儲能技術在風力發電系統中的應用研究

高福偉

（國華(臨朐)風力發電有限公司，山東濰坊，262600）

0 引言

在現代化時代背景下，社會需電量逐年增加，據國家能源局數據統計，2020年風電并網裝機容量在新能源總裝機容量中占37.5%，全年風力發電量為4665億千瓦時，同比增長15%[1]。在大力發展新能源發電的“雙碳”戰略指導下，電網調頻、調峰需求增大，在此形勢下，風力發電系統將進一步穩定發展，通過儲能實效消納，避免資源浪費，充分利用風力資源，必須根據風力發電系統實際情況配置儲能系統，用于調節電力供給情況，提升電力系統穩定性。

1 常見儲能技術類別及其特點

風力發電具有成本低、技術成熟、環保節能的優勢，在新時代電力系統的地位逐漸提升，風力發電量逐年增加，然而風能存在一定波動性，即風能大小不可控，為提升風力發電供給穩定性，需借助儲能技術進行調頻、調峰。

■1.1 飛輪儲能技術

飛輪儲能技術主要是借助電能驅動帶動裝置圓盤旋轉，實現電能到動能的轉化，所生成的動能將被存儲在裝置加速質量塊中，需要發電時，飛輪將憑借自身動能為發電機提供能源，繼而實現動能到電能轉化。在傳統化飛輪儲能期間，將產生大量耗損，為解決耗損問題，逐漸將超導磁懸浮技術應用到飛輪儲能裝置中，借助新型復合材料增強儲能密度，并縮減儲能裝置體積。飛輪儲能的能量轉化率約為90%，仍存有上升空間，但飛輪儲能具有無污染、保養維修便利、不限次充放電等優勢，因此，在風電系統中，飛輪儲能技術仍具有較強應用空間。隨著發電產業與電力系統的發展，飛輪儲能技術得到進一步開發，借助飛輪儲能用于補償發電功率短期變化情況，維持電力系統穩定性，同時，積木式組合飛輪儲能方式被提出，極大提升了飛輪儲能充放電效率。在大規模并網形勢下，為保持并突出飛輪儲能優勢，逐漸將飛輪儲能的研究目標集中在并網型飛輪儲能系統研究中，引入新型微損耗軸承及高強度飛輪材料，提升飛輪儲能系統性能，使飛輪儲能系統趨向高轉速、大容量、模塊化發展。此外，為確保飛輪儲能能夠在風力發電系統中得到良好發揮，近年來還注重飛輪裝置轉子結構對應力、儲能密度的作用，致力于調整優化轉子結構改變飛輪半徑、最高轉速、儲能總量，使飛輪儲能技術能夠良好適應于風力發電系統。

■1.2 超導儲能技術

超導儲能技術主要借助磁場能量進行存儲，即在儲能過程中，運用超導體線圈介質，借助直流電流形成的磁場進行儲能，當需要電能時，將磁場內電能放出即可，因此，該技術又被稱之為超導磁體儲能。能夠在較短時間內完成高功率儲能[2]。超導儲能技術能夠長時間儲存電能，且儲能期間的能量損耗較低，有效提升了能量利用率（約為95%）。超導儲能系統最顯著的特點在于動態性強，能夠根據電力系統指令快速反應，故而在各領域中得到廣泛，其在風電系統多用于頻率調節、功率補償等方面，能夠極大提高供電穩定性。

■1.3 蓄電池儲能技術

蓄電池儲能技術為傳統化儲能手段，經長期開發與探索，蓄電池儲能出現多種類型，并在多領域中得到廣泛應用。隨著蓄電池儲能的發展，電池存儲容量逐漸提升，大幅度提高了蓄電池應用價值。（1）鉛酸蓄電池。該類蓄電池存儲容量已達20MW，遠超蓄電池初期發展水平，因鉛酸蓄電池可靠性高、制作成本低、環境要求低，故而在風力發電系統中較為常見。鉛酸蓄電池在環保與資源再利用方面存在劣勢，當鉛酸蓄電池使用壽命結束后將不具備任何用途，且鉛酸蓄電池在降解期間無法無公害化處理，若處理不當則會污染環境，與新時代生態環保理念相悖。（2）鎳氫電池。該類電池最早于2008年在北京用于混合電動車，在實際應用期間發現，鎳氫電池能量轉化情況與周圍環境存在緊密關聯，即受環境影響大。若在電流較小的情況下，放電時的能量密度至少為80kWh/kg，但若電流較大，放電時的能量密度降至40kWh/kg。（3）鏗離子電池。該類電池同樣受環境影響較大，且制作工藝復雜，故而在風力發電系統內不適用。（4）全釩液流電池。汞在電解液環境中將產生化學反應，在電極表面進行氧化還原，繼而完成蓄電池的充放電。在釩液流電池實際應用期間，其高效率、低成本的特點逐漸被業界關注，現已取得一定成效。

■1.4 超級電容器儲能

超級電容器儲能以電化學雙電層理論為基礎，在實際運用期間，將產生巨大脈沖功率，使電力表面始終處于最佳狀態，當充電時，電解質異性離子在電荷吸引力驅動下吸附于電極表面，此時將產生雙電荷層。超級電容器儲能技術的裝置結構較為簡單，且無毒性物質產生，環保性得到保障，此外，超級電容器儲能方式所產生的電流較大，充電時間相對較短，在充放電循環期間能夠保持上述優勢，但超級電容器儲能同樣存在一定劣勢，超級電容器儲能對充電期間的電壓具有較高要求，而單個電容器電壓無法滿足高效充電需求，故而在風力發電系統中，超級電容器儲能多用于調節短時大功率平滑情況。

■1.5 其他儲能技術

除上述常用儲能技術外，現階段應用較為廣泛的還有氫燃料電池儲能、壓縮空氣儲能、抽水儲能等。其中氫燃料電池儲能成本相對較高，但環保性強、性能優異，受限于成本與技術，現主要被應用在航天航空領域，但隨著技術的成熟發展，現已認識到氫燃料電池儲能技術在風力發電系統中的較大潛力，現已逐步在風力發電系統中得到應用。壓縮空氣儲能需借助燃氣機實現，該儲能方式具有較高能量轉化率，可降低能量耗損，現在風力發電與電力系統中多用于儲能調峰。抽水儲能現階段在風力發電與電力系統主要起到集中發電、系統調峰的效果，但抽水儲能對地理條件要求高，需建設配套抽水蓄能電站，故而存在一定局限。

2 風力發電系統中儲能技術的具體應用

為深入了解儲能技術在風力發電系統中的應用，將以前瞻性眼光分析風力發電系統中儲能技術應用，主要探討風力發電系統中的先進新型儲能技術。

■2.1 氫燃料儲能

氫燃料儲能主要憑借電化學裝置來實現，將氧化劑、燃料內的化學能轉化為電能，在“雙碳”戰略目標及可持續發展戰略指導下，氫燃料儲能技術逐漸被應用到風力發電系統中。氫燃料儲能容量無上限，以電解質為劃分依據主要可分為直接甲醇燃料儲能裝置、質子交換膜燃料儲能裝置、堿性燃料儲能裝置，各類儲能裝置均由陽極、陰極、電解質構成，工作原理相似，僅電解質存在差異。在風力發電系統內，質子交換膜燃料儲能方式應用最廣泛。在質子交換膜燃料儲能裝置運行期間，燃料氣體與氧氣穿過雙擊板氣體通道后進入兩極，經過膜電極部位擴散區域后進入催化層，此時氫氣將在膜陽極催化劑作用下分解為水、質子與電子，水與質子穿過質子交換膜磺酸基進入陰極，而電子穿過外電路進入陰極，最終，電子、質子與水在陰極催化劑作用下，與氧分子產生反應，在一系列化學反應中完成電能存儲及充放電過程，同時在壓縮化、液化、金屬化儲能方式應用下實現長期儲能，效果顯著[3]。在風力發電系統內，氫儲能裝置由氫儲罐、電解槽、燃料儲能裝置構成，當風能充足時，電解槽通過電解水產生氫氣，并將在氫儲罐存儲，待儲滿氫后，此時的多余電力將轉出成為負載，當風力發電赤字時，氫儲能裝置將進行氧與氫的反應，繼而生成電能，彌補系統負載，保持電力系統穩定。現階段對氫燃料儲能的技術研究逐漸深化，技術難關逐漸被攻克，同時，相關組件成本不斷降低，使氫燃料儲能技術的大范圍應用更為可能。

■2.2 雙電池儲能

現階段主要有兩種緩解風電功率波動的方式，即借助儲能裝置與功率平滑方式，其中功率平滑方式不必使用儲能裝置，但無法確保風能采集應用效果，而運用儲能裝置搭建儲能系統，能夠良好采集風力發電量，通過電能存儲，為電網輸送穩定電能。電池儲能效果優異，故而在風力發電系統中得到廣泛應用。近年來，電池儲能技術發展迅速，為延長電池儲能裝置使用壽命而提出雙時間尺度協調控制的方式，用于控制風電功率波動，確保電池儲能裝置能夠在風電系統中發揮良好作用。此外，為縮減系統運行成本而出現了大型電池儲能裝置，由多個電池組成，通過雙層控制方式調節風電功率波動，并配置不同電池儲能單元的功率，在此基礎上，逐漸出現了雙電池儲能技術，由兩個電池裝置構成，分別用于充電與放電，當實際風電功率高于電網調度功率時，充電電池將始終保持充電狀態，當實際風電功率低于電網調度功率時，充電電池將停止工作，而放電電池進入工作狀態，兩個不同功能的電池充放電狀態根據實際風電功率而切換，因狀態切換由兩個電池單獨進行，可避免單個電池裝置進行狀態切換的弊端，相較于單個電池裝置，能夠有效延長電池儲能裝置使用壽命，并優化調度功率，使不穩定性風電能夠持續化送入電網。

■2.3 混合儲能技術

現階段風力發電系統的主要儲能裝置為蓄電池，但蓄電池裝置壽命較短、功率密度較低、維護難度高，還易產生環境污染，為解決該問題，可將蓄電池裝置與超級電容器方式相結合，形成混合儲能技術。超級電容器儲能裝置使用壽命長，功率密度及功率效率較高，且無需維護，能夠與蓄電池儲能通過無源式結構、有源式結構進行互補式并聯，繼而構建混合儲能裝置。混合儲能裝置集合兩種儲能方式的優勢，有效延長儲能裝置使用壽命，兼顧經濟性與技術性，并保障了能量轉化效果，由此可見，混合儲能裝置在風力發電系統中具有較強應用價值。當風力發電系統運行狀態出現異常時，混合儲能裝置能夠快速響應并投入到風力發電系統運行中，快速進行充放電，用于彌補并網負荷高峰階段的電力缺口。超級電容器能夠有效帶動蓄電池進入充放電狀態，根據風力發電系統實際情況進行“削峰填谷”，以此保障風力發電系統平衡，提升供電可靠性。

■2.4 碳納米管超級電容器

超級電容器由電解質、極板、隔離物、電流采集裝置構成，能夠通過電解質極化完成儲能。超級電容器與蓄電池儲能方式類似，在充電期間采用離子形式存儲電荷，達到儲能效果。傳統的超級電容器多采用金屬氧化物、活性炭纖維等材質作為電極材料，隨著超級電容器的發展，因碳納米管的導電性、化學穩定性、機械強度更高，故而現階段多采用碳納米管超級電容器作為風力發電系統的儲能方式。在風力發電系統中，碳納米管超級電容器能夠實現十萬余次深度充放電循環，電能儲備效果顯著，且使用壽命相對較長，因此，碳納米管超級電容器在風力發電系統中尤為適用。

3 儲能技術在風力發電系統中的未來應用前景

現階段社會各領域發展均重視新能源的應用，在發電產業中，在“雙碳”戰略目標指導下，火力發電量在總發電量中的占比逐漸降低，風能作為新能源的一種，其裝機數量及發電量逐漸提高，在整個發電產業中的占比持續增高，在此形勢下，諸多風電企業著手研究風電場儲能裝置或儲能型風機，因此，在未來發展中，風力發電系統的儲能技術將快速發展。儲能技術在風力發電系統中的應用效果不僅限于“削峰填谷”，其經濟效益仍有待挖掘，例如：能否使前期投入成本與后期“棄風量”達到“收支平衡”等[4]。同時在新時代電力系統發展中，提出并搭建了風光互補發電系統，采用風力發電、太陽電池方陣兩種方式完成風光互補電站的發電任務，使太陽能與風能可在不同場景配合發揮效果，通過互補方式消除可再生能源發電的不穩定性，在此形勢下，需根據風光互補電站運行規律做好儲能裝置的配備，以此實現全天候發電。除此之外，蓄能裝置的回收與再利用同樣為未來發展重點，實現蓄能裝置回收再利用后，將大幅度提高各類儲能技術的應用價值。近年來，為促進光伏、風電發展，儲能裝置的研發項目持續推進，力圖提升儲能裝置帶來的全年收益、調峰收益，使風力發電系統儲能能夠兼顧技術性與經濟性。

4 結束語

綜上所述，飛輪儲能技術、超導儲能技術、蓄電池儲能技術、超級電容器儲能等傳統儲能技術，在未來風力發電系統中，氫燃料儲能技術、雙電池儲能技術、混合儲能技術、碳納米管超級電容器儲能技術將得到廣泛應用，進一步提高風力發電系統儲能容量，增強儲能性能，提高儲能穩定性。在未來發展中，儲能技術的作用將不僅限于“削峰填谷”，在保障技術優勢的同時，還可進一步挖掘經濟效益。