太陽能光伏應(yīng)用中儲能系統(tǒng)的應(yīng)用分析

余志華

杭州華鼎新能源有限公司 浙江杭州 310006

1 光伏發(fā)電與儲能系統(tǒng)簡介

1.1 光伏發(fā)電

所謂光伏發(fā)電，簡單講即利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，供給電路負載。簡單的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、控制器和逆變器三大部分組成。與傳統(tǒng)化石燃料燃燒發(fā)電相比，光伏發(fā)電的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：①來源無枯竭且質(zhì)量高；②能源清潔無污染；③不受地緣限制；④可就地發(fā)電供電，不需額外架設(shè)輸電線路和消耗燃料；⑤建設(shè)周期較短。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要可分為三類：獨立式、分布式和并網(wǎng)式。分布式光伏發(fā)電，即在用戶現(xiàn)場或者用電現(xiàn)場直接配置規(guī)模較小的光伏發(fā)電系統(tǒng)，用以滿足特定用戶的需求，或者支持現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)施的經(jīng)濟運行，或同時滿足這兩方面需求?？紤]我國人口分布不均及地理因素、光照條件等，分布式光伏發(fā)電在我國可以說極具發(fā)展前景。

1.2 儲能系統(tǒng)

當(dāng)前，儲能技術(shù)的存儲方法主要分為三類：①化學(xué)儲能，有鉛酸電池、鋰系電池、鈉硫電池、液流電池、鎳系電池等；②電磁儲能，有超導(dǎo)儲能、超級電容器儲能等；③物理儲能，有抽水蓄能、飛輪儲能等。近年來發(fā)展較快的儲能形式主要有四種：它們分別是蓄電池儲能、超級電容器儲能、超導(dǎo)儲能和飛輪儲能。在如今中小功率儲能光伏系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的是化學(xué)儲能，在大功率系統(tǒng)中，有一些電站應(yīng)用抽水儲能。

2 帶儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢

2.1 在保證光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠性的前提下，保證其持續(xù)性

光伏陣列不可能持續(xù)產(chǎn)生電能，例如在光照強度很弱、夜晚無光照等情況下，為使負載可以正常使用，需要儲能裝置釋放電能，由儲能單元補充提供負載部分電能，通過這樣的方式，便能確保系統(tǒng)供電的可靠性和持續(xù)性[1]。

2.2 增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)受外界影響時，容易導(dǎo)致電壓波動使電能質(zhì)量下降，因此需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。儲能裝置可以在電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大擾動時，儲能裝置可以釋放或吸收短時峰值功率，減少電壓的波動，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 增加系統(tǒng)的可調(diào)度性

對于小型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，配置一些小容量的儲能單元就可保證系統(tǒng)的持續(xù)供電。然而對于一些中大型光伏系統(tǒng)，儲能裝置容量的大小會限制系統(tǒng)供電的持續(xù)性，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)配置越大容量的儲能裝置，越能增加系統(tǒng)調(diào)度的靈活性，同時提高了經(jīng)濟效益。

在傳統(tǒng)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的直流母線上添加儲能元件，即構(gòu)成了帶儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。通過控制儲能雙向變流器電感電流值的大小與流動方向，實現(xiàn)了對儲能元件的充放電；通過儲能元件對電能的儲存和釋放，可以平滑太陽能發(fā)電出力波動，解決太陽能發(fā)電自身出力的隨機性和不可控性問題，減小太陽能出力變化對電網(wǎng)的沖擊。隨著電力工業(yè)發(fā)展中存在問題的增多，儲能技術(shù)也隨之發(fā)展起來。電能本身不能存儲，然而可將電能轉(zhuǎn)化成機械能、化學(xué)能或電磁能等形態(tài)實現(xiàn)存儲。根據(jù)能量存儲方式的不同，可將儲能方式分為機械儲能（如抽水蓄能、飛輪儲能等）、電化學(xué)儲能（如鋰離子電池等）、電磁場儲能（如超導(dǎo)儲能等）和變相儲能（如熔融鹽儲能）四大類型[2]。

3 分析太陽能光伏中的儲能系統(tǒng)實際應(yīng)用

3.1 飛輪儲能

飛輪儲能技術(shù)受到高度重視，很多機構(gòu)希望將這一技術(shù)引入到風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，積極進行儲能系統(tǒng)的研發(fā)，目的是實現(xiàn)與電場的配合進行發(fā)電，能夠?qū)崿F(xiàn)對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)的有效調(diào)頻，有效改善電能質(zhì)量。在整個調(diào)頻過程中，飛輪儲能設(shè)備優(yōu)點突出，首先，具有較快的響應(yīng)速度，立足相同容量環(huán)境，與水電和水電調(diào)頻資源相比較，借助飛輪進行調(diào)頻能夠提升效益，甚至達到兩倍的效果。其次，實現(xiàn)對能源的有效節(jié)約。飛輪調(diào)頻電站在建成之后，能夠滿足火電站全負荷運轉(zhuǎn)，大大提升能源的利用率。另外，也不需要對電網(wǎng)容量進行增加處理，有效提升了發(fā)電量峰值。在這一系統(tǒng)的應(yīng)用下，整個電網(wǎng)容量升級的時間被延遲，有效節(jié)省審批新電場建設(shè)的時間，是真正意義上的節(jié)約。再次，滿足環(huán)保無污染的需求。飛輪儲能技術(shù)省去了燃料的耗費，也不會產(chǎn)生有害氣體。其轉(zhuǎn)子主要是由較輕但是強度較高復(fù)合材料構(gòu)成，借助樹脂實現(xiàn)對玻璃纖維和石墨的結(jié)合。懸浮的轉(zhuǎn)子主要處于電磁鐵和永磁鐵組合的架子上，同時，為了有效降低摩擦損耗，可以在真空環(huán)境中將電機的轉(zhuǎn)子和飛輪進行密封處理[3]。

3.2 超級電容儲能

在電磁儲能方面，超級電容器是極具代表性的一類。超級電容器儲能機理主要是雙電層電容和法拉第準電容機理，它同時兼具蓄電池和電容器優(yōu)勢，有極高的輸出功率，且充放電能力較強，未來在光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)中有很好的運用前景。超級電容器與傳統(tǒng)靜電電容器儲存電荷的機理不同，超級電容器將電荷儲存在電解質(zhì)溶液與電極材料的電化學(xué)界面處。由于超級電容器電極材料多孔且具有較高的比表面積、電極與電解質(zhì)離子距離較短，超級電容器的比容量比傳統(tǒng)電容器高幾個數(shù)量級。超級電容器主要結(jié)構(gòu)有高比表面積的多孔電極、多孔性電池隔膜、電解液、集流體等組成。這其中制約超級電容器發(fā)展的關(guān)鍵因素主要是電極材料和電解液性質(zhì)?，F(xiàn)今對超級電容器的研究主要集中在這兩方面。直接影響超級電容器輸出功率的是電極材料。

4 結(jié)語

綜上，在對太陽能光伏應(yīng)用中儲能系統(tǒng)的全面分析中可以發(fā)現(xiàn)，儲能系統(tǒng)自身優(yōu)勢較多，滿足能源的高密度需求，同時，有效降低成本，達到較高效率的能量轉(zhuǎn)化。鑒于單獨儲能系統(tǒng)的自身局限性，面對復(fù)雜的需求，要結(jié)合實際，發(fā)揮不同儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢，靈活使用，更大程度地發(fā)揮太陽能光伏應(yīng)用中儲能系統(tǒng)的作用，以滿足整個社會的多方面需求。