風電儲能技術

董宜煊，閆 健

（北京信息科技大學科技處，北京100192）

風能是一種綠色環(huán)保的清潔資源，其儲量豐富，不會枯竭，可永續(xù)利用。風能可以在減少環(huán)境污染、滿足人們基本需求的同時，產生了巨大的經(jīng)濟效益。20世紀70年代以來，風能的開發(fā)利用受到世界多個國家的高度重視。近年來，隨著能源和環(huán)境壓力的不斷增大，風力發(fā)電技術得到迅猛發(fā)展，產業(yè)規(guī)模逐年提高[1]。

由于風能具有隨機性和不確定性，使得風力發(fā)電與常規(guī)的火力發(fā)電和水力發(fā)電完全不同，風能發(fā)出的電力不連續(xù)、不穩(wěn)定，瞬時隨機波動很大，因此，為確保風電持續(xù)穩(wěn)定的供電，引入儲能裝置能有效應對風電的短時波動性。儲能裝置具有啟動和停機控制靈活、響應速度快速的特點，在風電系統(tǒng)中添加儲能裝置，可將具有不穩(wěn)定性的電力能源收集起來，再適時平穩(wěn)釋放，減少棄風，有效解決了制約風能發(fā)電的瓶頸，這對于增強風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低企業(yè)經(jīng)濟成本，確保電力系統(tǒng)發(fā)電與用電始終保持一種動態(tài)平衡至關重要，同時儲能技術也可滿足風電大規(guī)模集中化電力系統(tǒng)的需求，展現(xiàn)出非常好的發(fā)展前景。

本文主要介紹適用于風電儲能技術中應用較為廣泛的抽水儲能、飛輪儲能、超導儲能和蓄電池儲能這4種儲能方式[2]。

1 風電儲能方式

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能是物理儲能方式的一種。它儲能能量較大，通常由2個蓄水庫（上池和下池）、水電廠和引水系統(tǒng)組成。在用電高峰或系統(tǒng)需要時，抽水蓄能可利用上下池水位差，將水位勢能轉化成動能推動水輪機旋轉，進而帶動發(fā)電機發(fā)電；而在用電低谷時，將下池的水再抽到上池儲存起來，將電能再次轉換為水的勢能，存蓄在上池中，待系統(tǒng)需要時放水發(fā)電，雖然這種儲能方式在傳輸?shù)倪^程中能量會有所損耗，但這種儲能方式能有效解決電網(wǎng)高峰和低谷之間的能量供需矛盾。目前，世界上的抽水蓄能儲能電站總裝機容量為9 000萬kW，約占全球發(fā)電裝機量的3%，是世界上應用最普遍的一種間接儲能方式，其優(yōu)點是調節(jié)響應速度快、安全經(jīng)濟可靠，但系統(tǒng)建設往往規(guī)模宏大，建設資本投入較高，地理位置要求也較高[3]，且存在對生態(tài)系統(tǒng)破壞的風險[4]。抽水蓄能的工作原理如圖1所示。

圖1 抽水蓄能的工作原理圖

1.2 飛輪儲能（FESS）

飛輪儲能（Flywheel Energy Storage System，F(xiàn)ESS）是一種新型的機械能儲能方式，它突破了化學電池的局限，其原理是能量輸入到電力系統(tǒng)設備中，利用電動機帶動飛輪旋轉，將電能轉化成動能并儲存在高速旋轉的飛輪中，需要時再將高速運轉的飛輪動能轉化成電能，輸送給電力用戶使用。這種儲能方式可以實現(xiàn)電能和動能之間的自由轉換，但由于它存在能量密度不高、能量會自行耗盡的不足，很多企業(yè)通過增加飛輪的轉動慣量和轉速、改進材料構成等途徑來提高飛輪存儲能量的密度，使之能夠充分發(fā)揮其適應性強、循環(huán)壽命長、無污染等優(yōu)勢[5]，在電網(wǎng)調頻和電能質量保障方面得到更為廣泛的應用。同時，大功率電力電子變流技術、高強度碳素纖維和玻璃纖維材料的出現(xiàn)、高溫超導技術和磁懸浮軸承技術[6]都促進了飛輪儲能技術的快速發(fā)展。典型的飛輪儲能系統(tǒng)一般由電力電子輸入設備、真空室、飛輪、電機、軸承、電能轉換系統(tǒng)、電力電子輸出設備和檢測設備等[7]關鍵部件構成。飛輪儲能技術原理如圖2所示。

圖2 飛輪儲能技術原理圖

1.3 超導儲能（SMES）

超導儲能（Super conduct i ng Magnet i c Energy Storage，SMES）是一種電磁儲能方式，其概念于20世紀70年代首次提出，它是通過超導體制成的線圈將電能轉換成電磁能儲存在超導體中，并在需要時直接釋放出來。超導儲能能源釋放時無需能量形式的轉換，這使得其可以無限循環(huán)；超導儲能的核心部件是超導線圈，其電阻為零，決定了其轉換效率高（≥96%）、比容量大（1～1 0 Wh/k g）、比功率高（1 0 4～105 kW/kg）[8]；超導電流密度高，決定了其響應速度極快（毫秒級）[9]。早期超導儲能裝置性能優(yōu)越但是造價昂貴，隨著20世紀80年代高溫超導材料的使用，超導儲能裝置的可靠性和經(jīng)濟性也逐步提高[10]。充分利用SMES的這些優(yōu)點，可以有效解決風力發(fā)電的波動性問題，進一步提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性。超導儲能系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 超導儲能系統(tǒng)結構圖

1.4 蓄電池儲能（BESS）

蓄電池儲能（Battery Energy Storage System，F(xiàn)ESS）是實現(xiàn)電能與電池化學能之間轉換的傳統(tǒng)化學儲能方式，具有能量存儲、輸出和交換的功能。其轉換系統(tǒng)由蓄電池儲能系統(tǒng)與電力電子器件構成，如圖4所示，該系統(tǒng)實現(xiàn)了蓄電池儲能與風電交流電網(wǎng)之間交直流形式轉換與能量的雙向傳遞。

圖4 蓄電池儲能系統(tǒng)

蓄電池儲能種類較多，鉛酸蓄電池、碳鉛超級電池、鋰離子電池、全釩液流電池等蓄電池目前被較為廣泛地應用在風電儲能系統(tǒng)中，其中，鉛酸蓄電池性價比最高，技術發(fā)展最為成熟，在儲能系統(tǒng)中仍占主導應用地位。鉛酸電池的電解液是稀硫酸，鉛和鉛的氧化物作為電極?；瘜W儲能方式性能比較如表1所示。由表1可知，鉛酸蓄電池存在的缺點有比能量及比功率較低，壽命較短。此外，鉛酸電池對溫度依賴較大，其最佳工作溫度范圍較窄，為20～30℃。在工作溫度低于此范圍時，電池化學反應減速，不足以達到額定容量。工作溫度過高時，化學反應過于劇烈，電解液溫度升高，容易導致電池損壞。

表1 化學儲能方式性能比較

為了改良鉛酸電池的性能，由澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織（CSRⅠO）發(fā)明的碳鉛超電池應運而生。其采用碳材料部分或全部取代鉛負極[11]，以此讓蓄電池極板部分或者全部具有超級電容器的特性[12]，有效提高電池的儲能效率、比能量、比功率和循環(huán)壽命。

鋰離子電池在1992年由日本索尼公司率先市場化。其正極材料一般采用層狀結構材料LiMO2、錳酸鋰材料（LiMn2O4）或具有橄欖石結構的LiMPO4等[12]。正極一般作為“鋰源”，而負極需容納大量的鋰離子。由表1可知，鋰離子電池比能量高、循環(huán)性好，并且它相對其他化學電池而言綠色環(huán)保，種種優(yōu)點使其越來越受到人們的重視與歡迎，近年來，鋰離子電池在各儲能系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。

全釩液流電池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB）于1974年由美國科學家THALLERL H提出。它的陰陽兩極可由金屬、石墨或復合材料制成[13]。金屬材料的兩極一般采用鉛、金、氧化銥等材料，石墨材料兩極一般采用石墨、炭黑、石墨烯等材料，復合材料兩極可為高分子復合材料、導電聚合物等。VRB電解液是四種釩離子溶液。VRB設計靈活，在輸出功率一定的情況下，只需提高電解質濃度或者增大電解液儲存罐的容積即可增加儲能容量。此外它壽命長、充放電可逆性高、自放電低、安全性高、可深度放電、環(huán)境友好，在風電、電網(wǎng)調峰、太陽能發(fā)電、軍用蓄電等較多領域有著廣泛應用。遼寧電網(wǎng)首座風電場電池儲能示范項目就采用的全釩液流電池儲能。但是全釩液流電池存在能量密度低（40 Wh/kg）、占地面積大、工作溫度范圍要求高（5～45℃）等缺點。

2 儲能方式關鍵技術性能比較分析

在風電研究中，要確定選用哪種儲能方式時，除了考慮風電的應用場景外，還需要考慮多種因素，其中主要包括體積容量密度、功率密度、充放電效率、壽命、經(jīng)濟成本和安全環(huán)境方面等，只有將多方面的因素考慮進去，才能結合實際場景選擇最合適的一種風電儲能方式。表2列出了本文提出的幾種儲能方式的關鍵技術性能參數(shù)和優(yōu)缺點。

表2 儲能技術關鍵技術性能參數(shù)及優(yōu)缺點比較

表2（續(xù)）

通過以上幾種儲能方式的優(yōu)缺點可以看出，技術成熟度和性能優(yōu)越性最高的是抽水蓄能，它容量大、放電時間長、安全經(jīng)濟可靠等特點使其在發(fā)電側占據(jù)顯著優(yōu)勢，但是它對地形要求高，廠址選擇限制要求比較明顯，并存在破壞生態(tài)環(huán)境風險。飛輪儲能環(huán)境友好、壽命長，但是容量小，并且只能采用磁懸浮軸承、密閉真空空間等高成本技術才能提高充放電效率?；瘜W電池儲能歷史悠久，技術成熟，并且有快速動態(tài)響應、結構模塊化等優(yōu)點，且能實現(xiàn)有功無功雙向調節(jié)控制。但是部分化學儲能方式污染環(huán)境、能量密度低，對工作溫度范圍要求高。超導儲能轉換效率高、比容量大、比功率高、響應速度快，但是能量密度低，僅適合短時間反復充放電。

3 總結

風電大規(guī)模集中化發(fā)展，給其儲能技術也提出了更高的要求，其應用前景也更加可觀，目前在研究電網(wǎng)調峰中，多采用化學蓄電池儲能技術、抽水儲能技術，在研究電能質量保護時，多采用飛輪儲能技術、超導儲能技術，但考慮成本理論和實用場景時，很多儲能技術還不能得到很好的應用，能量轉換效率還有待進一步提升。隨著系統(tǒng)可靠性、材料結構等技術的發(fā)展，新一代高能量密度、高功率密度、長壽命的儲能技術將取代傳統(tǒng)儲能技術，將成為廣泛應用在風電的新型儲能技術。