針對新時期新能源風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)討論分析

趙泓明

摘 要：目前針對世界上能源問題一直存在，各種化石能源越來越稀少，迫切需要各種新型能源的開發(fā)利用，世界上各種新能源主要包括有風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能，而風(fēng)能發(fā)電和太陽能發(fā)電相對技術(shù)嫻熟，應(yīng)用發(fā)展比較多。風(fēng)能是豐富清潔的可再生能源，因其自身的優(yōu)點使其得到了許多國家高度重視并且利用風(fēng)能發(fā)電。因為每個國家的發(fā)展?fàn)顩r不同，因此在對風(fēng)能利用上也存在著差異。但是由于風(fēng)能的更深層技術(shù)越來越復(fù)雜繁瑣，存在各種瓶頸問題限制于各國利用風(fēng)能發(fā)電都存在一些問題。如何努力克服這些問題取得風(fēng)力發(fā)電的最大效益才將是意義深遠(yuǎn)的課題，本文即對相關(guān)風(fēng)力發(fā)電問題做一定概述。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀 存在問題

中圖分類號：TK81 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0067-02

風(fēng)能與太陽能是目前開發(fā)利用相對最多的能源，風(fēng)能的新能源存在很大部分的不確定性因素，大容量風(fēng)電并網(wǎng)會給電網(wǎng)帶來巨大沖擊，威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，儲能設(shè)備可以快速跟蹤負(fù)荷功率變化，及時調(diào)節(jié)自身的工作狀態(tài)和功率大小，使火電機(jī)組在恒定的功率點穩(wěn)定運行，調(diào)峰調(diào)頻的效果明顯。未來的儲能設(shè)備必然向高儲能密度、大容量、使用周期長的方向發(fā)展，可有效緩解新能源并網(wǎng)給電網(wǎng)造成的沖擊，使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1 風(fēng)能的優(yōu)點

風(fēng)能與常規(guī)能源相比，雖然目前還不能成為一種完全獨立的、主要的能源。風(fēng)能取之不盡，用之不竭，可以無限期的為人類所服務(wù)。風(fēng)能的利用簡單方便。我們知道，絕大多數(shù)能源得以利用時，都要經(jīng)過一個從勘測、采掘到運輸、加工、處理等一系列的復(fù)雜的過程才能達(dá)到使用的目的。除此之外，在利用時所需的設(shè)備裝置構(gòu)造都比較的復(fù)雜、精密、昂貴。而風(fēng)能利用非常簡單，它來之即用同時還不污染環(huán)境。由于風(fēng)能的這些優(yōu)點，所以許多國家都利用了風(fēng)能發(fā)電。風(fēng)能具有一定的動能，運行經(jīng)驗表明，只要風(fēng)速達(dá)到3m/s的微風(fēng)速度便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電流程眾所周知的是通過風(fēng)輪機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電過程中通過電力電子、調(diào)頻器、調(diào)速器等相關(guān)控制部分組成，然近年來政府不斷出臺政策鼓勵新能源發(fā)電，發(fā)展速度也較快，但還需要克服很多關(guān)鍵技術(shù)來降低新能源發(fā)電成本以及并網(wǎng)運行問題。

2 風(fēng)力發(fā)電特點

風(fēng)力發(fā)電顧明思義就是利用風(fēng)的動能推動風(fēng)電機(jī)葉輪，把葉輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程，當(dāng)風(fēng)力越大，大風(fēng)的作用使葉輪旋轉(zhuǎn)加速器更快，進(jìn)而機(jī)械越大，使發(fā)電功率越大。風(fēng)能的大小和方向是時刻改變的，主要受地形、天氣、季節(jié)等條件的影響，在我國西北地區(qū)分布較豐富。依據(jù)相關(guān)學(xué)者與眾多運行實踐的研究，風(fēng)能的能量大小是可以通過公式計算而來，如風(fēng)能是指單位時間內(nèi)通過垂直于風(fēng)速截面積的功率，其表達(dá)式為：其中，為空氣密度，單位為kg/m3，其與氣壓和溫度等因素有關(guān)；A為風(fēng)速截面積，單位為m2；V為風(fēng)的速度，單位為m/s。由式（1）可知，顯而易見，風(fēng)能與風(fēng)速的關(guān)系特別明顯，與三次方成正比例，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在微風(fēng)作用環(huán)境下，它也可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的表達(dá)式為：。其中，Cp為風(fēng)電機(jī)的功率系數(shù)或者風(fēng)輪效率，其與尖速比T有關(guān)，尖速比T為葉輪末端的線速度與風(fēng)速的比值，可以將其表示為：，其中，為葉輪的角速度，單位為rad/s；R為葉輪的半徑，單位為m。

因為風(fēng)能非周期性、偶然性，導(dǎo)致風(fēng)能存在功率不確定的特點，如果不對風(fēng)力發(fā)電的功率預(yù)以控制，當(dāng)某一時刻風(fēng)力發(fā)電不足，就會可能導(dǎo)致整個電網(wǎng)的有功不足，進(jìn)而使頻率進(jìn)一步降低，影響電能的質(zhì)量，使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。因此需要在電網(wǎng)中接入儲能設(shè)備，可以有效消除風(fēng)電帶來的不利影響。

3 風(fēng)力儲能設(shè)備

儲能設(shè)備是指能夠?qū)⒛芰看笠?guī)模地高效地儲存起來、在需要時迅速釋放出來的裝置或設(shè)施。具有代表性的機(jī)械儲能方式是抽水儲能，運行經(jīng)驗顯示，在晚上負(fù)荷需求量比較少的時候，電價相對便宜，抽水儲能電站可以通過對外買電量，來保證水能抽水電動機(jī)的運轉(zhuǎn)，使水能進(jìn)一步儲存起來，使水位抽到比較高位置，以勢能的形式儲存起來，在白天負(fù)荷需要比較多的時候，可以將水進(jìn)一步用來發(fā)電。目前抽水蓄能技術(shù)比較成熟，效率達(dá)到70%以上，在國內(nèi)外都有廣泛的應(yīng)用，但其建設(shè)也受到地理條件等的約束。目前在我國主要的儲能方式可以劃分為兩種，第一種即是剛剛所述的抽水蓄能電站，第二種就是所說的電化學(xué)儲能，它主要包括鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等，這種儲能方式可以簡單的理解為把電儲存在多組串聯(lián)的蓄電池內(nèi)，當(dāng)需要電能的時候，利用蓄電池組進(jìn)行對負(fù)載放電，即達(dá)到了儲能作用，在大多數(shù)電站或者發(fā)電廠內(nèi)，都有多組蓄電池，并且安裝有自動負(fù)荷切換裝置。

4 風(fēng)電與儲能設(shè)備并網(wǎng)可行性分析

風(fēng)電存在不確定性因素，在某一段時間內(nèi)其發(fā)出的功率可能大于電網(wǎng)的負(fù)荷功率，而在另一時段內(nèi)發(fā)出的功率可能小于負(fù)荷功率，在這兩個時段內(nèi)風(fēng)電的總發(fā)出功率可能足以滿足負(fù)荷需求，但如何尋求一種方法，使在風(fēng)電發(fā)出功率小于負(fù)荷功率時系統(tǒng)仍能安全經(jīng)濟(jì)運行。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儲能技術(shù)日趨成熟，且容量規(guī)模逐漸擴(kuò)大。在接入風(fēng)電的電力系統(tǒng)中并入儲能設(shè)備，可以有效地克服風(fēng)電不確定性因素帶來的影響，提高電網(wǎng)供電安全性和可靠性。儲能設(shè)備可以起到調(diào)峰調(diào)頻作用，使機(jī)組平穩(wěn)出力的作用。因此，利用風(fēng)能資源進(jìn)行發(fā)電，一方面可以減少常規(guī)發(fā)電機(jī)組的出力，節(jié)約能源和發(fā)電成本，維護(hù)環(huán)境；另一方面由于其具有較大的隨機(jī)性和波動性，又將給電力系統(tǒng)的安全可靠運行帶來風(fēng)險。

5 風(fēng)電場與抽水蓄能電站聯(lián)合發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性、波動性等特點。風(fēng)力發(fā)電的出力往往不平穩(wěn)，起伏較大。風(fēng)力發(fā)電不具備有功調(diào)節(jié)和無功調(diào)節(jié)的能力，最顯著的短板就是，當(dāng)風(fēng)小時不能發(fā)電，當(dāng)風(fēng)太大時為了保護(hù)機(jī)組也不能發(fā)電，這樣的特性大大影響了風(fēng)電的可靠性。為了解決風(fēng)電的連續(xù)性和穩(wěn)定性問題，最好的解決辦法就是利用抽水蓄能電站彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的不足。

抽水蓄能電站由于其自身特征，相比其他的發(fā)電形式更適合同風(fēng)電場互補(bǔ)運行。主要表現(xiàn)在：其一，具有很強(qiáng)的調(diào)峰能力。抽水蓄能機(jī)組在負(fù)荷高峰期，能夠快速起動，帶上負(fù)荷，彌補(bǔ)大型火電站啟動慢導(dǎo)致的發(fā)電缺口。在用電高峰期，有的地方負(fù)荷變化率可達(dá)到50MW/min，尖峰變化率甚至可以達(dá)到l00MW/min。在此情況下，相比大型火電機(jī)組的負(fù)荷反應(yīng)速率，抽水蓄能機(jī)組可以實現(xiàn)更為迅速的負(fù)荷響應(yīng)。在機(jī)組啟動速度方面，利用天然氣發(fā)電的機(jī)組也能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)功能。但是，抽水蓄能機(jī)組相比他們作為快速響應(yīng)的備用機(jī)組，更能節(jié)省燃料費用，同時運行維護(hù)費用也相對較低。其二，具有很好的調(diào)頻本領(lǐng)。系統(tǒng)頻率會隨著當(dāng)?shù)刎?fù)荷的變化而上下起伏，為了保證電能的質(zhì)量，這時就需要有相關(guān)設(shè)施進(jìn)行調(diào)頻處理。抽水蓄能機(jī)組擁有水力機(jī)組的特點，調(diào)節(jié)靈活，可以根據(jù)相關(guān)的調(diào)節(jié)信號，快速增加或減少出力，及時實現(xiàn)負(fù)荷平衡。這種調(diào)頻能力相比其他形式的發(fā)電更為優(yōu)秀。

6 結(jié)語

因風(fēng)電場的出力具有不確定性，在含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)中，將風(fēng)電場的出力按照負(fù)荷來處理的方法雖然一定程度上解決了風(fēng)電場的處理方法，然而對風(fēng)電場出力隨機(jī)性顧及不足。因此，相關(guān)學(xué)者采用不同的科學(xué)數(shù)理方法來對風(fēng)電場進(jìn)行討論分析，本文對新能源風(fēng)力發(fā)電有一定參考意義。

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