吳邦鳴

摘 要：隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，用電需求也在不斷增加。在經(jīng)過(guò)多年發(fā)展之后，我國(guó)目前已經(jīng)在電力領(lǐng)域取得了國(guó)際領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)楣娞峁└影踩€(wěn)定的電能。在經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)積累之后，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)在公眾面前，能夠以更低的成本發(fā)出更加高質(zhì)量的電能，極大的減小對(duì)環(huán)境的破壞。風(fēng)電屬于清潔可再生能源，在實(shí)際應(yīng)用中可以結(jié)合儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)揮出更大的作用。文章將對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的原理以及特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，并且闡述儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能技術(shù)；風(fēng)力發(fā)電；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）31-0162-02

Abstract： With the continuous progress of society， the demand for electricity is also increasing. After years of development， China has made a leading international advantage in the field of electric power， and can provide more safe and stable electricity for the public. After decades of technology accumulation， wind power generation has been gradually presented to the public， which can generate higher quality electricity at a lower cost and greatly reduce the damage to the environment. Wind power is a kind of clean and renewable energy， which can be combined with energy storage technology to play a greater role in practical applications. The paper will explain the principle and characteristics of energy storage technology， and describe the application prospect of energy storage technology in wind power generation.

Keywords： energy storage technology； wind power generation； application

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境的保護(hù)不斷重視，國(guó)家對(duì)新能源的研究投入也越來(lái)越大，并且提出了新能源振興計(jì)劃，其中風(fēng)力發(fā)電因其污染小、可再生性強(qiáng)等特點(diǎn)尤其被大家關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電涉及到多方面的專業(yè)技術(shù)，要將儲(chǔ)能技術(shù)引入到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，以此來(lái)更好的提高電能的質(zhì)量。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)獲得了一些應(yīng)用，并且正朝著提高風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的方向發(fā)展，預(yù)計(jì)在2020年左右，風(fēng)力發(fā)電將會(huì)在我國(guó)總體發(fā)電容量中占有較大的份額。

1 儲(chǔ)能技術(shù)的分類和特性

1.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

飛輪儲(chǔ)能的主要原理是利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候再用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的儲(chǔ)能方式。目前通過(guò)超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)能夠有效降低損耗，采用復(fù)合材料能夠提高儲(chǔ)能密度，降低系統(tǒng)體積和重量。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中需要使用到許多性能優(yōu)秀的材料技術(shù)以及電力電子變流技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中能量轉(zhuǎn)化過(guò)程有所消耗，最終使得整個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率一般在90%左右。這種儲(chǔ)能系統(tǒng)具有無(wú)污染、充放電次數(shù)無(wú)限以及維修便利的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)得到了很多應(yīng)用。在后來(lái)的研究中發(fā)現(xiàn)，在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用積木式組合之后，能夠使得該儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率更高，輸出的電能持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)一般都應(yīng)用在一些UPS和EPS中，能夠發(fā)揮重要的作用。

1.2 超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)與飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)存在一些區(qū)別，在工作過(guò)程中是將電能首先轉(zhuǎn)變成磁場(chǎng)能量進(jìn)行存儲(chǔ)，等需要使用的時(shí)候再轉(zhuǎn)換為電能。超導(dǎo)儲(chǔ)能是比較先進(jìn)的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)能量的長(zhǎng)期存儲(chǔ)，并且損耗更小，使得對(duì)能量的利用效率很高。在將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電能時(shí)，能量轉(zhuǎn)換的速度非常快，相比于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)換效率提升至96%以上。由于超導(dǎo)具有很好的動(dòng)態(tài)性，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)運(yùn)用十分廣泛，主要運(yùn)用于輸配電網(wǎng)支撐、調(diào)節(jié)功率、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面。在上世紀(jì)九十年代，關(guān)于超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)方面的研究就已經(jīng)比較成熟，能夠比較好地運(yùn)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，但是如何進(jìn)一步提高超導(dǎo)的工作轉(zhuǎn)換效率仍然是學(xué)界需要攻克的問(wèn)題。

1.3 蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)

蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)是最早在儲(chǔ)能方面得到應(yīng)用的，已經(jīng)在生活中的很多方面得到了實(shí)際應(yīng)用。在經(jīng)過(guò)幾代科學(xué)家的努力研究之后，蓄電池的容量逐漸擴(kuò)大，儲(chǔ)存容量不斷得到提高，逐漸成為生活中不可或缺的部分。在現(xiàn)階段，一般的鉛酸蓄電池容量為20MW，是最開(kāi)始蓄電池的近百倍，鉛酸電池在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中比較常見(jiàn)，這與鉛酸電池的成本低以及可靠性高密不可分，并且對(duì)于環(huán)境的要求不是很嚴(yán)格。但是也存在一些缺陷，比如說(shuō)當(dāng)達(dá)到使用壽命之后很難進(jìn)行無(wú)害化處理，造成對(duì)環(huán)境的影響。鎳氫電池已經(jīng)在2008年北京奧運(yùn)會(huì)時(shí)得到了應(yīng)用，北京地區(qū)的混合電動(dòng)車都是使用鎳氫蓄電池作為移動(dòng)電源。但是鎳氫電池的能量密度與其實(shí)際使用環(huán)境有關(guān)，當(dāng)放電電流比較小時(shí)，其能量密度能夠超過(guò)80kWh/kg，但是當(dāng)放電電流比較大時(shí)，能量密度降低到40kWh/kg。對(duì)于鋰離子電池，由于其生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，并且受環(huán)境影響比較嚴(yán)重，因此也就造成鋰離子電池?zé)o法勝任實(shí)際風(fēng)力發(fā)電中的需求，很難進(jìn)行應(yīng)用。最后就是全釩液流電池，在應(yīng)用時(shí)涉及到電解液和汞之間的相互作用，在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電過(guò)程。目前全釩液流電池已經(jīng)成為研究的主流，我國(guó)國(guó)家科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所已經(jīng)掌握了比較領(lǐng)先的技術(shù)。

1.4 超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)

該技術(shù)能夠提供更大的脈沖功率。在對(duì)該電容器進(jìn)行充電時(shí)，在電極表面的離子不斷的吸引異性的離子，最終因?yàn)槲Φ淖饔枚栏皆陔姌O的表面，也就形成了雙電層電容。一般超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)都用在電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量高峰值功率場(chǎng)合中，一旦出現(xiàn)負(fù)載過(guò)大導(dǎo)致電壓跌落比較嚴(yán)重時(shí)，就能夠立即放電，提高電壓，使得供電更加穩(wěn)定。超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有很多，例如：可以產(chǎn)生較大并且穩(wěn)定的電流、充電放電的時(shí)間比較短，并且多次重復(fù)循環(huán)的充電放電不會(huì)讓電容器有損害。但是目前由于我國(guó)這方面的研究起步較晚，我國(guó)在這方面的技術(shù)比較落后，相對(duì)于像美國(guó)、日本、韓國(guó)、歐洲等掌握核心開(kāi)發(fā)技術(shù)的國(guó)家，我國(guó)在這方面的研究仍有很長(zhǎng)的路要走。如果在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)，會(huì)讓風(fēng)電電能的質(zhì)量更高，穩(wěn)定性更強(qiáng)。

1.5 其他儲(chǔ)能形式

在電力系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，還有抽水儲(chǔ)能、氫燃料電池儲(chǔ)能以及壓縮空氣儲(chǔ)能等這些方式。一般來(lái)說(shuō)，抽水儲(chǔ)能裝置能夠在調(diào)峰中發(fā)揮重大作用。但是這種技術(shù)由于需要建立抽水儲(chǔ)能電站，由于對(duì)環(huán)境的要求比較高，導(dǎo)致該技術(shù)在很多地區(qū)無(wú)法得到應(yīng)用。氫燃料電池需要實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能之間的轉(zhuǎn)換，當(dāng)氫氣燃燒時(shí)，就需要將燃燒放出的能量轉(zhuǎn)換為電能。但是目前氫氣的價(jià)格比較昂貴，并且在運(yùn)輸過(guò)程中條件相對(duì)苛刻，稍有不慎就有可能出現(xiàn)爆炸。要想更好的使用氫燃料電池，就必須要解決好運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。在風(fēng)力發(fā)電中，也可以將發(fā)電場(chǎng)作為氫氣制造基地，這樣就能夠?yàn)橐恍┮詺錃鉃樵系钠囂峁┠茉?。但是目前由于技術(shù)不成熟和成本比較高的原因限制了它的發(fā)展。壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用在調(diào)峰過(guò)程中，這種技術(shù)消耗的燃?xì)獗容^少，具備節(jié)能的特性。當(dāng)前大容量和復(fù)合化發(fā)電不斷發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)的是關(guān)于壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)將會(huì)持續(xù)成為研究熱點(diǎn)。

1.6 儲(chǔ)能技術(shù)比較

在選用何種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行時(shí)，需要考慮多種因素，其中包括容量大小、功率、儲(chǔ)存期限、轉(zhuǎn)換參數(shù)等，只有將多方面的因素考慮進(jìn)去，才能結(jié)合實(shí)際情況選擇最合適的一種。表1列出了各種儲(chǔ)能方式它們自身的容量、功率等參數(shù)，以及它們的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)化效率等，這樣就能更直觀的體現(xiàn)各種儲(chǔ)能方式的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

2 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用前景分析

在經(jīng)過(guò)技術(shù)積累之后，已經(jīng)有很多儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了實(shí)際應(yīng)用。在電網(wǎng)調(diào)峰中，一般會(huì)使用到抽水儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。但是在對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行保護(hù)時(shí)，使用電磁儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能比較合適。但是還是有很多儲(chǔ)能技術(shù)無(wú)法得到應(yīng)用，很大程度上都是因?yàn)槌杀镜南拗疲⑶疫€存在能量轉(zhuǎn)換效率比較低的缺陷。在風(fēng)力發(fā)電不斷成為研究熱點(diǎn)的背景下，各種儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景更加可觀，因此就需要在未來(lái)的工作中不斷加大對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究，盡量減小成本，提高能量轉(zhuǎn)換效率，這樣才能夠使得儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用更加廣泛。目前高速飛輪和超級(jí)電容器這些技術(shù)已經(jīng)能夠使得風(fēng)電場(chǎng)的輸出電能功率更加平滑。

3 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間，需要建立功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載和儲(chǔ)能單元之間的雙向能量傳遞。根據(jù)在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中的環(huán)境不同，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也可以分為：?jiǎn)闻_(tái)風(fēng)機(jī)直流側(cè)并聯(lián)PCS、風(fēng)電場(chǎng)交流側(cè)并聯(lián)PCS、風(fēng)電場(chǎng)HVDC輸電直流側(cè)并聯(lián)PCS以及混合儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第一種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中應(yīng)用比較多，當(dāng)PCS并聯(lián)在永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子直流母線側(cè)時(shí)，需要增設(shè)直流變交流設(shè)備。第二種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)一般在風(fēng)電場(chǎng)的出口處的低壓側(cè)進(jìn)行安裝，并且需要加設(shè)交流變直流設(shè)備。第三種功率轉(zhuǎn)換裝置需要輔助對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電功率的控制，對(duì)風(fēng)能的波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅猛，同時(shí)也改變了世界風(fēng)電格局，成為全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)新的“風(fēng)向標(biāo)”。儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用具有廣闊的前景。因此我國(guó)需要在今后加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究力度，掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛使用。政府也應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的政策支持，鼓勵(lì)電力企業(yè)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行研究，努力在混合式儲(chǔ)能技術(shù)研究中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，為我國(guó)電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行提供新的技術(shù)支持。

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