4.4.4.1 抽水蓄能

抽水蓄能法的思路是在电网电力过剩时，利用过剩的电能将水抽送至高水位的水库存储；当用电高峰期电网电力不足时，用高水位的水流向低水位产生的动能带动发电机发电，向电网回馈能量。这个概念已经出现了几十年，现在技术发展的比较成熟。抽水蓄能系统有两种结构，其一是用发电机/电动机两用电机分别与水泵和水轮机相连接，抽水时电机驱动水泵，发电时水轮机驱动电机。另一种结构是电机与一个水泵/水轮两用机相连接，由于叶轮做水泵和水轮机的最适合结构并不同，所以该轮机做水轮机连接同步电机时效率低于前一种结构。如果使用逆变器，并且使用为水轮机优化的涡轮，在水泵工作模式时电机运行于异步转速，总体效率低的问题就可以被解决^[Hin00]。抽水蓄能法在两次能量转换时会有损耗，水库中的水也会蒸发，造成发电用水少于水泵送水，计入这些损耗，其总体效率仍然能达到70%～85%。

抽水蓄能法的能量密度比较低，一个落差为H的水库，体积为V的水所存储的重力势能为

E_h=ρgHV

式中，ρ为水的密度；g为地球重力加速度。按照上式计算，1m³的水被输送到100m高处，其存储的势能仅为0.277kWh。为了存储大量的能量，就必须选择合适的地点，建造大型的抽水蓄能电站。

抽水蓄能电站的高水位处一般都是水库，低水位处则既可以是水库，又可以是河流。自从1930年以来，世界各地修建了许多抽水蓄能电站，其额定功率从80～1800MW都有。

下面以Goldisthal电站作为例子来说明（2002）。该电站的高水位水库库容为13.5×10⁶m³，折合能量为8489MWh。电站配备4台机组，其中两台使用同步电机分别连接水泵和水轮机，这2台机组的额定功率都约为256MW；另外2台机组使用异步电机，额定功率都约为265MW。其总装机额定功率为1060MW。

这种抽水蓄能系统在风力发电领域中被用来调节周期较长的能量波动。

4.4.4.2 压缩空气储能

气体的压缩和扩张特性也能被用来存储能量，使用这一原理的系统叫做压缩空气储能器（CAES）。空气被压缩机压缩，存入地下的存储器中。一旦地下岩层中有天然形成的洞穴，那么洞穴可以直接用作储气罐。从压缩空气系统中取出能量，并不是直接用它驱动发电机，而是将压缩空气注入天然气燃气轮机中。压缩空气产生的热能用于燃气轮机的进气预热，燃烧产生的高温、高压气体推动轮机，最终带动发电机发电。图4-25所示是一套压缩空气储能系统的概念图，注意燃气轮机和压缩器都连接到同一台电机上，对应着电机的不同工作模式。

压缩空气储能被认为是一种很有希望调节风力发电波动性的技术，但是迄今为止仅有少数几座压缩空气储能电站进入了实际运营阶段。表4-2给出的是1978年在德国洪托夫（Huntorf）镇建成，由E.On公司运营的压缩空气储能电站的一些性能数据。

(www.daowen.com)

图4-25 CAES电站概念图（德国洪托夫镇）

该电站的总效率据称为54%，可以在10min内达到满功率运行。

表4-2 洪托夫电站CAES主要参数

①1bar=10⁵Pa。——编辑注

4.4.4.3 飞轮储能

飞轮储能器（FES）利用飞轮的转动来存储能量，即

式中，J是飞轮绕旋转轴的转动惯量；Ω是飞轮旋转的角速度。如果飞轮是质量为m、半径为R的圆柱体，那么有J=mR²/2；如果飞轮是质量为m、内半径为R_i、外半径为R_a的圆筒，那么J=m（R_a²+R²_i）/2。以上式子说明了使用同样的材料，带辐条的圆筒形结构可以获得更大的转动惯量。飞轮可以使用钢材来整体制作，但是碳纤维复合材料的抗拉强度却使得它更适合制作辐条。设计飞轮储能器时一定要标定飞轮外缘的最大许用线速度。

飞轮储能器的储能过程，飞轮被加速直到最大许用速度；飞轮带动发电机发电，自身转速降低，这是释放能量的过程。如果使用真空封装系统加磁力轴承，那么飞轮储能也就没有任何空气损耗和轴承损耗了。

高性能的储能飞轮设计额定转速高达20000r/min以上，能量密度高达130Wh/kg，而且总效率能达到95%。如此高的性能和超长的使用寿命使得飞轮储能器成为了固定设备不间断电源（UPS）和车用储能器的一种理想设备，惟一的问题是价格还很高。风力发电系统当中，飞轮储能也被部分机构看好。