太陽能光伏發(fā)電儲能控制研究

劉輝，張爽

(吉林建筑科技學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，吉林長春，130114)

1 發(fā)展太陽能儲能的重要意義

（1）推進能源向低碳化和清潔性方向轉(zhuǎn)型。太陽能獨特的清潔性、太陽能發(fā)電過程中的低碳化都是減少發(fā)電對于環(huán)境污染的重要措施，而將太陽能轉(zhuǎn)化成為電能后再儲存起來更是增加了對于清潔性能源的使用率。（2）提升光伏發(fā)電和輸電的效率。儲能模式已經(jīng)成為了未來可再生能源發(fā)展領(lǐng)域中不可獲取的研究方向。（3）增加能源領(lǐng)域的經(jīng)濟價值。作為未來能源行業(yè)的一部分，儲能最終是需要創(chuàng)造價值的。

2 現(xiàn)階段光伏發(fā)電儲能控制存在的問題

2.1 儲能介質(zhì)所能承載的能源總量低下

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電池很難在能量密度上超過燃料，不過似乎也能達到燃料的一半到1/4的水平。然而現(xiàn)實中電池的能量密度往往只有燃料的1%不到。單質(zhì)鋰的原子量為6.9，能貢獻1個電子參與電子轉(zhuǎn)移。氧化劑來自空氣，不需要考慮。

通過上圖的電池反應(yīng)過程可以知道，鈷酸鋰電池的電池反應(yīng)的反應(yīng)物總分子量為98+72=170，但只能貢獻半個電子參與電子轉(zhuǎn)移。因為只有部分鋰原子會發(fā)生反應(yīng)。假如我

們認為這兩個電子的做功是一致的，那么就可以估計一下這兩種能量載體的能量密度之比了。電池能量密度：燃料能量密度=（0.5/170）/(1/6.9)=2.03%?？紤]到電池有一半重量是輔助材料，于是還得打個折，就剩下1%了。所以能量密度就成了這樣：鋰43.1MJ/Kg鋰離子電池0.36～0.875MJ/Kg?，F(xiàn)階段對于光伏發(fā)電的儲能過程主要是利用電化學(xué)將光能轉(zhuǎn)化成為化學(xué)能儲存在化學(xué)電池等儲能介質(zhì)當(dāng)中，雖然這些電化學(xué)電池能夠?qū)⒛茉捶浅１憬菪缘拇鎯ζ饋?，但是單個電話學(xué)電池能夠存儲的能源總量卻不大，所以，很多時候即便是總量比較低的太陽能在存儲時都需要耗費非常大量的儲能介質(zhì)，這么大量體的儲能介質(zhì)往往都會耗費大量的儲能材料，電池的大量利用不僅增加了太陽能存儲的經(jīng)濟成本，在另一個方面還使得環(huán)境污染問題進一步加劇。

2.2 大量的存儲電池帶來的環(huán)境污染不可逆轉(zhuǎn)

電池對環(huán)境污染很嚴重，一節(jié)電池可以污染數(shù)十立方米的水。有的甚至說廢電池隨生活垃圾處理可以引起諸如日本水俁病之類的危害，一節(jié)5號廢電池就可以使一平方米土地荒廢。前文提到，太陽能光伏發(fā)電能源存儲需要用到大量的存儲介質(zhì)，而目前用的最多的存儲介質(zhì)就是鋰電池，鋰電池在存儲能源時當(dāng)然非常方便，也能減少一定的能源流失率，但是不可忽視問題就是鋰電池帶來的環(huán)境污染問題，通過相關(guān)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，鋰電池的使用壽命并不高，而電池一旦被使用消耗完，就不能再對其進行利用了，而且現(xiàn)階段很多的發(fā)電企業(yè)對于電池的回收工作是做的很不到位的，這就造成了大量的化學(xué)電池流失到了環(huán)境當(dāng)中，這將給自然環(huán)境帶來不可逆轉(zhuǎn)的破壞。

2.3 光伏發(fā)電成材料、經(jīng)濟成本大

首先是成本的問題，現(xiàn)在其實光伏的成本還是很高，然后是使用壽命的問題，現(xiàn)在光伏其實使用壽命為25年，解決掉這兩個問題其實光伏基本上是能夠存活下來，說說光伏未來發(fā)展的方向吧，我覺得核心點應(yīng)該是新材料和新工藝，如果有一天有一種光伏的新材料，能夠代替外墻磚，屋面瓦或者上人型屋面剛性層，美觀性不差，然后本身使用壽命能夠延長到50年，甚至更久，成為建筑本身的一部分，既減少建筑本身的成本，又能緩解國家的能源危機，或者說能夠解決現(xiàn)在光伏公路耐久性的問題，對現(xiàn)在來說都是技術(shù)性突破，光伏發(fā)電發(fā)展的前景根本性的問題，就是運用新的建筑材料來減少能源存儲介質(zhì)制作材料的成本。

3 太陽能光伏發(fā)電儲能控制策略探究

3.1 創(chuàng)設(shè)智能化控制管理系統(tǒng)

世界光伏產(chǎn)業(yè)增長迅速，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，產(chǎn)業(yè)成本持續(xù)下降。尤其我國地域開闊日照充足發(fā)展?jié)摿薮螅⒃谡吲c技術(shù)的支撐下，光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為我國為數(shù)不多進入國際領(lǐng)先領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)。在國家不斷提倡加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的背景下以及大部分光伏站結(jié)構(gòu)龐大分布偏僻的現(xiàn)狀，光伏發(fā)電儲能控制急需一套完整、高效、合理的光伏電站信息化管理平臺進行智能化管理，向著數(shù)據(jù)可視化的發(fā)展方向。

通過智能型可視化展示，清晰的看見光伏發(fā)電的整體樣貌。白晝時利用太陽能電池板通過光電轉(zhuǎn)換原理使太陽能通過半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換為電能。使用者可以通過電腦控制路燈，做到及時調(diào)整，合理安排。智能控制器協(xié)調(diào)整體系統(tǒng)的工作，保證了安全運行。且同等亮度下耗電僅為白熾燈的十分之一，真正達到綠色節(jié)能的效果。而提到供暖可能想到傳統(tǒng)的熱力供暖或者是熱電供暖。但是這兩種方式都伴隨著一定的環(huán)境污染。而太陽能集熱器收集太陽輻射并轉(zhuǎn)化成熱能，以液體作為傳熱介質(zhì)，以水作為儲熱介質(zhì)，進行供暖的方式更加綠色環(huán)保，在智能可視化的加持下，計算更為準確,使用方便,它的可視化界面,能夠有效的實現(xiàn)人機對話。并且可根據(jù)需求調(diào)控水流量來滿足不同需求，優(yōu)化了資源配置。

3.2 改進和優(yōu)化儲能技術(shù)

儲能技術(shù)發(fā)展到今天，科學(xué)家們研究了多種形式的儲能技術(shù)和儲能方式，針對儲能技術(shù)的分類主要有物理儲能、電化學(xué)儲能、電氣儲能、化學(xué)儲能和熱儲能這五種基本類型，但是無論何種儲能技術(shù)，都面臨著技術(shù)的實用性不高的問題，這些儲能技術(shù)總是存在著儲能材料消耗大、存儲能量損失大和存儲能量轉(zhuǎn)化率低能問題，所以結(jié)合這樣的情況，要加強對于太陽能光伏發(fā)電儲能的控制，就應(yīng)當(dāng)要加強對于能源存儲技術(shù)的改進和優(yōu)化。而現(xiàn)階段的儲能技術(shù)應(yīng)當(dāng)要圍繞解決以下幾個方面的問題進行研究：其一，要能夠使得儲能技術(shù)改進光伏發(fā)電過程中產(chǎn)生的不穩(wěn)定輸出，也是就是說調(diào)節(jié)儲存與發(fā)電之間的數(shù)據(jù)平衡，使得發(fā)電誤差的降低來減少對于存儲電網(wǎng)的沖擊，最終提升光伏發(fā)電存儲過程的并網(wǎng)友好性能。其二、儲能技術(shù)要降低光伏發(fā)電可能產(chǎn)生的預(yù)測誤差，從而降低儲能系統(tǒng)的備用容量，最終提升電網(wǎng)對于光伏發(fā)電的接收性能。其三，在儲能技術(shù)上有充分利用大規(guī)模儲存太陽能時的“削峰填谷”，減少能量傳輸過程中的不穩(wěn)定特性，增強對于太陽能的利用率，改善存儲能量的經(jīng)濟性。另外一方面，儲能控制要充分接入到配電網(wǎng)當(dāng)中，在配電網(wǎng)中，儲能接入配電網(wǎng)可以減少或延緩配電網(wǎng)升級投資，并且分布在配電網(wǎng)中的儲能還可以在相關(guān)政策和市場規(guī)則允許的條件下為大電網(wǎng)提供調(diào)頻、調(diào)峰、容量備用和電能質(zhì)量治理等輔助服務(wù)。

3.3 建設(shè)大規(guī)模的光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)

大規(guī)模的儲能當(dāng)屬抽水蓄能，此種技術(shù)相當(dāng)?shù)某墒?，在調(diào)峰調(diào)頻中起到至關(guān)重要的作用。但是大規(guī)模儲能技術(shù)主要受制于：電池性能以及成本；完善的解決方案；激勵政策。電池方面，我國大規(guī)模示范的電池包含鋰電池，液流全釩電池，以及在一些微網(wǎng)中應(yīng)用鉛碳電池，而其中的佼佼者就是鋰電池，有權(quán)威人士曾經(jīng)說過，鋰電池要將成本降到1500元/kwh，循環(huán)次數(shù)達到5000次以上才有競爭力，才有可能進行大規(guī)模的儲能應(yīng)用，儲能的示范項目也是在驗證這些電池的性能，推動電池行業(yè)的發(fā)展。而筆者通過分析完善的解決方案：PCS是銜接電池與電網(wǎng)之間的核心環(huán)節(jié)，由電力電子器件組成，結(jié)合精確地控制系統(tǒng)可以與電網(wǎng)調(diào)度等系統(tǒng)相結(jié)合，肩負著能量轉(zhuǎn)換的重任。包含削峰填谷，調(diào)頻調(diào)峰，平滑潔凈能源輸出等應(yīng)用模式，無一不需要通過PCS來實現(xiàn)。而現(xiàn)在PCS的拓撲結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多元化，接口聯(lián)通性都不佳，不利于系統(tǒng)的整合，所以需要出臺一系列的標準來規(guī)范。PCS的結(jié)構(gòu)功能的標準化，可以為形成完備的解決方案掃清硬件障礙。打個比方來說，如果一個50MW的風(fēng)場，如何配置合適的容量（kW/kWh）來滿足其平滑輸出的功能？這需要一系列的數(shù)值統(tǒng)計，模擬驗證等研究工作來支撐，這就體現(xiàn)了現(xiàn)在的示范項目的作用，可以通過示范研究得出基本的方法論，來為形成解決方案鋪平道路。