太阳能光伏应用中储能系统的应用分析

余志华

杭州华鼎新能源有限公司 浙江杭州 310006

1 光伏发电与储能系统简介

1.1 光伏发电

所谓光伏发电，简单讲即利用半导体界面的光生伏特效应，将太阳能转化为电能，供给电路负载。简单的光伏发电系统主要由太阳能电池板、控制器和逆变器三大部分组成。与传统化石燃料燃烧发电相比，光伏发电的优点主要体现在：①来源无枯竭且质量高；②能源清洁无污染；③不受地缘限制；④可就地发电供电，不需额外架设输电线路和消耗燃料；⑤建设周期较短。

光伏发电系统主要可分为三类：独立式、分布式和并网式。分布式光伏发电，即在用户现场或者用电现场直接配置规模较小的光伏发电系统，用以满足特定用户的需求，或者支持现有电网设施的经济运行，或同时满足这两方面需求。考虑我国人口分布不均及地理因素、光照条件等，分布式光伏发电在我国可以说极具发展前景。

1.2 储能系统

当前，储能技术的存储方法主要分为三类：①化学储能，有铅酸电池、锂系电池、钠硫电池、液流电池、镍系电池等；②电磁储能，有超导储能、超级电容器储能等；③物理储能，有抽水蓄能、飞轮储能等。近年来发展较快的储能形式主要有四种：它们分别是蓄电池储能、超级电容器储能、超导储能和飞轮储能。在如今中小功率储能光伏系统中，应用较多的是化学储能，在大功率系统中，有一些电站应用抽水储能。

2 带储能的光伏发电系统优势

2.1 在保证光伏发电系统可靠性的前提下，保证其持续性

光伏阵列不可能持续产生电能，例如在光照强度很弱、夜晚无光照等情况下，为使负载可以正常使用，需要储能装置释放电能，由储能单元补充提供负载部分电能，通过这样的方式，便能确保系统供电的可靠性和持续性[1]。

2.2 增强系统的稳定性

在光伏发电系统中，当系统受外界影响时，容易导致电压波动使电能质量下降，因此需要调节系统的电能质量。储能装置可以在电能质量的调节中发挥重要作用。当系统出现较大扰动时，储能装置可以释放或吸收短时峰值功率，减少电压的波动，确保系统的稳定性。

2.3 增加系统的可调度性

对于小型独立光伏发电系统，配置一些小容量的储能单元就可保证系统的持续供电。然而对于一些中大型光伏系统，储能装置容量的大小会限制系统供电的持续性，因此光伏发电系统配置越大容量的储能装置，越能增加系统调度的灵活性，同时提高了经济效益。

在传统并网光伏系统的直流母线上添加储能元件，即构成了带储能系统的并网光伏系统。通过控制储能双向变流器电感电流值的大小与流动方向，实现了对储能元件的充放电；通过储能元件对电能的储存和释放，可以平滑太阳能发电出力波动，解决太阳能发电自身出力的随机性和不可控性问题，减小太阳能出力变化对电网的冲击。随着电力工业发展中存在问题的增多，储能技术也随之发展起来。电能本身不能存储，然而可将电能转化成机械能、化学能或电磁能等形态实现存储。根据能量存储方式的不同，可将储能方式分为机械储能（如抽水蓄能、飞轮储能等）、电化学储能（如锂离子电池等）、电磁场储能（如超导储能等）和变相储能（如熔融盐储能）四大类型[2]。

3 分析太阳能光伏中的储能系统实际应用

3.1 飞轮储能

飞轮储能技术受到高度重视，很多机构希望将这一技术引入到风力发电领域，积极进行储能系统的研发，目的是实现与电场的配合进行发电，能够实现对当地电网系统的有效调频，有效改善电能质量。在整个调频过程中，飞轮储能设备优点突出，首先，具有较快的响应速度，立足相同容量环境，与水电和水电调频资源相比较，借助飞轮进行调频能够提升效益，甚至达到两倍的效果。其次，实现对能源的有效节约。飞轮调频电站在建成之后，能够满足火电站全负荷运转，大大提升能源的利用率。另外，也不需要对电网容量进行增加处理，有效提升了发电量峰值。在这一系统的应用下，整个电网容量升级的时间被延迟，有效节省审批新电场建设的时间，是真正意义上的节约。再次，满足环保无污染的需求。飞轮储能技术省去了燃料的耗费，也不会产生有害气体。其转子主要是由较轻但是强度较高复合材料构成，借助树脂实现对玻璃纤维和石墨的结合。悬浮的转子主要处于电磁铁和永磁铁组合的架子上，同时，为了有效降低摩擦损耗，可以在真空环境中将电机的转子和飞轮进行密封处理[3]。

3.2 超级电容储能

在电磁储能方面，超级电容器是极具代表性的一类。超级电容器储能机理主要是双电层电容和法拉第准电容机理，它同时兼具蓄电池和电容器优势，有极高的输出功率，且充放电能力较强，未来在光伏发电储能系统中有很好的运用前景。超级电容器与传统静电电容器储存电荷的机理不同，超级电容器将电荷储存在电解质溶液与电极材料的电化学界面处。由于超级电容器电极材料多孔且具有较高的比表面积、电极与电解质离子距离较短，超级电容器的比容量比传统电容器高几个数量级。超级电容器主要结构有高比表面积的多孔电极、多孔性电池隔膜、电解液、集流体等组成。这其中制约超级电容器发展的关键因素主要是电极材料和电解液性质。现今对超级电容器的研究主要集中在这两方面。直接影响超级电容器输出功率的是电极材料。

4 结语

综上，在对太阳能光伏应用中储能系统的全面分析中可以发现，储能系统自身优势较多，满足能源的高密度需求，同时，有效降低成本，达到较高效率的能量转化。鉴于单独储能系统的自身局限性，面对复杂的需求，要结合实际，发挥不同储能系统的优势，灵活使用，更大程度地发挥太阳能光伏应用中储能系统的作用，以满足整个社会的多方面需求。