风能与储能技术

风能与储能技术风电是我国唯一已经被大规模开发利用的可再生能源。2019年底，我国风电装机总容量达到4473.3万千瓦，超过美国成为世界第一，风电并网容量也达到了2956万千瓦，十二五末总装机容量达到1亿千瓦。但是由于风力发电固有的间歇性和波动性风电大规模接入电网必然会使电网的可靠性降低，从而影响电网的调度和运行方式，现阶段的情况是风电场的建设速度已经超出了电网的接受能力，出现了一些风电场弃风，因此如何让电网大规模的接受风电成为我国风电发展的关键因素。使用储能技术以抵消风电的间歇性与波动性是一种有效的方法。一、能源发展趋势人类的能源利用从最初的薪柴时代到后来的煤炭时代，再到现在的油气时代的演变，总量不断增长，同时能源结构也在不断变化。而每次生产力的巨大飞跃都和是能源的变迁离不开，可以说能源极大地推动了人类经济社会的发展。但是，伴随着人口的剧烈增长，而传统的化石能源是有限的，以至于现在人类经济和社会发展受能源的制约越来越明显。众所周知，我们现在消耗的，主要是地球上千万年来存储下来的化石能源，是不可再生的能源而且正面临耗竭的危机，下图是传统化石能源开发利用的年限,由图1可以看出油气的使用年限为40-60年。图1BP2019世界化石能源开采年如今谁也无法否认高油价时代已经到来，而传统化石能源给中国带来的污染问题更已让中国经济的发展蒙上了另一层阴影。中国经济如果无法摆脱高能耗高污染的惯性，那么未来之路将充满变数。正是在这样的背景下，通过风能、生物质能、太阳能等绿色能源来解决问题已成为中国经济发展不可避免的现实，同时国家也在加快智能电网建设。二、新能源发展迅速相比与传统的化石能源，新能源具有绿色无污染的特点，所以世界各国都在大力发展清洁的新能源技术。特别是近年来新能源的发展十分迅速。来自《BP2019世界能源统计年鉴》的信息表明，2019年世界消费的能源强劲增长，其中新能源较常规化石能源更是实现了大幅增长，生物燃料增长了13.8%，，风能发电量持续强劲增长（+22.7%），而风能增长由中国和美国带动，两者风能发电量增长总和差不多占全球增长的70%，在此带动下用于发电的可再生能源总体增长15.5%，如下图2，这些类型的可再生能源占全球能源消费的比例从2000年的0.6%上升至1.8%。图22019年世界消费的各种能源增长率三、风能当前全球风电发展迅速，据资料显示，全球风电总装机自2019年至2019年，年均增长30%，而中国同期增长更快，约50%（表1），尤其是近期，增长更快，仅仅内蒙地区，2019年底总装机量就达到1000万千瓦。表12019-2019全球和中国风电装机容量演变表（单位GW）202020年份219 19 1912总装机7.101317233139475974930.全容量6.2.6.4.9.1.4.6.1.2.98球新装机1.2.3.3.6.7.8.8.11151927容量55485312.5.2.9.112总装机0.0.0.0.0.0.0.0.1.2.5..2中容量172227341047677626691国新装机0.0.0.0.0.0.0.0.0.1.3.3.容量11060408060719205034306作为风力发电行业最权威的中文媒体期刊《风能世界》杂志预测：到2020年风能将成为世界最重要的能源力量。我国风资源丰富，技术可开发量约为2.97亿千瓦，“十一五”期间，风电在我国经历了连续增长的高速发展期，进入规模化发展阶段。到2019年末，我国风电并网容量达到3107万千瓦，吊装容量达到4478万千瓦，超越美国成为世界上风电装机规模最大的国家。我国风资源状况与经济发展区域呈现逆向分布的特征，50%以上的风资源集中在经济发展相对滞后的西部、北部的内蒙、新疆、甘肃、宁夏等省区，这些经济欠发达地区，电网建设相对滞后、电网规模小、网架薄弱。与国外风电采用分布式开发与集中开发相结合、分散接入的形式有所不同，我国西部风资源相对集中的特点，决定了风电以集中开发集中接入的开发建设模式，由于风电的间歇性和随机波动性，大规模风电并网对电网的安全稳定运行造成很大影响。受风资源分布特点、控制调整间歇性风电难度大、风电资源富集地区经济发展水平和电网建设水平的影响，我国风电发展在经历了“十一五”的快速发展后，电网消纳风电的能力超过了电网稳定极限，风电上网受到了限制，尤其是在冬季供暖期间，受热电机组负荷需求增加的影响，风电限电严重，限电比例高达20%以上，风资源由于限电弃风而大量流失。按照我国对世界的节能减排承诺，在“十二五”能源发展规划中，预计“十二五”末，我国累计并网运行风电装机容量将达到1亿千瓦，风电并网容量以平均每年1500万千瓦的开发建设速度快速发展。以内蒙古地区为例，内蒙古是我国重要的能源基地，煤炭资源、风能资源和光能资源丰富，现有总装机容量6700万千瓦，其中煤电5600万千瓦，风电1100万千瓦。十二五期间计划建设总容量1亿千瓦，其中风电3300万千瓦，届时风电比例将达到30%以上。风电快速、大规模的发展使得电网消纳风电的困难更加凸显，严重阻碍了风电的健康快速发展，也使得我国风电开发建设遇到了前所未有的发展瓶颈。风能最大的特点是间歇性，波动性很大，下图是某地（河西走廊风能变化及储量）风能密度的日变化与月变化曲线。为了解决风电大规模开发的技术瓶颈，降低风电间歇性及波动性对电网稳定性的影响，在风电集中开发的地区建设大规模储能电站，利用储能电站的双调节功能，低谷吸纳电网多余电力储能，将风电电力转化为优质电能储存起来，减少风电弃风，在用电高峰期为电网提供快速优质的调峰电源，增强电网调峰能力。进而提高电网运行的安全稳定性和风电机组利用率，减少风电弃风和提高清洁能源发电比例，对于进一步优化能源结构、缓解国家节能减排压力将起到直接的推动作用。图3风能密度的日变化与月变化曲线由上发展储能电站已经势在必行。四、储能技术1、 储能的作用1）工业用电有波动性，可以作为备用电源。2）峰谷分时电价，高价的时候使用储能电站的电，可节约成本。3）风电厂发电的不稳定性，用储能的方法减小消除对电网的冲击。4） 电网系统削峰填谷如下图4，电力系统对大规模电能储存技术提出了现实需求，大规模的电能储存技术可用于电力的“削峰填谷”，改善电力的供需矛盾，提高发电设备的利用率。同时实行峰谷分时电价也为储能电站发展提供了更旷阔的应用前景，利用储能电站，建立分散能量系统，缓解电网拥堵。图4电网系统削峰填谷示意图储能技术可以说是新能源产业革命的核心。储能产业巨大的发展潜力必将导致这一市场的激烈竞争。如果政策到位，我国储能产业既可快速成长为在全球有重要影响的新兴战略性产业，也将极大促进国内新能源的规模化发展，储能已列入我国十二五规划纲要。2、储能现状目前世界上有多种储能技术，下面做简要介绍。抽水储能抽水储能是将用电低谷时电站的多余电能，由水泵把水抽至一定高度，将电能转化为水的势能，再在用电高峰时期，释放水的势能，推动水轮机发电，能量转化效率约为0.6-0.7。抽水蓄能电站发展呈现特点：世界上已有多座抽水储能电站在运行，容量增幅大，发展速率高，在系统中发挥了重要作用，具有了较为成熟的设计、施工和管理经验，运行管理方面，但是其初期投资大，工期长，受地理环境制约较大。压缩空气储能(compressedairenergystorage,CAES)压缩空气储能是指在电网负荷低谷期(或电站电量高峰期)将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动气轮机发电的储能方式。压缩空气储能主要特点：容量在不断增大，运行方式灵活，启动时间短，污染物少，投资相对于抽水电站更少，但是需要一定的地质条件。3）飞轮储能飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放电快捷、充放电次数无限以及无污染等有点，适用于电网调频和电能质量保障，缺点是技术尚未成熟，而且规模不能做到很大。4）超导电磁储能超导电磁储能是利用超导线圈将多余的电能直接以电磁能的形式储存起来，在需要的时候再将电能输出给负载。主要特点是未经过其他形式的能量转化，可因此效率很高，接近95%，能量密度很高，不受地理环境限制，占地面积小，操作维护方便，反应速度快。但是其技术复杂，单位储能造价高，强磁场对环境可能会有影响。5） 其他的储能技术如同我们所用的手机电池，高效电池储能技术，燃料电池储

能技术，蓄热器储能，蓄冷储能等，这些技术当前发展迅速，但是都未能大规模的储存电能。3、几种储能比较下表2是参考文献对于几种储能方式的比较表2几种储能比较投资投资存储容能运行响应功率（按能（按量MWh量维护时间MW量）功率）转费$/kWh$/kW换$/kW/效率yr%压缩空气>3>4255-1000>701.31-100.5-2005min700抽水蓄能>10>600>20000>70410s-4300-1.3min800飞轮蓄能-3600.000290-7<1s0.001-50093.5-1超导电磁0.0002951<1s0.001蓄能-100-2燃料电池1-15500-10.000259<1s0.01-蓄能500-23由上分析知:抽水蓄能、压缩空气储能适用的功率等级和技术成熟度高，是一种适合大规模、超大规模电力系统的电力储能技术，均已实现了商业应用。抽水蓄能电站是目前广泛使用的储能技术，但受水资源分布、选址条件、建设周期长等条件的制约，我国西部可开发建设的地区和规模有限，无法满足电网因风电快速发展而快速增长的调峰需求。压缩空气储能技术恰恰克服了抽水蓄能在应用中的受限约束，其选址条件和建设环境要求相对简单，建设周期短、投资小，系统灵活度高，特别适用于我国西部风能资源富集地区。该技术的应用能够很好地解决风电限电这一限制我国西部风电发展的瓶颈问题，是一种极具开发潜力的储能技术。目前，美国、德国的压缩空气储能电站已经成功运营二、三十年，正在朝着大型化、自动化的方向发展，我国对压缩空气储能电站的开发尚处于基础研究阶段，目前还没有一座商业运行的电站。五、压缩空气储能技术国内外现状1、国外研究现状1）各国CAES电站建设现状德国于1978年建造了世界上第一座压缩空气储能电站，资料显示，该电站额定功率290MW，发电时可运行4小时，在1979年1月1日至1991年12月31日期间共启动并网5000次，其中发电方式2342次，其他方式2684次，成功5026次，只用119次失败，平均启动可靠性97.6%，平均可用率86.3%，容量系数平均33.0%—46.9%。美国第一座CAES电站于1991年5月投入商业运行，该电站位于Alabama州,在德国的基础上增加了回热加热器用以吸收余热，使效率提高25%，机组紧急启动只要9分钟，并进行了远距离控制，1992年净发电量39255MWh,储能耗电46745MWh,平均负荷因数4.1。日本国内，在政府的资助下，于90年代开始建造一座35MW的CAES实验电站，是未来商业化的1/10，在设计上借鉴了德国和美国的设计。表3是以上3国的CAES电站对比表3以上3国的CAES电站对比德国一发电厂计划建设压缩空气储能电站，与通用电气公司合作，打算在2019年完成可行性研究报告，并计划在2019年建立一套示范设备。2019年起，美国Ohio州开始建一座大型（2700MW）的压缩空气储能商业电站［15。日本正计划建造一座400MW的CAES电站，为了减少费用，正在全力探索建造新的贮气空洞。除上述国家之外，俄、法、意、韩等国也已致力于开发研究这种CAES电站。由于压缩空气储能电站的建设成本及发电成本均低于抽水蓄能电站，预计它的应用将很快超过抽水蓄能电站。现阶段国外CAES电站有以下发展趋势：1）改进燃气轮机循环，2）应用联合循环技术，3）机组和电站的大型化、自动化，4）改进存贮空间。2）国外理论研究国外理论研究主要集中在以下几个方面：⑴对CAES现状的分析；（2）CAES在风能等可再生能源领域的应用；（3）CAES电站热力学分析；（4）CAES与制冷系统；（5）CAES与电网接入技术；（6）微型CAES研究；（7）CAES经济性分析。2、国内研究现状国内目前关于压缩空气储能的应用实践还未见报道，仅有中科院武汉岩土力学研究所针对湖北省云应地区盐岩溶腔型地下洞穴中应用压气储能的可行性进行了分析。在我国风能资源丰富的西部地区广泛分布有各种废弃的有色金属矿井，这些矿井的地