2.2.3 蓄能装置

1．蓄能装置的必要性及蓄能方式

风能是随机性的能源，具有间歇性，并且是不能直接储存起来的，因此，及时在风能资源丰富的地区，将风力发电机作为获得电能的主要方法时，必须配备适当的蓄能装置。在风力强的期间，除了通过风力发电机组向用电负荷提供所需的电能以外，将多余的风能转换为其他形式的能量在蓄能装置中储存起来；在风力弱或无风期间，再将蓄能装置中储存的能量释放出来并转换为电能，向用电负荷供电。可见蓄能装置是风力发电系统中实现稳定和持续供电必不可少的工具。

当前风力发电系统中的蓄能方式主要有蓄电池蓄能、飞轮蓄能、抽水蓄能、压缩空气蓄能、电解水制氢蓄能等几种。

2．蓄电池蓄能

在独立运行的小型风力发电系统中，广泛使用蓄电池作为蓄能装置，蓄电池的作用是当风力较强或用电负荷减小时，可以将来自风力发电机发出的电能中的一部分蓄存在蓄电池中，也就是向蓄电池充电；当风力较弱、无风或用电负荷增大时，蓄存在蓄电池中的电能向负荷供电，以补足风力发电机所发电能的不足，达到维持向负荷持续稳定供电的作用。风力发电系统中常用的蓄电池有铅酸电池（亦称铅蓄电池）和镍镉电池（亦称碱性蓄电池）。

单格铅酸蓄电池的电动势约为2V，单格碱性蓄电池的电动势约为1.2V左右，将多个单格蓄电池串联组成蓄电池组，可获得不同的蓄电池组电势，例如12V、24V、36V等，当外电路闭合时蓄电池正负两极间的点位差即为蓄电池的端电压（亦称电压）。

蓄电池的端电压在充电和放电过程中，电压时不相同，充电时蓄电池的电压高于其电动势，放电时蓄电池的电压低于其电动势，这是因为蓄电池有电阻的缘故，且蓄电池的内阻随温度的变化比较明显。

蓄电池的容量以Ah表示，容量为100Ah的蓄电池代表该蓄电池。若放电电流为10A，可连续放点10h；若放点电流为5A，则可连续放电20h。在放电过程中，蓄电池的电压随着放电而逐渐降低，放电时铅酸蓄电池的电压不能低于1.4～1.8V，碱性蓄电池的电压不能低于0.8～1.1V，蓄电池放电时的最佳电流值为10h放电率电流，蓄电池的最佳充电电流值等于其最佳放电电流值。

蓄电池经过多次充电及放电以后，其容量会降低，当蓄电池的容量降低到其额定值的80%以下时，就不能再使用了，也就是蓄电池有一定的使用寿命，影响蓄电池寿命的因素很多，如充电或放电过度、蓄电池的电解液溶度太大或纯度降低以及在高温环境下使用等都会使蓄电池的性能变坏，降低蓄电池的使用寿命。

3．飞轮蓄能

从运动学知道，做旋转运动的物体皆具有动能，此动能也称为旋转的惯性能，其计算公式为

式中：A为旋转物体的惯性能量；J为旋转物体的转动惯量，NmS2; Ω为旋转物体的旋转角速度，rad/s。

式（2-33）所表示的为旋转物体达到稳定的旋转角速率Ω时所具有的动能，若旋转物体的旋转角速度是变化的，例如由Ω1增加到Ω2，则旋转物体增加的动能为

这部分增加的动能即储存在旋转体中，反之，若旋转物体的旋转角速度减小，则有部分旋转的惯性动能被释放出来。

同时由动力学原理知，旋转物体的转动惯量J与旋转物体的重力及旋转部分的惯性直径有关，即

式中：G为旋转物体的重力；D为旋转物体的惯性直径；g为重力加速度，9.81m/s2。

风力发电系统中采用飞轮蓄能，即是在风力发电机的轴系上安装一个飞轮，利用飞轮旋转时的惯性储能原理，当风力强时，风能即以动能的形式储存在飞轮中；当风力弱时，储存在飞轮中的动能则释放出来驱动发电机发电，采用飞轮蓄能可以平抑由于风力起伏而引起的发电机输出电能的波动，改善电能的质量。

风力发电系统中采用的飞轮，一般多由钢制成，飞轮的尺寸大小则视系统所需储存和释放能量的多少而定。

4．电解水制氢蓄能

众所周知，电解水可以制氢，而且氢可以储存，在风力发电系统中采用电解水制氢蓄能就是在用电负荷小时，将风力发电机组提供的多余电能用来电解水，使氢和氧分离，把电能储存起来；当用电负荷增大，风力减弱或无风时，使储存的氢和氧在燃料电池中进行化学反应而直接产生电能，继续向负荷供电，从而保证供电的连续性，故这种蓄能方式是将随时的不可储存的风能转换为氢能储存起来；而制氢、储氧及燃料电池则是这种蓄能方式的关键技术和部件。

燃料电池（Fuelcell）是一种化学电池，其作用原理是把燃料氧化时所释放出来的额能量通过化学变化转化为电能。在以氢作燃料时，就是利用氢和氧化合时的化学变化所释放出来的化学能，通过电极反应，直接转化为电能，即电能。由此化学反应式看出，除产生电能外，只产生水，因此，利用燃料电池发电是一种清洁的发电方式，而且由于没有运动条件，工作起来更安全可靠，利用燃料电池发电的效率很高，例如碱性燃料电池的发电效率可达到50%～70%。

在这种蓄能方式中，氢的储存也是一个重要环节，储氢技术有多种形式，其中以金属氧化物储氢最好，其储氢度高，优于气体储氢及液态储氢，不需要高压和绝热的容器，安全性能好。

今年国外还研制出一种再生式燃料电池（Regenerative Fuel cell），这种燃料电池既能利用氢氧化合直接产生电能，反过来应用它可以电解水而产生氢和氧。

毫无疑问，电制水制氢蓄能是一种高效、清洁、无污染、工作安全、寿命长的蓄能方式，但燃料电池及储氢装置的费用则较贵。

5．抽水蓄能

这种蓄能方式在地形条件合适的地区可采用，所谓地形条件合适就是在安装风力发电机的地点附近有高地，在高地处可以建造蓄水池或水库，而在低地处有水。当风力强而用电负荷所需要的电能少时，风力发电机发出的多余的电能驱动抽水机，将低地处的水抽到高处的蓄水池或水库中存储起来；在无风期或是风力较弱时，则将高地蓄水池或水库中存储的水释放出来流向低地水池，利用水流的动能推动水轮机转动，并带动与之相连接的发电机发电，从而保证用电负荷不断电，实际上，这时已是风力发电机和水力发电同时运行，共同向负荷供电。当然，在无风期，只要是在高地蓄水池或水库中有一定的蓄水量，就可靠水力发电来维持供电。

6．压缩空气蓄能

与抽水蓄能方式相似，这种蓄能方式也需要特定的地形条件，即需要有挖掘的坑或是废弃的矿坑或是地下的岩洞，当风力强，用电负荷少时，可将风力发电机发出的多余的电能驱动一台由电动机带动的空气压缩机，将空气压缩后存储在地坑内；而在无风期或用负荷增大时，则将存储在地坑内的压缩空气释放出来，形成高速气流，从而推动涡轮机转动，并带动发电机发电。