儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

高福偉

（國(guó)華(臨朐)風(fēng)力發(fā)電有限公司，山東濰坊，262600）

0 引言

在現(xiàn)代化時(shí)代背景下，社會(huì)需電量逐年增加，據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量在新能源總裝機(jī)容量中占37.5%，全年風(fēng)力發(fā)電量為4665億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)15%[1]。在大力發(fā)展新能源發(fā)電的“雙碳”戰(zhàn)略指導(dǎo)下，電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰需求增大，在此形勢(shì)下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將進(jìn)一步穩(wěn)定發(fā)展，通過(guò)儲(chǔ)能實(shí)效消納，避免資源浪費(fèi)，充分利用風(fēng)力資源，必須根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際情況配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)電力供給情況，提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 常見(jiàn)儲(chǔ)能技術(shù)類別及其特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電具有成本低、技術(shù)成熟、環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，在新時(shí)代電力系統(tǒng)的地位逐漸提升，風(fēng)力發(fā)電量逐年增加，然而風(fēng)能存在一定波動(dòng)性，即風(fēng)能大小不可控，為提升風(fēng)力發(fā)電供給穩(wěn)定性，需借助儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)峰。

■1.1 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要是借助電能驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)裝置圓盤旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，所生成的動(dòng)能將被存儲(chǔ)在裝置加速質(zhì)量塊中，需要發(fā)電時(shí)，飛輪將憑借自身動(dòng)能為發(fā)電機(jī)提供能源，繼而實(shí)現(xiàn)動(dòng)能到電能轉(zhuǎn)化。在傳統(tǒng)化飛輪儲(chǔ)能期間，將產(chǎn)生大量耗損，為解決耗損問(wèn)題，逐漸將超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)應(yīng)用到飛輪儲(chǔ)能裝置中，借助新型復(fù)合材料增強(qiáng)儲(chǔ)能密度，并縮減儲(chǔ)能裝置體積。飛輪儲(chǔ)能的能量轉(zhuǎn)化率約為90%，仍存有上升空間，但飛輪儲(chǔ)能具有無(wú)污染、保養(yǎng)維修便利、不限次充放電等優(yōu)勢(shì)，因此，在風(fēng)電系統(tǒng)中，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)仍具有較強(qiáng)應(yīng)用空間。隨著發(fā)電產(chǎn)業(yè)與電力系統(tǒng)的發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，借助飛輪儲(chǔ)能用于補(bǔ)償發(fā)電功率短期變化情況，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)，積木式組合飛輪儲(chǔ)能方式被提出，極大提升了飛輪儲(chǔ)能充放電效率。在大規(guī)模并網(wǎng)形勢(shì)下，為保持并突出飛輪儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，逐漸將飛輪儲(chǔ)能的研究目標(biāo)集中在并網(wǎng)型飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究中，引入新型微損耗軸承及高強(qiáng)度飛輪材料，提升飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)性能，使飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)趨向高轉(zhuǎn)速、大容量、模塊化發(fā)展。此外，為確保飛輪儲(chǔ)能能夠在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到良好發(fā)揮，近年來(lái)還注重飛輪裝置轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力、儲(chǔ)能密度的作用，致力于調(diào)整優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改變飛輪半徑、最高轉(zhuǎn)速、儲(chǔ)能總量，使飛輪儲(chǔ)能技術(shù)能夠良好適應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

■1.2 超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)

超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)主要借助磁場(chǎng)能量進(jìn)行存儲(chǔ)，即在儲(chǔ)能過(guò)程中，運(yùn)用超導(dǎo)體線圈介質(zhì)，借助直流電流形成的磁場(chǎng)進(jìn)行儲(chǔ)能，當(dāng)需要電能時(shí)，將磁場(chǎng)內(nèi)電能放出即可，因此，該技術(shù)又被稱之為超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能。能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成高功率儲(chǔ)能[2]。超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)能夠長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存電能，且儲(chǔ)能期間的能量損耗較低，有效提升了能量利用率（約為95%）。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)最顯著的特點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，能夠根據(jù)電力系統(tǒng)指令快速反應(yīng)，故而在各領(lǐng)域中得到廣泛，其在風(fēng)電系統(tǒng)多用于頻率調(diào)節(jié)、功率補(bǔ)償?shù)确矫?，能夠極大提高供電穩(wěn)定性。

■1.3 蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)

蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)為傳統(tǒng)化儲(chǔ)能手段，經(jīng)長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)與探索，蓄電池儲(chǔ)能出現(xiàn)多種類型，并在多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。隨著蓄電池儲(chǔ)能的發(fā)展，電池存儲(chǔ)容量逐漸提升，大幅度提高了蓄電池應(yīng)用價(jià)值。（1）鉛酸蓄電池。該類蓄電池存儲(chǔ)容量已達(dá)20MW，遠(yuǎn)超蓄電池初期發(fā)展水平，因鉛酸蓄電池可靠性高、制作成本低、環(huán)境要求低，故而在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較為常見(jiàn)。鉛酸蓄電池在環(huán)保與資源再利用方面存在劣勢(shì)，當(dāng)鉛酸蓄電池使用壽命結(jié)束后將不具備任何用途，且鉛酸蓄電池在降解期間無(wú)法無(wú)公害化處理，若處理不當(dāng)則會(huì)污染環(huán)境，與新時(shí)代生態(tài)環(huán)保理念相悖。（2）鎳氫電池。該類電池最早于2008年在北京用于混合電動(dòng)車，在實(shí)際應(yīng)用期間發(fā)現(xiàn)，鎳氫電池能量轉(zhuǎn)化情況與周圍環(huán)境存在緊密關(guān)聯(lián)，即受環(huán)境影響大。若在電流較小的情況下，放電時(shí)的能量密度至少為80kWh/kg，但若電流較大，放電時(shí)的能量密度降至40kWh/kg。（3）鏗離子電池。該類電池同樣受環(huán)境影響較大，且制作工藝復(fù)雜，故而在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)不適用。（4）全釩液流電池。汞在電解液環(huán)境中將產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在電極表面進(jìn)行氧化還原，繼而完成蓄電池的充放電。在釩液流電池實(shí)際應(yīng)用期間，其高效率、低成本的特點(diǎn)逐漸被業(yè)界關(guān)注，現(xiàn)已取得一定成效。

■1.4 超級(jí)電容器儲(chǔ)能

超級(jí)電容器儲(chǔ)能以電化學(xué)雙電層理論為基礎(chǔ)，在實(shí)際運(yùn)用期間，將產(chǎn)生巨大脈沖功率，使電力表面始終處于最佳狀態(tài)，當(dāng)充電時(shí)，電解質(zhì)異性離子在電荷吸引力驅(qū)動(dòng)下吸附于電極表面，此時(shí)將產(chǎn)生雙電荷層。超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)的裝置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，且無(wú)毒性物質(zhì)產(chǎn)生，環(huán)保性得到保障，此外，超級(jí)電容器儲(chǔ)能方式所產(chǎn)生的電流較大，充電時(shí)間相對(duì)較短，在充放電循環(huán)期間能夠保持上述優(yōu)勢(shì)，但超級(jí)電容器儲(chǔ)能同樣存在一定劣勢(shì)，超級(jí)電容器儲(chǔ)能對(duì)充電期間的電壓具有較高要求，而單個(gè)電容器電壓無(wú)法滿足高效充電需求，故而在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，超級(jí)電容器儲(chǔ)能多用于調(diào)節(jié)短時(shí)大功率平滑情況。

■1.5 其他儲(chǔ)能技術(shù)

除上述常用儲(chǔ)能技術(shù)外，現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的還有氫燃料電池儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能等。其中氫燃料電池儲(chǔ)能成本相對(duì)較高，但環(huán)保性強(qiáng)、性能優(yōu)異，受限于成本與技術(shù)，現(xiàn)主要被應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域，但隨著技術(shù)的成熟發(fā)展，現(xiàn)已認(rèn)識(shí)到氫燃料電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的較大潛力，現(xiàn)已逐步在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到應(yīng)用。壓縮空氣儲(chǔ)能需借助燃?xì)鈾C(jī)實(shí)現(xiàn)，該儲(chǔ)能方式具有較高能量轉(zhuǎn)化率，可降低能量耗損，現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電與電力系統(tǒng)中多用于儲(chǔ)能調(diào)峰。抽水儲(chǔ)能現(xiàn)階段在風(fēng)力發(fā)電與電力系統(tǒng)主要起到集中發(fā)電、系統(tǒng)調(diào)峰的效果，但抽水儲(chǔ)能對(duì)地理?xiàng)l件要求高，需建設(shè)配套抽水蓄能電站，故而存在一定局限。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的具體應(yīng)用

為深入了解儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，將以前瞻性眼光分析風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用，主要探討風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的先進(jìn)新型儲(chǔ)能技術(shù)。

■2.1 氫燃料儲(chǔ)能

氫燃料儲(chǔ)能主要憑借電化學(xué)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，將氧化劑、燃料內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略指導(dǎo)下，氫燃料儲(chǔ)能技術(shù)逐漸被應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。氫燃料儲(chǔ)能容量無(wú)上限，以電解質(zhì)為劃分依據(jù)主要可分為直接甲醇燃料儲(chǔ)能裝置、質(zhì)子交換膜燃料儲(chǔ)能裝置、堿性燃料儲(chǔ)能裝置，各類儲(chǔ)能裝置均由陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)構(gòu)成，工作原理相似，僅電解質(zhì)存在差異。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，質(zhì)子交換膜燃料儲(chǔ)能方式應(yīng)用最廣泛。在質(zhì)子交換膜燃料儲(chǔ)能裝置運(yùn)行期間，燃料氣體與氧氣穿過(guò)雙擊板氣體通道后進(jìn)入兩極，經(jīng)過(guò)膜電極部位擴(kuò)散區(qū)域后進(jìn)入催化層，此時(shí)氫氣將在膜陽(yáng)極催化劑作用下分解為水、質(zhì)子與電子，水與質(zhì)子穿過(guò)質(zhì)子交換膜磺酸基進(jìn)入陰極，而電子穿過(guò)外電路進(jìn)入陰極，最終，電子、質(zhì)子與水在陰極催化劑作用下，與氧分子產(chǎn)生反應(yīng)，在一系列化學(xué)反應(yīng)中完成電能存儲(chǔ)及充放電過(guò)程，同時(shí)在壓縮化、液化、金屬化儲(chǔ)能方式應(yīng)用下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期儲(chǔ)能，效果顯著[3]。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，氫儲(chǔ)能裝置由氫儲(chǔ)罐、電解槽、燃料儲(chǔ)能裝置構(gòu)成，當(dāng)風(fēng)能充足時(shí)，電解槽通過(guò)電解水產(chǎn)生氫氣，并將在氫儲(chǔ)罐存儲(chǔ)，待儲(chǔ)滿氫后，此時(shí)的多余電力將轉(zhuǎn)出成為負(fù)載，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電赤字時(shí)，氫儲(chǔ)能裝置將進(jìn)行氧與氫的反應(yīng)，繼而生成電能，彌補(bǔ)系統(tǒng)負(fù)載，保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定?，F(xiàn)階段對(duì)氫燃料儲(chǔ)能的技術(shù)研究逐漸深化，技術(shù)難關(guān)逐漸被攻克，同時(shí)，相關(guān)組件成本不斷降低，使氫燃料儲(chǔ)能技術(shù)的大范圍應(yīng)用更為可能。

■2.2 雙電池儲(chǔ)能

現(xiàn)階段主要有兩種緩解風(fēng)電功率波動(dòng)的方式，即借助儲(chǔ)能裝置與功率平滑方式，其中功率平滑方式不必使用儲(chǔ)能裝置，但無(wú)法確保風(fēng)能采集應(yīng)用效果，而運(yùn)用儲(chǔ)能裝置搭建儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠良好采集風(fēng)力發(fā)電量，通過(guò)電能存儲(chǔ)，為電網(wǎng)輸送穩(wěn)定電能。電池儲(chǔ)能效果優(yōu)異，故而在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展迅速，為延長(zhǎng)電池儲(chǔ)能裝置使用壽命而提出雙時(shí)間尺度協(xié)調(diào)控制的方式，用于控制風(fēng)電功率波動(dòng)，確保電池儲(chǔ)能裝置能夠在風(fēng)電系統(tǒng)中發(fā)揮良好作用。此外，為縮減系統(tǒng)運(yùn)行成本而出現(xiàn)了大型電池儲(chǔ)能裝置，由多個(gè)電池組成，通過(guò)雙層控制方式調(diào)節(jié)風(fēng)電功率波動(dòng)，并配置不同電池儲(chǔ)能單元的功率，在此基礎(chǔ)上，逐漸出現(xiàn)了雙電池儲(chǔ)能技術(shù)，由兩個(gè)電池裝置構(gòu)成，分別用于充電與放電，當(dāng)實(shí)際風(fēng)電功率高于電網(wǎng)調(diào)度功率時(shí)，充電電池將始終保持充電狀態(tài)，當(dāng)實(shí)際風(fēng)電功率低于電網(wǎng)調(diào)度功率時(shí)，充電電池將停止工作，而放電電池進(jìn)入工作狀態(tài)，兩個(gè)不同功能的電池充放電狀態(tài)根據(jù)實(shí)際風(fēng)電功率而切換，因狀態(tài)切換由兩個(gè)電池單獨(dú)進(jìn)行，可避免單個(gè)電池裝置進(jìn)行狀態(tài)切換的弊端，相較于單個(gè)電池裝置，能夠有效延長(zhǎng)電池儲(chǔ)能裝置使用壽命，并優(yōu)化調(diào)度功率，使不穩(wěn)定性風(fēng)電能夠持續(xù)化送入電網(wǎng)。

■2.3 混合儲(chǔ)能技術(shù)

現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要儲(chǔ)能裝置為蓄電池，但蓄電池裝置壽命較短、功率密度較低、維護(hù)難度高，還易產(chǎn)生環(huán)境污染，為解決該問(wèn)題，可將蓄電池裝置與超級(jí)電容器方式相結(jié)合，形成混合儲(chǔ)能技術(shù)。超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置使用壽命長(zhǎng)，功率密度及功率效率較高，且無(wú)需維護(hù)，能夠與蓄電池儲(chǔ)能通過(guò)無(wú)源式結(jié)構(gòu)、有源式結(jié)構(gòu)進(jìn)行互補(bǔ)式并聯(lián)，繼而構(gòu)建混合儲(chǔ)能裝置?；旌蟽?chǔ)能裝置集合兩種儲(chǔ)能方式的優(yōu)勢(shì)，有效延長(zhǎng)儲(chǔ)能裝置使用壽命，兼顧經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性，并保障了能量轉(zhuǎn)化效果，由此可見(jiàn)，混合儲(chǔ)能裝置在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中具有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，混合儲(chǔ)能裝置能夠快速響應(yīng)并投入到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，快速進(jìn)行充放電，用于彌補(bǔ)并網(wǎng)負(fù)荷高峰階段的電力缺口。超級(jí)電容器能夠有效帶動(dòng)蓄電池進(jìn)入充放電狀態(tài)，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際情況進(jìn)行“削峰填谷”，以此保障風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)平衡，提升供電可靠性。

■2.4 碳納米管超級(jí)電容器

超級(jí)電容器由電解質(zhì)、極板、隔離物、電流采集裝置構(gòu)成，能夠通過(guò)電解質(zhì)極化完成儲(chǔ)能。超級(jí)電容器與蓄電池儲(chǔ)能方式類似，在充電期間采用離子形式存儲(chǔ)電荷，達(dá)到儲(chǔ)能效果。傳統(tǒng)的超級(jí)電容器多采用金屬氧化物、活性炭纖維等材質(zhì)作為電極材料，隨著超級(jí)電容器的發(fā)展，因碳納米管的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度更高，故而現(xiàn)階段多采用碳納米管超級(jí)電容器作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能方式。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，碳納米管超級(jí)電容器能夠?qū)崿F(xiàn)十萬(wàn)余次深度充放電循環(huán)，電能儲(chǔ)備效果顯著，且使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，因此，碳納米管超級(jí)電容器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中尤為適用。

3 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的未來(lái)應(yīng)用前景

現(xiàn)階段社會(huì)各領(lǐng)域發(fā)展均重視新能源的應(yīng)用，在發(fā)電產(chǎn)業(yè)中，在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)指導(dǎo)下，火力發(fā)電量在總發(fā)電量中的占比逐漸降低，風(fēng)能作為新能源的一種，其裝機(jī)數(shù)量及發(fā)電量逐漸提高，在整個(gè)發(fā)電產(chǎn)業(yè)中的占比持續(xù)增高，在此形勢(shì)下，諸多風(fēng)電企業(yè)著手研究風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能裝置或儲(chǔ)能型風(fēng)機(jī)，因此，在未來(lái)發(fā)展中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)將快速發(fā)展。儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用效果不僅限于“削峰填谷”，其經(jīng)濟(jì)效益仍有待挖掘，例如：能否使前期投入成本與后期“棄風(fēng)量”達(dá)到“收支平衡”等[4]。同時(shí)在新時(shí)代電力系統(tǒng)發(fā)展中，提出并搭建了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，采用風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)電池方陣兩種方式完成風(fēng)光互補(bǔ)電站的發(fā)電任務(wù)，使太陽(yáng)能與風(fēng)能可在不同場(chǎng)景配合發(fā)揮效果，通過(guò)互補(bǔ)方式消除可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，在此形勢(shì)下，需根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)電站運(yùn)行規(guī)律做好儲(chǔ)能裝置的配備，以此實(shí)現(xiàn)全天候發(fā)電。除此之外，蓄能裝置的回收與再利用同樣為未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)蓄能裝置回收再利用后，將大幅度提高各類儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，為促進(jìn)光伏、風(fēng)電發(fā)展，儲(chǔ)能裝置的研發(fā)項(xiàng)目持續(xù)推進(jìn)，力圖提升儲(chǔ)能裝置帶來(lái)的全年收益、調(diào)峰收益，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能能夠兼顧技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)、超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)、蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)、超級(jí)電容器儲(chǔ)能等傳統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)，在未來(lái)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，氫燃料儲(chǔ)能技術(shù)、雙電池儲(chǔ)能技術(shù)、混合儲(chǔ)能技術(shù)、碳納米管超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能容量，增強(qiáng)儲(chǔ)能性能，提高儲(chǔ)能穩(wěn)定性。在未來(lái)發(fā)展中，儲(chǔ)能技術(shù)的作用將不僅限于“削峰填谷”，在保障技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還可進(jìn)一步挖掘經(jīng)濟(jì)效益。