2.2.3 蓄能裝置

1．蓄能裝置的必要性及蓄能方式

風能是隨機性的能源，具有間歇性，并且是不能直接儲存起來的，因此，及時在風能資源豐富的地區，將風力發電機作為獲得電能的主要方法時，必須配備適當的蓄能裝置。在風力強的期間，除了通過風力發電機組向用電負荷提供所需的電能以外，將多余的風能轉換為其他形式的能量在蓄能裝置中儲存起來；在風力弱或無風期間，再將蓄能裝置中儲存的能量釋放出來并轉換為電能，向用電負荷供電?？梢娦钅苎b置是風力發電系統中實現穩定和持續供電必不可少的工具。

當前風力發電系統中的蓄能方式主要有蓄電池蓄能、飛輪蓄能、抽水蓄能、壓縮空氣蓄能、電解水制氫蓄能等幾種。

2．蓄電池蓄能

在獨立運行的小型風力發電系統中，廣泛使用蓄電池作為蓄能裝置，蓄電池的作用是當風力較強或用電負荷減小時，可以將來自風力發電機發出的電能中的一部分蓄存在蓄電池中，也就是向蓄電池充電；當風力較弱、無風或用電負荷增大時，蓄存在蓄電池中的電能向負荷供電，以補足風力發電機所發電能的不足，達到維持向負荷持續穩定供電的作用。風力發電系統中常用的蓄電池有鉛酸電池（亦稱鉛蓄電池）和鎳鎘電池（亦稱堿性蓄電池）。

單格鉛酸蓄電池的電動勢約為2V，單格堿性蓄電池的電動勢約為1.2V左右，將多個單格蓄電池串聯組成蓄電池組，可獲得不同的蓄電池組電勢，例如12V、24V、36V等，當外電路閉合時蓄電池正負兩極間的點位差即為蓄電池的端電壓（亦稱電壓）。

蓄電池的端電壓在充電和放電過程中，電壓時不相同，充電時蓄電池的電壓高于其電動勢，放電時蓄電池的電壓低于其電動勢，這是因為蓄電池有電阻的緣故，且蓄電池的內阻隨溫度的變化比較明顯。

蓄電池的容量以Ah表示，容量為100Ah的蓄電池代表該蓄電池。若放電電流為10A，可連續放點10h；若放點電流為5A，則可連續放電20h。在放電過程中，蓄電池的電壓隨著放電而逐漸降低，放電時鉛酸蓄電池的電壓不能低于1.4～1.8V，堿性蓄電池的電壓不能低于0.8～1.1V，蓄電池放電時的最佳電流值為10h放電率電流，蓄電池的最佳充電電流值等于其最佳放電電流值。

蓄電池經過多次充電及放電以后，其容量會降低，當蓄電池的容量降低到其額定值的80%以下時，就不能再使用了，也就是蓄電池有一定的使用壽命，影響蓄電池壽命的因素很多，如充電或放電過度、蓄電池的電解液溶度太大或純度降低以及在高溫環境下使用等都會使蓄電池的性能變壞，降低蓄電池的使用壽命。

3．飛輪蓄能

從運動學知道，做旋轉運動的物體皆具有動能，此動能也稱為旋轉的慣性能，其計算公式為

式中：A為旋轉物體的慣性能量；J為旋轉物體的轉動慣量，NmS2; Ω為旋轉物體的旋轉角速度，rad/s。

式（2-33）所表示的為旋轉物體達到穩定的旋轉角速率Ω時所具有的動能，若旋轉物體的旋轉角速度是變化的，例如由Ω1增加到Ω2，則旋轉物體增加的動能為

這部分增加的動能即儲存在旋轉體中，反之，若旋轉物體的旋轉角速度減小，則有部分旋轉的慣性動能被釋放出來。

同時由動力學原理知，旋轉物體的轉動慣量J與旋轉物體的重力及旋轉部分的慣性直徑有關，即

式中：G為旋轉物體的重力；D為旋轉物體的慣性直徑；g為重力加速度，9.81m/s2。

風力發電系統中采用飛輪蓄能，即是在風力發電機的軸系上安裝一個飛輪，利用飛輪旋轉時的慣性儲能原理，當風力強時，風能即以動能的形式儲存在飛輪中；當風力弱時，儲存在飛輪中的動能則釋放出來驅動發電機發電，采用飛輪蓄能可以平抑由于風力起伏而引起的發電機輸出電能的波動，改善電能的質量。

風力發電系統中采用的飛輪，一般多由鋼制成，飛輪的尺寸大小則視系統所需儲存和釋放能量的多少而定。

4．電解水制氫蓄能

眾所周知，電解水可以制氫，而且氫可以儲存，在風力發電系統中采用電解水制氫蓄能就是在用電負荷小時，將風力發電機組提供的多余電能用來電解水，使氫和氧分離，把電能儲存起來；當用電負荷增大，風力減弱或無風時，使儲存的氫和氧在燃料電池中進行化學反應而直接產生電能，繼續向負荷供電，從而保證供電的連續性，故這種蓄能方式是將隨時的不可儲存的風能轉換為氫能儲存起來；而制氫、儲氧及燃料電池則是這種蓄能方式的關鍵技術和部件。

燃料電池（Fuelcell）是一種化學電池，其作用原理是把燃料氧化時所釋放出來的額能量通過化學變化轉化為電能。在以氫作燃料時，就是利用氫和氧化合時的化學變化所釋放出來的化學能，通過電極反應，直接轉化為電能，即電能。由此化學反應式看出，除產生電能外，只產生水，因此，利用燃料電池發電是一種清潔的發電方式，而且由于沒有運動條件，工作起來更安全可靠，利用燃料電池發電的效率很高，例如堿性燃料電池的發電效率可達到50%～70%。

在這種蓄能方式中，氫的儲存也是一個重要環節，儲氫技術有多種形式，其中以金屬氧化物儲氫最好，其儲氫度高，優于氣體儲氫及液態儲氫，不需要高壓和絕熱的容器，安全性能好。

今年國外還研制出一種再生式燃料電池（Regenerative Fuel cell），這種燃料電池既能利用氫氧化合直接產生電能，反過來應用它可以電解水而產生氫和氧。

毫無疑問，電制水制氫蓄能是一種高效、清潔、無污染、工作安全、壽命長的蓄能方式，但燃料電池及儲氫裝置的費用則較貴。

5．抽水蓄能

這種蓄能方式在地形條件合適的地區可采用，所謂地形條件合適就是在安裝風力發電機的地點附近有高地，在高地處可以建造蓄水池或水庫，而在低地處有水。當風力強而用電負荷所需要的電能少時，風力發電機發出的多余的電能驅動抽水機，將低地處的水抽到高處的蓄水池或水庫中存儲起來；在無風期或是風力較弱時，則將高地蓄水池或水庫中存儲的水釋放出來流向低地水池，利用水流的動能推動水輪機轉動，并帶動與之相連接的發電機發電，從而保證用電負荷不斷電，實際上，這時已是風力發電機和水力發電同時運行，共同向負荷供電。當然，在無風期，只要是在高地蓄水池或水庫中有一定的蓄水量，就可靠水力發電來維持供電。

6．壓縮空氣蓄能

與抽水蓄能方式相似，這種蓄能方式也需要特定的地形條件，即需要有挖掘的坑或是廢棄的礦坑或是地下的巖洞，當風力強，用電負荷少時，可將風力發電機發出的多余的電能驅動一臺由電動機帶動的空氣壓縮機，將空氣壓縮后存儲在地坑內；而在無風期或用負荷增大時，則將存儲在地坑內的壓縮空氣釋放出來，形成高速氣流，從而推動渦輪機轉動，并帶動發電機發電。