風電儲能技術

董宜煊，閆 健

（北京信息科技大學科技處，北京100192）

風能是一種綠色環保的清潔資源，其儲量豐富，不會枯竭，可永續利用。風能可以在減少環境污染、滿足人們基本需求的同時，產生了巨大的經濟效益。20世紀70年代以來，風能的開發利用受到世界多個國家的高度重視。近年來，隨著能源和環境壓力的不斷增大，風力發電技術得到迅猛發展，產業規模逐年提高[1]。

由于風能具有隨機性和不確定性，使得風力發電與常規的火力發電和水力發電完全不同，風能發出的電力不連續、不穩定，瞬時隨機波動很大，因此，為確保風電持續穩定的供電，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，在風電系統中添加儲能裝置，可將具有不穩定性的電力能源收集起來，再適時平穩釋放，減少棄風，有效解決了制約風能發電的瓶頸，這對于增強風力發電系統穩定性，降低企業經濟成本，確保電力系統發電與用電始終保持一種動態平衡至關重要，同時儲能技術也可滿足風電大規模集中化電力系統的需求，展現出非常好的發展前景。

本文主要介紹適用于風電儲能技術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）、水電廠和引水系統組成。在用電高峰或系統需要時，抽水蓄能可利用上下池水位差，將水位勢能轉化成動能推動水輪機旋轉，進而帶動發電機發電；而在用電低谷時，將下池的水再抽到上池儲存起來，將電能再次轉換為水的勢能，存蓄在上池中，待系統需要時放水發電，雖然這種儲能方式在傳輸的過程中能量會有所損耗，但這種儲能方式能有效解決電網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，其優點是調節響應速度快、安全經濟可靠，但系統建設往往規模宏大，建設資本投入較高，地理位置要求也較高[3]，且存在對生態系統破壞的風險[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，FESS）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，但由于它存在能量密度不高、能量會自行耗盡的不足，很多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[5]，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[6]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[7]關鍵部件構成。飛輪儲能技術原理如圖2所示。

圖2 飛輪儲能技術原理圖

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（1～1 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濟性也逐步提高[10]。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。超導儲能系統結構如圖3所示。

圖3 超導儲能系統結構圖

1.4 蓄電池儲能（BESS）

蓄電池儲能（Battery Energy Storage System，FESS）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，如圖4所示，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。

圖4 蓄電池儲能系統

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。化學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[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[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、循環性好，并且它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。

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（40 Wh/kg）、占地面積大、工作溫度范圍要求高（5～45℃）等缺點。

2 儲能方式關鍵技術性能比較分析

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、經濟成本和安全環境方面等，只有將多方面的因素考慮進去，才能結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鍵技術性能參數和優缺點。

表2 儲能技術關鍵技術性能參數及優缺點比較

表2（續）

通過以上幾種儲能方式的優缺點可以看出，技術成熟度和性能優越性最高的是抽水蓄能，它容量大、放電時間長、安全經濟可靠等特點使其在發電側占據顯著優勢，但是它對地形要求高，廠址選擇限制要求比較明顯，并存在破壞生態環境風險。飛輪儲能環境友好、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才能提高充放電效率。化學電池儲能歷史悠久，技術成熟，并且有快速動態響應、結構模塊化等優點，且能實現有功無功雙向調節控制。但是部分化學儲能方式污染環境、能量密度低，對工作溫度范圍要求高。超導儲能轉換效率高、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

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。