高福偉

（國華(臨朐)風力發(fā)電有限公司，山東濰坊，262600）

0 引言

在現(xiàn)代化時代背景下，社會需電量逐年增加，據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年風電并網(wǎng)裝機容量在新能源總裝機容量中占37.5%，全年風力發(fā)電量為4665億千瓦時，同比增長15%[1]。在大力發(fā)展新能源發(fā)電的“雙碳”戰(zhàn)略指導下，電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰需求增大，在此形勢下，風力發(fā)電系統(tǒng)將進一步穩(wěn)定發(fā)展，通過儲能實效消納，避免資源浪費，充分利用風力資源，必須根據(jù)風力發(fā)電系統(tǒng)實際情況配置儲能系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)電力供給情況，提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 常見儲能技術(shù)類別及其特點

風力發(fā)電具有成本低、技術(shù)成熟、環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢，在新時代電力系統(tǒng)的地位逐漸提升，風力發(fā)電量逐年增加，然而風能存在一定波動性，即風能大小不可控，為提升風力發(fā)電供給穩(wěn)定性，需借助儲能技術(shù)進行調(diào)頻、調(diào)峰。

■1.1 飛輪儲能技術(shù)

飛輪儲能技術(shù)主要是借助電能驅(qū)動帶動裝置圓盤旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電能到動能的轉(zhuǎn)化，所生成的動能將被存儲在裝置加速質(zhì)量塊中，需要發(fā)電時，飛輪將憑借自身動能為發(fā)電機提供能源，繼而實現(xiàn)動能到電能轉(zhuǎn)化。在傳統(tǒng)化飛輪儲能期間，將產(chǎn)生大量耗損，為解決耗損問題，逐漸將超導磁懸浮技術(shù)應用到飛輪儲能裝置中，借助新型復合材料增強儲能密度，并縮減儲能裝置體積。飛輪儲能的能量轉(zhuǎn)化率約為90%，仍存有上升空間，但飛輪儲能具有無污染、保養(yǎng)維修便利、不限次充放電等優(yōu)勢，因此，在風電系統(tǒng)中，飛輪儲能技術(shù)仍具有較強應用空間。隨著發(fā)電產(chǎn)業(yè)與電力系統(tǒng)的發(fā)展，飛輪儲能技術(shù)得到進一步開發(fā)，借助飛輪儲能用于補償發(fā)電功率短期變化情況，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時，積木式組合飛輪儲能方式被提出，極大提升了飛輪儲能充放電效率。在大規(guī)模并網(wǎng)形勢下，為保持并突出飛輪儲能優(yōu)勢，逐漸將飛輪儲能的研究目標集中在并網(wǎng)型飛輪儲能系統(tǒng)研究中，引入新型微損耗軸承及高強度飛輪材料，提升飛輪儲能系統(tǒng)性能，使飛輪儲能系統(tǒng)趨向高轉(zhuǎn)速、大容量、模塊化發(fā)展。此外，為確保飛輪儲能能夠在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到良好發(fā)揮，近年來還注重飛輪裝置轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對應力、儲能密度的作用，致力于調(diào)整優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改變飛輪半徑、最高轉(zhuǎn)速、儲能總量，使飛輪儲能技術(shù)能夠良好適應于風力發(fā)電系統(tǒng)。

■1.2 超導儲能技術(shù)

超導儲能技術(shù)主要借助磁場能量進行存儲，即在儲能過程中，運用超導體線圈介質(zhì)，借助直流電流形成的磁場進行儲能，當需要電能時，將磁場內(nèi)電能放出即可，因此，該技術(shù)又被稱之為超導磁體儲能。能夠在較短時間內(nèi)完成高功率儲能[2]。超導儲能技術(shù)能夠長時間儲存電能，且儲能期間的能量損耗較低，有效提升了能量利用率（約為95%）。超導儲能系統(tǒng)最顯著的特點在于動態(tài)性強，能夠根據(jù)電力系統(tǒng)指令快速反應，故而在各領(lǐng)域中得到廣泛，其在風電系統(tǒng)多用于頻率調(diào)節(jié)、功率補償?shù)确矫?，能夠極大提高供電穩(wěn)定性。

■1.3 蓄電池儲能技術(shù)

蓄電池儲能技術(shù)為傳統(tǒng)化儲能手段，經(jīng)長期開發(fā)與探索，蓄電池儲能出現(xiàn)多種類型，并在多領(lǐng)域中得到廣泛應用。隨著蓄電池儲能的發(fā)展，電池存儲容量逐漸提升，大幅度提高了蓄電池應用價值。（1）鉛酸蓄電池。該類蓄電池存儲容量已達20MW，遠超蓄電池初期發(fā)展水平，因鉛酸蓄電池可靠性高、制作成本低、環(huán)境要求低，故而在風力發(fā)電系統(tǒng)中較為常見。鉛酸蓄電池在環(huán)保與資源再利用方面存在劣勢，當鉛酸蓄電池使用壽命結(jié)束后將不具備任何用途，且鉛酸蓄電池在降解期間無法無公害化處理，若處理不當則會污染環(huán)境，與新時代生態(tài)環(huán)保理念相悖。（2）鎳氫電池。該類電池最早于2008年在北京用于混合電動車，在實際應用期間發(fā)現(xiàn)，鎳氫電池能量轉(zhuǎn)化情況與周圍環(huán)境存在緊密關(guān)聯(lián)，即受環(huán)境影響大。若在電流較小的情況下，放電時的能量密度至少為80kWh/kg，但若電流較大，放電時的能量密度降至40kWh/kg。（3）鏗離子電池。該類電池同樣受環(huán)境影響較大，且制作工藝復雜，故而在風力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)不適用。（4）全釩液流電池。汞在電解液環(huán)境中將產(chǎn)生化學反應，在電極表面進行氧化還原，繼而完成蓄電池的充放電。在釩液流電池實際應用期間，其高效率、低成本的特點逐漸被業(yè)界關(guān)注，現(xiàn)已取得一定成效。

■1.4 超級電容器儲能

超級電容器儲能以電化學雙電層理論為基礎，在實際運用期間，將產(chǎn)生巨大脈沖功率，使電力表面始終處于最佳狀態(tài)，當充電時，電解質(zhì)異性離子在電荷吸引力驅(qū)動下吸附于電極表面，此時將產(chǎn)生雙電荷層。超級電容器儲能技術(shù)的裝置結(jié)構(gòu)較為簡單，且無毒性物質(zhì)產(chǎn)生，環(huán)保性得到保障，此外，超級電容器儲能方式所產(chǎn)生的電流較大，充電時間相對較短，在充放電循環(huán)期間能夠保持上述優(yōu)勢，但超級電容器儲能同樣存在一定劣勢，超級電容器儲能對充電期間的電壓具有較高要求，而單個電容器電壓無法滿足高效充電需求，故而在風力發(fā)電系統(tǒng)中，超級電容器儲能多用于調(diào)節(jié)短時大功率平滑情況。

■1.5 其他儲能技術(shù)

除上述常用儲能技術(shù)外，現(xiàn)階段應用較為廣泛的還有氫燃料電池儲能、壓縮空氣儲能、抽水儲能等。其中氫燃料電池儲能成本相對較高，但環(huán)保性強、性能優(yōu)異，受限于成本與技術(shù)，現(xiàn)主要被應用在航天航空領(lǐng)域，但隨著技術(shù)的成熟發(fā)展，現(xiàn)已認識到氫燃料電池儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的較大潛力，現(xiàn)已逐步在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到應用。壓縮空氣儲能需借助燃氣機實現(xiàn)，該儲能方式具有較高能量轉(zhuǎn)化率，可降低能量耗損，現(xiàn)在風力發(fā)電與電力系統(tǒng)中多用于儲能調(diào)峰。抽水儲能現(xiàn)階段在風力發(fā)電與電力系統(tǒng)主要起到集中發(fā)電、系統(tǒng)調(diào)峰的效果，但抽水儲能對地理條件要求高，需建設配套抽水蓄能電站，故而存在一定局限。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的具體應用

為深入了解儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用，將以前瞻性眼光分析風力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)應用，主要探討風力發(fā)電系統(tǒng)中的先進新型儲能技術(shù)。

■2.1 氫燃料儲能

氫燃料儲能主要憑借電化學裝置來實現(xiàn)，將氧化劑、燃料內(nèi)的化學能轉(zhuǎn)化為電能，在“雙碳”戰(zhàn)略目標及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略指導下，氫燃料儲能技術(shù)逐漸被應用到風力發(fā)電系統(tǒng)中。氫燃料儲能容量無上限，以電解質(zhì)為劃分依據(jù)主要可分為直接甲醇燃料儲能裝置、質(zhì)子交換膜燃料儲能裝置、堿性燃料儲能裝置，各類儲能裝置均由陽極、陰極、電解質(zhì)構(gòu)成，工作原理相似，僅電解質(zhì)存在差異。在風力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，質(zhì)子交換膜燃料儲能方式應用最廣泛。在質(zhì)子交換膜燃料儲能裝置運行期間，燃料氣體與氧氣穿過雙擊板氣體通道后進入兩極，經(jīng)過膜電極部位擴散區(qū)域后進入催化層，此時氫氣將在膜陽極催化劑作用下分解為水、質(zhì)子與電子，水與質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜磺酸基進入陰極，而電子穿過外電路進入陰極，最終，電子、質(zhì)子與水在陰極催化劑作用下，與氧分子產(chǎn)生反應，在一系列化學反應中完成電能存儲及充放電過程，同時在壓縮化、液化、金屬化儲能方式應用下實現(xiàn)長期儲能，效果顯著[3]。在風力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，氫儲能裝置由氫儲罐、電解槽、燃料儲能裝置構(gòu)成，當風能充足時，電解槽通過電解水產(chǎn)生氫氣，并將在氫儲罐存儲，待儲滿氫后，此時的多余電力將轉(zhuǎn)出成為負載，當風力發(fā)電赤字時，氫儲能裝置將進行氧與氫的反應，繼而生成電能，彌補系統(tǒng)負載，保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定?，F(xiàn)階段對氫燃料儲能的技術(shù)研究逐漸深化，技術(shù)難關(guān)逐漸被攻克，同時，相關(guān)組件成本不斷降低，使氫燃料儲能技術(shù)的大范圍應用更為可能。

■2.2 雙電池儲能

現(xiàn)階段主要有兩種緩解風電功率波動的方式，即借助儲能裝置與功率平滑方式，其中功率平滑方式不必使用儲能裝置，但無法確保風能采集應用效果，而運用儲能裝置搭建儲能系統(tǒng)，能夠良好采集風力發(fā)電量，通過電能存儲，為電網(wǎng)輸送穩(wěn)定電能。電池儲能效果優(yōu)異，故而在風力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應用。近年來，電池儲能技術(shù)發(fā)展迅速，為延長電池儲能裝置使用壽命而提出雙時間尺度協(xié)調(diào)控制的方式，用于控制風電功率波動，確保電池儲能裝置能夠在風電系統(tǒng)中發(fā)揮良好作用。此外，為縮減系統(tǒng)運行成本而出現(xiàn)了大型電池儲能裝置，由多個電池組成，通過雙層控制方式調(diào)節(jié)風電功率波動，并配置不同電池儲能單元的功率，在此基礎上，逐漸出現(xiàn)了雙電池儲能技術(shù)，由兩個電池裝置構(gòu)成，分別用于充電與放電，當實際風電功率高于電網(wǎng)調(diào)度功率時，充電電池將始終保持充電狀態(tài)，當實際風電功率低于電網(wǎng)調(diào)度功率時，充電電池將停止工作，而放電電池進入工作狀態(tài)，兩個不同功能的電池充放電狀態(tài)根據(jù)實際風電功率而切換，因狀態(tài)切換由兩個電池單獨進行，可避免單個電池裝置進行狀態(tài)切換的弊端，相較于單個電池裝置，能夠有效延長電池儲能裝置使用壽命，并優(yōu)化調(diào)度功率，使不穩(wěn)定性風電能夠持續(xù)化送入電網(wǎng)。

■2.3 混合儲能技術(shù)

現(xiàn)階段風力發(fā)電系統(tǒng)的主要儲能裝置為蓄電池，但蓄電池裝置壽命較短、功率密度較低、維護難度高，還易產(chǎn)生環(huán)境污染，為解決該問題，可將蓄電池裝置與超級電容器方式相結(jié)合，形成混合儲能技術(shù)。超級電容器儲能裝置使用壽命長，功率密度及功率效率較高，且無需維護，能夠與蓄電池儲能通過無源式結(jié)構(gòu)、有源式結(jié)構(gòu)進行互補式并聯(lián)，繼而構(gòu)建混合儲能裝置。混合儲能裝置集合兩種儲能方式的優(yōu)勢，有效延長儲能裝置使用壽命，兼顧經(jīng)濟性與技術(shù)性，并保障了能量轉(zhuǎn)化效果，由此可見，混合儲能裝置在風力發(fā)電系統(tǒng)中具有較強應用價值。當風力發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)出現(xiàn)異常時，混合儲能裝置能夠快速響應并投入到風力發(fā)電系統(tǒng)運行中，快速進行充放電，用于彌補并網(wǎng)負荷高峰階段的電力缺口。超級電容器能夠有效帶動蓄電池進入充放電狀態(tài)，根據(jù)風力發(fā)電系統(tǒng)實際情況進行“削峰填谷”，以此保障風力發(fā)電系統(tǒng)平衡，提升供電可靠性。

■2.4 碳納米管超級電容器

超級電容器由電解質(zhì)、極板、隔離物、電流采集裝置構(gòu)成，能夠通過電解質(zhì)極化完成儲能。超級電容器與蓄電池儲能方式類似，在充電期間采用離子形式存儲電荷，達到儲能效果。傳統(tǒng)的超級電容器多采用金屬氧化物、活性炭纖維等材質(zhì)作為電極材料，隨著超級電容器的發(fā)展，因碳納米管的導電性、化學穩(wěn)定性、機械強度更高，故而現(xiàn)階段多采用碳納米管超級電容器作為風力發(fā)電系統(tǒng)的儲能方式。在風力發(fā)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)，電能儲備效果顯著，且使用壽命相對較長，因此，碳納米管超級電容器在風力發(fā)電系統(tǒng)中尤為適用。

3 儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的未來應用前景

現(xiàn)階段社會各領(lǐng)域發(fā)展均重視新能源的應用，在發(fā)電產(chǎn)業(yè)中，在“雙碳”戰(zhàn)略目標指導下，火力發(fā)電量在總發(fā)電量中的占比逐漸降低，風能作為新能源的一種，其裝機數(shù)量及發(fā)電量逐漸提高，在整個發(fā)電產(chǎn)業(yè)中的占比持續(xù)增高，在此形勢下，諸多風電企業(yè)著手研究風電場儲能裝置或儲能型風機，因此，在未來發(fā)展中，風力發(fā)電系統(tǒng)的儲能技術(shù)將快速發(fā)展。儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用效果不僅限于“削峰填谷”，其經(jīng)濟效益仍有待挖掘，例如：能否使前期投入成本與后期“棄風量”達到“收支平衡”等[4]。同時在新時代電力系統(tǒng)發(fā)展中，提出并搭建了風光互補發(fā)電系統(tǒng)，采用風力發(fā)電、太陽電池方陣兩種方式完成風光互補電站的發(fā)電任務，使太陽能與風能可在不同場景配合發(fā)揮效果，通過互補方式消除可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，在此形勢下，需根據(jù)風光互補電站運行規(guī)律做好儲能裝置的配備，以此實現(xiàn)全天候發(fā)電。除此之外，蓄能裝置的回收與再利用同樣為未來發(fā)展重點，實現(xiàn)蓄能裝置回收再利用后，將大幅度提高各類儲能技術(shù)的應用價值。近年來，為促進光伏、風電發(fā)展，儲能裝置的研發(fā)項目持續(xù)推進，力圖提升儲能裝置帶來的全年收益、調(diào)峰收益，使風力發(fā)電系統(tǒng)儲能能夠兼顧技術(shù)性與經(jīng)濟性。

4 結(jié)束語

綜上所述，飛輪儲能技術(shù)、超導儲能技術(shù)、蓄電池儲能技術(shù)、超級電容器儲能等傳統(tǒng)儲能技術(shù)，在未來風力發(fā)電系統(tǒng)中，氫燃料儲能技術(shù)、雙電池儲能技術(shù)、混合儲能技術(shù)、碳納米管超級電容器儲能技術(shù)將得到廣泛應用，進一步提高風力發(fā)電系統(tǒng)儲能容量，增強儲能性能，提高儲能穩(wěn)定性。在未來發(fā)展中，儲能技術(shù)的作用將不僅限于“削峰填谷”，在保障技術(shù)優(yōu)勢的同時，還可進一步挖掘經(jīng)濟效益。