電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

辛華+邢潔+李小燕

[摘 要]電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力電力系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用，帶動(dòng)了風(fēng)力電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。文章對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)以及各種儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，并分析了儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]電池儲(chǔ)能技術(shù)；風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)力電力系統(tǒng)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.32.066

在國家政策的強(qiáng)力推動(dòng)下，經(jīng)過數(shù)年的快速發(fā)展，我國部分電網(wǎng)的風(fēng)電滲透率已達(dá)到較高的水平。風(fēng)功率具有多個(gè)時(shí)間尺度上的隨機(jī)波動(dòng)特性，大量并網(wǎng)加大了系統(tǒng)調(diào)度的復(fù)雜程度，降低了運(yùn)行效率。近年來，我國部分電網(wǎng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的“棄風(fēng)”現(xiàn)象。為促進(jìn)風(fēng)資源的開發(fā)、利用，必須采取措施提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電波動(dòng)的適應(yīng)能力，盡可能減少“棄風(fēng)”現(xiàn)象。無論從調(diào)峰深度還是從爬坡速率角度來看，儲(chǔ)能電站的功率調(diào)節(jié)遠(yuǎn)比常規(guī)電站靈活，可有效平衡風(fēng)功率波動(dòng)，促進(jìn)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的消納。而且，只要接入電網(wǎng)位置合適，儲(chǔ)能電站還可緩解阻塞，減少因電網(wǎng)輸送能力不足導(dǎo)致的“棄風(fēng)”。近年來，在電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)為發(fā)展大型電池儲(chǔ)能電站提供了應(yīng)用前景，因此對(duì)電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用必須要重視。

1 各種儲(chǔ)能技術(shù)的分類和特性概述

儲(chǔ)能的形式很多，各種儲(chǔ)能技術(shù)所利用的原理之間也存在很大差異。儲(chǔ)能技術(shù)大致可分如下幾類：電化學(xué)儲(chǔ)能與物理儲(chǔ)能，最常用到的是電磁儲(chǔ)能，還有較少見的變相儲(chǔ)能。電化學(xué)儲(chǔ)能的形式中有最常見的蓄電池儲(chǔ)能還有超級(jí)電容器儲(chǔ)能。變相儲(chǔ)能的典型方式是冰蓄冷儲(chǔ)能。

2 蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)

蓄電池儲(chǔ)能的原理主要依靠的是化學(xué)反應(yīng)。電池中主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是氧化還原反應(yīng)，蓄電池也是通過這種化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)放電和充電。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)比較復(fù)雜，由多個(gè)部分共同組成，通常情況下的組成部分有控制裝置、電池等。另外，還需要一些適當(dāng)?shù)妮o助設(shè)備。不同的蓄電池中使用的物質(zhì)不同，按照其中化學(xué)物質(zhì)對(duì)蓄電池進(jìn)行分類，可以劃分為鋰離子電池、鉛酸電池以及液流電池等。

（1）鉛酸電池。鉛酸電池的發(fā)展歷史較長，技術(shù)也日趨成熟。市場上的鉛酸電池主要以密封型產(chǎn)品為主，這種電池的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、可靠性高、電能密度適中，因此鉛酸電池在電力系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛，但它在報(bào)廢后難以進(jìn)行無公害處理以及深度放電，這些問題制約了它的深層次開發(fā)與應(yīng)用。

（2）鎳氫電池。鎳氫電池的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、容量大、充放循環(huán)次數(shù)多，價(jià)格昂貴。這種電池也屬于封閉免維護(hù)電池，不含有毒物質(zhì)，不會(huì)在正常的使用過程中產(chǎn)生有害物質(zhì)。

（3）鋰離子電池。鋰離子電池具有功率高、對(duì)環(huán)境影響小以及自放電小的特點(diǎn)，但鋰離子電池系統(tǒng)很容易受工藝和環(huán)境溫度等因素的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)的壽命比單位電池短很多，因此鋰離子電池的大規(guī)模集成比較困難，加上需要維護(hù)，限制了鋰離子電池在電力系統(tǒng)中應(yīng)用。

（4）鈉硫電池。鈉硫電池被普遍認(rèn)為是最高效和最具有發(fā)展?jié)摿Φ碾娏?chǔ)能電池，日本已經(jīng)成功開發(fā)出鈉硫儲(chǔ)能電池系統(tǒng)。日本也開始把鈉硫電池應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，鈉硫電池在風(fēng)力發(fā)電中的主要任務(wù)就是穩(wěn)定輸出功率。在日本風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用鈉硫電池，已經(jīng)成為該國政府重點(diǎn)資助的發(fā)展項(xiàng)目，并且制定了進(jìn)一步的發(fā)展計(jì)劃。

（5）全釩電池。液流電池中的全釩電池是行業(yè)正在重點(diǎn)研究的。全釩電池的工作原理是離子經(jīng)過一系列的電化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)充電和放電。液流電池的儲(chǔ)能容量與電解液的容量和密度有很大關(guān)系，可以進(jìn)行靈活配置，如果需要增大儲(chǔ)存能量的話，就可以采用增大電解液容積和濃度的方法。在日本已經(jīng)有全釩液流儲(chǔ)能電池用于風(fēng)電場的調(diào)頻和調(diào)峰。

3 超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)

超導(dǎo)儲(chǔ)能的原理是將超導(dǎo)線制成線圈，線圈的作用是對(duì)磁場能量進(jìn)行儲(chǔ)存，并可以在用電的時(shí)候返還電能。這種儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：①能量的釋放速度快，不需要能量轉(zhuǎn)換。②可以實(shí)現(xiàn)能量的無損耗儲(chǔ)存，能量返還率高。③可以對(duì)電網(wǎng)電壓、頻率等進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的大容量能量交換以及功率補(bǔ)償，超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用了很長一段時(shí)間。

4 超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)

電化學(xué)雙電層理論是超級(jí)電容器研制的基礎(chǔ)，也是重要的理論依據(jù)。超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了很長時(shí)間，它在電力系統(tǒng)中的任務(wù)是提高電壓下降時(shí)的供電水平。世界上一個(gè)典型在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用超級(jí)電容器的例子發(fā)生在美國，美國建造的超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置的主要任務(wù)是緩解風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸送功率產(chǎn)生的較大波動(dòng)。超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展思路為采用串聯(lián)和并聯(lián)的方式應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，這使得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度加快，調(diào)節(jié)范圍也增大，同時(shí)也提升風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 其他儲(chǔ)能技術(shù)

除了以上在生活中比較常見和常用到的四種儲(chǔ)能方式以外，還有抽水蓄能裝置，這種技術(shù)的主要任務(wù)是調(diào)峰，在集中式發(fā)電中應(yīng)用比較廣泛。抽水蓄能裝置需要在地理?xiàng)l件允許的情況下才能應(yīng)用，因此，很多風(fēng)力發(fā)電場受條件限制無法建造抽水蓄能電站。另外，還有壓縮空氣儲(chǔ)能，它可以用于調(diào)峰，它消耗的燃?xì)獾?，能量轉(zhuǎn)化率高，在復(fù)合化發(fā)電以及大容量發(fā)電中，成本很低。

氫燃料電池是一種新型的儲(chǔ)能技術(shù)，把氫氣作為一種能源載體大規(guī)模地應(yīng)用，首先要解決的是氫的成本和儲(chǔ)存問題，也就是要實(shí)現(xiàn)氫的低成本制造以及進(jìn)行安全儲(chǔ)存。在氫燃料成本還很高的情況下，氫燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用還需要進(jìn)一步發(fā)展。

6 各種儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用前景分析

儲(chǔ)能技術(shù)多種多樣，綜合分析來看，在調(diào)峰方面具有優(yōu)勢(shì)的儲(chǔ)能技術(shù)是抽水蓄能技術(shù)；比較適用于中、小規(guī)模儲(chǔ)能的是電池儲(chǔ)能，而且電池儲(chǔ)能還可以適應(yīng)不同用戶的需求。超級(jí)電容儲(chǔ)能在電動(dòng)汽車儲(chǔ)能方面應(yīng)用比較廣泛；飛輪儲(chǔ)能在電網(wǎng)的調(diào)頻方面有優(yōu)勢(shì)。

大部分儲(chǔ)能技術(shù)由于需要的原料比較昂貴，這導(dǎo)致儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的成本都會(huì)很高，成本問題也是制約儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要問題。因此，提高能量轉(zhuǎn)化效率以及降低成本是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的重要措施。在風(fēng)力發(fā)電中，在進(jìn)行儲(chǔ)能方式選擇時(shí)需要考慮多種因素，例如系統(tǒng)成本、環(huán)境條件以及技術(shù)成熟度等。進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電能的儲(chǔ)存的親體是進(jìn)行電能質(zhì)量的管理，超級(jí)電容器、高速飛輪儲(chǔ)能等技術(shù)的重要作用是保證系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定。當(dāng)外部電網(wǎng)有故障出現(xiàn)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以為電力系統(tǒng)提供一定的電壓來維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定。另外，鉛酸電池和液流電池儲(chǔ)能這兩種系統(tǒng)的調(diào)峰功能比較優(yōu)越，非常有利于對(duì)電能的大規(guī)模儲(chǔ)存。儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以進(jìn)行組合，例如超級(jí)電容器和蓄電池等，采用混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)提高儲(chǔ)能效率很有幫助。

7 結(jié) 論

隨著電網(wǎng)風(fēng)電滲透水平的不斷提高以及電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的日益進(jìn)步，規(guī)?；姵貎?chǔ)能系統(tǒng)有望在不久的將來進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行。電池儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中有著很大的應(yīng)用潛力，做好電池儲(chǔ)能的研究工作，有助于促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展。

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