摘要：簡(jiǎn)述了風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及瓶頸，提出儲(chǔ)能技術(shù)是克服其瓶頸的手段之一。討論了儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)及其與風(fēng)力機(jī)的匹配問(wèn)題，最后展望了儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)的發(fā)展前景。
1、風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與風(fēng)電發(fā)展的瓶頸
當(dāng)前像立式電風(fēng)扇那樣的水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)在全中國(guó)遍地豎立起來(lái)了，在網(wǎng)絡(luò)上看到：“2005年，中國(guó)還只有50萬(wàn)kW的風(fēng)電裝機(jī)容量，但在當(dāng)年《可再生能源法》實(shí)施之后，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)連續(xù)4年實(shí)現(xiàn)新增裝機(jī)容量翻番，2008年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)1221萬(wàn)kW，已成為亞洲第一、世界第四的風(fēng)電大國(guó)，僅排在美國(guó)、德國(guó)、西班牙之后。”這就看到國(guó)家的政策威力是如何之大，同時(shí)也看到了企業(yè)是多么渴望發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)上還說(shuō)“風(fēng)電不穩(wěn)定而且成本高，這影響到風(fēng)電并網(wǎng)，世界能源理事會(huì)中國(guó)國(guó)家委員會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)李隆興說(shuō)，風(fēng)電并網(wǎng)最大的問(wèn)題在于風(fēng)電具有不穩(wěn)定性和不可控性，風(fēng)電上網(wǎng)成本要高于火電和水電，因此對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，風(fēng)電不是好電。這也就增加了風(fēng)電并網(wǎng)的難度。”這里說(shuō)到了風(fēng)電兩個(gè)根本的薄弱點(diǎn)：成本和穩(wěn)定性。
關(guān)于成本，最近網(wǎng)上說(shuō)多數(shù)新成立的風(fēng)電公司都是從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)的圖紙，而水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)又不是風(fēng)能利用率很高的風(fēng)力機(jī)（請(qǐng)看筆者的“垂直軸流體動(dòng)能轉(zhuǎn)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(lái)的電的電價(jià)自然就高了。令人感到遺憾的是我國(guó)偏偏就是有那么多的企業(yè)，寧可大量重復(fù)投資、追逐蠅頭微利也不愿冒些風(fēng)險(xiǎn)去爭(zhēng)取更先進(jìn)更高效的新技術(shù)、新產(chǎn)品帶來(lái)的第一桶金。一些企業(yè)家對(duì)于在自己的產(chǎn)品上打上“madeinchina”（中國(guó)制造）非常滿足甚至還有些沾沾自喜，殊不知買(mǎi)來(lái)的圖紙生產(chǎn)其實(shí)是在替外國(guó)人打工。真正應(yīng)當(dāng)令我國(guó)的企業(yè)家感到驕傲不應(yīng)當(dāng)是“madeinchina”而應(yīng)該是“designinchina”(中國(guó)設(shè)計(jì))和“creationinchina”(中國(guó)創(chuàng)造)。要想自立于世界民族之林，不提倡中國(guó)制造和中國(guó)發(fā)明肯定是不行的。至于風(fēng)電的不穩(wěn)定性，則是因?yàn)轱L(fēng)速的多變引起的。風(fēng)電必須上網(wǎng)才有意義，但電網(wǎng)是有技術(shù)指標(biāo)的，你發(fā)出來(lái)的電忽高忽低，時(shí)而還頻率不穩(wěn)，人家怎么用你的電，風(fēng)電不穩(wěn)定事實(shí)上已經(jīng)成為我國(guó)風(fēng)電事業(yè)發(fā)展的瓶頸。
現(xiàn)在大量的水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)是生產(chǎn)出來(lái)了，全國(guó)上下也都豎立起這些水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)來(lái)了，但矛盾也隨之而來(lái)了，上網(wǎng)難，上不了網(wǎng)就賺不到錢(qián)，就虧本、還不了貸款就得負(fù)債。
2、儲(chǔ)能技術(shù)是克服瓶頸的手段之一
當(dāng)前，在風(fēng)力機(jī)用發(fā)電機(jī)方面最前衛(wèi)的當(dāng)推“雙饋異步發(fā)電機(jī)”了，這是一種在風(fēng)力機(jī)輸出軸上增設(shè)一個(gè)附加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)附加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，或稱頻率是可控的，可使風(fēng)力機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速加上附加磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速之和等于工頻（或是1/2、1/4、、1/8工頻，視直驅(qū)式發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)），從而保證了安裝在不動(dòng)的基礎(chǔ)上的發(fā)電機(jī)定子發(fā)出頻率穩(wěn)定的交流電，因?yàn)?，旋轉(zhuǎn)式風(fēng)力機(jī)要保持最高的風(fēng)能利用率，就必須保證尖速比為最佳尖速比，而尖速比是風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的一個(gè)比值，風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速是不穩(wěn)定的，而要求尖速比不變，這就意味著要求風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須隨著風(fēng)速的變化而變化。因此用雙饋異步發(fā)電機(jī)就能夠解決上網(wǎng)中交流電的頻率保障問(wèn)題。
用了雙饋異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)能最高利用率保障了，輸出頻率也保障了，但穿過(guò)風(fēng)力機(jī)葉片掃掠面積的風(fēng)能功率，或者說(shuō)風(fēng)力機(jī)截獲風(fēng)能并保持以最高的利用率向發(fā)電機(jī)輸入軸輸出的機(jī)械功率都是與風(fēng)速的3次方成正比的（見(jiàn)圖1最上部的計(jì)算公式），這就是說(shuō)風(fēng)速變化1倍（如加大到2倍），發(fā)電機(jī)輸入軸輸入的功率變化將達(dá)到8倍。這意味著發(fā)電機(jī)發(fā)出來(lái)的電力變化的相對(duì)幅度擴(kuò)大了。也就是說(shuō)雙饋異步發(fā)電機(jī)只解決了效率與頻率的問(wèn)題，卻不能解決輸出電力的穩(wěn)定性問(wèn)題。
對(duì)付電流波動(dòng)的問(wèn)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(dòng)小些的辦法是加設(shè)濾波電容，因?yàn)闉V波電容有削峰填谷的作用。交流電經(jīng)過(guò)二極管的整流，變成了波動(dòng)很大的直流電，波動(dòng)很大的直流電還不能用，因?yàn)樗鼤?huì)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(guò)濾波，波動(dòng)的直流電波形大大減小了，這主要是因?yàn)殡妷焊邥r(shí)，電容吸收電流，抑制了輸出電壓的上升，而當(dāng)電壓低于平均值時(shí)，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(dòng)，然而在風(fēng)力發(fā)電上也用電容不行，因?yàn)檫@要用太多的電容，造價(jià)高占地廣不說(shuō)，而且性能穩(wěn)定可靠容量足夠大的電容在技術(shù)上也不容易做到。如果大功率電力也能夠儲(chǔ)能，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，就能夠克服風(fēng)電上網(wǎng)的最頑固的不穩(wěn)定瓶頸。
圖1是描述帶有儲(chǔ)能器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)平緩風(fēng)電波動(dòng)的原理圖。
圖1儲(chǔ)能器平緩風(fēng)電波動(dòng)的原理
圖1中有3個(gè)坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)都是時(shí)間坐標(biāo)，并且3個(gè)坐標(biāo)系是對(duì)應(yīng)的。最上邊的縱坐標(biāo)是風(fēng)速，它反映了自然界風(fēng)速的變化狀況，從而也反映了風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的能量變化情況。從圖1上部的計(jì)算公式可以知道，變化的幅度只有過(guò)之而無(wú)不及。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電力，例如以直流電的形式被送到由儲(chǔ)能器和
發(fā)電機(jī)組合（儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)）的裝置中，儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力是可以被控制的。因此，如果發(fā)電機(jī)以低水平平穩(wěn)發(fā)電，它的發(fā)電量將如最下面的坐標(biāo)系（發(fā)電機(jī)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(biāo)志的“不吸儲(chǔ)時(shí)的發(fā)電量”發(fā)電，與此同時(shí)儲(chǔ)能器（中間的坐標(biāo)系）將多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，即圖中標(biāo)志的“未被吸儲(chǔ)時(shí)的儲(chǔ)量”儲(chǔ)存能量。當(dāng)儲(chǔ)存器的能量?jī)?chǔ)存到一定的水平后，如果發(fā)電機(jī)開(kāi)始增加發(fā)電量，也就是從儲(chǔ)能器中開(kāi)始吸取儲(chǔ)存的能量，它的發(fā)電量將如下邊的坐標(biāo)系中標(biāo)志的“吸儲(chǔ)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(shí)，儲(chǔ)存器中的儲(chǔ)能水平也發(fā)生變化，表現(xiàn)為圖中標(biāo)志的“吸儲(chǔ)后的儲(chǔ)量”儲(chǔ)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(duì)變化的規(guī)律。
此圖表明，用了儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的波動(dòng)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(fēng)電上網(wǎng)最后的瓶頸能夠得到克服了。
3、儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)
電動(dòng)自行車的充電電池便是一種儲(chǔ)能器。但充電電池的容量太小也太重，用在風(fēng)力發(fā)電上顯然不行。
事實(shí)是如此大容量的儲(chǔ)能器還不能普及，甚至還沒(méi)有實(shí)用的產(chǎn)品可以使用，能夠儲(chǔ)能的裝置，不是價(jià)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(chǔ)能問(wèn)題，結(jié)果一計(jì)算，發(fā)現(xiàn)一個(gè)100kW·h的儲(chǔ)能器占地要75～100m2，并且挖地15m。期間還使用了一些專門(mén)設(shè)計(jì)的液壓元件。由此可見(jiàn)，氣-液式蓄能器無(wú)法承擔(dān)大容量的電力儲(chǔ)存的問(wèn)題。
最近筆者嘗試計(jì)算了另外一種儲(chǔ)能裝置，一臺(tái)標(biāo)稱儲(chǔ)能量為1MW·h的儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)，算出的結(jié)果是最大時(shí)儲(chǔ)量達(dá)到1228.9kW·h，最小為822kW·h，即可調(diào)范圍為400kW·h，包括發(fā)電機(jī)在內(nèi)的整個(gè)儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)質(zhì)量大約為80t，其中儲(chǔ)能部分為62t，其余為發(fā)電機(jī)部分和基礎(chǔ)輔助部分，外形尺寸大約是長(zhǎng)3m、寬3m、高3m。對(duì)于中、小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其實(shí)有100kW·h以下的儲(chǔ)量也就夠了，因?yàn)樗梢源蟠鬁p緩發(fā)電的波動(dòng)問(wèn)題，而這樣的儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)也就20t左右，可以安裝在水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)的塔架上或垂直軸風(fēng)力機(jī)的機(jī)座上，取代雙饋異步發(fā)電機(jī)。
儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)的儲(chǔ)能量不等同于風(fēng)力機(jī)的裝機(jī)功率，也就是說(shuō)1MW·h不等于只能匹配1MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，儲(chǔ)量與功率是完全不同的兩個(gè)概念。1MkW·h的儲(chǔ)能器可以連續(xù)不斷地吸收穩(wěn)定輸出1MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)小時(shí)之久的發(fā)電量。400kW·h的可調(diào)范圍意味著儲(chǔ)能器在吸儲(chǔ)風(fēng)電波動(dòng)部分相當(dāng)于400kW的功率輸出長(zhǎng)達(dá)1h后再開(kāi)始加大發(fā)電機(jī)的輸出（事實(shí)上是控制在一個(gè)能夠接受的緩慢波動(dòng)情況下的輸出，無(wú)需等到儲(chǔ)能器達(dá)到極限儲(chǔ)量后再釋放的）。也就是說(shuō)400kW·h的可調(diào)量能夠持續(xù)吸收穩(wěn)定輸出4MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電力達(dá)0.1h，即6min之久，如果在這6min中不斷地加大發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，那么可以不停地工作下去。也就是說(shuō)標(biāo)定1MW·h的儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)可以與幾個(gè)兆瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)匹配工作，并且這些風(fēng)力發(fā)電機(jī)是在滿負(fù)荷的情況下工作的。如果一般不可能達(dá)到滿負(fù)荷工作，則更可拖帶更多的裝機(jī)容量。當(dāng)然儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)中的發(fā)電機(jī)容量能夠承受得起大功率輸出。由此可見(jiàn)，儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)要比雙饋異步發(fā)電機(jī)更適用于風(fēng)電利用，是人們大力發(fā)展可再生能源形勢(shì)下出現(xiàn)的創(chuàng)新產(chǎn)物。
儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)的連接方式可以有多種，見(jiàn)圖2，可以一邊上網(wǎng)一邊將波動(dòng)部分儲(chǔ)存起來(lái)，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(chǔ)能式發(fā)電機(jī)平緩輸出（圖2中下半部分）。
圖2儲(chǔ)能器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的用法
儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)的控制也遠(yuǎn)比雙饋異步發(fā)電機(jī)要簡(jiǎn)單，甚至只要PLC就能控制，當(dāng)然用PC會(huì)更好，因?yàn)楹笳呖梢园迅嗟木C合因素考慮進(jìn)去，雖然用PLC也能做到，但計(jì)算能力無(wú)疑是用PC更好。
4、儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)前途無(wú)量
儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)的用途遠(yuǎn)不止在風(fēng)力發(fā)電上，因?yàn)檫@涉及電力儲(chǔ)存，這是百年來(lái)電業(yè)界希望解決的問(wèn)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(jī)容量180萬(wàn)kW，投資近百億元。電站建設(shè)鉆透了整個(gè)一座大山，地下廠房、上、下水庫(kù)落差607m，電站上水庫(kù)天篁湖是一個(gè)人工建造的高水湖泊，蓄水湖面積達(dá)28萬(wàn)m2，是一個(gè)晝夜水位高低變幅29m多的動(dòng)態(tài)湖泊，上水庫(kù)蓄能能力1046萬(wàn)kW·h，其中日循環(huán)蓄能量866萬(wàn)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(mén)用峰谷電差價(jià)的辦法來(lái)轉(zhuǎn)移人們對(duì)于電力的需求。
筆者現(xiàn)在只做了一個(gè)1MW·h的儲(chǔ)能裝置初步計(jì)算，經(jīng)過(guò)攻關(guān)，集中各方面的人力、物力、智力，有可能做到單機(jī)裝機(jī)容量更大些的儲(chǔ)能器，它們將在能源事業(yè)上大放異彩，事實(shí)上這完全可以成為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，或者成為水輪機(jī)或大型發(fā)電機(jī)企業(yè)的一種新產(chǎn)品?？赡軙?huì)有這樣的一天，大功率的儲(chǔ)能器群能取代如天荒坪抽水蓄能發(fā)電站那樣的儲(chǔ)能裝置（便是按照筆者上面的計(jì)算，承擔(dān)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(wú)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(lái)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(lái)發(fā)電，無(wú)論是技術(shù)還是效率都不能算先進(jìn)或科學(xué)進(jìn)步，在沒(méi)有辦法的情況下唯此能解決問(wèn)題。
電力儲(chǔ)存也不僅是電力部門(mén)才需要，現(xiàn)在綠色交通呼聲甚高的電動(dòng)汽車，其核心技術(shù)也是儲(chǔ)能的問(wèn)題，從網(wǎng)絡(luò)上看這個(gè)難關(guān)現(xiàn)在已經(jīng)呼之欲出了。其實(shí)這也還是一個(gè)儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)的問(wèn)題。
完全可以確信儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)用途廣闊，不僅風(fēng)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(jì)考慮利用谷電廉價(jià)的特點(diǎn)用儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)保存電力以便白天使用也可以用到它。用途不同的儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)有不同的構(gòu)造。其實(shí)呼之欲出的儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)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(shù)中尋找組合。雙饋異步發(fā)電機(jī)是外國(guó)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，早些讓儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)投產(chǎn)則可以成為這方面我國(guó)自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。而更重要的是這將解決風(fēng)電上網(wǎng)最后的關(guān)卡，徹底解決風(fēng)電上網(wǎng)的瓶頸問(wèn)題。筆者認(rèn)為研究的那種儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)最合的是發(fā)電設(shè)備公司類的企業(yè)，如大型發(fā)電機(jī)或水力發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)企業(yè)，因?yàn)檫@樣的企業(yè)無(wú)需增添更新加工設(shè)備就可立即上馬。筆者還認(rèn)為如果把更先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)融合進(jìn)去，有可能大大提高儲(chǔ)能器的儲(chǔ)量，擴(kuò)大儲(chǔ)能器中能量的利用率、減輕裝置的質(zhì)量。
5、結(jié)論
電力儲(chǔ)存是一個(gè)歷史性課題，但是由于技術(shù)水平等原因一直停留在蓄電池這樣一個(gè)低效率、低容量、質(zhì)量重的水平上，不能得到廣泛而實(shí)際的應(yīng)用，而現(xiàn)實(shí)中又必須要用到大量電力儲(chǔ)存的問(wèn)題，因此才有用抽水蓄能辦法來(lái)解決峰谷電這樣的實(shí)際問(wèn)題。隨著社會(huì)的進(jìn)步，隨著人們對(duì)于可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，特別是在風(fēng)力發(fā)電方面，因?yàn)轱L(fēng)電波動(dòng)性大造成風(fēng)電上網(wǎng)的瓶頸，人們開(kāi)始努力尋找解決克服風(fēng)電瓶頸的方法，儲(chǔ)能器問(wèn)題的提出就是在這樣的形勢(shì)下形成的，也是由于人類技術(shù)的進(jìn)步，筆者發(fā)現(xiàn)應(yīng)用當(dāng)前的前沿技術(shù)成果，完全可以制造出一種儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)。完全可以預(yù)見(jiàn)，儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)有著無(wú)限廣闊的前景，它的問(wèn)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(fēng)電波動(dòng)的瓶頸，而且有可能取代風(fēng)力發(fā)電上面的雙饋異步發(fā)電機(jī)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(huì)的需要又必定會(huì)促使其更深刻的發(fā)展，期盼著儲(chǔ)能式發(fā)電機(jī)能在我國(guó)誕生。
