趙妮 馬曉燕 阿拉善職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)概述

1.1 電磁儲(chǔ)能

電磁儲(chǔ)能的核心是利用磁場(chǎng)將風(fēng)力產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)化為可供儲(chǔ)存的電力。目前，超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能是一種被普遍使用的電磁儲(chǔ)能技術(shù)。超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能技術(shù)無(wú)需進(jìn)行能源的轉(zhuǎn)換，可以直接將風(fēng)能產(chǎn)生的電力儲(chǔ)存起來(lái)，從而有效避免了電力的無(wú)謂浪費(fèi)。此外，這種技術(shù)的操作流程也非常簡(jiǎn)潔，使用起來(lái)并不復(fù)雜，速度極快，能夠提高電力儲(chǔ)存的效率。在需要儲(chǔ)存電力的情況下，這種方法能夠在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)較大的功率，從而能夠迅速且準(zhǔn)確地滿(mǎn)足相關(guān)需求。

1.2 蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)

簡(jiǎn)言之，蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)依賴(lài)于電池的氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電。由于這個(gè)系統(tǒng)使用的設(shè)備并不復(fù)雜，因此，這項(xiàng)技術(shù)被廣泛地運(yùn)用于小型分布式發(fā)電。由于構(gòu)成蓄電池的化學(xué)元素有一定的區(qū)別，因此，蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)也會(huì)有所區(qū)別。根據(jù)相關(guān)研究人員的研究，將鉛酸電池運(yùn)用于電力儲(chǔ)存的技術(shù)正逐步發(fā)展壯大。目前，鉛酸電池的容量可達(dá) 20MW。此類(lèi)電池不僅擁有完善的技術(shù)，而且價(jià)格經(jīng)濟(jì)，因此在電力儲(chǔ)存方面無(wú)須投入大量資金。然而，鉛酸電池的壽命相對(duì)較短，一般只能維持4a，而且若是沒(méi)有得到適當(dāng)?shù)奶幹茫€會(huì)導(dǎo)致大氣環(huán)境的污染。目前，我們國(guó)家的無(wú)污染處理技術(shù)還有待提高，因此，這類(lèi)型的電池的使用受到了限制。

鋰離子電池是一種常見(jiàn)的蓄電池類(lèi)型，它的功率相對(duì)較高，但是它的性能會(huì)受到環(huán)境條件的顯著影響。鋰離子電池通常并不具備長(zhǎng)久的使用壽命，因此，它們通常并不會(huì)被廣泛地用作風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能工具。

1.3 機(jī)械儲(chǔ)能

我國(guó)大部分的風(fēng)能儲(chǔ)存都是采用機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)。這種技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于電力儲(chǔ)存領(lǐng)域。其主要工作原理是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)行儲(chǔ)存。這種技術(shù)的實(shí)施流程相對(duì)簡(jiǎn)單，操作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問(wèn)題。當(dāng)我們需要利用儲(chǔ)存的電力，只需將儲(chǔ)存的機(jī)械能量轉(zhuǎn)化為電力即可。飛輪儲(chǔ)能則是通過(guò)電力的推動(dòng)將電力轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，然后進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存。盡管這種技術(shù)可能會(huì)產(chǎn)生能量的互換，進(jìn)而導(dǎo)致一些能源的浪費(fèi)，這也是其顯著的缺點(diǎn)。近年來(lái)，我國(guó)的電磁技術(shù)和超導(dǎo)磁懸浮軸承技術(shù)取得了飛速的進(jìn)步，并逐漸成熟，這些技術(shù)為飛輪儲(chǔ)能提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

1.4 其他儲(chǔ)能形式

我國(guó)還擁有其他的儲(chǔ)能技術(shù)。在這些技術(shù)中，抽水蓄能設(shè)備已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，然而由于風(fēng)能發(fā)電場(chǎng)的限制，它們并不能在風(fēng)能儲(chǔ)能中使用。此外，還有氫燃料電池儲(chǔ)能技術(shù)，主要利用氫氣作為儲(chǔ)能的媒介。氫燃料電池的制造過(guò)程相當(dāng)簡(jiǎn)單，并且不需要大量的投入，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。因此，它擁有極為廣闊的市場(chǎng)。根據(jù)我們國(guó)家的研究動(dòng)向，科學(xué)家們正在努力降低這種電池的制造成本，如果能真正降低其制造成本，那么這種電池一定能被更廣泛地使用。

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

2.1 氫燃料儲(chǔ)能技術(shù)

電化學(xué)裝置類(lèi)型的氫燃料儲(chǔ)能設(shè)備能夠持續(xù)將燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。這種設(shè)備的容量非常大，根據(jù)電解質(zhì)的特性，燃料電儲(chǔ)能設(shè)備可以被分為三種類(lèi)型，分別是質(zhì)子交換膜燃料儲(chǔ)能設(shè)備、直接甲醇燃料儲(chǔ)能設(shè)備和堿性染料儲(chǔ)能設(shè)備。此外，燃料儲(chǔ)能設(shè)備也可以被分解為不同的部分，例如電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極，其運(yùn)作原理都是一致的。

目前，固體氧化物燃料儲(chǔ)能裝置與質(zhì)子交換膜燃料儲(chǔ)能裝置被廣泛應(yīng)用于風(fēng)能儲(chǔ)能的過(guò)程。這兩種裝置的核心操作流程如下：首先，氧氣與燃料氣體會(huì)經(jīng)由雙擊板的氣體路徑進(jìn)入陰陽(yáng)極，然后從膜電極的擴(kuò)散層進(jìn)入催化層；其次，膜陽(yáng)極催化劑的表面會(huì)出現(xiàn)氫氣的分解，生成電子、質(zhì)子和水等元素。在這里，電子從外部電路經(jīng)過(guò)負(fù)荷輸送到陰極，而其余的元素則經(jīng)質(zhì)子交換膜磺酸基輸送到陰極。第三個(gè)方面，在陰極催化劑的表面，氧原子與這三種元素發(fā)生交互，從而形成了水。

儲(chǔ)存氫能的技術(shù)能夠達(dá)到持續(xù)儲(chǔ)能的目標(biāo)，常見(jiàn)的儲(chǔ)能手段包括三種，也就是金屬化、液態(tài)和壓縮。目前，我們主要依賴(lài)燃料儲(chǔ)能裝置、電解槽和氫儲(chǔ)存罐等組件進(jìn)行氫儲(chǔ)能裝置的生產(chǎn)，然后將其應(yīng)用到風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中。假如風(fēng)力極其強(qiáng)勁，那么電解池就會(huì)圍著水分子執(zhí)行電化學(xué)反應(yīng)，從而生成氫氣并儲(chǔ)藏在氫儲(chǔ)罐里。當(dāng)氫儲(chǔ)罐完全沒(méi)有容器的情況下，剩下的電力就會(huì)流向輸送負(fù)荷。一旦有電力需求，設(shè)備內(nèi)的氧氣與氫氣就會(huì)發(fā)生交互，從而產(chǎn)生電力，來(lái)滿(mǎn)足輸送負(fù)荷對(duì)電力的需求。

2.2 混合儲(chǔ)能技術(shù)

目前，我國(guó)的大部分風(fēng)能發(fā)電設(shè)備都采用了蓄電池這種儲(chǔ)能設(shè)備，但是這種設(shè)備的功率密度并不高，使用壽命也不長(zhǎng)，維護(hù)和管理也相當(dāng)復(fù)雜。此外，它還可能對(duì)自然環(huán)境造成一些影響，因此，我們應(yīng)該更加重視回收工作。

超級(jí)電容器儲(chǔ)能設(shè)備無(wú)需進(jìn)行維護(hù)和管理，其使用壽命較長(zhǎng)，并且具有極高的功率密度和運(yùn)行效率。因此，它可以采用兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，一種是有源結(jié)構(gòu)；另一種是無(wú)源結(jié)構(gòu)。通過(guò)將蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備和超級(jí)電容器儲(chǔ)能設(shè)備相結(jié)合，我們可以創(chuàng)建出混合儲(chǔ)能設(shè)備。采用這種混合儲(chǔ)能設(shè)備的構(gòu)造方式，不僅可以?xún)?yōu)化蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備的充放電過(guò)程，延長(zhǎng)其使用壽命，還能提升系統(tǒng)的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，最終有效提高儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換的運(yùn)行效率和質(zhì)量。

2.3 碳納米管超級(jí)電容器

四個(gè)關(guān)鍵組成部分構(gòu)成了超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置，即電流采集設(shè)備、電解液、隔離物和極板。它們通過(guò)圍繞電解液進(jìn)行極化處理，從而達(dá)到能量?jī)?chǔ)存的目的。就像蓄電池一樣，這個(gè)裝置在充電階段主要采用離子方式來(lái)保持電荷。通常，這個(gè)設(shè)備會(huì)使用活性炭纖維、金屬氧化物和碳納米管等各種元素來(lái)制造基本的電極。碳納米管儲(chǔ)能設(shè)備在這方面展現(xiàn)出極高的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電特性，同時(shí)也擁有相對(duì)較強(qiáng)的機(jī)械特性和較大的長(zhǎng)徑比，能夠執(zhí)行超過(guò)10 萬(wàn)次的充放電循環(huán)，具有極長(zhǎng)的使用壽命，并且具有極高的可靠性，無(wú)需進(jìn)行任何維護(hù)管理。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景

在進(jìn)行電力供應(yīng)的調(diào)整時(shí)，我們通常會(huì)選擇使用如抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能等技術(shù)手段。對(duì)于規(guī)模較小的儲(chǔ)能設(shè)備，電池儲(chǔ)能是最佳的選擇，然而，如果是電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能或混合儲(chǔ)能設(shè)備，那么使用超級(jí)電容儲(chǔ)能就更為恰當(dāng)了。此外，如果要進(jìn)行電網(wǎng)的調(diào)頻或保證電力的品質(zhì)，那么使用超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能技術(shù)和飛輪儲(chǔ)能技術(shù)就更為恰當(dāng)。

在使用風(fēng)能發(fā)電設(shè)備時(shí)，我們通常會(huì)優(yōu)先關(guān)注儲(chǔ)能技術(shù)的費(fèi)用，因此，未來(lái)我們需要特別關(guān)注和研究如何提高能量轉(zhuǎn)換的效率和降低儲(chǔ)能技術(shù)的費(fèi)用。隨著風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的不斷進(jìn)步，許多儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)逐漸完善和改良，并且在該系統(tǒng)的使用范圍也日益廣泛。儲(chǔ)能技術(shù)的各個(gè)層次，例如其成熟度、使用費(fèi)用和特性，都將影響其在風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施，同時(shí)，系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)電力的根本原因是具備對(duì)電力品質(zhì)的監(jiān)督能力。為了確保風(fēng)電場(chǎng)的電力傳輸能夠穩(wěn)定無(wú)誤，我們需要依賴(lài)相關(guān)的科技手段。目前，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓穩(wěn)定的科技主要有超導(dǎo)儲(chǔ)能、液流儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能等。當(dāng)外部電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，這些科技手段能夠迅速并準(zhǔn)確地提供穩(wěn)定的電壓，進(jìn)而保證電網(wǎng)的正常運(yùn)行。對(duì)于大規(guī)模的風(fēng)能發(fā)電設(shè)備，通常會(huì)采用能夠?qū)崿F(xiàn)峰值調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能技術(shù)手段，包括鈉硫儲(chǔ)能電池和液流電池儲(chǔ)能技術(shù)等多種方法。

4 結(jié)語(yǔ)

目前風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)普遍采用多樣化的儲(chǔ)能技術(shù)，如果能夠科學(xué)且合理地使用，不僅可以顯著增加能源的存儲(chǔ)量，還會(huì)極大地提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。