董宜煊，閆 健

（北京信息科技大學科技處，北京100192）

風能是一種綠色環(huán)保的清潔資源，其儲量豐富，不會枯竭，可永續(xù)利用。風能可以在減少環(huán)境污染、滿足人們基本需求的同時，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。20世紀70年代以來，風能的開發(fā)利用受到世界多個國家的高度重視。近年來，隨著能源和環(huán)境壓力的不斷增大，風力發(fā)電技術(shù)得到迅猛發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年提高[1]。

由于風能具有隨機性和不確定性，使得風力發(fā)電與常規(guī)的火力發(fā)電和水力發(fā)電完全不同，風能發(fā)出的電力不連續(xù)、不穩(wěn)定，瞬時隨機波動很大，因此，為確保風電持續(xù)穩(wěn)定的供電，引入儲能裝置能有效應對風電的短時波動性。儲能裝置具有啟動和停機控制靈活、響應速度快速的特點，在風電系統(tǒng)中添加儲能裝置，可將具有不穩(wěn)定性的電力能源收集起來，再適時平穩(wěn)釋放，減少棄風，有效解決了制約風能發(fā)電的瓶頸，這對于增強風力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低企業(yè)經(jīng)濟成本，確保電力系統(tǒng)發(fā)電與用電始終保持一種動態(tài)平衡至關(guān)重要，同時儲能技術(shù)也可滿足風電大規(guī)模集中化電力系統(tǒng)的需求，展現(xiàn)出非常好的發(fā)展前景。

本文主要介紹適用于風電儲能技術(shù)中應用較為廣泛的抽水儲能、飛輪儲能、超導儲能和蓄電池儲能這4種儲能方式[2]。

1 風電儲能方式

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能是物理儲能方式的一種。它儲能能量較大，通常由2個蓄水庫（上池和下池）、水電廠和引水系統(tǒng)組成。在用電高峰或系統(tǒng)需要時，抽水蓄能可利用上下池水位差，將水位勢能轉(zhuǎn)化成動能推動水輪機旋轉(zhuǎn)，進而帶動發(fā)電機發(fā)電；而在用電低谷時，將下池的水再抽到上池儲存起來，將電能再次轉(zhuǎn)換為水的勢能，存蓄在上池中，待系統(tǒng)需要時放水發(fā)電，雖然這種儲能方式在傳輸?shù)倪^程中能量會有所損耗，但這種儲能方式能有效解決電網(wǎng)高峰和低谷之間的能量供需矛盾。目前，世界上的抽水蓄能儲能電站總裝機容量為9 000萬kW，約占全球發(fā)電裝機量的3%，是世界上應用最普遍的一種間接儲能方式，其優(yōu)點是調(diào)節(jié)響應速度快、安全經(jīng)濟可靠，但系統(tǒng)建設(shè)往往規(guī)模宏大，建設(shè)資本投入較高，地理位置要求也較高[3]，且存在對生態(tài)系統(tǒng)破壞的風險[4]。抽水蓄能的工作原理如圖1所示。

圖1 抽水蓄能的工作原理圖

1.2 飛輪儲能（FESS）

飛輪儲能（Flywheel Energy Storage System，F(xiàn)ESS）是一種新型的機械能儲能方式，它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，但由于它存在能量密度不高、能量會自行耗盡的不足，很多企業(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)揮其適應性強、循環(huán)壽命長、無污染等優(yōu)勢[5]，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)、高溫超導技術(shù)和磁懸浮軸承技術(shù)[6]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[7]關(guān)鍵部件構(gòu)成。飛輪儲能技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 飛輪儲能技術(shù)原理圖

1.3 超導儲能（SMES）

超導儲能（Super conduct i ng Magnet i c Energy Storage，SMES）是一種電磁儲能方式，其概念于20世紀70年代首次提出，它是通過超導體制成的線圈將電能轉(zhuǎn)換成電磁能儲存在超導體中，并在需要時直接釋放出來。超導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)；超導儲能的核心部件是超導線圈，其電阻為零，決定了其轉(zhuǎn)換效率高（≥96%）、比容量大（1～1 0 Wh/k g）、比功率高（1 0 4～105 kW/kg）[8]；超導電流密度高，決定了其響應速度極快（毫秒級）[9]。早期超導儲能裝置性能優(yōu)越但是造價昂貴，隨著20世紀80年代高溫超導材料的使用，超導儲能裝置的可靠性和經(jīng)濟性也逐步提高[10]。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。超導儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 超導儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 蓄電池儲能（BESS）

蓄電池儲能（Battery Energy Storage System，F(xiàn)ESS）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，如圖4所示，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。

圖4 蓄電池儲能系統(tǒng)

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)中仍占主導應用地位。鉛酸電池的電解液是稀硫酸，鉛和鉛的氧化物作為電極?；瘜W儲能方式性能比較如表1所示。由表1可知，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，電池化學反應減速，不足以達到額定容量。工作溫度過高時，化學反應過于劇烈，電解液溫度升高，容易導致電池損壞。

表1 化學儲能方式性能比較

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)明的碳鉛超電池應運而生。其采用碳材料部分或全部取代鉛負極[11]，以此讓蓄電池極板部分或者全部具有超級電容器的特性[12]，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[12]。正極一般作為“鋰源”，而負極需容納大量的鋰離子。由表1可知，鋰離子電池比能量高、循環(huán)性好，并且它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。

全釩液流電池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB）于1974年由美國科學家THALLERL H提出。它的陰陽兩極可由金屬、石墨或復合材料制成[13]。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，復合材料兩極可為高分子復合材料、導電聚合物等。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。此外它壽命長、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（40 Wh/kg）、占地面積大、工作溫度范圍要求高（5～45℃）等缺點。

2 儲能方式關(guān)鍵技術(shù)性能比較分析

在風電研究中，要確定選用哪種儲能方式時，除了考慮風電的應用場景外，還需要考慮多種因素，其中主要包括體積容量密度、功率密度、充放電效率、壽命、經(jīng)濟成本和安全環(huán)境方面等，只有將多方面的因素考慮進去，才能結(jié)合實際場景選擇最合適的一種風電儲能方式。表2列出了本文提出的幾種儲能方式的關(guān)鍵技術(shù)性能參數(shù)和優(yōu)缺點。

表2 儲能技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)性能參數(shù)及優(yōu)缺點比較

表2（續(xù)）

通過以上幾種儲能方式的優(yōu)缺點可以看出，技術(shù)成熟度和性能優(yōu)越性最高的是抽水蓄能，它容量大、放電時間長、安全經(jīng)濟可靠等特點使其在發(fā)電側(cè)占據(jù)顯著優(yōu)勢，但是它對地形要求高，廠址選擇限制要求比較明顯，并存在破壞生態(tài)環(huán)境風險。飛輪儲能環(huán)境友好、壽命長，但是容量小，并且只能采用磁懸浮軸承、密閉真空空間等高成本技術(shù)才能提高充放電效率。化學電池儲能歷史悠久，技術(shù)成熟，并且有快速動態(tài)響應、結(jié)構(gòu)模塊化等優(yōu)點，且能實現(xiàn)有功無功雙向調(diào)節(jié)控制。但是部分化學儲能方式污染環(huán)境、能量密度低，對工作溫度范圍要求高。超導儲能轉(zhuǎn)換效率高、比容量大、比功率高、響應速度快，但是能量密度低，僅適合短時間反復充放電。

3 總結(jié)

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)，將成為廣泛應用在風電的新型儲能技術(shù)。