儲能技術在風力發電系統中的應用研究

中廣核新能源安徽分公司 趙海亮

1 風力發電現狀

現階段，通過綠色可再生能源的開發以及利用，對化石能源進行替代，降低二氧化碳排放量，保護地球環境已成為大勢所趨。20世紀七十年代，國外就風能發電開始加強研究，如美國、德國、丹麥等國家一些研究機構和高校，都積極參與了風能開發研究，并對風力發電進行了大規模的投資。我國風電事業發展從20世紀八十年代起步，盡管起步比較晚，但是發展速度較快，已經成為國家戰略性新興產業重要部分。國家能源局公開數據顯示，2020年我國風力發電并網裝機容量達到7×107kW，新增風電裝機量連續多年排名全球首位；2021年我國風力發電量達到5×108kWh以上，成為全世界主要的風電市場之一。從風力發電占全國總發電量的比重來看，目前風力發電總量仍處于一個較低的水平，風電開發的提升空間較大。相關研究表明，我國可利用的風能資源儲量在109kW以上，除了陸地風力發電開發，海上風力發電開發利用也越來越受到重視，并逐漸成為風力發電未來開發的重點領域[1]。

2 風力發電儲能技術

當前，我國各個行業已經被不同的科學技術覆蓋，發展日新月異，供電穩定是社會持續穩定發展的重要保障。基于此，風力發電企業對儲能技術展開全方位研究，已經在世界范圍內獲得了優異成績，同時將儲能技術成果應用于我國各地的風力企業，逐漸成為風力發電建設中的常規化配置。將儲能技術與風力發電系統結合能夠提升發電穩定性，解決部分地區無法獲得長久穩定的風力資源的問題，保證這些地區在少風季節依舊可以滿足基本要求的發電量。從長遠角度分析，儲能技術推動風力發電平穩發展，讓電力系統可以持續供應電量，緩解現階段工業發展能源短缺的問題，為未來探索新能源建設爭取寶貴時間。

3 常見儲能技術類別及其特點

3.1 飛輪儲能技術

飛輪儲能是一種新型的機械能儲能方式，突破了化學電池的局限，其原理是能量輸入到電力系統設備中，利用電動機帶動飛輪旋轉，將電能轉化成動能并儲存在高速旋轉的飛輪中，需要時再將高速運轉的飛輪動能轉化成電能，輸送給電力用戶使用。這種儲能方式可以實現電能和動能之間的自由轉換，但由于其存在能量密度不高、能量會自行耗盡的不足，一些企業通過增加飛輪的轉動慣量和轉速、改進材料構成等途徑來提高飛輪存儲能量的密度，使之能夠充分發揮其適應性強、循環壽命長、無污染等優勢，在電網調頻和電能質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、高強度碳素纖維和玻璃纖維材料的出現、高溫超導技術和磁懸浮軸承技術都促進了飛輪儲能技術的快速發展。典型的飛輪儲能系統一般由電力電子輸入設備、真空室、飛輪、電機、軸承、電能轉換系統、電力電子輸出設備和檢測設備等關鍵部件構成[2]。

3.2 超導儲能技術

超導儲能是一種電磁儲能方式，其概念于20世紀七十年代首次提出，其通過超導體制成的線圈將電能轉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換，這使得其可以無限循環；超導儲能的核心部件是超導線圈，其電阻為零，決定了其轉換效率高（≥96%）、比容量大（1～10Wh/kg）、比功率高（104～105kW/kg）；超導電流密度高，決定了其響應速度極快（毫秒級）。早期超導儲能裝置性能優越但是造價昂貴，隨著20世紀八十年代高溫超導材料的使用，超導儲能裝置的可靠性和經濟性也逐步提高。充分利用SMES的這些優點，可以有效解決風力發電的波動性問題，進一步提高電網暫態穩定性。

3.3 蓄電池儲能技術

蓄電池儲能是實現電能與電池化學能之間轉換的傳統化學儲能方式，具有能量存儲、輸出和交換的功能。其轉換系統由蓄電池儲能系統與電力電子器件構成，該系統實現了蓄電池儲能與風電交流電網之間交直流形式轉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用在風電儲能系統中，其中鉛酸蓄電池性價比最高，技術發展最為成熟，在儲能系統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。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。

為了改良鉛酸電池的性能，由澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSRIO）發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，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構材料LiMO2、錳酸鋰材料（LiMn2O4）或具有橄欖石結構的LiMPO4等。正極一般作為“鋰源”，而負極需容納大量的鋰離子。鋰離子電池比能量高、循環性好，并且相對其他化學電池而言綠色環保，種種優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中發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設計靈活，在輸出功率一定的情況下，只需提高電解質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、環境友好，在風電、電網調峰、太陽能發電、軍用蓄電等較多領域有著廣泛應用。遼寧電網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（40Wh/kg）、占地面積大、工作溫度范圍要求高（5～45℃）等缺點。

3.4 超級電容器儲能

超級電容器儲能主要將電化學雙電層理論作為基礎，在運行過程中會產生較大的脈沖功率，使得電力表面處于最佳狀態，在充電過程中，在電荷吸引力驅動下對于電解質異性離子吸附在電極表面，這樣就會產生雙電荷層。超級電容器儲能技術裝置結構很簡單，并且不會有毒性物質出現，有良好的環保性。除此之外，超級電容器儲能產生的電流非常大，并且充電時間很短，在充放電循環當中可較好地保持該優勢，但是超級電容器也有相應的劣質，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行滿足，因此在風電發電中，超級電容器儲能通常主要應用在調節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多余的水量滿足枯水期的發電需求。而現今除了依然保留這種功能外，更多的目的是用來解決電網電能峰谷期的供需矛盾。即利用電力系統用電低谷負荷時的剩余電力，將位于低處的水通過抽水機抽到高處蓄存起來，然后在用電高峰負荷期放出位于高處的水，通過水輪機使發電機發電，為電網補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，也扮演了發電站供電的角色。在電網負荷處于低谷時，抽水蓄能電站的抽水機是耗電大戶，要盡可能消耗過剩的電能。而在電網負荷處于高峰時段，抽水蓄能電站又成了發電站，要盡可能發出更多電能補充電網的供電缺口。在這個身份轉換過程中，抽水蓄能電站起到了對電網的穩定和平衡作用，可承擔電網的調峰、調頻、事故備用及黑啟動等功能，提高了電網的供電質量和經濟效益，使電網更加安全、經濟、穩定地運行。

4 儲能技術在風力發電系統中的應用分析

4.1 氫燃料儲能

燃料電池儲能發揮作用的方式是陰陽極在電解質中發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。質子交換膜已經變成風力發電常用儲能設備，作業流程可以歸納為：一是將氧氣與氣態燃料充分混合；二是通過雙極板提供通道，將混合氣體到達儲能設備的陰陽兩極，并從膜電極以擴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小物質電子與質子，發生反應生成水，而電子由外電路出發，經過負載到達陰極位置，質子和水分子通過交換膜抵達陰極位置；四是氧分子位于陰極提供的催化劑表面，和已經進入陰極的3類物質進一步反應產生大量水分子，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，當前氫儲能設備主要由通過燃料完成儲能工作的專業設備、用于電解水分子的電解槽，為系統提供穩定氫氣的氫儲罐構成。在系統接收過多風能時，電解槽會通過電解水生成大量氫氣，將其存儲于氫儲罐中；在儲罐達到存儲極限后，無法繼續存儲的電力將會轉移至外部負載，避免能源浪費[4]。而風力發電無法供應電力需求，燃料儲能存儲氫氣和氧氣將會產生劇烈反應，產生電能可以讓系統負載獲得穩定電能供應。

4.2 超級電容器

超級電容器由電流采集系統、電解質、隔離物和兩側極板構成，其中電流采集系統的作用是收集當前系統的發電情況；電解質用于離子和質子運動；隔離物是為了避免物質相互混合。將電解質做極化處理，就能讓風能得到優化儲存。超級電容器在原理上與蓄電池相似。當超級電容器處于充電階段時，通過離子狀態高效儲存流入系統中的電荷使它們相互反應，為復雜體提供正常電力。

大多數超級電容器使用金屬氧化物或者新型納米管當成電極材料，作為我國獨立研發并得到大規模應用的碳納米管，超級電容器具有較強的化學穩定性、良好的導電性和穩定的機械強度，在長徑方面的優勢也高于金屬氧化物。超級電容器可以實現大于100000次充電、放電模擬測試，使用壽命較長，還可以在設備應用時穩定提供電力資源，提升電力儲存的可靠性。

4.3 混合儲能

當前，風力發電系統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，難度維護很高，對環境造成的污染較大，為了能夠處理該問題，對蓄電池裝置和超級容器進行結合，從而形成混合儲能技術。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，和蓄電池儲能結合起來，通過無源式結構、有源式結構進行互補式并聯，從而構建混合儲能裝置。該裝置對兩種儲能方式優勢進行了集合，可以對儲能裝置使用壽命提升，有著良好的技術性以及經濟性，可以保證能量轉化效果良好，基于此在風力發電系統中，混合儲能裝置有著很好的應用意義。

4.4 碳納米管超級電容器

超級電容器裝置的構成單元主要有電解質、極板、隔離物、電流采集裝置，可以采用電解質極化實現儲能。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行存儲，實現儲能效果良好。傳統超級電容器基本上主要應用金屬氧化物以及活性炭纖維等材質當做電極材料，隨著目前超級電容器的不斷發展，由此碳納米管自身的導電性以及化學穩定性、機械強度良好，因此在當前風力發電系統中，基本上主要采用碳納米管超級電容器當做儲能方式[5]。在風電系統中，碳納米管超級電容器能夠實現十萬余次深度充放電循環，電能儲能效果良好，并且使用壽命非常長，所以，在風電系統中碳納米管超級電容器有著良好的應用。

5 儲能技術在風力發電系統中的未來應用前景

在當前的儲能技術當中，技術成熟以及應用時間比較長的就是抽水蓄能技術，抽水蓄能成本較低，通常地容地貌建設水利工程。近些年，隨著技術的發展，和抽水蓄能相比較，電化學儲能有了非常大的發展，在這當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的企業得到了政府的補貼，依照近年來的趨勢，電化學儲能的成本還將持續下降60%以上，在電化學儲能上，鋰電池的競爭力最強，適用范圍最廣，能效最好，成本也較低。

6 結語

風電大規模集中化發展，給其儲能技術也提出了更高的要求，其應用前景也更加可觀，目前在研究電網調峰中，多采用化學蓄電池儲能技術、抽水儲能技術，在研究電能質量保護時，多采用飛輪儲能技術、超導儲能技術，但考慮成本理論和實用場景時，很多儲能技術還不能得到很好的應用，能量轉換效率還有待進一步提升。隨著系統可靠性、材料結構等技術的發展，新一代高能量密度、高功率密度、長壽命的儲能技術將取代傳統儲能技術，將成為廣泛應用在風電的新型儲能技術。