长时间大量储存和释放电能的方法

杨春华 蒋新沅

（湖南省芷江春阳滩水电有限公司 怀化市 419100）

在电网供电过程中发供电是同步进行的，用电过程中的高峰期缺电与低谷期余电的矛盾十分突出。一方面发电部门发出的电必须同时耗用不能储存，在用电高峰期用最大出力发电供电仍然十分紧张，低谷期电力又大量剩余；另一方面水力发电普遍存在丰水期有电送不出只能大量放水，白白浪费宝贵的资源，枯水期又达不到用电所需；太阳能发电和风力发电也存在类似的问题。如何将一时不能用掉的丰盈电能储存起来，在缺电时投入供电是人们长期研究希望解决的问题。

1 当前电力系统中使用的几种主要储能技术

目前世界上的电能储存技术主要有附表几种。

附表 电能储存技术统计

从附表几种储能技术来看，抽水蓄能电站虽然容量较大，维持时间也较长，但受地理环境的限制，难以满足实际需求。其他几种储能技术因容量小，放电持续时间短等不足，同样难以满足实际需要。将电能转换成化学能储存在电极板中，对极板进行技术处理后能够储存较长时间，是储存大量电能的可靠途径。

2 电能大量储存过程

将电能储存有形化，是实现电能大量储存的技术核心，根据现有蓄电池工作原理，对蓄电池结构进行改造，使电极板与电池槽能方便快捷的分离组合，当电极板充足电能后将其取出处理并用极板盒封存，使电极板与电池槽和电解液彻底分离，就实现了电能储存的有形化，充足电能的电极板能够长时间大量储存。电极板与电池槽分离组合以及电极板的封存处理，电解液的排放注入等整个过程由自动化设备完成。

现以单组铅蓄电池为例说明电能储存有形化和电能大量储存的过程（现实中由多组经改造后的电池串并联来实现）如原理图（附图）所示。

图中由V1、V2电池槽，V3、V4电解液储存罐、输排液电磁阀、管路、电极板和外接电路等部分组成。当电极板A1充足电能时，已由PbSO4转化成PbO2，K1板由PbSO4转化成Pb，电解液则转化成H2SO4，其反应式为：

附图 原理图

当A1、K1趋近充电完毕时在V2中装上未充电的电极板A2与K2，如图V2用虚线表示的电极板，装上 K2、A2后，经过一定时间 V1中的 K1、A1电极板已充电完毕，取出K1、A1进行处理、封存。已处理封存好的电极板即为“有形电能产品”，此时V2中的K2、A2在继续充电，这样就实现了充电储能过程的连续性。在V2充电的过程中，DF3电磁阀开启，排放反应后的电解液，V1中的H2SO4排放完毕后，DF3电磁阀关闭，DF1开启向V1注入电解液，当液面达到规定高度时DF1关闭，V1又处于待充电状态。待V2中K2与A2趋近充电完毕时，又给V1中装上未充电的电极板待充电……这样V1、V2交替连续循环充电，就能实现电能的大量储存；电能储存量的多少，根据法拉第电解第二定律可知，“各电极板上析出产物的量与各该物质的当量成正比”（《机电工程手册》“化学电源与物理电源”）即

式中Q——通过电池的电量或产生的电量（C）；

I——电流强度（A）；

t——时间（s）；

n——电极上生成（或消耗）的物质克当量数；

F=96520C法拉第常数。

化学电源的理论比能量计算式为：

式中W——理论比能量（W·h/kg）；

Q——理论容量（A/h）；

E——电动势（v）；

m——按电池反应；假定是完全反应时的活性物质质量（kg）。

根据铅蓄电池放电反应式的分子量和克当量数（在此不再赘述）由法拉第电解定律及比能量计算公式得知铅蓄电池的理论比能量为175.5 W·h/kg，因此，根据以上两式则有：

也就是说所储存电能的多少与参加电能储存电极板的质量成正比；只要在V1和V2电池槽中交替连续循环充电，将已充足电能的极板不断地处理封存，用足够数量的未充电的电极板重复这一过程，大量丰盈的电能就储存起来了。

3 已充足电能的电极板长时间贮存方法

这里仍以铅蓄电池为例进行说明；其贮存方法关键是要保证所储存的电量不损失或损失很小；铅蓄电池的正负极是由氧化铅粉和硫酸、再根据其它要求加入各种添加剂后，涂填到极板骨架上而制成，有板式和管式两种。然后通过化成才能形成电池的正极（PbO2）和负极（Pb）板；一般情况由厂家把电极板制成干荷电极，其贮存期限为1年；固定型防酸式铅蓄电池充电搁置7天自放电容量损失不得超过二次放电平均容量的10%，根据不同的充放制，其寿命为3～8年，贮存期限为3年。这就是铅蓄电池现有的基本性能；蓄电池充足电能后切断充电电源，搁置不使用会产生容量损失；主要是电解液和极板的相互作用产生自放电所导致。如何使存放的电极不产生自放电所导致的容量损失是电能大量贮存的关键技术。

蓄电池充足电能后，电极板中PbO2和Pb的物理化学性质：

（1）二氧化铅。PbO2呈棕黑色（或暗褐色），显微结晶重质粉末，密度9.375 g/cm3，不溶于水和乙醇，缓溶于硝酸和醋酸铵，汛速溶于盐酸及硝酸与过氧化氢溶液，加热到290℃分解，与强碱加热生成高铅酸盐，有毒。

（2）铅。Pb呈蓝灰色或银灰色，密度为11.336g/cm3，熔点327.4℃，常温下在干燥的空气中不会氧化，在潮湿的空气中含有CO2，在其表面先生成氧化亚铅（Pb2O）再慢慢转化成碱式碳酸铅〔3PbCO3·Pb（OH）〕薄膜，阻止氧化，难溶于稀盐酸（HC1）和硫酸（H2SO4）等。

根据蓄电池电极的制作工艺和构成材料的物理化学性质，及电能大量储存操作过程的特点，电极板装有保护架，以增强其机械性能，当电极充满电能时，将极板与电池槽及电解液进行分离，然后将极板上的残留电解液处理干净，再处理电极隔板，只要保持正负极板既无化学的也无物理性质的接触并与空气隔离，切断电子转移的途径，就可保证电极所充电能不损失或损失很小，能够较长时间贮存备用。具体操作过程和电极板处理技术在此不再阐述。

4 电能的释放过程

将贮存的已充足电能的极板装入相应的电池槽内，再注入电解液静止（20～60）min即可，电能释放设备和电能储存设备基本相同，只减少整流装置，增加逆变装置，根据需求将多组电池串并联，经逆变后向外提供电力。如果用于电力系统，为了提高其响应时间，需在已安装好的电池槽内预先装入存放的已充足电能的电极板，并保持浮充电状态，只要电网需要电力补充，其响应时间可在μs级以内。电能释放的过程是充电过程的逆过程。在此不再冗述。

有形电能产品的性能和普通蓄电池一样，效率已达85%，主要体现在容量、比能量和比功率以及贮存时间等方面。所释放电能的多少，是根据在规定的或在保证指定的放电条件下应该放出的最低限度的电量，其额定容量的计算和普通蓄电池一样采用恒电流放电法，在t时间内，恒电流放电时的容量为：

式中Q——容量（A/h）；

I—放电电流（A）；

t——放电到终止电压的时间（h）；

由电能储存量的表达式：

可知，极板所释放电能的量与参加电能释放的极板的质量成正比。只要用足够数量的已充足电能的电极板在电池槽中交替连续运行，就能长时间大量地释放电能，经串并联和逆变后向电网提供电力。

5 结 语

将丰盈电能储存起来用于电力网调频调峰以补充电网在负荷高峰期的电力需求，很多国家都在进行研究和探索，当前用于电力网的电能储存有钠硫电池，铅蓄电池，超导体、液流电池等；钠硫电池的比能量较高，其实际比能量已达（100～120）W·h/kg，还有美国正在密西根动工修建的巨大的铅蓄电池装置，总重为 2720t，容量为 30MW/h，占地 2023m2；但这些技术无一不受到储存量的制约，不能长时间或大量储存电能。电能有形化技术可以长时间和大量储存电能；在电能释放时用串并联的方法形成电力对外供电，其容量可大可小，方法简单，原理可靠，技术成熟；放电时间可根据电网需求进行操作，适应所有酸碱蓄电池制作。经实验，该技术有很好的实用前景。

1 赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].西安：西安人民教育出版社，1978.

2 沈鸿.机电工程手册[M].上海：上海机械工业出版社，1982.

3 杨春华.一种将电能转换成有形产品实现长时间大量储存的方法[P].2011-11-17.