上海電力實業(yè)有限公司 周 彬 王 靖

1 引言

在當前全球能源格局轉(zhuǎn)型的大背景下，風力發(fā)電以其獨特的優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注。然而，風能的間歇性和不穩(wěn)定性成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。電力需求和風能供應(yīng)之間的不匹配可能導(dǎo)致電網(wǎng)供應(yīng)中斷，這使得儲能技術(shù)成為風力發(fā)電系統(tǒng)重要的一部分[1]。儲能技術(shù)可以在風能供應(yīng)充足時存儲多余的電能，并在風能供應(yīng)不足時釋放，從而確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行?？紤]到儲能技術(shù)的關(guān)鍵地位，本文將對風力發(fā)電系統(tǒng)中的主要儲能技術(shù)進行詳細的剖析和討論。

2 風力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用儲能技術(shù)的必要性

第一，應(yīng)用儲能技術(shù)有利于緩解電網(wǎng)的峰谷差問題。風電的發(fā)電量受到風速的影響，而風速的變化是不穩(wěn)定的，這意味著風電的輸出功率會經(jīng)常發(fā)生變化，導(dǎo)致電網(wǎng)中的供電量波動，從而產(chǎn)生峰谷差。而儲能技術(shù)則可以在風速較大、發(fā)電量較高的時候存儲多余的電能，待到風速較小、發(fā)電量降低時釋放，這樣就實現(xiàn)了電網(wǎng)供電量的平穩(wěn)，減少了峰谷差的產(chǎn)生，使得電網(wǎng)的運行更為平穩(wěn)[2]。第二，儲能技術(shù)有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于風速的不穩(wěn)定性，風電系統(tǒng)的輸出功率會頻繁地發(fā)生變化，這對于電網(wǎng)的穩(wěn)定性提出了很高的要求。但如果引入儲能技術(shù)，當風電系統(tǒng)的輸出功率突然增大時，多余的電能可以被儲存起來，而在功率突然降低時，之前儲存的電能可以被釋放出來，這樣就能有效地穩(wěn)定電網(wǎng)的供電量，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。第三，儲能技術(shù)有利于減少風機的電能損耗。由于風速的不穩(wěn)定，風機需要頻繁地調(diào)整自身的運行狀態(tài)以適應(yīng)風速的變化，這樣就會導(dǎo)致風機的電能損耗增大。而儲能技術(shù)則可以為風機提供一個穩(wěn)定的運行環(huán)境，使其不必頻繁地調(diào)整運行狀態(tài)，從而減少電能損耗，對于提高風電系統(tǒng)的效率和可靠性具有重要意義。

3 風力發(fā)電系統(tǒng)中主要的儲能技術(shù)

3.1 飛輪儲能技術(shù)

風力發(fā)電系統(tǒng)的主要儲能技術(shù)中，飛輪儲能技術(shù)堪稱一種獨特而高效的方法。其核心原理在于飛輪儲能技術(shù)通過一個高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來實現(xiàn)電能與機械能之間的轉(zhuǎn)換。在充能時，電能被轉(zhuǎn)化為飛輪的旋轉(zhuǎn)機械能；在放能時，飛輪的機械能則再次被轉(zhuǎn)化為電能[3]。為了確保最高效率，現(xiàn)代的飛輪系統(tǒng)經(jīng)常采用真空或低氣壓環(huán)境來運行，這樣可以顯著降低由于空氣摩擦造成的能量損耗。為了消除與傳統(tǒng)軸承相關(guān)的摩擦，飛輪往往使用磁懸浮技術(shù)來實現(xiàn)懸浮旋轉(zhuǎn)，不僅大幅降低了摩擦損失，也延長了系統(tǒng)的使用壽命。同時，飛輪在長時間運行中可能會面臨溫度上升和熱膨脹的問題，需要良好的散熱設(shè)計以確保飛輪的穩(wěn)定運行。飛輪儲能技術(shù)以其快速響應(yīng)、高效率和長壽命的特性，在現(xiàn)代儲能領(lǐng)域具有不可忽視的地位。

3.2 超導(dǎo)儲能技術(shù)

在風力發(fā)電系統(tǒng)的主要儲能技術(shù)中，超導(dǎo)儲能技術(shù)是一種高度技術(shù)導(dǎo)向的方法。其基礎(chǔ)工作機制是利用超導(dǎo)線圈在低溫環(huán)境下的零電阻特性。當電流通過這種超導(dǎo)線圈時，可以在沒有任何電阻的情況下無限期地持續(xù)流動，從而在超導(dǎo)線圈中存儲能量。當需要釋放這些能量時，線圈內(nèi)的電流可被取出并轉(zhuǎn)化為所需的電能。為了維持線圈的超導(dǎo)狀態(tài)，需要一個低溫環(huán)境，這通常是通過液氮或液氦來實現(xiàn)的。這種冷卻方法確保線圈始終保持在其超導(dǎo)溫度以下，從而確保零電阻狀態(tài)。超導(dǎo)線圈的設(shè)計和材料選擇對于系統(tǒng)的總體性能至關(guān)重要，這決定了系統(tǒng)的最大存儲能量、效率和穩(wěn)定性[4]。同時，與超導(dǎo)線圈相結(jié)合的是穩(wěn)定的冷卻系統(tǒng)和磁場管理系統(tǒng)，以確保線圈在最佳狀態(tài)下運行并最大化存儲能量。

3.3 蓄電池儲能技術(shù)

蓄電池通過化學(xué)反應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并在需要時將化學(xué)能再轉(zhuǎn)化回電能。不同類型的蓄電池具有不同的電化學(xué)特性、能量密度和充放電特性。例如，鉛酸蓄電池是最早的并且至今仍廣泛使用的蓄電池技術(shù)，具有成本低、技術(shù)成熟的特點，但其能量密度較低且壽命受限。鋰離子蓄電池在近幾十年中得到了迅速的發(fā)展，具有高的能量密度、較長的使用壽命和出色的充放電性能。而材料選擇、電解液和電池管理系統(tǒng)的設(shè)計在鋰離子蓄電池的性能和安全性上起到關(guān)鍵作用。對于風力發(fā)電系統(tǒng)來說，電池的選擇需要考慮其與風機的匹配性、電池的循環(huán)壽命以及其在各種工作條件下的性能。此外，蓄電池的管理系統(tǒng)也很重要，可以確保電池在安全和高效的狀態(tài)下運行，避免過度充放電和溫度過高等問題。

3.4 超級電容器儲能

在風力發(fā)電系統(tǒng)中超級電容器儲能技術(shù)與傳統(tǒng)的蓄電池不同，超級電容器并不依賴于化學(xué)反應(yīng)來存儲能量，而是通過在電極間的電化學(xué)界面上吸附和脫附離子來實現(xiàn)電荷的積累。由于這種物理存儲機制，超級電容器具有很快的充放電速度、較長的使用壽命以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性。這種技術(shù)的核心在于其特殊設(shè)計的高比表面積電極和高導(dǎo)電性的電解質(zhì)，共同確保了在電容器中高效、穩(wěn)定的離子遷移。材料方面活性炭是最常用的電極材料，因其擁有極高的比表面積，而新型的納米材料，如碳納米管或石墨烯，由于其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的電性能，也在超級電容器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。超級電容器的設(shè)計和制造也需要考慮其內(nèi)部阻抗、熱管理和安全性等因素，以確保其在各種工況下的可靠性。

3.5 其他儲能技術(shù)

在風力發(fā)電系統(tǒng)中主要的儲能技術(shù)中，除了常見的幾種技術(shù)外，還有一些其他的儲能技術(shù)值得關(guān)注。例如，液壓蓄能技術(shù)，是一種通過壓縮液體在一個封閉系統(tǒng)中來存儲能量的方法。當需要釋放能量時，這些液體被釋放，驅(qū)動液壓馬達產(chǎn)生電能。還有一種技術(shù)是熱儲能，其中最典型的是相變材料儲能，使用特定材料的熔化和凝固過程來存儲和釋放能量。在適當?shù)臈l件下，這種轉(zhuǎn)變可以非常迅速，使得大量的能量在短時間內(nèi)被儲存或釋放。壓縮空氣儲能（CAES）是另一種技術(shù)，通過在地下儲存壓縮空氣來存儲能量，當需要電能時，這些壓縮空氣被釋放并通過渦輪機轉(zhuǎn)化為電能。引力儲能也是一個潛在的技術(shù)，通過在一個高位置存儲重物，當需要時釋放重物，通過機械方式將其勢能轉(zhuǎn)化為電能。

4 風力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 氫燃料儲能的應(yīng)用

氫燃料儲能技術(shù)主要依賴于電解水產(chǎn)生氫氣的過程，該過程中，當風力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力超過需求時，多余的電能可以用于電解水分解成氫氣和氧氣。一旦儲存下來，這些氫氣可以在需要的時候通過燃料電池重新轉(zhuǎn)換回電能，或者作為清潔能源在其他應(yīng)用中使用。實際應(yīng)用中，風電場常與大型電解器相結(jié)合，使得在風力強勁時能夠大量生產(chǎn)氫氣。這些儲存的氫氣不僅可以用于發(fā)電，還可以輸送到城市，供給氫能汽車加氫站或其他工業(yè)用途，為整個能源系統(tǒng)增添了極大的靈活性。同時，在電網(wǎng)需求高峰時或風速減弱導(dǎo)致發(fā)電減少時，儲存的氫氣可以快速地在燃料電池中轉(zhuǎn)化為電能供入電網(wǎng)，確保電網(wǎng)穩(wěn)定供電。為提高整體效率，部分風電場與燃料電池結(jié)合，直接利用氫氣為電網(wǎng)提供電力，同時降低了能量在轉(zhuǎn)化過程中的損失。這一系列的技術(shù)與措施使氫燃料儲能在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用越發(fā)廣泛，為實現(xiàn)更加清潔、高效的能源體系提供了強大支持。

4.2 雙電池儲能的應(yīng)用

雙電池儲能系統(tǒng)結(jié)合了兩種或多種電池技術(shù)，充分發(fā)揮各種電池在特定應(yīng)用中的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)更高的儲能效率和經(jīng)濟性。在風力發(fā)電中，由于風速的不穩(wěn)定性，可能會導(dǎo)致電力輸出的不穩(wěn)定。雙電池技術(shù)的應(yīng)用，可以確保在風速弱的時候，系統(tǒng)仍然能夠提供穩(wěn)定的電力輸出。在風速突然增大時，超級電容器可以迅速吸收多余的電能；而在風速下降或持續(xù)低迷時，鋰離子電池則可以釋放其儲存的電能，為電網(wǎng)提供持續(xù)供電。為了實現(xiàn)雙電池儲能系統(tǒng)的最大化效益，電池管理系統(tǒng)與風電場的控制系統(tǒng)進行深度集成，實時優(yōu)化各種參數(shù)。例如，在預(yù)測到持續(xù)的強風期之前，系統(tǒng)可能會提前為鋰離子電池充電，為即將到來的高產(chǎn)電量做好準備。這種雙電池儲能系統(tǒng)，不僅提高了風電場的電能輸出穩(wěn)定性，還降低了整體的運營成本，可以更有效地利用風能，減少因風速變化導(dǎo)致的電能損耗。

4.3 碳納米管超級電容器的應(yīng)用

碳納米管以其獨特的納米結(jié)構(gòu)和高度導(dǎo)電性為超級電容器提供了顯著的性能提升，使其成為風電領(lǐng)域高效儲能的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于風力發(fā)電的不穩(wěn)定性，電網(wǎng)經(jīng)常面臨瞬時的高峰和低谷，而碳納米管超級電容器正好可以為這些突發(fā)的電力變化提供快速的響應(yīng)。在具體的應(yīng)用措施中，風電場經(jīng)常采用碳納米管超級電容器與傳統(tǒng)的蓄電池或其他儲能技術(shù)相結(jié)合。當風速突然增大，產(chǎn)生大量電能時，碳納米管超級電容器可以迅速儲存這部分電能，然后在需要的時候快速釋放，從而確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。碳納米管超級電容器的優(yōu)勢在于其充放電速度極快，能夠在幾秒鐘內(nèi)完成大量電能的儲存與釋放，對于風力發(fā)電這種高度不穩(wěn)定的能源，具有極高的實用價值。為了充分發(fā)揮碳納米管超級電容器的優(yōu)勢，風電場的控制系統(tǒng)與其深度集成，實時監(jiān)測電網(wǎng)的需求與風電的輸出，智能調(diào)整超級電容器的充放電策略。通過與現(xiàn)代化的預(yù)測系統(tǒng)相結(jié)合，可以預(yù)測風速變化，提前調(diào)整超級電容器的工作狀態(tài)，進一步提高風電系統(tǒng)的運行效率。

4.4 相變儲能技術(shù)的應(yīng)用

相變儲能技術(shù)基于物質(zhì)在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間相互轉(zhuǎn)變時，吸收或釋放大量潛熱的原理。當風電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能超出電網(wǎng)需求時，多余的電能可以用來加熱相變材料，使其從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，從而儲存能量；而當電網(wǎng)需求增加時，這些液態(tài)的相變材料再轉(zhuǎn)變回固態(tài)，釋放出之前儲存的能量，供電網(wǎng)使用。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，相變儲能技術(shù)的應(yīng)用措施通常是與傳統(tǒng)的蓄電池或其他儲能設(shè)備相結(jié)合。風電場的控制系統(tǒng)會根據(jù)電網(wǎng)的實時需求，決定是將電能直接輸送到電網(wǎng)，還是先進行相變儲能。當選擇進行相變儲能時，控制系統(tǒng)會調(diào)整相變材料的加熱或冷卻策略，確保其在最佳的溫度范圍內(nèi)進行能量的儲存與釋放。相變儲能技術(shù)的效率與所選相變材料的性質(zhì)、溫度范圍以及儲能環(huán)境有關(guān)。為此，風電場在選擇相變材料時，會考慮其導(dǎo)熱性、比熱容、熔點等物性參數(shù)，以確保其在特定的工作環(huán)境中達到最佳的儲能效果。

4.5 混合儲能技術(shù)的應(yīng)用

混合儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用為電網(wǎng)提供了更高效、靈活的能源儲備和調(diào)度能力?；旌蟽δ苁菍⒉煌愋偷膬δ芗夹g(shù)結(jié)合使用，如蓄電池與超級電容器、飛輪與相變儲能等，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，補償各自的不足，從而達到更好的儲能效果。風電場的控制系統(tǒng)會根據(jù)實時的發(fā)電量和電網(wǎng)需求，智能選擇合適的儲能方式。例如，當風速突然增大導(dǎo)致短時間內(nèi)的發(fā)電量激增時，超級電容器由于其快速充放電的特性，可以迅速吸納這部分電能；而在風速較穩(wěn)定、發(fā)電量持續(xù)較高的時段，蓄電池則可用于長時間儲存電能。為了保證混合儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，控制策略和算法的設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵。風電場需要部署高度集成的能源管理系統(tǒng)，實時監(jiān)控各種儲能設(shè)備的狀態(tài)，確保其在最佳工作點運行。同時，混合儲能系統(tǒng)的布局和設(shè)計也需要考慮各種設(shè)備之間的物理連接和信息交互，確保能源的流動和轉(zhuǎn)換效率最大化，滿足風電場和電網(wǎng)的實際需求。

5 結(jié)語

通過對風力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的深入分析，能夠更加清晰地理解儲能在維持電網(wǎng)穩(wěn)定性中的關(guān)鍵作用。各種儲能技術(shù)有其獨特的特性和優(yōu)勢，適應(yīng)于不同的應(yīng)用場景，為風電系統(tǒng)提供了多種策略選擇。這一技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了風電的使用效率，還為電網(wǎng)的可靠運行提供了有力保障。同時，技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新意味著未來的儲能方案將更加高效和經(jīng)濟，從而為我國邁向清潔、可持續(xù)的能源未來鋪設(shè)了堅實的基石。