中廣核新能源安徽分公司 趙海亮

1 風力發(fā)電現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，通過綠色可再生能源的開發(fā)以及利用，對化石能源進行替代，降低二氧化碳排放量，保護地球環(huán)境已成為大勢所趨。20世紀七十年代，國外就風能發(fā)電開始加強研究，如美國、德國、丹麥等國家一些研究機構(gòu)和高校，都積極參與了風能開發(fā)研究，并對風力發(fā)電進行了大規(guī)模的投資。我國風電事業(yè)發(fā)展從20世紀八十年代起步，盡管起步比較晚，但是發(fā)展速度較快，已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重要部分。國家能源局公開數(shù)據(jù)顯示，2020年我國風力發(fā)電并網(wǎng)裝機容量達到7×107kW，新增風電裝機量連續(xù)多年排名全球首位；2021年我國風力發(fā)電量達到5×108kWh以上，成為全世界主要的風電市場之一。從風力發(fā)電占全國總發(fā)電量的比重來看，目前風力發(fā)電總量仍處于一個較低的水平，風電開發(fā)的提升空間較大。相關(guān)研究表明，我國可利用的風能資源儲量在109kW以上，除了陸地風力發(fā)電開發(fā)，海上風力發(fā)電開發(fā)利用也越來越受到重視，并逐漸成為風力發(fā)電未來開發(fā)的重點領(lǐng)域[1]。

2 風力發(fā)電儲能技術(shù)

當前，我國各個行業(yè)已經(jīng)被不同的科學技術(shù)覆蓋，發(fā)展日新月異，供電穩(wěn)定是社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要保障?；诖?，風力發(fā)電企業(yè)對儲能技術(shù)展開全方位研究，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)獲得了優(yōu)異成績，同時將儲能技術(shù)成果應(yīng)用于我國各地的風力企業(yè)，逐漸成為風力發(fā)電建設(shè)中的常規(guī)化配置。將儲能技術(shù)與風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合能夠提升發(fā)電穩(wěn)定性，解決部分地區(qū)無法獲得長久穩(wěn)定的風力資源的問題，保證這些地區(qū)在少風季節(jié)依舊可以滿足基本要求的發(fā)電量。從長遠角度分析，儲能技術(shù)推動風力發(fā)電平穩(wěn)發(fā)展，讓電力系統(tǒng)可以持續(xù)供應(yīng)電量，緩解現(xiàn)階段工業(yè)發(fā)展能源短缺的問題，為未來探索新能源建設(shè)爭取寶貴時間。

3 常見儲能技術(shù)類別及其特點

3.1 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能是一種新型的機械能儲能方式，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(shè)備中，利用電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動能并儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中，需要時再將高速運轉(zhuǎn)的飛輪動能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，但由于其存在能量密度不高、能量會自行耗盡的不足，一些企業(yè)通過增加飛輪的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)速、改進材料構(gòu)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(yīng)性強、循環(huán)壽命長、無污染等優(yōu)勢，在電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障方面得到更為廣泛的應(yīng)用。同時，大功率電力電子變流技術(shù)、高強度碳素纖維和玻璃纖維材料的出現(xiàn)、高溫超導(dǎo)技術(shù)和磁懸浮軸承技術(shù)都促進了飛輪儲能技術(shù)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(shè)備、真空室、飛輪、電機、軸承、電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電力電子輸出設(shè)備和檢測設(shè)備等關(guān)鍵部件構(gòu)成[2]。

3.2 超導(dǎo)儲能技術(shù)

超導(dǎo)儲能是一種電磁儲能方式，其概念于20世紀七十年代首次提出，其通過超導(dǎo)體制成的線圈將電能轉(zhuǎn)換成電磁能儲存在超導(dǎo)體中，并在需要時直接釋放出來。超導(dǎo)儲能能源釋放時無需能量形式的轉(zhuǎn)換，這使得其可以無限循環(huán)；超導(dǎo)儲能的核心部件是超導(dǎo)線圈，其電阻為零，決定了其轉(zhuǎn)換效率高（≥96%）、比容量大（1～10Wh/kg）、比功率高（104～105kW/kg）；超導(dǎo)電流密度高，決定了其響應(yīng)速度極快（毫秒級）。早期超導(dǎo)儲能裝置性能優(yōu)越但是造價昂貴，隨著20世紀八十年代高溫超導(dǎo)材料的使用，超導(dǎo)儲能裝置的可靠性和經(jīng)濟性也逐步提高。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。

3.3 蓄電池儲能技術(shù)

蓄電池儲能是實現(xiàn)電能與電池化學能之間轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換系統(tǒng)由蓄電池儲能系統(tǒng)與電力電子器件構(gòu)成，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(zhuǎn)換與能量的雙向傳遞。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(yīng)用在風電儲能系統(tǒng)中，其中鉛酸蓄電池性價比最高，技術(shù)發(fā)展最為成熟，在儲能系統(tǒng)中仍占主導(dǎo)應(yīng)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。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(yīng)減速，不足以達到額定容量。工作溫度過高時，化學反應(yīng)過于劇烈，電解液溫度升高，容易導(dǎo)致電池損壞。

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(yīng)運而生。其采用碳材料部分或全部取代鉛負極，以此讓蓄電池極板部分或者全部具有超級電容器的特性，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(jié)構(gòu)材料LiMO2、錳酸鋰材料（LiMn2O4）或具有橄欖石結(jié)構(gòu)的LiMPO4等。正極一般作為“鋰源”，而負極需容納大量的鋰離子。鋰離子電池比能量高、循環(huán)性好，并且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[3]。

全釩液流電池陰陽兩極可由金屬、石墨或復(fù)合材料制成。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(fù)合材料兩極可為高分子復(fù)合材料、導(dǎo)電聚合物等。VRB電解液是四種釩離子溶液。VRB設(shè)計靈活，在輸出功率一定的情況下，只需提高電解質(zhì)濃度或者增大電解液儲存罐的容積即可增加儲能容量。此外其壽命長、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(diào)峰、太陽能發(fā)電、軍用蓄電等較多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)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（40Wh/kg）、占地面積大、工作溫度范圍要求高（5～45℃）等缺點。

3.4 超級電容器儲能

超級電容器儲能主要將電化學雙電層理論作為基礎(chǔ)，在運行過程中會產(chǎn)生較大的脈沖功率，使得電力表面處于最佳狀態(tài)，在充電過程中，在電荷吸引力驅(qū)動下對于電解質(zhì)異性離子吸附在電極表面，這樣就會產(chǎn)生雙電荷層。超級電容器儲能技術(shù)裝置結(jié)構(gòu)很簡單，并且不會有毒性物質(zhì)出現(xiàn)，有良好的環(huán)保性。除此之外，超級電容器儲能產(chǎn)生的電流非常大，并且充電時間很短，在充放電循環(huán)當中可較好地保持該優(yōu)勢，但是超級電容器也有相應(yīng)的劣質(zhì)，其對于充電期間電壓要求很高，并且單一的電容器電壓很難對于高效充電需求進行滿足，因此在風電發(fā)電中，超級電容器儲能通常主要應(yīng)用在調(diào)節(jié)短時大功率平滑情況下。

3.5 抽水蓄能

抽水蓄能電站最初的思想是通過儲蓄豐水季節(jié)多余的水量滿足枯水期的發(fā)電需求。而現(xiàn)今除了依然保留這種功能外，更多的目的是用來解決電網(wǎng)電能峰谷期的供需矛盾。即利用電力系統(tǒng)用電低谷負荷時的剩余電力，將位于低處的水通過抽水機抽到高處蓄存起來，然后在用電高峰負荷期放出位于高處的水，通過水輪機使發(fā)電機發(fā)電，為電網(wǎng)補充更多的額外電力來平衡緊張的供需矛盾。這里抽水蓄能電站既扮演了耗電用戶的角色，也扮演了發(fā)電站供電的角色。在電網(wǎng)負荷處于低谷時，抽水蓄能電站的抽水機是耗電大戶，要盡可能消耗過剩的電能。而在電網(wǎng)負荷處于高峰時段，抽水蓄能電站又成了發(fā)電站，要盡可能發(fā)出更多電能補充電網(wǎng)的供電缺口。在這個身份轉(zhuǎn)換過程中，抽水蓄能電站起到了對電網(wǎng)的穩(wěn)定和平衡作用，可承擔電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用及黑啟動等功能，提高了電網(wǎng)的供電質(zhì)量和經(jīng)濟效益，使電網(wǎng)更加安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定地運行。

4 儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

4.1 氫燃料儲能

燃料電池儲能發(fā)揮作用的方式是陰陽極在電解質(zhì)中發(fā)揮電力資源存儲效果，且不同的儲能方式采用相同的工作原理。質(zhì)子交換膜已經(jīng)變成風力發(fā)電常用儲能設(shè)備，作業(yè)流程可以歸納為：一是將氧氣與氣態(tài)燃料充分混合；二是通過雙極板提供通道，將混合氣體到達儲能設(shè)備的陰陽兩極，并從膜電極以擴散的方式步入催化層；三是氫氣在膜陽極催化劑的影響下物理分解為細小物質(zhì)電子與質(zhì)子，發(fā)生反應(yīng)生成水，而電子由外電路出發(fā)，經(jīng)過負載到達陰極位置，質(zhì)子和水分子通過交換膜抵達陰極位置；四是氧分子位于陰極提供的催化劑表面，和已經(jīng)進入陰極的3類物質(zhì)進一步反應(yīng)產(chǎn)生大量水分子，從而完成長期儲能的需求（如圖1所示）。

圖1 氫燃料儲能基本流程

氫氣儲能常見金屬化與壓縮化，當前氫儲能設(shè)備主要由通過燃料完成儲能工作的專業(yè)設(shè)備、用于電解水分子的電解槽，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定氫氣的氫儲罐構(gòu)成。在系統(tǒng)接收過多風能時，電解槽會通過電解水生成大量氫氣，將其存儲于氫儲罐中；在儲罐達到存儲極限后，無法繼續(xù)存儲的電力將會轉(zhuǎn)移至外部負載，避免能源浪費[4]。而風力發(fā)電無法供應(yīng)電力需求，燃料儲能存儲氫氣和氧氣將會產(chǎn)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生電能可以讓系統(tǒng)負載獲得穩(wěn)定電能供應(yīng)。

4.2 超級電容器

超級電容器由電流采集系統(tǒng)、電解質(zhì)、隔離物和兩側(cè)極板構(gòu)成，其中電流采集系統(tǒng)的作用是收集當前系統(tǒng)的發(fā)電情況；電解質(zhì)用于離子和質(zhì)子運動；隔離物是為了避免物質(zhì)相互混合。將電解質(zhì)做極化處理，就能讓風能得到優(yōu)化儲存。超級電容器在原理上與蓄電池相似。當超級電容器處于充電階段時，通過離子狀態(tài)高效儲存流入系統(tǒng)中的電荷使它們相互反應(yīng)，為復(fù)雜體提供正常電力。

大多數(shù)超級電容器使用金屬氧化物或者新型納米管當成電極材料，作為我國獨立研發(fā)并得到大規(guī)模應(yīng)用的碳納米管，超級電容器具有較強的化學穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定的機械強度，在長徑方面的優(yōu)勢也高于金屬氧化物。超級電容器可以實現(xiàn)大于100000次充電、放電模擬測試，使用壽命較長，還可以在設(shè)備應(yīng)用時穩(wěn)定提供電力資源，提升電力儲存的可靠性。

4.3 混合儲能

當前，風力發(fā)電系統(tǒng)儲能裝置主要是蓄電池，但是蓄電池壽命比較短，功率密度很低，難度維護很高，對環(huán)境造成的污染較大，為了能夠處理該問題，對蓄電池裝置和超級容器進行結(jié)合，從而形成混合儲能技術(shù)。超級電容器裝置壽命較長，功率密度和功率效率很高，不需要維護，和蓄電池儲能結(jié)合起來，通過無源式結(jié)構(gòu)、有源式結(jié)構(gòu)進行互補式并聯(lián)，從而構(gòu)建混合儲能裝置。該裝置對兩種儲能方式優(yōu)勢進行了集合，可以對儲能裝置使用壽命提升，有著良好的技術(shù)性以及經(jīng)濟性，可以保證能量轉(zhuǎn)化效果良好，基于此在風力發(fā)電系統(tǒng)中，混合儲能裝置有著很好的應(yīng)用意義。

4.4 碳納米管超級電容器

超級電容器裝置的構(gòu)成單元主要有電解質(zhì)、極板、隔離物、電流采集裝置，可以采用電解質(zhì)極化實現(xiàn)儲能。超級電容器和蓄電池儲能方式比較相似，在充電過程中通過離子對電荷進行存儲，實現(xiàn)儲能效果良好。傳統(tǒng)超級電容器基本上主要應(yīng)用金屬氧化物以及活性炭纖維等材質(zhì)當做電極材料，隨著目前超級電容器的不斷發(fā)展，由此碳納米管自身的導(dǎo)電性以及化學穩(wěn)定性、機械強度良好，因此在當前風力發(fā)電系統(tǒng)中，基本上主要采用碳納米管超級電容器當做儲能方式[5]。在風電系統(tǒng)中，碳納米管超級電容器能夠?qū)崿F(xiàn)十萬余次深度充放電循環(huán)，電能儲能效果良好，并且使用壽命非常長，所以，在風電系統(tǒng)中碳納米管超級電容器有著良好的應(yīng)用。

5 儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的未來應(yīng)用前景

在當前的儲能技術(shù)當中，技術(shù)成熟以及應(yīng)用時間比較長的就是抽水蓄能技術(shù)，抽水蓄能成本較低，通常地容地貌建設(shè)水利工程。近些年，隨著技術(shù)的發(fā)展，和抽水蓄能相比較，電化學儲能有了非常大的發(fā)展，在這當中比較顯著的就是鋰電池為例，鋰電池容量相比與2015年提高了整整一倍以上，鋰電池制造的成本也降低了50%左右，使用壽命也比原來有了大幅提升，在政策的加持下儲能相關(guān)的企業(yè)得到了政府的補貼，依照近年來的趨勢，電化學儲能的成本還將持續(xù)下降60%以上，在電化學儲能上，鋰電池的競爭力最強，適用范圍最廣，能效最好，成本也較低。

6 結(jié)語

風電大規(guī)模集中化發(fā)展，給其儲能技術(shù)也提出了更高的要求，其應(yīng)用前景也更加可觀，目前在研究電網(wǎng)調(diào)峰中，多采用化學蓄電池儲能技術(shù)、抽水儲能技術(shù)，在研究電能質(zhì)量保護時，多采用飛輪儲能技術(shù)、超導(dǎo)儲能技術(shù)，但考慮成本理論和實用場景時，很多儲能技術(shù)還不能得到很好的應(yīng)用，能量轉(zhuǎn)換效率還有待進一步提升。隨著系統(tǒng)可靠性、材料結(jié)構(gòu)等技術(shù)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(shù)將取代傳統(tǒng)儲能技術(shù)，將成為廣泛應(yīng)用在風電的新型儲能技術(shù)。