/儲能式發電機在風力發電中的應用及發展摘要:簡述了風力發電的現狀及瓶頸，提出儲能技術是克服其瓶頸的手段之一。討論了儲能式發電機及其與風力機的匹配問題,最后展望了儲能式發電機的發展前景。

?1、風力發電的現狀與風電發展的瓶頸

?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，風電產業連續4年實現新增裝機容量翻番，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.”這就看到國家的政策威力是如何之大，同時也看到了企業是多么渴望發展。網絡上還說“風電不穩定而且成本高，這影響到風電并網，世界能源理事會中國國家委員會副秘書長李隆興說，風電并網最大的問題在于風電具有不穩定性和不可控性，風電上網成本要高于火電和水電，因此對電網來說，風電不是好電。這也就增加了風電并網的難度?！边@里說到了風電兩個根本的薄弱點:成本和穩定性。關于成本,最近網上說多數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，上網輸入此名稱即能查到),制造成本高效率又低，發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，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、新產品帶來的第一桶金。一些企業家對于在自己的產品上打上“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其實是在替外國人打工。真正應當令我國的企業家感到驕傲不應當是“ｍadｅｉnchｉｎａ”而應該是“dｅsiｇniｎcｈina"（中國設計）和“creationiｎｃhina"（中國創造)。要想自立于世界民族之林，不提倡中國制造和中國發明肯定是不行的。至于風電的不穩定性,則是因為風速的多變引起的.風電必須上網才有意義,但電網是有技術指標的，你發出來的電忽高忽低，時而還頻率不穩，人家怎么用你的電，風電不穩定事實上已經成為我國風電事業發展的瓶頸.

?現在大量的水平軸螺旋槳式風力機是生產出來了,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,上網難，上不了網就賺不到錢，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,在風力機用發電機方面最前衛的當推“雙饋異步發電機"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，視直驅式發電機的磁極對數）,從而保證了安裝在不動的基礎上的發電機定子發出頻率穩定的交流電,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。因此用雙饋異步發電機就能夠解決上網中交流電的頻率保障問題。?

用了雙饋異步發電機,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）,發電機輸入軸輸入的功率變化將達到8倍。這意味著發電機發出來的電力變化的相對幅度擴大了.也就是說雙饋異步發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多了。??用電容能抑制波動,然而在風力發電上也用電容不行，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,對于風力發電機來說，就能夠克服風電上網的最頑固的不穩定瓶頸。??圖1是描述帶有儲能器的風力發電機平緩風電波動的原理圖。

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圖１儲能器平緩風電波動的原理

?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。風力發電機發出的電力,例如以直流電的形式被送到由儲能器和發電機組合（儲能式發電機）的裝置中，儲能式發電機的發電能力是可以被控制的.因此，如果發電機以低水平平穩發電，它的發電量將如最下面的坐標系（發電機輸出電力的狀況）中最下邊的水平線的規律平穩發電,即如圖中標志的“不吸儲時的發電量”發電,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，如果發電機開始增加發電量，也就是從儲能器中開始吸取儲存的能量,它的發電量將如下邊的坐標系中標志的“吸儲以后的發電量”發電，這條曲線是平穩增大的。與此同時，儲存器中的儲能水平也發生變化，表現為圖中標志的“吸儲后的儲量”儲存能量.此圖的曲線變化規律未必精確,但基本反映了相對變化的規律。

?此圖表明，用了儲能式發電機，風力發電機發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最后的瓶頸能夠得到克服了。?3、儲能式發電機?

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.筆者曾經試圖用液壓蓄能器的方式解決儲能問題，結果一計算，發現一個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,即可調范圍為４00kW·h，包括發電機在內的整個儲能式發電機質量大約為８0t，其中儲能部分為62t,其余為發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電的波動問題，而這樣的儲能式發電機也就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,取代雙饋異步發電機。??儲能式發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的儲能器可以連續不斷地吸收穩定輸出1ＭW的風力發電機長達一個小時之久的發電量。４00kW·h的可調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的可調量能夠持續吸收穩定輸出4MW的風力發電機發出的電力達0.1h，即6mｉn之久,如果在這6ｍin中不斷地加大發電機的發電量，那么可以不停地工作下去。也就是說標定1MW·h的儲能式發電機可以與幾個兆瓦的風力發電機匹配工作，并且這些風力發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。當然儲能式發電機中的發電機容量能夠承受得起大功率輸出。由此可見，儲能式發電機要比雙饋異步發電機更適用于風電利用，是人們大力發展可再生能源形勢下出現的創新產物。??儲能式發電機的連接方式可以有多種，見圖2,可以一邊上網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電機平緩輸出（圖2中下半部分）。

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圖２儲能器在風力發電系統中的用法?

儲能式發電機的控制也遠比雙饋異步發電機要簡單，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、儲能式發電機前途無量

儲能式發電機的用途遠不止在風力發電上，因為這涉及電力儲存，這是百年來電業界希望解決的問題。??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多的動態湖泊,上水庫蓄能能力1０4６萬ｋW·h，其中日循環蓄能量866萬ｋW·h，年發電量３1.6億ｋＷ·h。即使這樣電網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。

筆者現在只做了一個１MW·ｈ的儲能裝置初步計算，經過攻關，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，它們將在能源事業上大放異彩,事實上這完全可以成為一個新興的產業，或者成為水輪機或大型發電機企業的一種新產品?？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峰系統節約、高效、安全、環保），來調節城市電力系統的峰谷電。畢竟將水抽到數百米的高山頂上再放下來發電，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,從網絡上看這個難關現在已經呼之欲出了。其實這也還是一個儲能式發電機的問題。

?完全可以確信儲能式發電機用途廣闊,不僅風電事業需要它，能源事業也需要它，汽車制造也需要它，甚至企業出于經濟考慮利用谷電廉價的特點用儲能式發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電機有不同的構造。其實呼之欲出的儲能式發電機并不是在完全陌生的環境中探索，而是在一堆成熟的技術中尋找組合。雙饋異步發電機是外國的知識產權，早些讓儲能式發電機投產則可以成為這方面我國自主的知識產權.而更重要的是這將解決風電上網最后的關卡，徹底解決風電上網的瓶頸問題。筆者認為研究的那種儲能式發電機最合的是發電設備公司類的企業,如大型發電機或水力發電機、水輪機企業，因為這樣的企業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、質量重的水平上，不能得到廣泛而實際的應用,而現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利用,特別是在風力發