風力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術應用探析

中電建新能源集團股份有限公司新疆分公司 徐 斌 姚文成

1 儲能技術概述

1.1 儲能技術的分類

儲能技術是指將能量轉換成方便存儲和能隨時使用的物質或形式的技術手段，以便在有需要時進行恢復和利用。根據(jù)儲能裝置的能量存儲方式不同，儲能技術可以分為四大類：機械儲能技術、電化學儲能技術、熱儲能技術和電磁儲能技術。機械儲能技術將能量轉換成機械動能存儲，主要應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中的飛輪和重物儲能技術。飛輪儲能技術運用慣性原理，通過高速旋轉的大質量飛輪儲存機械能，實現(xiàn)能量存儲，其原理如圖1所示。

圖1 飛輪儲能技術

重物儲能技術利用重物受重力作用具有的一定的位能，將抬升起來的物體緩慢下降，釋放能量。機械儲能技術具有高效、可靠、使用壽命長等優(yōu)點。電化學儲能技術包括蓄電池、超級電容器等，通過化學反應將能量存儲在化學鍵中，具有存儲密度高、響應速度快等優(yōu)點。熱儲能技術主要指儲存熱能的技術，如熔融鹽儲存系統(tǒng)和壓縮熱空氣儲能系統(tǒng)等，應用于風力發(fā)電系統(tǒng)中可以將風能儲存成熱能存儲，再利用鍋爐等設備轉化為電能。電磁儲能技術通過電磁感應實現(xiàn)能量的轉換和儲存，最常見的應用是電感電容式無功補償器。各種儲能技術各有特點，應用于不同的領域和場合，有效提高了能源利用效率。

1.2 儲能技術的優(yōu)勢和劣勢

儲能技術作為可再生能源發(fā)電的重要輔助措施，在風力發(fā)電系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景。其優(yōu)勢包括：提高可再生能源利用率，通過儲存余留的電能達到平穩(wěn)供電的目的，增加電網穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)波動，節(jié)約成本，降低燃料消耗和配電網建設成本，環(huán)境友好，降低污染物排放和對環(huán)境的影響。然而，儲能技術也存在一些劣勢：儲能成本高，影響其在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用；機械儲能技術需要巨型機械設備占據(jù)大面積，影響其使用；每次能量儲存和釋放都存在一定能量損失。總的來說，儲能技術的優(yōu)勢遠大于其劣勢，并且有著越來越廣泛的應用前景。隨著技術的不斷進步和發(fā)展，相信儲能技術的成本、體積重量和能量損失等問題都能得到進一步解決，為風力發(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供更為可靠且環(huán)保的方案。

1.3 儲能技術的應用領域

儲能技術是重要的能源儲存和轉換技術，可以廣泛應用于不同領域。在電力系統(tǒng)中，可實現(xiàn)電力負荷平衡，提高電力供應的穩(wěn)定性和可靠性，特別是在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)平穩(wěn)供電，并減少對化石燃料的依賴。

在交通運輸中，可提高電動汽車的驅動性能和行駛距離。在家庭和商業(yè)用電中，可削峰填谷，減少使用成本和降低電網壓力。在航天領域，能夠高效運行，滿足太空任務的要求。不僅能提高能源利用效率，減少排放和成本，緩解能源壓力，還能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。儲能技術在未來的發(fā)展中具有廣闊的應用前景與重大意義。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)儲能技術應用現(xiàn)狀

2.1 風能儲能技術種類

風能儲能技術有四種類型：機械儲能、電化學儲能、壓縮空氣儲能和熱儲能系統(tǒng)。不同的技術根據(jù)應用場景和需求有著各自的局限性和缺陷。例如，機械儲能系統(tǒng)和液壓儲能具有易于控制和維護的優(yōu)勢，但同時存在重物重量過大和液體漏出的風險。電化學儲能系統(tǒng)包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池等，這些電池以其高效、環(huán)保、儲存能力和輸出功率較高的特點，在儲存不穩(wěn)定風能的同時，具有較高的儲存能力和輸出功率。壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以在地下建立大規(guī)模儲氣庫，但需要高壓氣體和大規(guī)模的儲存設施。熱儲能系統(tǒng)在儲存能量上更為持久，適用于長期儲能的需求，但需要較高的溫度和壓力控制。

各種技術在不同的場景和需求中均有應用。風能儲能技術在可再生能源和能源轉換領域中有著巨大的潛力和優(yōu)勢，未來具有非常廣闊的發(fā)展前景。

2.2 風力發(fā)電儲能系統(tǒng)構成

風力發(fā)電系統(tǒng)的儲能技術可以為電網輸送高質量的電力而儲存不穩(wěn)定的風能。儲能系統(tǒng)主要由儲能設備、控制系統(tǒng)和轉換設備三部分構成。儲能設備是風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的核心，不同的儲能技術應用不同的儲能設備。例如，機械儲能系統(tǒng)采用高速旋轉飛輪、千斤頂和彈簧等設備；電化學儲能系統(tǒng)采用鋰離子電池、鈉氯電池和鉛酸電池等，其原理如圖2所示。

圖2 電化學儲能

壓縮空氣儲能系統(tǒng)包括壓縮機、壓縮機/發(fā)電機和儲氣罐等設備；熱儲能系統(tǒng)則主要利用儲熱罐和熱儲存材料。控制系統(tǒng)用于控制儲能設備的充電和放電過程，保證風能的高效收集和利用。同時，控制系統(tǒng)應該具備實時監(jiān)測儲能設備狀態(tài)、維護和管理系統(tǒng)的功能，以保證儲能系統(tǒng)的運行安全和可靠性。

此外，控制系統(tǒng)也應該與電網有良好的協(xié)調，就能量調度、儲能時間、儲能容量等方面展開合理的策略。轉換設備則是儲能系統(tǒng)與電網之間的核心聯(lián)系。儲能系統(tǒng)通過轉換設備將儲存的能量轉化為電能并逆向流入電網。這些轉換設備包括逆變器、變電站和電力電子裝置等。不同的儲能技術所采用的轉換設備也不相同。

2.3 風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的運行方式

風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的運行方式往往取決于所采用的儲能技術和具體的應用場景。一般而言，風力發(fā)電系統(tǒng)儲能技術的運行方式主要有兩種：閑置模式和備用模式。閑置模式是指風力發(fā)電儲能系統(tǒng)在儲能設備充滿后，將風力發(fā)電機與電網斷開連接，將其投入閑置模式。

當電網負荷達到峰值時，閑置模式下的儲能系統(tǒng)通過反向運動，將存儲的能量重新注入電網，以滿足峰值負荷需求。閑置模式的優(yōu)勢在于系統(tǒng)能夠快速響應電網的變化，緩解峰值負荷對電網的影響。

備用模式是指風力發(fā)電儲能系統(tǒng)在儲能設備充滿后，風力發(fā)電機繼續(xù)提供電網接口服務，同時將多余的能量存儲下來，為電網的備用服務提供支持。當電網需求增加時，備用模式下的儲能系統(tǒng)就能夠立即投入運行，釋放所存儲的能量。此外，還有一些比較特殊的運行方式，例如在線運行模式、自治運行模式等，這些運行方式多適用于小型風力發(fā)電系統(tǒng)或者是場所電網獨立的系統(tǒng)。綜上所述，風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的運行方式必須根據(jù)實際的應用場景和技術特點來選擇和設計，以最大程度地提高系統(tǒng)的可靠性和利用效率。

3 風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的關鍵技術

3.1 儲能設備的選用

在風力發(fā)電儲能系統(tǒng)中，選用合適的儲能設備非常重要，因為儲能設備是系統(tǒng)中儲存和釋放能量的關鍵。不同的儲能技術適用于不同的場景和需求，需要根據(jù)實際情況選擇適合的儲能設備。

另外，與RJ版教科書有理數(shù)例題中的卡通插圖相比，CM教科書有理數(shù)例題中的插圖均為實景圖，相對而言更加貼近生活．

機械儲能系統(tǒng)主要包括高速旋轉飛輪、液壓千斤頂和液壓彈簧等設備，具有系統(tǒng)起動速度快、響應時間短和溫度波動小的優(yōu)點，但同時也存在成本較高、能量密度低和占地面積大的缺點。電化學儲能系統(tǒng)則采用鋰離子電池、納米磷酸鐵鋰電池等，這些電池具有能量密度高、重量輕、壽命長、環(huán)保等優(yōu)點。但受制于材料特性和成本等因素，其能量密度不高，其充電速度較慢、安全性以及循環(huán)壽命等均需加以考慮。壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲能設備由壓縮機、壓縮機/發(fā)電機和儲氣罐組成，具有高能量密度、長壽命、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點。

然而，其系統(tǒng)的成本和效率問題需要加以控制。熱儲能系統(tǒng)則主要利用儲熱罐和熱儲存材料，其優(yōu)點在于可以更長時間地儲存能量，可以滿足冬季等寒冷氣候的需求。但受制于材料的特性和溫度控制等因素，熱儲能系統(tǒng)還需進一步完善。

3.2 控制系統(tǒng)的設計

風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)是保證系統(tǒng)高效、安全、可靠的關鍵組成部分。設計應充分考慮儲能技術特點和應用場景需求，如機械、電化學、壓縮空氣和熱儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)快速充放電、電池管理、儲氣罐動態(tài)管理和溫度壓力穩(wěn)定等功能，建立監(jiān)測、調度和管理等基礎設施以保證系統(tǒng)完整性和健壯性。

3.3 儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略

為了實現(xiàn)風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制，需要采用合適的控制策略，以確保儲能系統(tǒng)的高效率和可靠性。常見的優(yōu)化控制策略包括儲能容量的控制策略、電網功率平衡策略和儲能時間的優(yōu)化策略等。儲能容量控制策略根據(jù)風力發(fā)電機的輸出功率來調整儲能設備的充電和放電狀態(tài)，實現(xiàn)儲能容量的最大化，提升其經濟性和可靠性。

電網功率平衡策略根據(jù)負荷需求和儲能容量調節(jié)發(fā)電機輸出功率，使儲能系統(tǒng)輸入或輸出儲能，保持能量平衡和穩(wěn)定性。儲能時間的優(yōu)化則通過控制充放電時間，提高儲能系統(tǒng)的利用效率，以適應不同氣候和地理需求。

綜合三種策略，可不斷提高儲能系統(tǒng)經濟性、可靠性和安全性，當前自適應能量管理技術越來越被倡導，通過自適應性儲能控制，實現(xiàn)能量更加高效地儲存、輸送和調節(jié)，以實現(xiàn)最佳效益。

4 風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著可再生能源的快速發(fā)展，風力發(fā)電系統(tǒng)在全球范圍內得到了廣泛地推廣和應用。儲能技術作為風力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，隨著技術的不斷發(fā)展和應用需求的不斷增加，也在不斷地向著更加高效、穩(wěn)定和安全的方向發(fā)展。

未來，風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的技術發(fā)展方向主要包括優(yōu)化現(xiàn)有的儲能技術以提高儲存能量和循環(huán)壽命，并加強儲能系統(tǒng)的安全性；推廣和應用更智能化的電力傳輸和控制系統(tǒng)，以提高儲能系統(tǒng)的安全性和運行效率；研發(fā)多能源儲能系統(tǒng)，將風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、水力發(fā)電等多種可再生能源儲存在同一儲能系統(tǒng)中，以便更好地滿足能源開發(fā)和應用的需求。

此外，政策環(huán)境也是風力發(fā)電儲能系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。各國政府出臺的鼓勵清潔能源發(fā)展的政策和措施，將進一步促進風力發(fā)電儲能系統(tǒng)的應用和推廣。總之，風力發(fā)電儲能系統(tǒng)在未來的發(fā)展中仍有著廣闊的發(fā)展前景和應用前景。

5 結論

隨著能源需求不斷增長，儲能技術在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用越來越受到重視。風能儲能技術的發(fā)展將帶來更加可靠、高效、節(jié)能的風力發(fā)電系統(tǒng)，助力可再生能源的大規(guī)模應用和發(fā)展。然而，儲能技術在成本、安全性等方面仍存在挑戰(zhàn)，需要不斷探索和創(chuàng)新。

未來的研究將集中于儲能設備更高效、可持續(xù)地設計、控制系統(tǒng)更加開放式和智能化，以及系統(tǒng)的全面優(yōu)化。預計將會出現(xiàn)更多的儲能技術種類，儲能系統(tǒng)的規(guī)模將會不斷擴大，實現(xiàn)可再生能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。