平抑風(fēng)電出力波動儲能技術(shù)比較及分析

趙一男　劉志雄　李海濱

摘要：風(fēng)電具有出力波動大的特點，而儲能技術(shù)是平抑風(fēng)電出力波動的有效途徑。此外，儲能技術(shù)還對電能的聚集和調(diào)節(jié)發(fā)揮著重要作用，可以增強能源安全，降低能源行業(yè)所帶來的污染。文章對現(xiàn)有技術(shù)條件下的儲能設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進行了收集與研究，并且從風(fēng)電接入的效能、規(guī)模、方式等方面進行了對比與分析。

關(guān)鍵詞：平抑；風(fēng)電；出力波動；儲能技術(shù)；能源行業(yè) 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM732 文章編號：1009-2374（2016）30-0097-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.047

風(fēng)能屬于可再生能源，是符合經(jīng)濟與技術(shù)可行性的新能源中應(yīng)用規(guī)模最大的一種。為了降低化石能源用量，確保能源安全，提升環(huán)境質(zhì)量，各國都在積極利用風(fēng)能資源。另外，風(fēng)力發(fā)電具有出力波動大的缺點，對風(fēng)電出力波動進行平抑，進而將電網(wǎng)運行時的壓力降低，需要對大規(guī)模電能的存儲及釋放問題給予了解決和處理，因此儲能技術(shù)成為抑制風(fēng)電出力波動的研究熱點。

1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

煤炭在我們國家屬于重要的基礎(chǔ)能源，在能源總消耗中，煤炭占據(jù)著80%左右的份額，但其導(dǎo)致的粉塵、硫化物、PM2.5排放等環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。此外，煤炭屬于不可再生資源，它的快速消耗將導(dǎo)致能源的儲備大大降低，對可持續(xù)發(fā)展帶來巨大的威脅。因此推動可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，是加快資源集約化利用、提高能源利用效率的關(guān)鍵所在。

風(fēng)力發(fā)電作為一種有著廣泛現(xiàn)實應(yīng)用和廣闊發(fā)展前景的新能源技術(shù)，其本身受氣候條件影響較大，出力不均勻、隨機性大、不可控性、波動性大等是風(fēng)電出力的主要特征，如不采取相關(guān)措施，電網(wǎng)的安全運行也將受到風(fēng)電接入的嚴(yán)重影響。因此，歐洲等國家都對接入電網(wǎng)的風(fēng)電出力和風(fēng)電規(guī)模進行了嚴(yán)格的控制，進而導(dǎo)致了風(fēng)電的收益與利用效率的大幅下降。

我國風(fēng)力資源十分豐富，按照我國風(fēng)能資源的最新分析結(jié)論與普查結(jié)果得知，我國有著約為32億kW的風(fēng)能資源總儲量、10億kW的經(jīng)濟開發(fā)風(fēng)能儲量、24億的kWh的年發(fā)電量。另外，在季風(fēng)氣候的影響下，我國風(fēng)能分布有著巨大的差異，風(fēng)能資源儲備也具有與負(fù)荷中心不一致的特點，東北、河北北部、新疆等地占據(jù)了風(fēng)能資源儲量的大部分份額，因此風(fēng)電的大規(guī)模、長距離送出對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提出了巨大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代儲能技術(shù)的發(fā)展為風(fēng)電的充分利用和電網(wǎng)穩(wěn)定提供了解決方法，儲能裝置在風(fēng)電出力較大時將高出預(yù)計的電能儲存起來，而在風(fēng)力不足時向電網(wǎng)送電彌補出力的不足，從而有效防止了棄風(fēng)，增加了風(fēng)電利用小時數(shù)，并且可參與電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻等工作，有利于提高電網(wǎng)效率和安全穩(wěn)定性。

2 儲能技術(shù)分類與相關(guān)原理

與風(fēng)力發(fā)電配合的儲能裝置需要較大的容量和較好的經(jīng)濟性，而這兩方面較有優(yōu)勢的抽水蓄能技術(shù)因自然條件的限制一般無法與風(fēng)電進行銜接，目前主要的儲能技術(shù)研究方向如下：

2.1 壓縮空氣儲能

壓縮空氣存儲是一種基于燃?xì)廨啓C技術(shù)的新型儲能技術(shù)。在儲能的過程中，壓縮機利用電能壓縮空氣，并且在儲氣室內(nèi)進行存儲。在釋放的過程中，高壓空氣從儲氣室釋放進入燃燒室，再通過燃料加熱增溫后，帶動透平發(fā)電。在一般的燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)中，有2/3的透平輸出功率要被燃?xì)廨啓C的壓氣機所消耗掉，因此透平的輸出功率要遠遠大于燃?xì)廨啓C的壓氣機功率。在壓縮空氣儲能裝置中，儲能與釋放不同時工作，在釋放能量時，透平輸出功并沒有被壓縮機所消耗掉。所以，在消耗等量燃料的條件下，壓縮空氣儲能系統(tǒng)發(fā)電量是燃?xì)廨啓C系統(tǒng)的2倍，從而降低了對化石能源的依賴。此外，壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有成本低、應(yīng)用壽命長、儲能周期不受限制、可以在大型系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)點，但其對化石燃料和大型儲氣室的依賴性較強。

壓縮空氣儲能的基本工作原理：（1）在利用壓縮機將空氣壓縮到相應(yīng)的高壓后，在儲氣室內(nèi)進行存儲，其中絕熱壓縮過程即為理想狀態(tài)下空氣壓縮過程；（2）加熱過程。通過儲氣室釋放了高壓空氣后，與燃料加熱燃燒之后，空氣的壓力就會逐漸被升高，通常情況下，等壓吸熱過程即該過程；（3）膨脹過程。高壓高溫的空氣會逐漸膨脹起來，帶動透平發(fā)出電能，在正常的狀態(tài)下，絕熱膨脹過程即為空氣的膨脹過程；（4）冷卻過程。在膨脹了空氣之后，會向著大氣中排放，之后再進行壓縮的過程中，由大氣進行吸收，等壓冷卻過程就是這樣的工作原理。

2.2 電池儲能技術(shù)

電池儲能技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，除傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池以外，液流電池逐漸發(fā)展成為一種新型高效大規(guī)模電化學(xué)儲能技術(shù)。液流電池通過流動的電解液代替固體或氣體電極，促成化學(xué)能與電能之間的互相轉(zhuǎn)換并存儲能量。液流電池的電解液中存儲有活性物質(zhì)，其流動性較強，能夠?qū)崿F(xiàn)存儲活性物質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)場所在空間上的隔離，電磁容量和功率比較獨立，能夠滿足對大規(guī)模蓄電池儲能要求。因此在智能電網(wǎng)建設(shè)與可再生能源發(fā)電技術(shù)的帶動下，液流電池儲能技術(shù)逐漸開始了大規(guī)模的應(yīng)用。

本文以雙沉積型單液流電池儲能技術(shù)為例進行論述。在該電池中，在充放電時，正負(fù)兩個氧化還原點對在電極上均有固相產(chǎn)物沉積，所以可以對相同的電解液進行應(yīng)用。正負(fù)極活性物質(zhì)不需要利用離子傳導(dǎo)膜等昂貴設(shè)備進行分離。

通過電池的電極反應(yīng)得知，在充放電時，電池在固相與液相互相轉(zhuǎn)變的情況下會產(chǎn)生活性物質(zhì)，可以說它有著比較復(fù)雜的電極反應(yīng)過程。在電池過充時，正負(fù)極之間的間隙可能會被固相沉積物所填滿，導(dǎo)致短路問題出現(xiàn)，進而影響電池的使用壽命。并且H+濃度與液流電池的Pb沒有太多的聯(lián)系，在充電或者放電的時候，可以確保維持在穩(wěn)定的狀態(tài)下，而且Pb有著較快的溶解沉積反應(yīng)速度，反應(yīng)過電勢不需要太大。

2.3 超導(dǎo)儲能技術(shù)

該技術(shù)主要是通過超導(dǎo)線圈直接存儲電磁能，輸出能量時向電網(wǎng)中返回存儲的電磁能。超導(dǎo)儲能設(shè)備通常由測控系統(tǒng)、變流設(shè)備、超導(dǎo)線圈、低溫容器和制冷設(shè)備等裝置構(gòu)成。其中超導(dǎo)儲能裝置的核心部件是超導(dǎo)線圈，它可以是環(huán)形線圈，也可以是螺旋線圈，只要將線圈溫度控制在其材料的臨界的度以下，線圈的導(dǎo)體電阻就會約等于0，從而避免電流的降低。實驗證明超導(dǎo)線圈的電流衰減時間在10萬年以上。

當(dāng)電網(wǎng)的運行負(fù)荷在低谷階段或風(fēng)電出力較大時，超導(dǎo)儲能裝置能夠儲備起多余的電能，電網(wǎng)在高峰階段運行或風(fēng)電出力較低時，儲能裝置向電網(wǎng)中送出存儲的電能。超導(dǎo)儲能裝置不但可以應(yīng)用對電力系統(tǒng)的峰谷，借助其較快的反應(yīng)速度，可以在消除或者降低電網(wǎng)中低頻振蕩中發(fā)揮一定的作用，從而改善電網(wǎng)的頻率特性與電壓穩(wěn)定性。此外，超導(dǎo)儲能裝置還能夠調(diào)節(jié)功率因數(shù)，進而提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

超導(dǎo)儲能裝置有著損耗小、反應(yīng)快、體積小、重量輕的優(yōu)點，并且可以在較大的功率下運行，但其需要通過電力電子裝置向電網(wǎng)中接入。此外，建設(shè)與應(yīng)用超導(dǎo)儲能裝置的費用較高，現(xiàn)有材料的臨界溫度都較低，需要專門的冷卻裝置，因此超導(dǎo)儲能技術(shù)還需要進一步研究才可向商品化的方向發(fā)展。

2.4 飛輪儲能技術(shù)

該技術(shù)指的是通過電動機將一個具有相應(yīng)轉(zhuǎn)動慣量的飛輪帶動起來，然后急速旋轉(zhuǎn)，用機械儲能取代電能進行存儲的儲能方式。當(dāng)需要輸出能量時，則用飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電。

飛輪在旋轉(zhuǎn)的過程中都以機械方式運動，可以用下式來計算飛輪轉(zhuǎn)動時的動能：

1/2Jw2=E

式中：飛輪的轉(zhuǎn)動慣量用J表示；飛輪旋轉(zhuǎn)角速度用w表示。

飛輪的動能與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量及角速度的平方成正比，而轉(zhuǎn)動慣量又與飛輪的質(zhì)量及直徑成正比。飛輪如果太沉重或者太龐大，或旋轉(zhuǎn)速度太快時，會出現(xiàn)較大的離心力。若離心力超出飛輪材料的極限強度，則會給其運行的安全性帶來很大的影響，因此飛輪動能的提升受到材料技術(shù)的制約?，F(xiàn)階段，飛輪在電機中的轉(zhuǎn)速會達到15轉(zhuǎn)/s，相信隨著技術(shù)的不斷更新，其轉(zhuǎn)速也會逐漸提高。目前，飛輪儲能的研究也開始向著高功率、新材料的高速電機方向發(fā)展。

3 結(jié)語

在目前世界能源利用向著清潔、綠色、可再生方向發(fā)展的形勢下，風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)利用必將占據(jù)能源版圖越來越重要的位置，但受風(fēng)力發(fā)電出力的波動性影響，風(fēng)電的集中并網(wǎng)、大規(guī)?？鐓^(qū)域的傳輸仍受到相當(dāng)?shù)南拗?。在?dāng)前的技術(shù)條件下，儲能技術(shù)是平抑風(fēng)電出力波動的有效途徑。此外，儲能技術(shù)還能夠參與電網(wǎng)的峰谷差調(diào)節(jié)、頻率控制、電壓調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)，從而提高電網(wǎng)效率及安全穩(wěn)定性。本文對目前研究發(fā)展中的幾種主流儲能技術(shù)進行了分析論述，闡明了其技術(shù)特點，并對其應(yīng)用方向進行了討論，其中壓縮空氣儲能和液流電池儲能在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用前景較為廣闊。

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