趙一男　劉志雄　李海濱

摘要：風(fēng)電具有出力波動(dòng)大的特點(diǎn)，而儲(chǔ)能技術(shù)是平抑風(fēng)電出力波動(dòng)的有效途徑。此外，儲(chǔ)能技術(shù)還對(duì)電能的聚集和調(diào)節(jié)發(fā)揮著重要作用，可以增強(qiáng)能源安全，降低能源行業(yè)所帶來(lái)的污染。文章對(duì)現(xiàn)有技術(shù)條件下的儲(chǔ)能設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進(jìn)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(jìn)行了對(duì)比與分析。

關(guān)鍵詞：平抑；風(fēng)電；出力波動(dòng)；儲(chǔ)能技術(shù)；能源行業(yè) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM732 文章編號(hào)：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(jì)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(guó)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(dòng)大的缺點(diǎn)，對(duì)風(fēng)電出力波動(dòng)進(jìn)行平抑，進(jìn)而將電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的壓力降低，需要對(duì)大規(guī)模電能的存儲(chǔ)及釋放問(wèn)題給予了解決和處理，因此儲(chǔ)能技術(shù)成為抑制風(fēng)電出力波動(dòng)的研究熱點(diǎn)。

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

煤炭在我們國(guó)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(wèn)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(chǔ)備大大降低，對(duì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)巨大的威脅。因此推動(dòng)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(shí)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(jī)性大、不可控性、波動(dòng)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(yùn)行也將受到風(fēng)電接入的嚴(yán)重影響。因此，歐洲等國(guó)家都對(duì)接入電網(wǎng)的風(fēng)電出力和風(fēng)電規(guī)模進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，進(jìn)而導(dǎo)致了風(fēng)電的收益與利用效率的大幅下降。

我國(guó)風(fēng)力資源十分豐富，按照我國(guó)風(fēng)能資源的最新分析結(jié)論與普查結(jié)果得知，我國(guó)有著約為32億kW的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量、10億kW的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)風(fēng)能儲(chǔ)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(guó)風(fēng)能分布有著巨大的差異，風(fēng)能資源儲(chǔ)備也具有與負(fù)荷中心不一致的特點(diǎn)，東北、河北北部、新疆等地占據(jù)了風(fēng)能資源儲(chǔ)量的大部分份額，因此風(fēng)電的大規(guī)模、長(zhǎng)距離送出對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了巨大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)代儲(chǔ)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(chǔ)能裝置在風(fēng)電出力較大時(shí)將高出預(yù)計(jì)的電能儲(chǔ)存起來(lái)，而在風(fēng)力不足時(shí)向電網(wǎng)送電彌補(bǔ)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(shí)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(chǔ)能技術(shù)分類(lèi)與相關(guān)原理

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

2.1 壓縮空氣儲(chǔ)能

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

壓縮空氣儲(chǔ)能的基本工作原理：（1）在利用壓縮機(jī)將空氣壓縮到相應(yīng)的高壓后，在儲(chǔ)氣室內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)，其中絕熱壓縮過(guò)程即為理想狀態(tài)下空氣壓縮過(guò)程；（2）加熱過(guò)程。通過(guò)儲(chǔ)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(huì)逐漸被升高，通常情況下，等壓吸熱過(guò)程即該過(guò)程；（3）膨脹過(guò)程。高壓高溫的空氣會(huì)逐漸膨脹起來(lái)，帶動(dòng)透平發(fā)出電能，在正常的狀態(tài)下，絕熱膨脹過(guò)程即為空氣的膨脹過(guò)程；（4）冷卻過(guò)程。在膨脹了空氣之后，會(huì)向著大氣中排放，之后再進(jìn)行壓縮的過(guò)程中，由大氣進(jìn)行吸收，等壓冷卻過(guò)程就是這樣的工作原理。

2.2 電池儲(chǔ)能技術(shù)

電池儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)。液流電池通過(guò)流動(dòng)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(chǔ)能量。液流電池的電解液中存儲(chǔ)有活性物質(zhì)，其流動(dòng)性較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)活性物質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所在空間上的隔離，電磁容量和功率比較獨(dú)立，能夠滿足對(duì)大規(guī)模蓄電池儲(chǔ)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(dòng)下，液流電池儲(chǔ)能技術(shù)逐漸開(kāi)始了大規(guī)模的應(yīng)用。

本文以雙沉積型單液流電池儲(chǔ)能技術(shù)為例進(jìn)行論述。在該電池中，在充放電時(shí)，正負(fù)兩個(gè)氧化還原點(diǎn)對(duì)在電極上均有固相產(chǎn)物沉積，所以可以對(duì)相同的電解液進(jìn)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(jìn)行分離。

通過(guò)電池的電極反應(yīng)得知，在充放電時(shí)，電池在固相與液相互相轉(zhuǎn)變的情況下會(huì)產(chǎn)生活性物質(zhì)，可以說(shuō)它有著比較復(fù)雜的電極反應(yīng)過(guò)程。在電池過(guò)充時(shí)，正負(fù)極之間的間隙可能會(huì)被固相沉積物所填滿，導(dǎo)致短路問(wèn)題出現(xiàn)，進(jìn)而影響電池的使用壽命。并且H+濃度與液流電池的Pb沒(méi)有太多的聯(lián)系，在充電或者放電的時(shí)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(guò)電勢(shì)不需要太大。

2.3 超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)

該技術(shù)主要是通過(guò)超導(dǎo)線圈直接存儲(chǔ)電磁能，輸出能量時(shí)向電網(wǎng)中返回存儲(chǔ)的電磁能。超導(dǎo)儲(chǔ)能設(shè)備通常由測(cè)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(chǔ)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(huì)約等于0，從而避免電流的降低。實(shí)驗(yàn)證明超導(dǎo)線圈的電流衰減時(shí)間在10萬(wàn)年以上。

當(dāng)電網(wǎng)的運(yùn)行負(fù)荷在低谷階段或風(fēng)電出力較大時(shí)，超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置能夠儲(chǔ)備起多余的電能，電網(wǎng)在高峰階段運(yùn)行或風(fēng)電出力較低時(shí)，儲(chǔ)能裝置向電網(wǎng)中送出存儲(chǔ)的電能。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置不但可以應(yīng)用對(duì)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(chǔ)能裝置還能夠調(diào)節(jié)功率因數(shù)，進(jìn)而提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置有著損耗小、反應(yīng)快、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，并且可以在較大的功率下運(yùn)行，但其需要通過(guò)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(chǔ)能裝置的費(fèi)用較高，現(xiàn)有材料的臨界溫度都較低，需要專(zhuān)門(mén)的冷卻裝置，因此超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)還需要進(jìn)一步研究才可向商品化的方向發(fā)展。

2.4 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

該技術(shù)指的是通過(guò)電動(dòng)機(jī)將一個(gè)具有相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪帶動(dòng)起來(lái)，然后急速旋轉(zhuǎn)，用機(jī)械儲(chǔ)能取代電能進(jìn)行存儲(chǔ)的儲(chǔ)能方式。當(dāng)需要輸出能量時(shí)，則用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

飛輪在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中都以機(jī)械方式運(yùn)動(dòng)，可以用下式來(lái)計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能：

1/2Jw2=E

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

飛輪的動(dòng)能與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及角速度的平方成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的離心力。若離心力超出飛輪材料的極限強(qiáng)度，則會(huì)給其運(yùn)行的安全性帶來(lái)很大的影響，因此飛輪動(dòng)能的提升受到材料技術(shù)的制約?，F(xiàn)階段，飛輪在電機(jī)中的轉(zhuǎn)速會(huì)達(dá)到15轉(zhuǎn)/s，相信隨著技術(shù)的不斷更新，其轉(zhuǎn)速也會(huì)逐漸提高。目前，飛輪儲(chǔ)能的研究也開(kāi)始向著高功率、新材料的高速電機(jī)方向發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

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(shì)下，風(fēng)電大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用必將占據(jù)能源版圖越來(lái)越重要的位置，但受風(fēng)力發(fā)電出力的波動(dòng)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(chǔ)能技術(shù)是平抑風(fēng)電出力波動(dòng)的有效途徑。此外，儲(chǔ)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(duì)目前研究發(fā)展中的幾種主流儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行了分析論述，闡明了其技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)其應(yīng)用方向進(jìn)行了討論，其中壓縮空氣儲(chǔ)能和液流電池儲(chǔ)能在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用前景較為廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 董永平，何世恩，劉峻，等.低碳電力視角下的風(fēng)電消納問(wèn)題[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（5）.

[2] 王深哲，高山，李海峰，等.含風(fēng)電接入的電網(wǎng)規(guī)劃方案電能質(zhì)量評(píng)估[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（8）.

[3] 楊楠，王波，劉滌塵，等.考慮柔性負(fù)荷調(diào)峰的大規(guī)模風(fēng)電隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（11）.

[4] 馬速良，蔣小平，馬會(huì)萌，等.平抑風(fēng)電波動(dòng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（8）.

[5] 周雪松，權(quán)博，馬幼捷，等.超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置在風(fēng)電系統(tǒng)控制中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力，2010，43（6）.

[6] 李勇，劉俊勇，胡燦.超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與展望[J].四川電力技術(shù)，2009，32（12）.