風(fēng)能與儲能技術(shù)

風(fēng)能與儲能技術(shù)風(fēng)電是我國唯一已經(jīng)被大規(guī)模開發(fā)利用的可再生能源。2019年底，我國風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到4473.3萬千瓦，超過美國成為世界第一，風(fēng)電并網(wǎng)容量也達(dá)到了2956萬千瓦，十二五末總裝機(jī)容量達(dá)到1億千瓦。但是由于風(fēng)力發(fā)電固有的間歇性和波動性風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)必然會使電網(wǎng)的可靠性降低，從而影響電網(wǎng)的調(diào)度和運(yùn)行方式，現(xiàn)階段的情況是風(fēng)電場的建設(shè)速度已經(jīng)超出了電網(wǎng)的接受能力，出現(xiàn)了一些風(fēng)電場棄風(fēng)，因此如何讓電網(wǎng)大規(guī)模的接受風(fēng)電成為我國風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵因素。使用儲能技術(shù)以抵消風(fēng)電的間歇性與波動性是一種有效的方法。一、能源發(fā)展趨勢人類的能源利用從最初的薪柴時代到后來的煤炭時代，再到現(xiàn)在的油氣時代的演變，總量不斷增長，同時能源結(jié)構(gòu)也在不斷變化。而每次生產(chǎn)力的巨大飛躍都和是能源的變遷離不開，可以說能源極大地推動了人類經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。但是，伴隨著人口的劇烈增長，而傳統(tǒng)的化石能源是有限的，以至于現(xiàn)在人類經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展受能源的制約越來越明顯。眾所周知，我們現(xiàn)在消耗的，主要是地球上千萬年來存儲下來的化石能源，是不可再生的能源而且正面臨耗竭的危機(jī)，下圖是傳統(tǒng)化石能源開發(fā)利用的年限,由圖1可以看出油氣的使用年限為40-60年。圖1BP2019世界化石能源開采年如今誰也無法否認(rèn)高油價時代已經(jīng)到來，而傳統(tǒng)化石能源給中國帶來的污染問題更已讓中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展蒙上了另一層陰影。中國經(jīng)濟(jì)如果無法擺脫高能耗高污染的慣性，那么未來之路將充滿變數(shù)。正是在這樣的背景下，通過風(fēng)能、生物質(zhì)能、太陽能等綠色能源來解決問題已成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可避免的現(xiàn)實(shí)，同時國家也在加快智能電網(wǎng)建設(shè)。二、新能源發(fā)展迅速相比與傳統(tǒng)的化石能源，新能源具有綠色無污染的特點(diǎn)，所以世界各國都在大力發(fā)展清潔的新能源技術(shù)。特別是近年來新能源的發(fā)展十分迅速。來自《BP2019世界能源統(tǒng)計年鑒》的信息表明，2019年世界消費(fèi)的能源強(qiáng)勁增長，其中新能源較常規(guī)化石能源更是實(shí)現(xiàn)了大幅增長，生物燃料增長了13.8%，，風(fēng)能發(fā)電量持續(xù)強(qiáng)勁增長（+22.7%），而風(fēng)能增長由中國和美國帶動，兩者風(fēng)能發(fā)電量增長總和差不多占全球增長的70%，在此帶動下用于發(fā)電的可再生能源總體增長15.5%，如下圖2，這些類型的可再生能源占全球能源消費(fèi)的比例從2000年的0.6%上升至1.8%。圖22019年世界消費(fèi)的各種能源增長率三、風(fēng)能當(dāng)前全球風(fēng)電發(fā)展迅速，據(jù)資料顯示，全球風(fēng)電總裝機(jī)自2019年至2019年，年均增長30%，而中國同期增長更快，約50%（表1），尤其是近期，增長更快，僅僅內(nèi)蒙地區(qū)，2019年底總裝機(jī)量就達(dá)到1000萬千瓦。表12019-2019全球和中國風(fēng)電裝機(jī)容量演變表（單位GW）202020年份219 19 1912總裝機(jī)7.101317233139475974930.全容量6.2.6.4.9.1.4.6.1.2.98球新裝機(jī)1.2.3.3.6.7.8.8.11151927容量55485312.5.2.9.112總裝機(jī)0.0.0.0.0.0.0.0.1.2.5..2中容量172227341047677626691國新裝機(jī)0.0.0.0.0.0.0.0.0.1.3.3.容量11060408060719205034306作為風(fēng)力發(fā)電行業(yè)最權(quán)威的中文媒體期刊《風(fēng)能世界》雜志預(yù)測：到2020年風(fēng)能將成為世界最重要的能源力量。我國風(fēng)資源豐富，技術(shù)可開發(fā)量約為2.97億千瓦，“十一五”期間，風(fēng)電在我國經(jīng)歷了連續(xù)增長的高速發(fā)展期，進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段。到2019年末，我國風(fēng)電并網(wǎng)容量達(dá)到3107萬千瓦，吊裝容量達(dá)到4478萬千瓦，超越美國成為世界上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模最大的國家。我國風(fēng)資源狀況與經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域呈現(xiàn)逆向分布的特征，50%以上的風(fēng)資源集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后的西部、北部的內(nèi)蒙、新疆、甘肅、寧夏等省區(qū)，這些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，電網(wǎng)建設(shè)相對滯后、電網(wǎng)規(guī)模小、網(wǎng)架薄弱。與國外風(fēng)電采用分布式開發(fā)與集中開發(fā)相結(jié)合、分散接入的形式有所不同，我國西部風(fēng)資源相對集中的特點(diǎn)，決定了風(fēng)電以集中開發(fā)集中接入的開發(fā)建設(shè)模式，由于風(fēng)電的間歇性和隨機(jī)波動性，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成很大影響。受風(fēng)資源分布特點(diǎn)、控制調(diào)整間歇性風(fēng)電難度大、風(fēng)電資源富集地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和電網(wǎng)建設(shè)水平的影響，我國風(fēng)電發(fā)展在經(jīng)歷了“十一五”的快速發(fā)展后，電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力超過了電網(wǎng)穩(wěn)定極限，風(fēng)電上網(wǎng)受到了限制，尤其是在冬季供暖期間，受熱電機(jī)組負(fù)荷需求增加的影響，風(fēng)電限電嚴(yán)重，限電比例高達(dá)20%以上，風(fēng)資源由于限電棄風(fēng)而大量流失。按照我國對世界的節(jié)能減排承諾，在“十二五”能源發(fā)展規(guī)劃中，預(yù)計“十二五”末，我國累計并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1億千瓦，風(fēng)電并網(wǎng)容量以平均每年1500萬千瓦的開發(fā)建設(shè)速度快速發(fā)展。以內(nèi)蒙古地區(qū)為例，內(nèi)蒙古是我國重要的能源基地，煤炭資源、風(fēng)能資源和光能資源豐富，現(xiàn)有總裝機(jī)容量6700萬千瓦，其中煤電5600萬千瓦，風(fēng)電1100萬千瓦。十二五期間計劃建設(shè)總?cè)萘?億千瓦，其中風(fēng)電3300萬千瓦，屆時風(fēng)電比例將達(dá)到30%以上。風(fēng)電快速、大規(guī)模的發(fā)展使得電網(wǎng)消納風(fēng)電的困難更加凸顯，嚴(yán)重阻礙了風(fēng)電的健康快速發(fā)展，也使得我國風(fēng)電開發(fā)建設(shè)遇到了前所未有的發(fā)展瓶頸。風(fēng)能最大的特點(diǎn)是間歇性，波動性很大，下圖是某地（河西走廊風(fēng)能變化及儲量）風(fēng)能密度的日變化與月變化曲線。為了解決風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)的技術(shù)瓶頸，降低風(fēng)電間歇性及波動性對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，在風(fēng)電集中開發(fā)的地區(qū)建設(shè)大規(guī)模儲能電站，利用儲能電站的雙調(diào)節(jié)功能，低谷吸納電網(wǎng)多余電力儲能，將風(fēng)電電力轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)電能儲存起來，減少風(fēng)電棄風(fēng)，在用電高峰期為電網(wǎng)提供快速優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰電源，增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰能力。進(jìn)而提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性和風(fēng)電機(jī)組利用率，減少風(fēng)電棄風(fēng)和提高清潔能源發(fā)電比例，對于進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、緩解國家節(jié)能減排壓力將起到直接的推動作用。圖3風(fēng)能密度的日變化與月變化曲線由上發(fā)展儲能電站已經(jīng)勢在必行。四、儲能技術(shù)1、 儲能的作用1）工業(yè)用電有波動性，可以作為備用電源。2）峰谷分時電價，高價的時候使用儲能電站的電，可節(jié)約成本。3）風(fēng)電廠發(fā)電的不穩(wěn)定性，用儲能的方法減小消除對電網(wǎng)的沖擊。4） 電網(wǎng)系統(tǒng)削峰填谷如下圖4，電力系統(tǒng)對大規(guī)模電能儲存技術(shù)提出了現(xiàn)實(shí)需求，大規(guī)模的電能儲存技術(shù)可用于電力的“削峰填谷”，改善電力的供需矛盾，提高發(fā)電設(shè)備的利用率。同時實(shí)行峰谷分時電價也為儲能電站發(fā)展提供了更曠闊的應(yīng)用前景，利用儲能電站，建立分散能量系統(tǒng)，緩解電網(wǎng)擁堵。圖4電網(wǎng)系統(tǒng)削峰填谷示意圖儲能技術(shù)可以說是新能源產(chǎn)業(yè)革命的核心。儲能產(chǎn)業(yè)巨大的發(fā)展?jié)摿Ρ貙?dǎo)致這一市場的激烈競爭。如果政策到位，我國儲能產(chǎn)業(yè)既可快速成長為在全球有重要影響的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，也將極大促進(jìn)國內(nèi)新能源的規(guī)?；l(fā)展，儲能已列入我國十二五規(guī)劃綱要。2、儲能現(xiàn)狀目前世界上有多種儲能技術(shù)，下面做簡要介紹。抽水儲能抽水儲能是將用電低谷時電站的多余電能，由水泵把水抽至一定高度，將電能轉(zhuǎn)化為水的勢能，再在用電高峰時期，釋放水的勢能，推動水輪機(jī)發(fā)電，能量轉(zhuǎn)化效率約為0.6-0.7。抽水蓄能電站發(fā)展呈現(xiàn)特點(diǎn)：世界上已有多座抽水儲能電站在運(yùn)行，容量增幅大，發(fā)展速率高，在系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用，具有了較為成熟的設(shè)計、施工和管理經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行管理方面，但是其初期投資大，工期長，受地理環(huán)境制約較大。壓縮空氣儲能(compressedairenergystorage,CAES)壓縮空氣儲能是指在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期(或電站電量高峰期)將電能用于壓縮空氣，將空氣高壓密封在報廢礦井、沉降的海底儲氣罐、山洞、過期油氣井或新建儲氣井中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮空氣推動氣輪機(jī)發(fā)電的儲能方式。壓縮空氣儲能主要特點(diǎn)：容量在不斷增大，運(yùn)行方式靈活，啟動時間短，污染物少，投資相對于抽水電站更少，但是需要一定的地質(zhì)條件。3）飛輪儲能飛輪儲能是指利用電動機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成動能儲存起來，在需要的時候再用飛輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電的儲能方式。飛輪儲能具有效率高、建設(shè)周期短、壽命長、高儲能、充放電快捷、充放電次數(shù)無限以及無污染等有點(diǎn)，適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障，缺點(diǎn)是技術(shù)尚未成熟，而且規(guī)模不能做到很大。4）超導(dǎo)電磁儲能超導(dǎo)電磁儲能是利用超導(dǎo)線圈將多余的電能直接以電磁能的形式儲存起來，在需要的時候再將電能輸出給負(fù)載。主要特點(diǎn)是未經(jīng)過其他形式的能量轉(zhuǎn)化，可因此效率很高，接近95%，能量密度很高，不受地理環(huán)境限制，占地面積小，操作維護(hù)方便，反應(yīng)速度快。但是其技術(shù)復(fù)雜，單位儲能造價高，強(qiáng)磁場對環(huán)境可能會有影響。5） 其他的儲能技術(shù)如同我們所用的手機(jī)電池，高效電池儲能技術(shù)，燃料電池儲

能技術(shù)，蓄熱器儲能，蓄冷儲能等，這些技術(shù)當(dāng)前發(fā)展迅速，但是都未能大規(guī)模的儲存電能。3、幾種儲能比較下表2是參考文獻(xiàn)對于幾種儲能方式的比較表2幾種儲能比較投資投資存儲容能運(yùn)行響應(yīng)功率（按能（按量MWh量維護(hù)時間MW量）功率）轉(zhuǎn)費(fèi)$/kWh$/kW換$/kW/效率yr%壓縮空氣>3>4255-1000>701.31-100.5-2005min700抽水蓄能>10>600>20000>70410s-4300-1.3min800飛輪蓄能-3600.000290-7<1s0.001-50093.5-1超導(dǎo)電磁0.0002951<1s0.001蓄能-100-2燃料電池1-15500-10.000259<1s0.01-蓄能500-23由上分析知:抽水蓄能、壓縮空氣儲能適用的功率等級和技術(shù)成熟度高，是一種適合大規(guī)模、超大規(guī)模電力系統(tǒng)的電力儲能技術(shù)，均已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。抽水蓄能電站是目前廣泛使用的儲能技術(shù)，但受水資源分布、選址條件、建設(shè)周期長等條件的制約，我國西部可開發(fā)建設(shè)的地區(qū)和規(guī)模有限，無法滿足電網(wǎng)因風(fēng)電快速發(fā)展而快速增長的調(diào)峰需求。壓縮空氣儲能技術(shù)恰恰克服了抽水蓄能在應(yīng)用中的受限約束，其選址條件和建設(shè)環(huán)境要求相對簡單，建設(shè)周期短、投資小，系統(tǒng)靈活度高，特別適用于我國西部風(fēng)能資源富集地區(qū)。該技術(shù)的應(yīng)用能夠很好地解決風(fēng)電限電這一限制我國西部風(fēng)電發(fā)展的瓶頸問題，是一種極具開發(fā)潛力的儲能技術(shù)。目前，美國、德國的壓縮空氣儲能電站已經(jīng)成功運(yùn)營二、三十年，正在朝著大型化、自動化的方向發(fā)展，我國對壓縮空氣儲能電站的開發(fā)尚處于基礎(chǔ)研究階段，目前還沒有一座商業(yè)運(yùn)行的電站。五、壓縮空氣儲能技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀1、國外研究現(xiàn)狀1）各國CAES電站建設(shè)現(xiàn)狀德國于1978年建造了世界上第一座壓縮空氣儲能電站，資料顯示，該電站額定功率290MW，發(fā)電時可運(yùn)行4小時，在1979年1月1日至1991年12月31日期間共啟動并網(wǎng)5000次，其中發(fā)電方式2342次，其他方式2684次，成功5026次，只用119次失敗，平均啟動可靠性97.6%，平均可用率86.3%，容量系數(shù)平均33.0%—46.9%。美國第一座CAES電站于1991年5月投入商業(yè)運(yùn)行，該電站位于Alabama州,在德國的基礎(chǔ)上增加了回?zé)峒訜崞饔靡晕沼酂?，使效率提?5%，機(jī)組緊急啟動只要9分鐘，并進(jìn)行了遠(yuǎn)距離控制，1992年凈發(fā)電量39255MWh,儲能耗電46745MWh,平均負(fù)荷因數(shù)4.1。日本國內(nèi)，在政府的資助下，于90年代開始建造一座35MW的CAES實(shí)驗(yàn)電站，是未來商業(yè)化的1/10，在設(shè)計上借鑒了德國和美國的設(shè)計。表3是以上3國的CAES電站對比表3以上3國的CAES電站對比德國一發(fā)電廠計劃建設(shè)壓縮空氣儲能電站，與通用電氣公司合作，打算在2019年完成可行性研究報告，并計劃在2019年建立一套示范設(shè)備。2019年起，美國Ohio州開始建一座大型（2700MW）的壓縮空氣儲能商業(yè)電站［15。日本正計劃建造一座400MW的CAES電站，為了減少費(fèi)用，正在全力探索建造新的貯氣空洞。除上述國家之外，俄、法、意、韓等國也已致力于開發(fā)研究這種CAES電站。由于壓縮空氣儲能電站的建設(shè)成本及發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，預(yù)計它的應(yīng)用將很快超過抽水蓄能電站?，F(xiàn)階段國外CAES電站有以下發(fā)展趨勢：1）改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)，2）應(yīng)用聯(lián)合循環(huán)技術(shù)，3）機(jī)組和電站的大型化、自動化，4）改進(jìn)存貯空間。2）國外理論研究國外理論研究主要集中在以下幾個方面：⑴對CAES現(xiàn)狀的分析；（2）CAES在風(fēng)能等可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用；（3）CAES電站熱力學(xué)分析；（4）CAES與制冷系統(tǒng)；（5）CAES與電網(wǎng)接入技術(shù)；（6）微型CAES研究；（7）CAES經(jīng)濟(jì)性分析。2、國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)目前關(guān)于壓縮空氣儲能的應(yīng)用實(shí)踐還未見報道，僅有中科院武漢巖土力學(xué)研究所針對湖北省云應(yīng)地區(qū)鹽巖溶腔型地下洞穴中應(yīng)用壓氣儲能的可行性進(jìn)行了分析。在我國風(fēng)能資源豐富的西部地區(qū)廣泛分布有各種廢棄的有色金屬礦井，這些礦井的地