并采用磁懸浮，消除了限制標(biāo)準(zhǔn)飛輪的大部分應(yīng)力。他們的產(chǎn)品轉(zhuǎn)動速度比標(biāo)準(zhǔn)飛輪快，可以儲存更多能量。

該公司計劃將其飛輪與電池儲能配合使用在電動汽車 (EV) 充電站，用于地鐵和有軌電車系統(tǒng)的再生制動以及穩(wěn)定微電網(wǎng)電壓波動。

在電動汽車充電站，飛輪可以加快充電速度并延長電池壽命。電池可以儲存來自電網(wǎng)的能量，用來給電動汽車充電，但是他們不是最理想的解決方案。

“目前的電池都是鋰離子電池，其設(shè)計初衷不是完成每天的大量充電循環(huán)。它們的壽命會顯著減少，”Hagerman 表示。“因此，您可以采用所謂的混合儲能，也就是飛輪加電池。”

混合儲能模式對于電池也有好處。他說，“它可以保護電池，并且可以使充電站盡可能少地連接電網(wǎng)，”這意味著這種混合模式充電站不需要進(jìn)行電網(wǎng)升級，至少目前不需要，因為現(xiàn)在路面行駛的汽車中，電動汽車只占少數(shù)。

飛輪也可以作為獨立的系統(tǒng)，為公共交通系統(tǒng)提供電力。再生制動技術(shù)會在制動時使電機反轉(zhuǎn)，從而為電動汽車充電，現(xiàn)在已用于地鐵和有軌電車，但是儲存容量有限。“如果您需要在短時內(nèi)獲得大功率，比如地鐵加速......飛輪可以完勝電池，”Hagerman 說到。

不在路上時，飛輪可以穩(wěn)定由間歇性可再生資源供電的微電網(wǎng)。“電壓會波動，頻率會波動，因此都需要讓電網(wǎng)來支持，”Hagerman 表示。“此時電力供應(yīng)商會將電池作為長期的解決方案，”他說，但是飛輪可以作為電池的補充，在短時內(nèi)快速提供爆發(fā)的能量。

Hagerman 使用 MATLAB 和 Simulink 對飛輪與現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)的集成進(jìn)行建模。他借助 Simulink 向潛在客戶展示飛輪如何運作以及它如何與電池和電網(wǎng)系統(tǒng)配合使用。

“我們不是與電池競爭，只是有時候單獨飛輪就是一個更好的選項，特別是空間有限時，”Hagerman 說。但他同時也介紹了飛輪可以如何改進(jìn)電池驅(qū)動的系統(tǒng)。“它們互為補充。”

熱與冷

Alphabet Inc. 子公司 X 給自己的定位是一群發(fā)明家和企業(yè)家，他們研發(fā)出的技術(shù)解決了世界上最棘手的一些難題。秉持著這種精神，他們扶持了一個名為 Malta 的初創(chuàng)儲能項目，該項目的目標(biāo)是將能量儲存在鹽和冷液中。Malta 項目團隊設(shè)計了熱泵儲能系統(tǒng)，打算最終將其連接到電網(wǎng)，從而穩(wěn)定電力供應(yīng)。

“我們不希望這一（儲能）系統(tǒng)只用在美國或其他發(fā)達(dá)國家。我們希望能夠?qū)⑺ㄔ谑澜缛魏蔚胤健！?/p>

——Pravallika Vinnakota，Malta 建模與仿真主工程師

Malta Inc 位于馬薩諸塞州劍橋市，2018 成為獨立公司，并為一家電廠改進(jìn)其設(shè)計。“這將提高電網(wǎng)可靠性和靈活性，”Malta Inc. 建模與仿真主工程師 Pravallika Vinnakota 表示。

連接到某個電力來源（電網(wǎng)、風(fēng)能、太陽能或化石燃料）后，系統(tǒng)的熱泵將電能轉(zhuǎn)化成熱能，形成溫差。“它將電能作為熱能儲存在高溫熔鹽中，作為冷能儲存在低溫冷卻液中，”Vinnakota 說。熱的鹽和冷的冷卻液分別儲存在單獨的罐體中，儲存 10 小時可以提供相當(dāng)于幾天的能量使用量。

然后，當(dāng)需要用電時，熱引擎會將熱能轉(zhuǎn)化回電能供配送。根據(jù)用電需求，會通過算法來管理何時系統(tǒng)從電網(wǎng)收集能量以及何時配送該能量。這一循環(huán)可以自行重復(fù)成千上萬次：Malta 預(yù)計該系統(tǒng)可以使用超過 25 年，并且不會出現(xiàn)重大性能衰退。

該系統(tǒng)仍處在工程設(shè)計中，處于設(shè)計階段。目前，Malta 團隊在仿真環(huán)境下工作。Malta 團隊將其系統(tǒng)模型導(dǎo)入 Simulink，設(shè)計系統(tǒng)控制算法并確定該系統(tǒng)如何運行。

“我們的目標(biāo)是在未來幾年內(nèi)建設(shè)一家電廠。由于目前我們沒有電廠，我們最大程度能做到的就是搭建仿真模型，并在其上運行一系列測試，”Vinnakota 說。“我們也在使用基于模型的設(shè)計，根據(jù)從仿真中收集的信息來確定電廠設(shè)計規(guī)范。”

一旦 Malta 準(zhǔn)備好建立一個實際的電廠，他們不會局限于地理位置。Vinnakota 說：“它不必靠近山峰一類的儲存勢能的能量系統(tǒng)，”例如抽水蓄能水電站。該系統(tǒng)還會使用現(xiàn)成的材料，比如鹽和鋼。“我們不希望該系統(tǒng)只用在美國或其他發(fā)達(dá)國家。我們希望能夠?qū)⑺ㄔ谑澜缛魏蔚胤健！?/p>

通向可再生電網(wǎng)的橋梁隨著可再生能源成本的下降和取代化石燃料的需求變得日益迫切，儲能將成為一種重要的手段。不過，不同的存儲需求適用的儲能手段也不盡相同，可能是電池，是飛輪，或者是熔鹽儲罐。許多公司都在探索上述每種技術(shù)，以加強電網(wǎng)韌性并推動向清潔能源的平穩(wěn)過渡。

審核編輯 ：李倩