中國儲能網(wǎng)訊：簡述了風力發(fā)電的現(xiàn)狀及瓶頸，提出儲能技術是克服其瓶頸的手段之一。討論了儲能式發(fā)電機及其與風力機的匹配問題，最后展望了儲能式發(fā)電機的發(fā)展前景。
1、風力發(fā)電的現(xiàn)狀與風電發(fā)展的瓶頸
當前像立式電風扇那樣的水平軸螺旋槳式風力機在全中國遍地豎立起來了，在網(wǎng)絡上看到：“2005年，中國還只有50萬kW的風電裝機容量，但在當年《可再生能源法》實施之后，風電產(chǎn)業(yè)連續(xù)4年實現(xiàn)新增裝機容量翻番，2008年中國風電裝機1221萬kW，已成為亞洲第一、世界第四的風電大國，僅排在美國、德國、西班牙之后?！边@就看到國家的政策威力是如何之大，同時也看到了企業(yè)是多么渴望發(fā)展。網(wǎng)絡上還說“風電不穩(wěn)定而且成本高，這影響到風電并網(wǎng)，世界能源理事會中國國家委員會副秘書長李隆興說，風電并網(wǎng)最大的問題在于風電具有不穩(wěn)定性和不可控性，風電上網(wǎng)成本要高于火電和水電，因此對電網(wǎng)來說，風電不是好電。這也就增加了風電并網(wǎng)的難度?！边@里說到了風電兩個根本的薄弱點：成本和穩(wěn)定性。
關于成本，最近網(wǎng)上說多數(shù)新成立的風電公司都是從國外購買水平軸螺旋槳式風力機的圖紙，而水平軸螺旋槳式風力機又不是風能利用率很高的風力機（請看筆者的“垂直軸流體動能轉換裝置”一文，上網(wǎng)輸入此名稱即能查到），制造成本高效率又低，發(fā)出來的電的電價自然就高了。令人感到遺憾的是我國偏偏就是有那么多的企業(yè)，寧可大量重復投資、追逐蠅頭微利也不愿冒些風險去爭取更先進更高效的新技術、新產(chǎn)品帶來的第一桶金。一些企業(yè)家對于在自己的產(chǎn)品上打上“madeinchina”（中國制造）非常滿足甚至還有些沾沾自喜，殊不知買來的圖紙生產(chǎn)其實是在替外國人打工。真正應當令我國的企業(yè)家感到驕傲不應當是“madeinchina”而應該是“designinchina”(中國設計)和“creationinchina”(中國創(chuàng)造)。要想自立于世界民族之林，不提倡中國制造和中國發(fā)明肯定是不行的。至于風電的不穩(wěn)定性，則是因為風速的多變引起的。風電必須上網(wǎng)才有意義，但電網(wǎng)是有技術指標的，你發(fā)出來的電忽高忽低，時而還頻率不穩(wěn)，人家怎么用你的電，風電不穩(wěn)定事實上已經(jīng)成為我國風電事業(yè)發(fā)展的瓶頸。
現(xiàn)在大量的水平軸螺旋槳式風力機是生產(chǎn)出來了，全國上下也都豎立起這些水平軸螺旋槳式風力機來了，但矛盾也隨之而來了，上網(wǎng)難，上不了網(wǎng)就賺不到錢，就虧本、還不了貸款就得負債。
2、儲能技術是克服瓶頸的手段之一
當前，在風力機用發(fā)電機方面最前衛(wèi)的當推“雙饋異步發(fā)電機”了，這是一種在風力機輸出軸上增設一個附加旋轉磁場，這個附加旋轉磁場的轉速，或稱頻率是可控的，可使風力機輸出軸的轉速加上附加磁場的轉速之和等于工頻（或是1/2、1/4、、1/8工頻，視直驅式發(fā)電機的磁極對數(shù)），從而保證了安裝在不動的基礎上的發(fā)電機定子發(fā)出頻率穩(wěn)定的交流電，因為，旋轉式風力機要保持最高的風能利用率，就必須保證尖速比為最佳尖速比，而尖速比是風力機轉子轉速與風場風速的一個比值，風場的風速是不穩(wěn)定的，而要求尖速比不變，這就意味著要求風力機轉子的轉速必須隨著風速的變化而變化。因此用雙饋異步發(fā)電機就能夠解決上網(wǎng)中交流電的頻率保障問題。
用了雙饋異步發(fā)電機，風能最高利用率保障了，輸出頻率也保障了，但穿過風力機葉片掃掠面積的風能功率，或者說風力機截獲風能并保持以最高的利用率向發(fā)電機輸入軸輸出的機械功率都是與風速的3次方成正比的（見圖1最上部的計算公式），這就是說風速變化1倍（如加大到2倍），發(fā)電機輸入軸輸入的功率變化將達到8倍。這意味著發(fā)電機發(fā)出來的電力變化的相對幅度擴大了。也就是說雙饋異步發(fā)電機只解決了效率與頻率的問題，卻不能解決輸出電力的穩(wěn)定性問題。
對付電流波動的問題，在小功率情況下，人們是有辦法的。即使輸出的直流電波動小些的辦法是加設濾波電容，因為濾波電容有削峰填谷的作用。交流電經(jīng)過二極管的整流，變成了波動很大的直流電，波動很大的直流電還不能用，因為它會造成噪聲背景和破壞電子電路的正常工作。因此必須濾波，經(jīng)過濾波，波動的直流電波形大大減小了，這主要是因為電壓高時，電容吸收電流，抑制了輸出電壓的上升，而當電壓低于平均值時，電容又放出電流，使輸出電壓不至于迅速下降，因此輸出的直流電平穩(wěn)多了。
用電容能抑制波動，然而在風力發(fā)電上也用電容不行，因為這要用太多的電容，造價高占地廣不說，而且性能穩(wěn)定可靠容量足夠大的電容在技術上也不容易做到。如果大功率電力也能夠儲能，對于風力發(fā)電機來說，就能夠克服風電上網(wǎng)的最頑固的不穩(wěn)定瓶頸。
圖1是描述帶有儲能器的風力發(fā)電機平緩風電波動的原理圖。
圖1中有3個坐標系，橫坐標都是時間坐標，并且3個坐標系是對應的。最上邊的縱坐標是風速，它反映了自然界風速的變化狀況，從而也反映了風力發(fā)電機輸出的能量變化情況。從圖1上部的計算公式可以知道，變化的幅度只有過之而無不及。風力發(fā)電機發(fā)出的電力，例如以直流電的形式被送到由儲能器和發(fā)電機組合（儲能式發(fā)電機）的裝置中，儲能式發(fā)電機的發(fā)電能力是可以被控制的。因此，如果發(fā)電機以低水平平穩(wěn)發(fā)電，它的發(fā)電量將如最下面的坐標系（發(fā)電機輸出電力的狀況）中最下邊的水平線的規(guī)律平穩(wěn)發(fā)電，即如圖中標志的“不吸儲時的發(fā)電量”發(fā)電，與此同時儲能器（中間的坐標系）將多余的能量儲存起來，即圖中標志的“未被吸儲時的儲量”儲存能量。當儲存器的能量儲存到一定的水平后，如果發(fā)電機開始增加發(fā)電量，也就是從儲能器中開始吸取儲存的能量，它的發(fā)電量將如下邊的坐標系中標志的“吸儲以后的發(fā)電量”發(fā)電，這條曲線是平穩(wěn)增大的。與此同時，儲存器中的儲能水平也發(fā)生變化，表現(xiàn)為圖中標志的“吸儲后的儲量”儲存能量。此圖的曲線變化規(guī)律未必精確，但基本反映了相對變化的規(guī)律。
此圖表明，用了儲能式發(fā)電機，風力發(fā)電機發(fā)出的波動性極大的電流將得到極大地平緩控制，平緩的電力輸出，這就意味著風電上網(wǎng)最后的瓶頸能夠得到克服了。
3、儲能式發(fā)電機
電動自行車的充電電池便是一種儲能器。但充電電池的容量太小也太重，用在風力發(fā)電上顯然不行。
事實是如此大容量的儲能器還不能普及，甚至還沒有實用的產(chǎn)品可以使用，能夠儲能的裝置，不是價格昂貴，就是體積極大。筆者曾經(jīng)試圖用液壓蓄能器的方式解決儲能問題，結果一計算，發(fā)現(xiàn)一個100kW·h的儲能器占地要75～100m2，并且挖地15m。期間還使用了一些專門設計的液壓元件。由此可見，氣-液式蓄能器無法承擔大容量的電力儲存的問題。
最近筆者嘗試計算了另外一種儲能裝置，一臺標稱儲能量為1MW·h的儲能式發(fā)電機，算出的結果是最大時儲量達到1228.9kW·h，最小為822kW·h，即可調(diào)范圍為400kW·h，包括發(fā)電機在內(nèi)的整個儲能式發(fā)電機質(zhì)量大約為80t，其中儲能部分為62t，其余為發(fā)電機部分和基礎輔助部分，外形尺寸大約是長3m、寬3m、高3m。對于中、小型的風力發(fā)電機，其實有100kW·h以下的儲量也就夠了，因為它可以大大減緩發(fā)電的波動問題，而這樣的儲能式發(fā)電機也就20t左右，可以安裝在水平軸螺旋槳式風力機的塔架上或垂直軸風力機的機座上，取代雙饋異步發(fā)電機。
儲能式發(fā)電機的儲能量不等同于風力機的裝機功率，也就是說1MW·h不等于只能匹配1MW的風力發(fā)電機，儲量與功率是完全不同的兩個概念。1MkW·h的儲能器可以連續(xù)不斷地吸收穩(wěn)定輸出1MW的風力發(fā)電機長達一個小時之久的發(fā)電量。400kW·h的可調(diào)范圍意味著儲能器在吸儲風電波動部分相當于400kW的功率輸出長達1h后再開始加大發(fā)電機的輸出（事實上是控制在一個能夠接受的緩慢波動情況下的輸出，無需等到儲能器達到極限儲量后再釋放的）。也就是說400kW·h的可調(diào)量能夠持續(xù)吸收穩(wěn)定輸出4MW的風力發(fā)電機發(fā)出的電力達0.1h，即6min之久，如果在這6min中不斷地加大發(fā)電機的發(fā)電量，那么可以不停地工作下去。也就是說標定1MW·h的儲能式發(fā)電機可以與幾個兆瓦的風力發(fā)電機匹配工作，并且這些風力發(fā)電機是在滿負荷的情況下工作的。如果一般不可能達到滿負荷工作，則更可拖帶更多的裝機容量。當然儲能式發(fā)電機中的發(fā)電機容量能夠承受得起大功率輸出。由此可見，儲能式發(fā)電機要比雙饋異步發(fā)電機更適用于風電利用，是人們大力發(fā)展可再生能源形勢下出現(xiàn)的創(chuàng)新產(chǎn)物。
儲能式發(fā)電機的連接方式可以有多種，見圖2，可以一邊上網(wǎng)一邊將波動部分儲存起來，積聚到一定程度以后輸出（圖2中上半部分）。也可以全部送到儲能式發(fā)電機平緩輸出（圖2中下半部分）。
儲能式發(fā)電機的控制也遠比雙饋異步發(fā)電機要簡單，甚至只要PLC就能控制，當然用PC會更好，因為后者可以把更多的綜合因素考慮進去，雖然用PLC也能做到，但計算能力無疑是用PC更好。
4、儲能式發(fā)電機前途無量
儲能式發(fā)電機的用途遠不止在風力發(fā)電上，因為這涉及電力儲存，這是百年來電業(yè)界希望解決的問題。
在浙江安吉，建有亞洲最大的天荒坪抽水蓄能發(fā)電站，電站總裝機容量180萬kW，投資近百億元。電站建設鉆透了整個一座大山，地下廠房、上、下水庫落差607m，電站上水庫天篁湖是一個人工建造的高水湖泊，蓄水湖面積達28萬m2，是一個晝夜水位高低變幅29m多的動態(tài)湖泊，上水庫蓄能能力1046萬kW·h，其中日循環(huán)蓄能量866萬kW·h，年發(fā)電量31.6億kW·h。即使這樣電網(wǎng)上的峰谷電還相差很大，因此電力部門用峰谷電差價的辦法來轉移人們對于電力的需求。
筆者現(xiàn)在只做了一個1MW·h的儲能裝置初步計算，經(jīng)過攻關，集中各方面的人力、物力、智力，有可能做到單機裝機容量更大些的儲能器，它們將在能源事業(yè)上大放異彩，事實上這完全可以成為一個新興的產(chǎn)業(yè)，或者成為水輪機或大型發(fā)電機企業(yè)的一種新產(chǎn)品?？赡軙羞@樣的一天，大功率的儲能器群能取代如天荒坪抽水蓄能發(fā)電站那樣的儲能裝置（便是按照筆者上面的計算，承擔天荒坪抽水蓄能發(fā)電站的功能，也只需天篁湖的一半面積就夠了，這無論如何要比抽水蓄能式調(diào)峰系統(tǒng)節(jié)約、高效、安全、環(huán)保），來調(diào)節(jié)城市電力系統(tǒng)的峰谷電。畢竟將水抽到數(shù)百米的高山頂上再放下來發(fā)電，無論是技術還是效率都不能算先進或科學進步，在沒有辦法的情況下唯此能解決問題。
電力儲存也不僅是電力部門才需要，現(xiàn)在綠色交通呼聲甚高的電動汽車，其核心技術也是儲能的問題，從網(wǎng)絡上看這個難關現(xiàn)在已經(jīng)呼之欲出了。其實這也還是一個儲能式發(fā)電機的問題。
完全可以確信儲能式發(fā)電機用途廣闊，不僅風電事業(yè)需要它，能源事業(yè)也需要它，汽車制造也需要它，甚至企業(yè)出于經(jīng)濟考慮利用谷電廉價的特點用儲能式發(fā)電機保存電力以便白天使用也可以用到它。用途不同的儲能式發(fā)電機有不同的構造。其實呼之欲出的儲能式發(fā)電機并不是在完全陌生的環(huán)境中探索，而是在一堆成熟的技術中尋找組合。雙饋異步發(fā)電機是外國的知識產(chǎn)權，早些讓儲能式發(fā)電機投產(chǎn)則可以成為這方面我國自主的知識產(chǎn)權。而更重要的是這將解決風電上網(wǎng)最后的關卡，徹底解決風電上網(wǎng)的瓶頸問題。筆者認為研究的那種儲能式發(fā)電機最合的是發(fā)電設備公司類的企業(yè)，如大型發(fā)電機或水力發(fā)電機、水輪機企業(yè)，因為這樣的企業(yè)無需增添更新加工設備就可立即上馬。筆者還認為如果把更先進的發(fā)電技術融合進去，有可能大大提高儲能器的儲量，擴大儲能器中能量的利用率、減輕裝置的質(zhì)量。
5、結論
電力儲存是一個歷史性課題，但是由于技術水平等原因一直停留在蓄電池這樣一個低效率、低容量、質(zhì)量重的水平上，不能得到廣泛而實際的應用，而現(xiàn)實中又必須要用到大量電力儲存的問題，因此才有用抽水蓄能辦法來解決峰谷電這樣的實際問題。隨著社會的進步，隨著人們對于可再生能源的開發(fā)利用，特別是在風力發(fā)電方面，因為風電波動性大造成風電上網(wǎng)的瓶頸，人們開始努力尋找解決克服風電瓶頸的方法，儲能器問題的提出就是在這樣的形勢下形成的，也是由于人類技術的進步，筆者發(fā)現(xiàn)應用當前的前沿技術成果，完全可以制造出一種儲能式發(fā)電機。完全可以預見，儲能式發(fā)電機有著無限廣闊的前景，它的問世必將成為能源事業(yè)不可或缺的生力軍，它不僅可以平緩風電波動的瓶頸，而且有可能取代風力發(fā)電上面的雙饋異步發(fā)電機類的能量輸出裝置，并且可以在電力事業(yè)大顯身手。而社會的需要又必定會促使其更深刻的發(fā)展，期盼著儲能式發(fā)電機能在我國誕生。
