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

        2022-02-08 05:52:08中廣核新能源安徽分公司趙海亮
        電力設(shè)備管理 2022年24期
        關(guān)鍵詞:飛輪風(fēng)力電容器

        中廣核新能源安徽分公司 趙海亮

        1 風(fēng)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(jìn)行替代,降低二氧化碳排放量,保護(hù)地球環(huán)境已成為大勢所趨。20世紀(jì)七十年代,國外就風(fēng)能發(fā)電開始加強(qiáng)研究,如美國、德國、丹麥等國家一些研究機(jī)構(gòu)和高校,都積極參與了風(fēng)能開發(fā)研究,并對風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行了大規(guī)模的投資。我國風(fēng)電事業(yè)發(fā)展從20世紀(jì)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(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到7×107kW,新增風(fēng)電裝機(jī)量連續(xù)多年排名全球首位;2021年我國風(fēng)力發(fā)電量達(dá)到5×108kWh以上,成為全世界主要的風(fēng)電市場之一。從風(fēng)力發(fā)電占全國總發(fā)電量的比重來看,目前風(fēng)力發(fā)電總量仍處于一個較低的水平,風(fēng)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(fēng)能資源儲量在109kW以上,除了陸地風(fēng)力發(fā)電開發(fā),海上風(fēng)力發(fā)電開發(fā)利用也越來越受到重視,并逐漸成為風(fēng)力發(fā)電未來開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。

        2 風(fēng)力發(fā)電儲能技術(shù)

        當(dāng)前,我國各個行業(yè)已經(jīng)被不同的科學(xué)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。基于此,風(fēng)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(fēng)力企業(yè),逐漸成為風(fēng)力發(fā)電建設(shè)中的常規(guī)化配置。將儲能技術(shù)與風(fēng)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(fēng)力資源的問題,保證這些地區(qū)在少風(fēng)季節(jié)依舊可以滿足基本要求的發(fā)電量。從長遠(yuǎn)角度分析,儲能技術(shù)推動風(fēng)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(diǎn)

        3.1 飛輪儲能技術(shù)

        飛輪儲能是一種新型的機(jī)械能儲能方式,突破了化學(xué)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(jī)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(yùn)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(shí)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(jìn)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(qiáng)、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(qiáng)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(jìn)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(jī)、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(jì)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(jì)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(jì)性也逐步提高。充分利用SMES的這些優(yōu)點(diǎn),可以有效解決風(fēng)力發(fā)電的波動性問題,進(jìn)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(shí)現(xiàn)電能與電池化學(xué)能之間轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)化學(xué)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(shí)現(xiàn)了蓄電池儲能與風(fēng)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(fēng)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(diǎn)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(xué)反應(yīng)減速,不足以達(dá)到額定容量。工作溫度過高時,化學(xué)反應(yīng)過于劇烈,電解液溫度升高,容易導(dǎo)致電池?fù)p壞。

        為了改良鉛酸電池的性能,由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSRIO)發(fā)明的碳鉛超電池應(yīng)運(yùn)而生。其采用碳材料部分或全部取代鉛負(fù)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(fù)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(xué)電池而言綠色環(huán)保,種種優(yōu)點(diǎn)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(fēng)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(fēng)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(diǎn)。

        3.4 超級電容器儲能

        超級電容器儲能主要將電化學(xué)雙電層理論作為基礎(chǔ),在運(yùn)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(dāng)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(jìn)行滿足,因此在風(fēng)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(fù)荷時的剩余電力,將位于低處的水通過抽水機(jī)抽到高處蓄存起來,然后在用電高峰負(fù)荷期放出位于高處的水,通過水輪機(jī)使發(fā)電機(jī)發(fā)電,為電網(wǎng)補(bǔ)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(fù)荷處于低谷時,抽水蓄能電站的抽水機(jī)是耗電大戶,要盡可能消耗過剩的電能。而在電網(wǎng)負(fù)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(bǔ)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(dān)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(jì)效益,使電網(wǎng)更加安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定地運(yùn)行。

        4 儲能技術(shù)在風(fēng)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(fēng)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(dá)儲能設(shè)備的陰陽兩極,并從膜電極以擴(kuò)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(xì)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(fù)載到達(dá)陰極位置,質(zhì)子和水分子通過交換膜抵達(dá)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(jìn)入陰極的3類物質(zhì)進(jìn)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(dāng)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(fēng)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(dá)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(fù)載,避免能源浪費(fèi)[4]。而風(fēng)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(fù)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(dāng)前系統(tǒng)的發(fā)電情況;電解質(zhì)用于離子和質(zhì)子運(yùn)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(fēng)能得到優(yōu)化儲存。超級電容器在原理上與蓄電池相似。當(dāng)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(dāng)成電極材料,作為我國獨(dú)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(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)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(shí)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(dāng)前,風(fēng)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(hù)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(jìn)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(hù),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(jìn)行互補(bǔ)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(jìn)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(jì)性,可以保證能量轉(zhuǎn)化效果良好,基于此在風(fēng)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(shí)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(jìn)行存儲,實(shí)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(dāng)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(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度良好,因此在當(dāng)前風(fēng)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(dāng)做儲能方式[5]。在風(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的未來應(yīng)用前景

        在當(dāng)前的儲能技術(shù)當(dāng)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(xué)儲能有了非常大的發(fā)展,在這當(dāng)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(bǔ)貼,依照近年來的趨勢,電化學(xué)儲能的成本還將持續(xù)下降60%以上,在電化學(xué)儲能上,鋰電池的競爭力最強(qiáng),適用范圍最廣,能效最好,成本也較低。

        6 結(jié)語

        風(fēng)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(xué)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(hù)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(shí)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(jìn)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(fēng)電的新型儲能技術(shù)。

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