1.2.3 电磁储能

电磁储能将能量直接以电能的形式存储在电场或磁场中，没有能量形式的转化，效率较高，持续放电时间短且难以提高，是典型的功率型储能技术。

1.2.3.1 超级电容器

超级电容器分为双电层电容器和法拉第电容器两大类。其中，双电层电容器通过炭电极与电解液的固液相界面上的电荷分离而产生双电层电容，如图1-11所示，在充放电过程中发生的是电极/电解液界面的电荷吸附/脱附过程，而不是电化学反应。法拉第电容器采用金属氧化物或导电聚合物作为电极，在电极表面及体相浅层发生氧化还原反应而产生吸附电容。法拉第电容器的产生机理与电池反应相似，在相同电极面积的情况下，它的电容量是双电层电容器的数倍，但瞬间大电流放电的功率特性及循环寿命不如双电层电容器。

图1-11 双电层电容器工作原理图

超级电容器单体功率密度高，可达1500W/kg以上，为锂离子电池功率密度的20倍以上；但能量密度低，仅为10～30Wh/kg；充放电循环次数多，可达数十万次。超级电容器的单体容量小，在电力系统中的应用需要经串、并联构成模组才能满足电压和容量需求。

超级电容器系统功率成本为7～10美元/kW，超级电容器单元功率成本为4～6美元/kW，单元功率成本构成如图1-12所示，其中碳材料占比约42%，箔材料占比约16%，零部件占比约15%，电解液和隔膜占比各约10%，辅材占比约7%，可见碳材料是提高超级电容器性能、降低成本的关键。

图1-12 超级电容器成本构成

由于超级电容器的高功率、低能量的特点，目前主要应用在电动汽车、消费类电子电源、军工领域等高峰值功率、低容量的场合，电力系统中主要用于提高电能质量、平抑电压和功率波动等。

美国、日本、俄罗斯等国家在超级电容器的研发和应用方面起步较早，在电力系统中也有示范性的应用，例如，2005年美国加利福尼亚州建造了1台450kW的超级电容器，用于抑制风电的功率波动。我国近些年在超级电容器的制造和应用领域取得了突飞猛进的进展，目前在国际上处于领先地位。超级电容器在风力发电的变桨，有轨电车、轨道交通和汽车启停等领域都取得了广泛应用。

1.2.3.2 超导储能

超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的存储电能的装置，其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地存储电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质。其原理为将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感应电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续下去。超导储能装置如图1-13所示。

图1-13 超导储能装置示意图

超导储能在本质上是以电磁场来存储能量的，具有效率高、响应速度快和循环使用寿命长等优点，主要用于快速响应电网应急需求，提高电能质量和电网稳定性。目前，超导储能整体技术处于非常早期的起步阶段，储能介质和器件等关键技术有待突破，离实用化还有较大的差距。