风力发电的现状及化学储能的研究进展
唐伟航
【摘 要】电能作为一种绿色环保清洁的能源，在社会发展中扮演着越来越重要的角色。在常规能源濒临枯竭和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种新兴可持续性的绿色环保能源，备受世界各国的关注。论文就风力发电的发展现状及化学储能技术的研究进展进行综述，旨在推进我国风电建设更加快速发展。
【Abstract】Electric energy as a green and clean energy， plays an increasingly important role in social development. Under the dual pressures of conventional energy depletion and global ecological deterioration， as a new and sustainable green energy resource， wind energy attracts more and more attention all over the world. In this paper， the development status of wind power and the progress of chemical energy storage technology are reviewed， which aims to promote the development of wind power in China.
【关键词】风力发电；化学储能；电能
【Keywords】 wind power generation； chemical energy storage； electric power
【中图分类号】TM614 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0159-02
1 我国风能资源的地域分布
我国是能源消费大国，能源消费总量位居世界第二。据国家统计局公布的数据显示，2010年我国煤炭储量2793.9亿吨，石油317435.3万吨，天然气37793.2亿m3，分别占世界的13.3%、1.1%和1.5%。人均资源量少、资源消耗量大、资源利用效率低下、能源结构不合理、以及能源供需矛盾突出[1]，成为我国能源行业最基本的现状。
我国风能资源丰富，开发前景巨大。我国东北、华北、西北（三北）和东南沿海及附近岛屿地区，拥有着丰富的风能资源。资料显示，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，陆地、近海地区可开发和利用的风能储量分别有2.53亿kW、7.5亿kW，仅次于俄罗斯和美国。同时全国第2次风能资源普查结果也显示，中国陆地离地面50m的风能是离地面10m的一倍，50m高的风能经济可开发量约15亿kW[2]。目前，我国已经成为全球风力发电规模最大、增长最快的国家。
2 我国风电的发展现状
风力发电是目前最成熟、发展最快、最具开发前景和商业化发展前景的新兴发电方式。我国风电发展始于上世纪80年代，起步较晚。在国家政策措施的推动下，近年来我国风电产业步入从粗放式的数量扩张，向质量型、效益型转变，稳定持续增长的新阶段。2006-2009 年连续 4 年并网风电新增装机容量实现翻倍增长。2010年我国新增风电机组12904台，装机18927.99MW，2011年全年风力发电再增装机达1763.09万kW，累计装机容量达到6236.42 万kW，比同期火电、水电、核电增速高出30%～50 %，居世界第一位。2013年全国新增风电并网容量14490MW，累计并网容量77160MW，成为新能源中排名第一的能源，也是仅次于火电、水电的第三大电源[3]。2015年我国风电装机量再创新高，全国累计安装风电机组92981台，累计装机容量145362MW，同比增长26.8%，较10年风电装机量增长47倍[3]。截至2016年10月，我国风电并网容量为14122万kW，同比增长27.67%。2016年国家能源局《可再生能源“十三五”发展规划》提出，到2020年非化石能源占能源消费总量比例达到15%，2030年达到20%，规划了“十三五”风电的发展目标，到2020年底风电累计并网装机容量达到2.5亿kW。随着风电技术的进一步成熟，相信风电必将由补充能源发展为替代能源，并最终成为主流能源。
3 我国风电目前存在的问题
我国风电发展迅猛，无论从装机容量、还是发展规模，都跻身于世界风电大国的行列。但是在风电发展中也出现了瓶颈问题，即弃风限电。资料显示，2013年全国因弃风限电造成的损失电量达到16231GWh[4]。2016年国家能源局《可再生能源“十三五”发展规划》显示，2016年前三季度，甘肃、新疆、吉林、内蒙古等10个省区存在弃风，其中前三位的是甘肃、新疆和内蒙古，弃风率分别为46%、41%和23%，弃风电量达到394.7亿Kw，比2015年全年的339亿Kw还多55.7亿Kw，弃风率和弃风电量均创出历史新高。三北地区风力资源丰富，装机容量大，地区消纳能力有限，电网建设薄弱，特高压外送通道不足，出现风能资源地理分布与现有电力负荷不匹配，制約了风电的发展。
4 风电的储能技术
弃风带来的是风电高成本，对新能源的发展极为不利。解决弃风的关键是风电消纳。风电消纳包括就地消纳和风电外送两种途径。就地消纳方面，三北地区经济欠发达，风电消纳能力有限。风电外送除了超高压电网的建设外，储能技术是关键。
近年来，储能技术的快速发展为解决大规模新能源并网问题提供了契机。储能技术能够使间歇性、波动性很强的风电变得可调可控，有利于新能源并网和利用[5，6]。电池储能系统，目前主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、钠硫电池、液流电池和金属空气电池等，其中铅酸电池和镍镉电池因为污染问题，逐渐被市场所遗弃。
①锂电池，锂离子电池是一种高能源效率、高能量密度、自放电小、安全可靠的储能电池，综合效率约为85%，可以串联或并联来获得高电压或高容量。不足的是成本相对较高、储能容量较小，对于配合大规模新能源应用，其容量集成的技术有待进一步提高。
②钠硫电池，钠硫电池是一种能密度高、充放电效率高、体积小、运行成本低、维护方便的储能设备，其工作效率约为70%。钠硫电池能量密度是铅酸电池的3倍，空间需求仅是其1/3，适用于城市变电站和特殊负荷。不足是放电深度和循环寿命有待进一步改善。
③液流电池，液流电池是一种高功率输出、快响应、能量转换率高、易于维护、安全稳定等优点的高性能电池，其深度放电达100%，额定功率和容量相互独立，且配置灵活，适用于新能源发电的储能系统、应急电源和不间断电源系统，是目前大规模并网发电储能和调节的首选技术之一，但是能量密度低、高成本是液流电池的不足。
④铅酸电池，铅酸电池是一种储能容量大、技术成熟、成本低、维护简单的酸性蓄电池，但比能低、自放电率高、循环寿命短、重金属污染制约其使用。
⑤金属空气电池，金属空气电池是一种成本低、绿色环保、原材料可回收利用、比能高的绿色环保电池，其中铝空气电池的比能约为铅酸电池的8～10倍，不足是充放电速度缓慢，可以作为备用电源使用。
5 结语
风能是目前新能源发展最快的能源之一，风能发电改善了我国电能供应的紧张状况，同时实现了生态保护和可持续发展的战略要求。我国风能资源丰富地区，但远离负荷中心，弃风限电制约了风电的发展。随着储能技术的不断改进和新技术的研发，相信不久的将来制约我国风电发展的瓶颈问题将得以彻底改善，风电这一生态、环保新兴能源得以更好地造福于人类。
【参考文献】
【1】张旭，梁军，贠志皓，等. 考虑风电接入不确定性的广义负荷建模及应用[J].电力系统自动化， 2014，38（20）：61-67.
【2】陈雯. 我国风力发电的现状与展望[J].应用能源技术，2010（8）：49-51.
【3】BLAABJERGF， MA K. Future on power electronics for wind turbine systems[J]. Emerging and Selected Topics in Power Electronics， IEEE Journal of，2013，1（3）：139-152.
【4】李俊峰，蔡豐波，乔黎明，等. 2014年中国风电发展报告[R].北京：中国循环经济协会可再生能源专业委员会，2014.
【5】WU Q H， ZHENG J， JING Z. Coordinated scheduling of energy resources for distributed DHCs in an integrated energy grid [J]. Power and EnergySystems， CSEE Journal of， 2015，1（1）：95-103.
【6】WADE NS， TAYLOR PC， LANG PD， et al.Evaluating the benefits of an electrical energy storage system in a future smart grid[J]. Energy Policy，2010（38）：7180-7188.
【摘 要】电能作为一种绿色环保清洁的能源，在社会发展中扮演着越来越重要的角色。在常规能源濒临枯竭和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种新兴可持续性的绿色环保能源，备受世界各国的关注。论文就风力发电的发展现状及化学储能技术的研究进展进行综述，旨在推进我国风电建设更加快速发展。
【Abstract】Electric energy as a green and clean energy， plays an increasingly important role in social development. Under the dual pressures of conventional energy depletion and global ecological deterioration， as a new and sustainable green energy resource， wind energy attracts more and more attention all over the world. In this paper， the development status of wind power and the progress of chemical energy storage technology are reviewed， which aims to promote the development of wind power in China.
【关键词】风力发电；化学储能；电能
【Keywords】 wind power generation； chemical energy storage； electric power
【中图分类号】TM614 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0159-02
1 我国风能资源的地域分布
我国是能源消费大国，能源消费总量位居世界第二。据国家统计局公布的数据显示，2010年我国煤炭储量2793.9亿吨，石油317435.3万吨，天然气37793.2亿m3，分别占世界的13.3%、1.1%和1.5%。人均资源量少、资源消耗量大、资源利用效率低下、能源结构不合理、以及能源供需矛盾突出[1]，成为我国能源行业最基本的现状。
我国风能资源丰富，开发前景巨大。我国东北、华北、西北（三北）和东南沿海及附近岛屿地区，拥有着丰富的风能资源。资料显示，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，陆地、近海地区可开发和利用的风能储量分别有2.53亿kW、7.5亿kW，仅次于俄罗斯和美国。同时全国第2次风能资源普查结果也显示，中国陆地离地面50m的风能是离地面10m的一倍，50m高的风能经济可开发量约15亿kW[2]。目前，我国已经成为全球风力发电规模最大、增长最快的国家。
2 我国风电的发展现状
风力发电是目前最成熟、发展最快、最具开发前景和商业化发展前景的新兴发电方式。我国风电发展始于上世纪80年代，起步较晚。在国家政策措施的推动下，近年来我国风电产业步入从粗放式的数量扩张，向质量型、效益型转变，稳定持续增长的新阶段。2006-2009 年连续 4 年并网风电新增装机容量实现翻倍增长。2010年我国新增风电机组12904台，装机18927.99MW，2011年全年风力发电再增装机达1763.09万kW，累计装机容量达到6236.42 万kW，比同期火电、水电、核电增速高出30%～50 %，居世界第一位。2013年全国新增风电并网容量14490MW，累计并网容量77160MW，成为新能源中排名第一的能源，也是仅次于火电、水电的第三大电源[3]。2015年我国风电装机量再创新高，全国累计安装风电机组92981台，累计装机容量145362MW，同比增长26.8%，较10年风电装机量增长47倍[3]。截至2016年10月，我国风电并网容量为14122万kW，同比增长27.67%。2016年国家能源局《可再生能源“十三五”发展规划》提出，到2020年非化石能源占能源消费总量比例达到15%，2030年达到20%，规划了“十三五”风电的发展目标，到2020年底风电累计并网装机容量达到2.5亿kW。随着风电技术的进一步成熟，相信风电必将由补充能源发展为替代能源，并最终成为主流能源。
3 我国风电目前存在的问题
我国风电发展迅猛，无论从装机容量、还是发展规模，都跻身于世界风电大国的行列。但是在风电发展中也出现了瓶颈问题，即弃风限电。资料显示，2013年全国因弃风限电造成的损失电量达到16231GWh[4]。2016年国家能源局《可再生能源“十三五”发展规划》显示，2016年前三季度，甘肃、新疆、吉林、内蒙古等10个省区存在弃风，其中前三位的是甘肃、新疆和内蒙古，弃风率分别为46%、41%和23%，弃风电量达到394.7亿Kw，比2015年全年的339亿Kw还多55.7亿Kw，弃风率和弃风电量均创出历史新高。三北地区风力资源丰富，装机容量大，地区消纳能力有限，电网建设薄弱，特高压外送通道不足，出现风能资源地理分布与现有电力负荷不匹配，制約了风电的发展。
4 风电的储能技术
弃风带来的是风电高成本，对新能源的发展极为不利。解决弃风的关键是风电消纳。风电消纳包括就地消纳和风电外送两种途径。就地消纳方面，三北地区经济欠发达，风电消纳能力有限。风电外送除了超高压电网的建设外，储能技术是关键。
近年来，储能技术的快速发展为解决大规模新能源并网问题提供了契机。储能技术能够使间歇性、波动性很强的风电变得可调可控，有利于新能源并网和利用[5，6]。电池储能系统，目前主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、钠硫电池、液流电池和金属空气电池等，其中铅酸电池和镍镉电池因为污染问题，逐渐被市场所遗弃。
①锂电池，锂离子电池是一种高能源效率、高能量密度、自放电小、安全可靠的储能电池，综合效率约为85%，可以串联或并联来获得高电压或高容量。不足的是成本相对较高、储能容量较小，对于配合大规模新能源应用，其容量集成的技术有待进一步提高。
②钠硫电池，钠硫电池是一种能密度高、充放电效率高、体积小、运行成本低、维护方便的储能设备，其工作效率约为70%。钠硫电池能量密度是铅酸电池的3倍，空间需求仅是其1/3，适用于城市变电站和特殊负荷。不足是放电深度和循环寿命有待进一步改善。
③液流电池，液流电池是一种高功率输出、快响应、能量转换率高、易于维护、安全稳定等优点的高性能电池，其深度放电达100%，额定功率和容量相互独立，且配置灵活，适用于新能源发电的储能系统、应急电源和不间断电源系统，是目前大规模并网发电储能和调节的首选技术之一，但是能量密度低、高成本是液流电池的不足。
④铅酸电池，铅酸电池是一种储能容量大、技术成熟、成本低、维护简单的酸性蓄电池，但比能低、自放电率高、循环寿命短、重金属污染制约其使用。
⑤金属空气电池，金属空气电池是一种成本低、绿色环保、原材料可回收利用、比能高的绿色环保电池，其中铝空气电池的比能约为铅酸电池的8～10倍，不足是充放电速度缓慢，可以作为备用电源使用。
5 结语
风能是目前新能源发展最快的能源之一，风能发电改善了我国电能供应的紧张状况，同时实现了生态保护和可持续发展的战略要求。我国风能资源丰富地区，但远离负荷中心，弃风限电制约了风电的发展。随着储能技术的不断改进和新技术的研发，相信不久的将来制约我国风电发展的瓶颈问题将得以彻底改善，风电这一生态、环保新兴能源得以更好地造福于人类。
【参考文献】
【1】张旭，梁军，贠志皓，等. 考虑风电接入不确定性的广义负荷建模及应用[J].电力系统自动化， 2014，38（20）：61-67.
【2】陈雯. 我国风力发电的现状与展望[J].应用能源技术，2010（8）：49-51.
【3】BLAABJERGF， MA K. Future on power electronics for wind turbine systems[J]. Emerging and Selected Topics in Power Electronics， IEEE Journal of，2013，1（3）：139-152.
【4】李俊峰，蔡豐波，乔黎明，等. 2014年中国风电发展报告[R].北京：中国循环经济协会可再生能源专业委员会，2014.
【5】WU Q H， ZHENG J， JING Z. Coordinated scheduling of energy resources for distributed DHCs in an integrated energy grid [J]. Power and EnergySystems， CSEE Journal of， 2015，1（1）：95-103.
【6】WADE NS， TAYLOR PC， LANG PD， et al.Evaluating the benefits of an electrical energy storage system in a future smart grid[J]. Energy Policy，2010（38）：7180-7188.
