風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用探析

中電建新能源集團(tuán)股份有限公司新疆分公司 徐 斌 姚文成

1 儲(chǔ)能技術(shù)概述

1.1 儲(chǔ)能技術(shù)的分類(lèi)

儲(chǔ)能技術(shù)是指將能量轉(zhuǎn)換成方便存儲(chǔ)和能隨時(shí)使用的物質(zhì)或形式的技術(shù)手段，以便在有需要時(shí)進(jìn)行恢復(fù)和利用。根據(jù)儲(chǔ)能裝置的能量存儲(chǔ)方式不同，儲(chǔ)能技術(shù)可以分為四大類(lèi)：機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)、電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、熱儲(chǔ)能技術(shù)和電磁儲(chǔ)能技術(shù)。機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)將能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)能存儲(chǔ)，主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的飛輪和重物儲(chǔ)能技術(shù)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)運(yùn)用慣性原理，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量飛輪儲(chǔ)存機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，其原理如圖1所示。

圖1 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

重物儲(chǔ)能技術(shù)利用重物受重力作用具有的一定的位能，將抬升起來(lái)的物體緩慢下降，釋放能量。機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)具有高效、可靠、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)包括蓄電池、超級(jí)電容器等，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將能量存儲(chǔ)在化學(xué)鍵中，具有存儲(chǔ)密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。熱儲(chǔ)能技術(shù)主要指儲(chǔ)存熱能的技術(shù)，如熔融鹽儲(chǔ)存系統(tǒng)和壓縮熱空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)等，應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可以將風(fēng)能儲(chǔ)存成熱能存儲(chǔ)，再利用鍋爐等設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能。電磁儲(chǔ)能技術(shù)通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存，最常見(jiàn)的應(yīng)用是電感電容式無(wú)功補(bǔ)償器。各種儲(chǔ)能技術(shù)各有特點(diǎn)，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域和場(chǎng)合，有效提高了能源利用效率。

1.2 儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)

儲(chǔ)能技術(shù)作為可再生能源發(fā)電的重要輔助措施，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。其優(yōu)勢(shì)包括：提高可再生能源利用率，通過(guò)儲(chǔ)存余留的電能達(dá)到平穩(wěn)供電的目的，增加電網(wǎng)穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)波動(dòng)，節(jié)約成本，降低燃料消耗和配電網(wǎng)建設(shè)成本，環(huán)境友好，降低污染物排放和對(duì)環(huán)境的影響。然而，儲(chǔ)能技術(shù)也存在一些劣勢(shì)：儲(chǔ)能成本高，影響其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用；機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)需要巨型機(jī)械設(shè)備占據(jù)大面積，影響其使用；每次能量?jī)?chǔ)存和釋放都存在一定能量損失?？偟膩?lái)說(shuō)，儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)大于其劣勢(shì)，并且有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，相信儲(chǔ)能技術(shù)的成本、體積重量和能量損失等問(wèn)題都能得到進(jìn)一步解決，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供更為可靠且環(huán)保的方案。

1.3 儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

儲(chǔ)能技術(shù)是重要的能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷平衡，提高電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性，特別是在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)供電，并減少對(duì)化石燃料的依賴(lài)。

在交通運(yùn)輸中，可提高電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)性能和行駛距離。在家庭和商業(yè)用電中，可削峰填谷，減少使用成本和降低電網(wǎng)壓力。在航天領(lǐng)域，能夠高效運(yùn)行，滿(mǎn)足太空任務(wù)的要求。不僅能提高能源利用效率，減少排放和成本，緩解能源壓力，還能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。儲(chǔ)能技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景與重大意義。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 風(fēng)能儲(chǔ)能技術(shù)種類(lèi)

風(fēng)能儲(chǔ)能技術(shù)有四種類(lèi)型：機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。不同的技術(shù)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和需求有著各自的局限性和缺陷。例如，機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)和液壓儲(chǔ)能具有易于控制和維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)存在重物重量過(guò)大和液體漏出的風(fēng)險(xiǎn)。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池等，這些電池以其高效、環(huán)保、儲(chǔ)存能力和輸出功率較高的特點(diǎn)，在儲(chǔ)存不穩(wěn)定風(fēng)能的同時(shí)，具有較高的儲(chǔ)存能力和輸出功率。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在地下建立大規(guī)模儲(chǔ)氣庫(kù)，但需要高壓氣體和大規(guī)模的儲(chǔ)存設(shè)施。熱儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)存能量上更為持久，適用于長(zhǎng)期儲(chǔ)能的需求，但需要較高的溫度和壓力控制。

各種技術(shù)在不同的場(chǎng)景和需求中均有應(yīng)用。風(fēng)能儲(chǔ)能技術(shù)在可再生能源和能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中有著巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)，未來(lái)具有非常廣闊的發(fā)展前景。

2.2 風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)可以為電網(wǎng)輸送高質(zhì)量的電力而儲(chǔ)存不穩(wěn)定的風(fēng)能。儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能設(shè)備、控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換設(shè)備三部分構(gòu)成。儲(chǔ)能設(shè)備是風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心，不同的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用不同的儲(chǔ)能設(shè)備。例如，機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)采用高速旋轉(zhuǎn)飛輪、千斤頂和彈簧等設(shè)備；電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用鋰離子電池、鈉氯電池和鉛酸電池等，其原理如圖2所示。

圖2 電化學(xué)儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、壓縮機(jī)/發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)氣罐等設(shè)備；熱儲(chǔ)能系統(tǒng)則主要利用儲(chǔ)熱罐和熱儲(chǔ)存材料?？刂葡到y(tǒng)用于控制儲(chǔ)能設(shè)備的充電和放電過(guò)程，保證風(fēng)能的高效收集和利用。同時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)該具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能設(shè)備狀態(tài)、維護(hù)和管理系統(tǒng)的功能，以保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行安全和可靠性。

此外，控制系統(tǒng)也應(yīng)該與電網(wǎng)有良好的協(xié)調(diào)，就能量調(diào)度、儲(chǔ)能時(shí)間、儲(chǔ)能容量等方面展開(kāi)合理的策略。轉(zhuǎn)換設(shè)備則是儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的核心聯(lián)系。儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)換設(shè)備將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為電能并逆向流入電網(wǎng)。這些轉(zhuǎn)換設(shè)備包括逆變器、變電站和電力電子裝置等。不同的儲(chǔ)能技術(shù)所采用的轉(zhuǎn)換設(shè)備也不相同。

2.3 風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行方式

風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行方式往往取決于所采用的儲(chǔ)能技術(shù)和具體的應(yīng)用場(chǎng)景。一般而言，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)的運(yùn)行方式主要有兩種：閑置模式和備用模式。閑置模式是指風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能設(shè)備充滿(mǎn)后，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)斷開(kāi)連接，將其投入閑置模式。

當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷達(dá)到峰值時(shí)，閑置模式下的儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)反向運(yùn)動(dòng)，將存儲(chǔ)的能量重新注入電網(wǎng)，以滿(mǎn)足峰值負(fù)荷需求。閑置模式的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)的變化，緩解峰值負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響。

備用模式是指風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能設(shè)備充滿(mǎn)后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)繼續(xù)提供電網(wǎng)接口服務(wù)，同時(shí)將多余的能量存儲(chǔ)下來(lái)，為電網(wǎng)的備用服務(wù)提供支持。當(dāng)電網(wǎng)需求增加時(shí)，備用模式下的儲(chǔ)能系統(tǒng)就能夠立即投入運(yùn)行，釋放所存儲(chǔ)的能量。此外，還有一些比較特殊的運(yùn)行方式，例如在線(xiàn)運(yùn)行模式、自治運(yùn)行模式等，這些運(yùn)行方式多適用于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或者是場(chǎng)所電網(wǎng)獨(dú)立的系統(tǒng)。綜上所述，風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行方式必須根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)特點(diǎn)來(lái)選擇和設(shè)計(jì)，以最大程度地提高系統(tǒng)的可靠性和利用效率。

3 風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 儲(chǔ)能設(shè)備的選用

在風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)中，選用合適的儲(chǔ)能設(shè)備非常重要，因?yàn)閮?chǔ)能設(shè)備是系統(tǒng)中儲(chǔ)存和釋放能量的關(guān)鍵。不同的儲(chǔ)能技術(shù)適用于不同的場(chǎng)景和需求，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的儲(chǔ)能設(shè)備。

另外，與RJ版教科書(shū)有理數(shù)例題中的卡通插圖相比，CM教科書(shū)有理數(shù)例題中的插圖均為實(shí)景圖，相對(duì)而言更加貼近生活．

機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括高速旋轉(zhuǎn)飛輪、液壓千斤頂和液壓彈簧等設(shè)備，具有系統(tǒng)起動(dòng)速度快、響應(yīng)時(shí)間短和溫度波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在成本較高、能量密度低和占地面積大的缺點(diǎn)。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)則采用鋰離子電池、納米磷酸鐵鋰電池等，這些電池具有能量密度高、重量輕、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但受制于材料特性和成本等因素，其能量密度不高，其充電速度較慢、安全性以及循環(huán)壽命等均需加以考慮。壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備由壓縮機(jī)、壓縮機(jī)/發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)氣罐組成，具有高能量密度、長(zhǎng)壽命、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

然而，其系統(tǒng)的成本和效率問(wèn)題需要加以控制。熱儲(chǔ)能系統(tǒng)則主要利用儲(chǔ)熱罐和熱儲(chǔ)存材料，其優(yōu)點(diǎn)在于可以更長(zhǎng)時(shí)間地儲(chǔ)存能量，可以滿(mǎn)足冬季等寒冷氣候的需求。但受制于材料的特性和溫度控制等因素，熱儲(chǔ)能系統(tǒng)還需進(jìn)一步完善。

3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)是保證系統(tǒng)高效、安全、可靠的關(guān)鍵組成部分。設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景需求，如機(jī)械、電化學(xué)、壓縮空氣和熱儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速充放電、電池管理、儲(chǔ)氣罐動(dòng)態(tài)管理和溫度壓力穩(wěn)定等功能，建立監(jiān)測(cè)、調(diào)度和管理等基礎(chǔ)設(shè)施以保證系統(tǒng)完整性和健壯性。

3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化控制，需要采用合適的控制策略，以確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的高效率和可靠性。常見(jiàn)的優(yōu)化控制策略包括儲(chǔ)能容量的控制策略、電網(wǎng)功率平衡策略和儲(chǔ)能時(shí)間的優(yōu)化策略等。儲(chǔ)能容量控制策略根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率來(lái)調(diào)整儲(chǔ)能設(shè)備的充電和放電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能容量的最大化，提升其經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

電網(wǎng)功率平衡策略根據(jù)負(fù)荷需求和儲(chǔ)能容量調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率，使儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入或輸出儲(chǔ)能，保持能量平衡和穩(wěn)定性。儲(chǔ)能時(shí)間的優(yōu)化則通過(guò)控制充放電時(shí)間，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用效率，以適應(yīng)不同氣候和地理需求。

綜合三種策略，可不斷提高儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性，當(dāng)前自適應(yīng)能量管理技術(shù)越來(lái)越被倡導(dǎo)，通過(guò)自適應(yīng)性?xún)?chǔ)能控制，實(shí)現(xiàn)能量更加高效地儲(chǔ)存、輸送和調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)最佳效益。

4 風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著可再生能源的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)得到了廣泛地推廣和應(yīng)用。儲(chǔ)能技術(shù)作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷增加，也在不斷地向著更加高效、穩(wěn)定和安全的方向發(fā)展。

未來(lái)，風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向主要包括優(yōu)化現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)以提高儲(chǔ)存能量和循環(huán)壽命，并加強(qiáng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性；推廣和應(yīng)用更智能化的電力傳輸和控制系統(tǒng)，以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和運(yùn)行效率；研發(fā)多能源儲(chǔ)能系統(tǒng)，將風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、水力發(fā)電等多種可再生能源儲(chǔ)存在同一儲(chǔ)能系統(tǒng)中，以便更好地滿(mǎn)足能源開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的需求。

此外，政策環(huán)境也是風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。各國(guó)政府出臺(tái)的鼓勵(lì)清潔能源發(fā)展的政策和措施，將進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣?？傊?，風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來(lái)的發(fā)展中仍有著廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

隨著能源需求不斷增長(zhǎng)，儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。風(fēng)能儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展將帶來(lái)更加可靠、高效、節(jié)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，助力可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用和發(fā)展。然而，儲(chǔ)能技術(shù)在成本、安全性等方面仍存在挑戰(zhàn)，需要不斷探索和創(chuàng)新。

未來(lái)的研究將集中于儲(chǔ)能設(shè)備更高效、可持續(xù)地設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)更加開(kāi)放式和智能化，以及系統(tǒng)的全面優(yōu)化。預(yù)計(jì)將會(huì)出現(xiàn)更多的儲(chǔ)能技術(shù)種類(lèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模將會(huì)不斷擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)可再生能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。