风力发电系统中储能技术的应用分析

2023-04-22赵妮马晓燕阿拉善职业技术学院

节能与环保 2023年11期

赵妮马晓燕阿拉善职业技术学院

1 风力发电系统储能技术概述

1.1 电磁储能

电磁储能的核心是利用磁场将风力产生的电力转化为可供储存的电力。目前，超导磁体储能是一种被普遍使用的电磁储能技术。超导磁体储能技术无需进行能源的转换，可以直接将风能产生的电力储存起来，从而有效避免了电力的无谓浪费。此外，这种技术的操作流程也非常简洁，使用起来并不复杂，速度极快，能够提高电力储存的效率。在需要储存电力的情况下，这种方法能够在短时间内产生相对较大的功率，从而能够迅速且准确地满足相关需求。

1.2 蓄电池储能技术

简言之，蓄电池储能技术依赖于电池的氧化还原反应来实现充放电。由于这个系统使用的设备并不复杂，因此，这项技术被广泛地运用于小型分布式发电。由于构成蓄电池的化学元素有一定的区别，因此，蓄电池储能技术也会有所区别。根据相关研究人员的研究，将铅酸电池运用于电力储存的技术正逐步发展壮大。目前，铅酸电池的容量可达 20MW。此类电池不仅拥有完善的技术，而且价格经济，因此在电力储存方面无须投入大量资金。然而，铅酸电池的寿命相对较短，一般只能维持4a，而且若是没有得到适当的处置，还会导致大气环境的污染。目前，我们国家的无污染处理技术还有待提高，因此，这类型的电池的使用受到了限制。

锂离子电池是一种常见的蓄电池类型，它的功率相对较高，但是它的性能会受到环境条件的显著影响。锂离子电池通常并不具备长久的使用寿命，因此，它们通常并不会被广泛地用作风力发电的储能工具。

1.3 机械储能

我国大部分的风能储存都是采用机械储能技术。这种技术目前被广泛应用于电力储存领域。其主要工作原理是将风能转化为机械能进行储存。这种技术的实施流程相对简单，操作过程中不会产生严重的安全问题。当我们需要利用储存的电力，只需将储存的机械能量转化为电力即可。飞轮储能则是通过电力的推动将电力转化为动力，然后进行长期储存。尽管这种技术可能会产生能量的互换，进而导致一些能源的浪费，这也是其显著的缺点。近年来，我国的电磁技术和超导磁悬浮轴承技术取得了飞速的进步，并逐渐成熟，这些技术为飞轮储能提供了强大的技术支持。

1.4 其他储能形式

我国还拥有其他的储能技术。在这些技术中，抽水蓄能设备已经在许多领域得到了应用，然而由于风能发电场的限制，它们并不能在风能储能中使用。此外，还有氢燃料电池储能技术，主要利用氢气作为储能的媒介。氢燃料电池的制造过程相当简单，并且不需要大量的投入，也不会对环境造成污染。因此，它拥有极为广阔的市场。根据我们国家的研究动向，科学家们正在努力降低这种电池的制造成本，如果能真正降低其制造成本，那么这种电池一定能被更广泛地使用。

2 风力发电系统中储能技术的具体应用

2.1 氢燃料储能技术

电化学装置类型的氢燃料储能设备能够持续将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。这种设备的容量非常大，根据电解质的特性，燃料电储能设备可以被分为三种类型，分别是质子交换膜燃料储能设备、直接甲醇燃料储能设备和碱性染料储能设备。此外，燃料储能设备也可以被分解为不同的部分，例如电解质、阴极和阳极，其运作原理都是一致的。

目前，固体氧化物燃料储能装置与质子交换膜燃料储能装置被广泛应用于风能储能的过程。这两种装置的核心操作流程如下：首先，氧气与燃料气体会经由双击板的气体路径进入阴阳极，然后从膜电极的扩散层进入催化层；其次，膜阳极催化剂的表面会出现氢气的分解，生成电子、质子和水等元素。在这里，电子从外部电路经过负荷输送到阴极，而其余的元素则经质子交换膜磺酸基输送到阴极。第三个方面，在阴极催化剂的表面，氧原子与这三种元素发生交互，从而形成了水。

储存氢能的技术能够达到持续储能的目标，常见的储能手段包括三种，也就是金属化、液态和压缩。目前，我们主要依赖燃料储能装置、电解槽和氢储存罐等组件进行氢储能装置的生产，然后将其应用到风能发电系统中。假如风力极其强劲，那么电解池就会围着水分子执行电化学反应，从而生成氢气并储藏在氢储罐里。当氢储罐完全没有容器的情况下，剩下的电力就会流向输送负荷。一旦有电力需求，设备内的氧气与氢气就会发生交互，从而产生电力，来满足输送负荷对电力的需求。

2.2 混合储能技术

目前，我国的大部分风能发电设备都采用了蓄电池这种储能设备，但是这种设备的功率密度并不高，使用寿命也不长，维护和管理也相当复杂。此外，它还可能对自然环境造成一些影响，因此，我们应该更加重视回收工作。

超级电容器储能设备无需进行维护和管理，其使用寿命较长，并且具有极高的功率密度和运行效率。因此，它可以采用两种不同的结构形式，一种是有源结构；另一种是无源结构。通过将蓄电池储能设备和超级电容器储能设备相结合，我们可以创建出混合储能设备。采用这种混合储能设备的构造方式，不仅可以优化蓄电池储能设备的充放电过程，延长其使用寿命，还能提升系统的技术性和经济性，最终有效提高储能转换的运行效率和质量。

2.3 碳纳米管超级电容器

四个关键组成部分构成了超级电容器储能装置，即电流采集设备、电解液、隔离物和极板。它们通过围绕电解液进行极化处理，从而达到能量储存的目的。就像蓄电池一样，这个装置在充电阶段主要采用离子方式来保持电荷。通常，这个设备会使用活性炭纤维、金属氧化物和碳纳米管等各种元素来制造基本的电极。碳纳米管储能设备在这方面展现出极高的化学稳定性和导电特性，同时也拥有相对较强的机械特性和较大的长径比，能够执行超过10 万次的充放电循环，具有极长的使用寿命，并且具有极高的可靠性，无需进行任何维护管理。

3 风力发电系统中储能技术的应用前景

在进行电力供应的调整时，我们通常会选择使用如抽水储能和压缩空气储能等技术手段。对于规模较小的储能设备，电池储能是最佳的选择，然而，如果是电动汽车储能或混合储能设备，那么使用超级电容储能就更为恰当了。此外，如果要进行电网的调频或保证电力的品质，那么使用超导电磁储能技术和飞轮储能技术就更为恰当。

在使用风能发电设备时，我们通常会优先关注储能技术的费用，因此，未来我们需要特别关注和研究如何提高能量转换的效率和降低储能技术的费用。随着风能发电系统的不断进步，许多储能技术已经逐渐完善和改良，并且在该系统的使用范围也日益广泛。储能技术的各个层次，例如其成熟度、使用费用和特性，都将影响其在风能发电系统的实施，同时，系统能够存储电力的根本原因是具备对电力品质的监督能力。为了确保风电场的电力传输能够稳定无误，我们需要依赖相关的科技手段。目前，能够实现电压稳定的科技主要有超导储能、液流储能和超级电容储能等。当外部电网出现故障时，这些科技手段能够迅速并准确地提供稳定的电压，进而保证电网的正常运行。对于大规模的风能发电设备，通常会采用能够实现峰值调节的储能技术手段，包括钠硫储能电池和液流电池储能技术等多种方法。