高 捷，趙 斌，楊 超，楊恒瑞，韓曉剛

海上儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)與前景*

高 捷，趙 斌，楊 超，楊恒瑞，韓曉剛?

（西安交通大學(xué)，電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

海洋擁有巨大的能源資源潛力，而儲(chǔ)能技術(shù)是新能源革命的關(guān)鍵，推動(dòng)海上儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展勢在必行。本文首先闡述了海上儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，以風(fēng)電、鋰電、多能互補(bǔ)技術(shù)在海上儲(chǔ)能的實(shí)際應(yīng)用為例，介紹了儲(chǔ)能技術(shù)從陸地到海洋的技術(shù)轉(zhuǎn)移模式。其次列舉了能夠利用海水特點(diǎn)、適應(yīng)海洋環(huán)境的儲(chǔ)能技術(shù)與形式。海水運(yùn)動(dòng)雖復(fù)雜多變卻蘊(yùn)含豐富的能量，納米發(fā)電機(jī)能夠?qū)Ｋ\(yùn)動(dòng)能量進(jìn)行有效收集。最后從長期、短期、應(yīng)用場景三方面展望了海上儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展前景，總結(jié)指出海上儲(chǔ)能技術(shù)在清潔開發(fā)利用海洋能源中的重要性以及推進(jìn)海上儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展在新能源革命時(shí)代的必要性。

海上儲(chǔ)能；海上風(fēng)電；電力儲(chǔ)能；機(jī)械儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能

0 引 言

海洋占據(jù)了地球表面積的71.8%，擁有巨型的水體和無垠的海上空間，蘊(yùn)藏著豐富的礦物和生物資源，更有著取之不盡的清潔可再生能源，如海洋中的潮汐能、海流能、波浪能、溫差能、鹽差能[1-6]，以及風(fēng)能和太陽能等[7]。人類利用和開發(fā)海洋的活動(dòng)越來越頻繁，盡早布局大規(guī)模海洋開發(fā)和進(jìn)行各種相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備意義重大。海上儲(chǔ)能技術(shù)是指在海洋或海洋裝備中應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)以及利用海洋物質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)能的技術(shù)。隨著人類對(duì)海洋可再生能源的開發(fā)利用，海上儲(chǔ)能技術(shù)已悄然地快速興起。

1 海上儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展

起始于上世紀(jì)末的新能源革命促進(jìn)了儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，如今儲(chǔ)能正從陸地推向海洋，而且采取了一種近乎“技術(shù)轉(zhuǎn)移，照搬照用”的方式。

1.1 “陸地風(fēng)電+儲(chǔ)能”到“海上風(fēng)電+儲(chǔ)能”

由于風(fēng)電的不確定性[8]，大規(guī)模陸地風(fēng)電場通過儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)送電[9-10]。相比于陸地，海上有更加良好的風(fēng)力資源，風(fēng)電場自然也建立在了海洋上，成為“海上風(fēng)電場”[11]。海上風(fēng)電同樣存在不確定性，同樣需要儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)[12]。對(duì)于離岸較近的風(fēng)電場，可建立相應(yīng)的陸上儲(chǔ)能變電站。但為了追求更優(yōu)質(zhì)的風(fēng)電和更大的裝機(jī)規(guī)模，風(fēng)電場需要建在較遠(yuǎn)的海域，甚至到達(dá)遠(yuǎn)海遠(yuǎn)岸[13]。這時(shí)儲(chǔ)能裝備“下?！迸c風(fēng)電場一起建在海上就更具經(jīng)濟(jì)性，從而儲(chǔ)能“技術(shù)轉(zhuǎn)移”到海上，成為海上儲(chǔ)能，屬于海洋新能源的一部分。目前，我國海洋新能源項(xiàng)目基本是單純海上風(fēng)電場建設(shè)，“海上風(fēng)電+儲(chǔ)能”的技術(shù)還處于驗(yàn)證階段。然而，國外已經(jīng)有部分此類項(xiàng)目運(yùn)行或在建：

（1）2017年3月瑞典大瀑布電力公司（Vattenfall）用1000輛寶馬（BMW i3）電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)在荷蘭Princess Alexia島建立了海上風(fēng)電場配套儲(chǔ)能項(xiàng)目，風(fēng)電規(guī)模122 MW，儲(chǔ)能規(guī)模3.2 MW?h。

（2）2017年8月，美國深海風(fēng)能發(fā)電公司宣布了一個(gè)名為“風(fēng)電革命”的海上風(fēng)電場兼儲(chǔ)能的計(jì)劃。該計(jì)劃中風(fēng)電規(guī)模144 MW，儲(chǔ)能規(guī)模40 MW，由特斯拉公司（Tesla）提供所需全部儲(chǔ)能用電池系統(tǒng)。該計(jì)劃獲批后將于2022年開始啟動(dòng)，預(yù)計(jì)于2023年投運(yùn)。這將是全球最大的海上風(fēng)能和儲(chǔ)能相結(jié)合的項(xiàng)目。

（3）2018年3月美國Bay State Wind項(xiàng)目與NEC Energy Solution公司宣布共同開發(fā)美國麻省的海上風(fēng)電兼儲(chǔ)能項(xiàng)目，風(fēng)電規(guī)模800 MW，儲(chǔ)能規(guī)模55 MW/110 MW?h。項(xiàng)目計(jì)劃2020年后實(shí)現(xiàn)發(fā)電，屆時(shí)將會(huì)是世界上第一個(gè)“海上風(fēng)電+儲(chǔ)能”的商業(yè)運(yùn)行項(xiàng)目。

（4）2018年8月，挪威石油公司Equinor和阿布扎比可再生能源公司Masdar合作的儲(chǔ)能項(xiàng)目Batwind在蘇格蘭海岸建成運(yùn)行，為全球首座海上漂浮式風(fēng)電場Hywind提供陸地儲(chǔ)能服務(wù)。Hywind風(fēng)電場離岸距離25 km，風(fēng)電規(guī)模30 MW，通過33 kV電纜連接到上述陸地儲(chǔ)能變電站，該儲(chǔ)能變電站利用1 MW鋰離子電池系統(tǒng)連接到電網(wǎng)。

1.2“鋰離子電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車”到“鋰離子電池驅(qū)動(dòng)小型船舶和深潛器”

鋰離子電池是可充電電池，其能量密度高，充放電循環(huán)壽命長。新能源汽車采用鋰離子電池等儲(chǔ)能器件存儲(chǔ)新能源電力來驅(qū)動(dòng)汽車[14]，這不僅可以減少甚至取代化石能源，還可以保護(hù)人類生存環(huán)境。鋰離子電池理論上也可用于驅(qū)動(dòng)船舶。然而海洋船舶，特別是遠(yuǎn)洋船舶，驅(qū)動(dòng)功率巨大，基本都在幾十到幾百兆瓦，甚至上千兆瓦級(jí)別，相當(dāng)于發(fā)電站的規(guī)模。目前遠(yuǎn)洋船舶使用的燃料為航海柴油，價(jià)格較低，但即使不考慮經(jīng)濟(jì)性，采用足夠規(guī)模的鋰離子電池組成船舶儲(chǔ)能系統(tǒng)，想完全依靠新能源電力供電航行目前也不現(xiàn)實(shí)。而小型船舶，如短距離航行的渡輪、游輪、觀光船等，對(duì)驅(qū)動(dòng)功率要求不高，為了保護(hù)近海和內(nèi)河水域環(huán)境，則完全可以使用鋰離子電池驅(qū)動(dòng)。

另一方面，鋰離子電池可替代傳統(tǒng)的鉛酸電池應(yīng)用于海洋深潛裝備[15]，如各種潛艇、潛水器，甚至魚雷等武器系統(tǒng)[16-17]。鋰離子電池的能量密度是鉛酸電池的3 ~ 4倍，使用壽命長，這對(duì)于深潛裝備來說是最重要的要求。國內(nèi)外在這方面均有不同程度的發(fā)展：

（1）2015年，德國西門子公司聯(lián)合挪威Fjellstrand造船廠和船東Norled公司開發(fā)了世界上第一輛電動(dòng)渡輪Ampere，由于使用水力發(fā)電進(jìn)行充電，Ampere渡輪實(shí)現(xiàn)了碳的零排放。

（2）2018年10月，日本最新一艘“蒼龍”級(jí)潛艇“凰龍”號(hào)在三菱重工神戶造船廠下水，該潛艇是世界上第一艘采用鋰離子電池為動(dòng)力的實(shí)戰(zhàn)型潛艇[18]。

（3）法國SAFT公司為無人潛艇（UUV）、蛙人輸送潛艇（SDV）、救援潛艇[16]（SRV）等小型潛艇設(shè)計(jì)和開發(fā)了從能量型到功率型的多種型號(hào)鋰離子電池模塊，可針對(duì)不同能量和功率的需求加以組合。

（4）美國亞德尼公司為輕型魚雷開發(fā)的75 kW鋰離子電池系統(tǒng)[19]，工作電壓為300 V，功率密度為650 W/kg，使用壽命8 ~ 10年，可充放電200次，通過魚雷殼體上的接口可直接充放電[16]。

（5）2017年11月，世界上首艘2 000噸級(jí)新能源電動(dòng)自卸船在廣州南沙整體吊裝下水。整船電池容量約為2.4 MW?h，驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，充電兩小時(shí)可續(xù)航80 km，主要航行于珠江內(nèi)河水域等。在航行中，全程不消耗燃油，實(shí)現(xiàn)PM2.5、碳、硫等廢氣污染物零排放，達(dá)到《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》的綠色船舶-Ⅲ最高等級(jí)。

（6）2017年初，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所研發(fā)的“青能I”固態(tài)鋰電池為“萬泉”號(hào)深海著陸器控制系統(tǒng)及傳感器提供電能[20]，在馬里亞納海溝累計(jì)完成9次下潛，其中6次超過10 000 m，最大工作水深10 901 m，累計(jì)水下工作134 h，順利完成全深海示范應(yīng)用，標(biāo)志著我國首次突破全海深電源的技術(shù)瓶頸。

（7）2018年，我國惠州億緯鋰能股份有限公司子公司湖北金泉新材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的LF75、LF90、LF80、LF105和LF280型磷酸鐵鋰鋰離子電池獲得中國船級(jí)社型式認(rèn)可證書，產(chǎn)品適用范圍為船舶與海洋設(shè)施動(dòng)力用蓄電池。

1.3 陸地“配電網(wǎng)和多能互補(bǔ)用儲(chǔ)能”到“船舶電力和多能互補(bǔ)用儲(chǔ)能”

對(duì)于海洋中大型水面船舶，包括各種軍用艦艇，雖然完全采用鋰離子電池作為驅(qū)動(dòng)力不現(xiàn)實(shí)，但仍然可以用鋰離子電池等儲(chǔ)能技術(shù)來改善船舶電站供電質(zhì)量和提高船舶的自動(dòng)化程度[21]。船舶上柴油電力早期只是實(shí)現(xiàn)船舶照明等一般性功能，隨著電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，船舶裝備正在電氣化，船舶電力系統(tǒng)也隨之發(fā)展為綜合電力系統(tǒng)，甚至綜合全電推進(jìn)系統(tǒng)，即動(dòng)力推進(jìn)和其他用電采用同一個(gè)電力系統(tǒng)。由于系統(tǒng)復(fù)雜程度增加，電力電子器件本身的非線性特性使得電力變換系統(tǒng)之間產(chǎn)生干擾，發(fā)生不穩(wěn)定、諧波等系統(tǒng)問題，影響船舶的精確操控和安全。船舶電網(wǎng)相當(dāng)于陸地配電網(wǎng)，陸地配電網(wǎng)正在研究通過增加儲(chǔ)能系統(tǒng)來提升配網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。該技術(shù)理念已經(jīng)在完全發(fā)展成熟之前就“轉(zhuǎn)移”到了海洋船舶電力系統(tǒng)的研究中，試圖解決復(fù)雜電力系統(tǒng)的用電質(zhì)量問題。

上述大型船舶仍采用柴油發(fā)電，為提倡綠色船舶技術(shù)在實(shí)船上的應(yīng)用，集成太陽能、風(fēng)能和燃料電池等新能源與傳統(tǒng)柴油發(fā)電裝置的多能互補(bǔ)應(yīng)用成為新的發(fā)展動(dòng)向[22-25]。多能互補(bǔ)源于智慧能源的概念，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用使多能互補(bǔ)和電力靈活調(diào)度成為可能。實(shí)際上，不局限于船舶電站，這種基于儲(chǔ)能技術(shù)的多能互補(bǔ)策略正在試驗(yàn)用于海洋儲(chǔ)能電站。例如，福建博瑞特電機(jī)有限公司開發(fā)了適用于海洋經(jīng)濟(jì)區(qū)域的“海洋區(qū)域?qū)Ｓ蔑L(fēng)光互補(bǔ)鋰電池儲(chǔ)能電站裝備”。該裝備利用海洋區(qū)域風(fēng)能、太陽能等可再生能源，通過風(fēng)光互補(bǔ)對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能電站充電，使用時(shí)經(jīng)電站可轉(zhuǎn)換成需要的交、直流電源。

值得注意的是，陸地上配網(wǎng)儲(chǔ)能和多能互補(bǔ)技術(shù)還處于研究和試驗(yàn)階段，海上儲(chǔ)能在這兩方面的研究與應(yīng)用已經(jīng)與陸地同時(shí)進(jìn)行了。

以上是儲(chǔ)能在海洋和海洋裝備中的三個(gè)主要的應(yīng)用場景。此外，更加廣義的海洋儲(chǔ)能應(yīng)用還可以包括如下兩個(gè)場景：（1）如同陸地上鋰離子電池正在替換鉛酸電池作為新型直流備用電源和基站電源，海洋中也正在出現(xiàn)鋰離子電池替換鉛酸電池作為海洋小功率儀器和設(shè)備的直流電源[16,26]，如各種海洋浮標(biāo)、航標(biāo)、環(huán)境和地震監(jiān)測潛標(biāo)[27]、水雷偵查系統(tǒng)等；（2）海洋中長久以來使用的海水電池也在不同程度地繼續(xù)發(fā)展。海水電池是利用海水做電解質(zhì)，以原電池原理工作[28]，主要應(yīng)用于小型潛水裝置和浮標(biāo)。2018年中國海空天科技有限公司對(duì)外宣告最新研發(fā)的高能量密度海水電池可在深度大于1 000 m的海洋中持續(xù)穩(wěn)定供電一年以上。

2 海上儲(chǔ)能技術(shù)與形式

海上儲(chǔ)能與常規(guī)儲(chǔ)能在性能上都需要有高安全、高能量密度、長循環(huán)、低成本、免維護(hù)和工作壽命長等特點(diǎn)，但海上儲(chǔ)能對(duì)其裝置有特別的要求，如需要耐高壓、耐風(fēng)浪沖擊、耐海水浸泡、耐海水腐蝕等。目前，儲(chǔ)能技術(shù)按照存儲(chǔ)后的能量形式可分為機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁場儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能等[29]。基于儲(chǔ)能原理并結(jié)合海洋獨(dú)特的環(huán)境和條件，這些儲(chǔ)能技術(shù)可能會(huì)衍生出不同的形式，以達(dá)到優(yōu)化儲(chǔ)能效率和經(jīng)濟(jì)性的目的。

2.1 機(jī)械儲(chǔ)能

機(jī)械儲(chǔ)能包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等[29]。相比陸地，海洋上可靈活應(yīng)用海水的重力、壓力、浮力以及空氣等設(shè)計(jì)出不同的儲(chǔ)能形式，這也是海上儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域，如德國的“海蛋”泵浦儲(chǔ)能和我國的“蹺蹺板”復(fù)合儲(chǔ)能。

“海蛋”泵浦儲(chǔ)能。2016年德國弗勞恩霍夫風(fēng)能和能源系統(tǒng)技術(shù)研究所（IWES）開發(fā)了新型泵浦儲(chǔ)能系統(tǒng)（StEnSea）[30]。測試實(shí)驗(yàn)中將直徑約3 m的鋼筋水泥空心球體，即“海蛋”下放到靠近海岸100 m深的海水中，利用位于海底的抽水蓄能電站儲(chǔ)能。當(dāng)需要儲(chǔ)能時(shí)，利用需要存儲(chǔ)的電力把球體內(nèi)的水抽走；當(dāng)需要釋放能量時(shí)，打開球體閥門，球外的水涌入渦輪機(jī)進(jìn)入球內(nèi)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。該項(xiàng)目得到了德國政府的資助，未來將在歐洲地區(qū)開展相應(yīng)示范項(xiàng)目。研究人員表示，在工程方面，球體直徑30 m左右是最實(shí)用的尺寸，而且該系統(tǒng)在水深約600 ~ 800 m的范圍內(nèi)使用最有經(jīng)濟(jì)性。存儲(chǔ)容量隨球體積和水深加大而增加，在水深700 m左右時(shí)，直徑30 m的球體大約可以儲(chǔ)能20 MW?h。配合風(fēng)力發(fā)電，這套儲(chǔ)能系統(tǒng)在全世界具有廣泛的應(yīng)用前景。

“蹺蹺板”復(fù)合儲(chǔ)能。河北省承德市張占海研發(fā)了“浮力與重力復(fù)合蓄能式海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)”[31]。當(dāng)海上有風(fēng)，電網(wǎng)處在用電高峰期時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)正常工作，風(fēng)扇帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；當(dāng)海上有風(fēng)，電網(wǎng)卻處于用電低峰時(shí)，動(dòng)力通過系統(tǒng)傳輸，將浮筒壓入海水中，同時(shí)將裝滿海水的水斗提出海面，利用海水的浮力和重力，將動(dòng)力儲(chǔ)存起來；當(dāng)海上沒有風(fēng)，電網(wǎng)又處在用電高峰期時(shí)，浮筒由于海水浮力的作用，向上產(chǎn)生動(dòng)力，同時(shí)水斗由于海水重力的作用，向下產(chǎn)生動(dòng)力，將儲(chǔ)存的能量釋放出來。

此外，水下壓縮空氣儲(chǔ)能因其具有系統(tǒng)效率較高、安全性較高、儲(chǔ)能規(guī)模靈活等特點(diǎn)，適用于海上風(fēng)能等可再生能源的存儲(chǔ)。水下壓縮空氣儲(chǔ)能將壓縮空氣存儲(chǔ)在水底，利用水的靜壓特性保持儲(chǔ)氣的壓力恒定[32]。水下儲(chǔ)氣容器分為剛性和柔性兩種，高性能儲(chǔ)能包是水下壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究的關(guān)鍵。早在1997年，加州大學(xué)圣地亞哥分校SEYMOUR等[33]就提出了使用剛性容器進(jìn)行水下壓縮空氣儲(chǔ)能。2011年，麻省理工學(xué)院SLOCUM等[34]提出一種結(jié)合水下壓縮空氣儲(chǔ)能與抽水儲(chǔ)能的球形海洋可再生能源存儲(chǔ)模型。加拿大Hydrostor公司于2015年建成660 kW的水下壓縮空氣儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。當(dāng)前水下壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)仍處于試驗(yàn)探索階段，尚無大規(guī)模示范項(xiàng)目建成。

2.2 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能即電池儲(chǔ)能，電池主要由正極、負(fù)極和電解質(zhì)構(gòu)成，根據(jù)所用材料種類和狀態(tài)等不同，有各種各樣的電池，但適用于海上儲(chǔ)能的電池一般需要滿足：（1）環(huán)境溫度適用；（2）無或盡量少的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件；（3）萬一泄露無明顯危害。高溫鈉硫電池和液態(tài)金屬電池需要在高溫（>300℃）下使用，考慮海洋開放的環(huán)境，此類電池的溫度維持以及維護(hù)是難題，并不適合海上儲(chǔ)能。液流電池由于包含使液體電極材料進(jìn)出電池的運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件，在海洋環(huán)境中容易被腐蝕或受海浪沖擊等導(dǎo)致機(jī)械部件損壞，也不適合海上儲(chǔ)能。滿足海上儲(chǔ)能條件的電池種類有鉛酸（碳）電池、鋅銀電池、海水電池和鋰離子電池等[35]，其中鋰離子電池在研發(fā)和應(yīng)用中最為活躍。相比于其他電池，鋰離子電池能量密度高、循環(huán)壽命長，具有取代鉛酸電池成為大功率深水裝備首選儲(chǔ)能技術(shù)的潛力。鋰離子電池中磷酸鐵鋰電池和固態(tài)鋰電池值得重點(diǎn)關(guān)注。

磷酸鐵鋰電池負(fù)極活性材料為石墨，正極活性材料為磷酸鐵鋰，使用有機(jī)電解液，平臺(tái)電壓為3.4 V[36]，雖然能量密度比不上三元鋰離子電池，但磷酸鐵鋰電池安全性相對(duì)較高，成本相對(duì)較低，并已應(yīng)用于國內(nèi)外的儲(chǔ)能電站。更為重要的是磷酸鐵鋰電池已獲得中國船級(jí)社型式認(rèn)可證書，意味著磷酸鐵鋰電池可以安裝到船舶和為海洋設(shè)施提供動(dòng)力。磷酸鐵鋰電池很可能是在很長一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)用于海洋儲(chǔ)能。研究人員今后仍需在改善磷酸鐵鋰電池的低溫性能，提升循環(huán)壽命和安全性上做出努力。

固態(tài)鋰電池是下一代鋰離子電池，具有高安全性和高能量密度的理論基礎(chǔ)。采用固態(tài)電解質(zhì)取代有機(jī)電解液，有望徹底解決液態(tài)鋰離子電池的安全性問題[37]；同時(shí)，由于固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)窗口比傳統(tǒng)有機(jī)電解液寬，可以使用電位更高的正極材料，因此能夠獲得更高的能量密度。目前固態(tài)鋰電池還處于研發(fā)階段。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所崔光磊團(tuán)隊(duì)[20]研制的固態(tài)鋰電池樣品通過了我國首次一萬多米的全深海測試，預(yù)示著固態(tài)鋰電池在未來海洋儲(chǔ)能中具有重要價(jià)值。目前固態(tài)鋰電池需要解決鋰枝晶問題[38]，電極和固態(tài)電解質(zhì)之間固固界面問題[39]，以及高導(dǎo)電、高韌性固態(tài)電解質(zhì)膜的一致化批量制備等科學(xué)和技術(shù)問題。

2.3 電磁場儲(chǔ)能

電磁場儲(chǔ)能包括超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能等。相比于鋰離子電池，除了能量密度低外，超級(jí)電容器有諸多優(yōu)點(diǎn)，如功率密度高、循環(huán)壽命長（>10萬次）、適用溫度范圍寬、免維護(hù)、安全可靠，以及環(huán)境友好等[40]，而且由于其內(nèi)阻比鋰離子電池小，清潔可再生能源的微小電力也可以對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電。超級(jí)電容器與鋰離子電池可靈活組成模組和電池包，滿足海洋裝備對(duì)不同功率和能量密度的需求。近期超級(jí)電容器得到了創(chuàng)新發(fā)展，如將鋰離子電池負(fù)極引入超級(jí)電容器組裝成所謂的鋰離子電容器[41]，使能量密度有所提升。

2.4 化學(xué)儲(chǔ)能

新能源領(lǐng)域的化學(xué)儲(chǔ)能指利用無法消納或不穩(wěn)定的新能源電力規(guī)?；铣赡茉次镔|(zhì)，然后輸運(yùn)該能源物質(zhì)到需要消納的地方釋放能量。具有代表性的化學(xué)儲(chǔ)能是氫儲(chǔ)能。

氫儲(chǔ)能是由德國等歐洲國家提出的新概念。利用新能源電力分解水制取氫氣，所得氫氣或燃燒取暖，或燃燒發(fā)電，或通過燃料電池裝置發(fā)電，或用作化工原料合成其他材料，使新能源電力通過“氫儲(chǔ)能”得到有效利用。“電力到能源氣體（power-to-gas）”[42]是一種新穎且理性的新能源消納方式，簡稱P2G。氫儲(chǔ)能非常適合于海上風(fēng)電的就地消納[43]，因?yàn)樵鲜撬?，可就地取用，無需考慮原料和其運(yùn)輸成本，加上氫氣的輸運(yùn)、分銷和各種消納便可形成產(chǎn)銷一體化的氫經(jīng)濟(jì)。目前，氫儲(chǔ)能技術(shù)需要突破波動(dòng)性新能源電解制氫的穩(wěn)定性問題。另一方面，考慮到氫氣不易被壓縮，輸運(yùn)過程風(fēng)險(xiǎn)高，開發(fā)更易被壓縮的能源氣體做儲(chǔ)能介質(zhì)是P2G新的研究內(nèi)容，如電催化合成氨。

儲(chǔ)能技術(shù)除了以上四類還有儲(chǔ)冷、儲(chǔ)熱等，但目前很少在海上儲(chǔ)能中應(yīng)用。海洋探索的廣泛開展將會(huì)催生更多適合海洋的儲(chǔ)能技術(shù)和形式出現(xiàn)。

3 海水運(yùn)動(dòng)的能量收集

海洋中的波浪、潮汐、洋流等運(yùn)動(dòng)頻率低且變幻無常，很難對(duì)其進(jìn)行能量收集，但這些能量在海洋能源開發(fā)利用的藍(lán)圖中不可或缺。因此，海水運(yùn)動(dòng)的能量收集也是海上儲(chǔ)能的重要部分。

2012年，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家王中林院士團(tuán)隊(duì)提出了“摩擦納米發(fā)電機(jī)”[44]的概念，并進(jìn)一步提出了基于摩擦發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的海洋能采集方式[45]。摩擦納米發(fā)電機(jī)是利用高分子材料通過摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合而實(shí)現(xiàn)的[41]，其質(zhì)量輕、密度小，能漂浮在水面上。在此基礎(chǔ)上，中美兩國的研究人員合作發(fā)明出由摩擦發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成的海洋能發(fā)電新技術(shù)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，每個(gè)器件單元中的塑料球都能夠有效、靈敏地將海水表面的波動(dòng)轉(zhuǎn)換成自身的動(dòng)能，滾動(dòng)的小球則能撞擊以觸發(fā)每個(gè)最小功能單元，將海水的波動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。因此，該器件不僅可以對(duì)水流的機(jī)械能進(jìn)行回收，還可以漂浮在水面上進(jìn)行波動(dòng)能的采集，不僅可以收集大風(fēng)大浪的機(jī)械能，而且對(duì)小波動(dòng)的能量也能進(jìn)行有效采集[46-49]。我國海域遼闊，海水流動(dòng)晝夜不停，這為摩擦納米發(fā)電機(jī)提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境。依托海洋，這種“藍(lán)色能源”或?qū)⒊健熬G色能源”，具有廣闊市場前景。

2017年8月，美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校納米科技研究所BAUGHMAN教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種碳納米管纖維扭轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)[50]，設(shè)想這種發(fā)電機(jī)可以被放置在海浪運(yùn)動(dòng)或溫度波動(dòng)中采集能量，轉(zhuǎn)化成電能。這種發(fā)電機(jī)由一種能實(shí)現(xiàn)自身發(fā)電的紗線構(gòu)成，本質(zhì)上是一種不需要外加電源的電容器，它由很多根碳納米管紡成[51]，單根碳納米管是直徑為人頭發(fā)絲直徑萬分之一的中空?qǐng)A柱體。為了提高紗線的彈性，研究人員不斷提高紗線的捻度，使紗線呈類似彈簧的螺旋結(jié)構(gòu)。紗線還必須浸泡或涂上諸如鹽水的離子導(dǎo)電材料，這些電解質(zhì)中的離子會(huì)自動(dòng)嵌入到紗線中，當(dāng)紗線被拉伸或扭轉(zhuǎn)時(shí)，紗線上的電荷彼此靠近，電壓增高，從而產(chǎn)生電能。在韓國東海岸的海水中，研究人員測試了這種紗線在海水中發(fā)電的可行性。他們將一根10 cm長、重1 mg的紗線，連接在一只氣球和一塊靜置在海床上的沉子之間。有海浪時(shí)，氣球會(huì)上升，拉伸紗線最高可達(dá)25%的伸長率。這種紗線可從海浪中獲取巨大的能量，但若要投入使用，紗線的生產(chǎn)成本仍需降低。

4 海上儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展前景

從長遠(yuǎn)來看，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人類在海洋上的活動(dòng)會(huì)愈加頻繁，或許海洋大開發(fā)的熱潮正在到來。海洋廣闊無垠，要開發(fā)海洋，需能源先行。鑒于陸地能源開采的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，大規(guī)模開發(fā)海洋所需能源應(yīng)取之于海，而且從一開始就應(yīng)選擇海上清潔可再生能源，這就決定了海上儲(chǔ)能的必要性，即人類大規(guī)模進(jìn)行海洋能源開發(fā)必伴隨著海上儲(chǔ)能。

從近期來看，人類環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，使用新能源替代化石燃料基本成為全球共識(shí)，然而陸地經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展對(duì)能源的消耗還在持續(xù)增長。從海洋開發(fā)清潔能源供應(yīng)陸地需求的策略得到有條件國家出臺(tái)政策鼓勵(lì)，并已開始實(shí)行[52-55]。我國擁有長達(dá)1.8萬千米的大陸海岸線，1.4萬千米的島嶼海岸線，1萬多個(gè)大小不同的海島和島礁，約300萬平方千米的海洋國土面積，這為我們開發(fā)利用海洋提供了條件。我國東南沿海一帶陸上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是我國用電負(fù)荷中心，而附近海域風(fēng)力資源豐富，開發(fā)海上風(fēng)電不僅可以緩解“西電東送”、“西氣東送”的風(fēng)險(xiǎn)和壓力，還可以大大減少陸地新建發(fā)電和輸電設(shè)施的土地占用。國家能源局發(fā)布的《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，到2020年我國海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模達(dá)到10 GW，力爭累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到5 GW以上[56]，這為儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用提供了重大機(jī)遇。

從應(yīng)用場景來看，“海上風(fēng)電+儲(chǔ)能”將向深水遠(yuǎn)海發(fā)展。海洋深潛器等水下裝備將會(huì)裝配鋰離子電池，取代傳統(tǒng)鉛酸電池做動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)“不依賴于空氣的推進(jìn)系統(tǒng)”[57]。海洋水面船舶將逐漸減少航海柴油使用量，向著采用儲(chǔ)能技術(shù)的多能互補(bǔ)和綜合全電推進(jìn)的方向發(fā)展。磷酸鐵鋰電池和固態(tài)鋰電池可能分別代表了當(dāng)前和未來應(yīng)用于海上儲(chǔ)能的電池技術(shù)，它們的性能將更加適應(yīng)海洋環(huán)境。綜合各種技術(shù)的應(yīng)用，可以想象未來的海洋可能會(huì)沿著海上“絲綢之路”漂浮大量自航自定位的風(fēng)光儲(chǔ)（風(fēng)電+光伏+儲(chǔ)能）充電島，為過往船舶和潛艇提供充電服務(wù)；海洋大型平臺(tái)形成氫儲(chǔ)能和氨儲(chǔ)能一體化經(jīng)濟(jì)的源頭；海洋中分布著大量電池驅(qū)動(dòng)的微型傳感器浮標(biāo)，形成海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，而這些電池由海洋儲(chǔ)能樞紐站無線充電。

總之，海上儲(chǔ)能雛形已顯，前景令人憧憬。海上儲(chǔ)能技術(shù)促進(jìn)海洋開發(fā)，也將伴隨海洋開發(fā)而得到飛躍發(fā)展，為建設(shè)新型低碳、零排放的海上“絲綢之路”，開啟人類真正的海洋時(shí)代做好清潔能源準(zhǔn)備。

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Development and Prospect of Energy Storage at Sea

GAO Jie, ZHAO Bin, YANG Chao, YANG Heng-rui, HAN Xiao-gang

(State Key Lab of Electrical Insulation and Power Equipment, Shanxi Key Laboratory of Smart Grid, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Oceans have huge potential in energy and resources, and the energy storage technology is one of the keys of new energy revolution. It is thus imperative to promote the development of offshore energy storage technology. In this paper, the advent and development of offshore energy storage technology were described. The patterns of energy storage technology transfer from land to sea with applications of wind powder were introduced taking lithium battery and multi-energy complement as examples. Then different types of energy storage with resistance to shock and corrosion were presented. Nano-generator as a water wave energy harvestor can effectively collect the marine energy. Finally, the development foreground of energy storage at sea was prospected from aspects of long term, short term and application. The importance and necessity of energy storage at sea in developing clean ocean energy in the era of new energy revolution were summarized.

energy storage at sea; wind powder at sea; power energy storage; mechanical energy storage; electrochemical energy storage

TK02

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2020.02.008

2095-560X（2020）02-0136-07

2019-11-21

2020-01-30

陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2017ZDXM-GY-035）

韓曉剛，E-mail：xiaogang.han@mail.xjtu.edu.cn

高 捷（1995-），女，碩士研究生，主要從事電力儲(chǔ)能研究。

韓曉剛（1976-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電化學(xué)儲(chǔ)能、固態(tài)電池、超級(jí)電容器、電力儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究。