光伏发电系统的储能技术应用与实践研究

武 凯，孙桂卿，王其静

（1.山东海诺德电力科技有限公司，山东 济南 250000；2.山东思迪普电气有限公司济南高新分公司，山东 济南 250000；3.恒诚信国际工程咨询有限公司山东分公司，山东 济南 250000）

0 引 言

随着全球能源需求的不断增长和环境问题的凸显，光伏发电作为一种清洁、可再生的能源形式受到了人们的广泛关注。光伏发电系统的天气依赖性和不稳定性一直是其在实际应用中面临的主要挑战之一。特别是在日照强度波动较大或光照条件不理想的情况下，光伏发电系统的发电效率和稳定性受到了明显的影响[1]。目前，电池储能和超级电容器等储能技术在能源存储领域取得了显著的进展，成为提升光伏发电系统性能的关键技术。电池储能技术将过剩电能转化为化学能进行储存，超级电容器则以其高功率密度和快速充放电特性成为一种理想的能量储存设备。因此，文章旨在深入探讨光伏发电系统中储能技术的应用与实践，通过引入先进的储能技术，为提高系统的电能利用效率和稳定性提供可行性方案，从而推动光伏发电技术的进一步发展。

1 光伏发电系统数学模型建立

1.1 光照强度与温度对发电性能的影响

在光伏发电系统中，光照强度和温度是直接影响发电性能的2 个关键因素。光照强度的变化直接影响光伏电池的输出电流和电压，温度的升高则会导致光伏电池的性能下降。光照强度分布不均匀和变化规律使得系统的发电效率难以维持在一个稳定水平，而高温环境下光伏电池的功率输出衰减进一步限制系统的实际发电能力[2]。通过对这些影响因素的详细分析，能够为后续的储能技术应用提供有力的帮助。

1.2 模型建立

考虑光照强度和温度对光伏电池性能的影响，建立的数学模型为

式中：Ia为实际输出电流；Iref为参考光照强度下的输出电流；G为当前光照强度与参考光照强度的比值；β为温度系数；T为当前温度；Tref为参考温度。

1.3 模型验证与参数调整

光照强度方面的实验设计中，利用可调光源设备模拟了不同强度的光照条件。通过在模型中设置相应的参数进行数值模拟，并考虑了日照强度的变化规律，如日出、日中、日落等时段以及不同季节对光照条件的影响。

对于温度的实验设计，使用恒温设备模拟了不同温度条件下的环境。同样，在模型中设置相应参数进行数值模拟，包括模拟高温天气和温度波动较大的情况。

在模型验证的基础上，通过深入分析实验数据，发现了系统性能与模型参数之间的关联。通过逐步调整模型中的关键参数，如光伏电池的温度系数和光照强度的影响系数等，使得数值模拟结果更加贴近实际情况。这一过程确保了数值模拟模型的高度可靠性，为后续储能技术的引入和系统性能的进一步优化提供了坚实的理论基础。

2 储能技术应用与实践

2.1 电池储能技术介绍

电池储能技术是一种关键的储能手段，能够将电能转化为化学能并在需要时再次释放电能，以平衡能源供需之间的差异。在光伏发电系统中，电池的储能过程涉及充电和放电2 个阶段。充电阶段，电池吸收光伏系统过剩的电能，将其储存在电池内；在需要电能时，电池则进行放电，将储存的能量供给光伏系统[3]。电池储能技术的关键性在于其对电能的高效存储和可控释放。其组成如图1 所示。

2.2 超级电容器技术介绍

超级电容器作为一种高功率密度、快速充放电的能量储存设备，在光伏发电系统中的应用受到关注。其技术原理主要基于电双层电容和伪电容2 种储能机制。在电双层电容中，电荷以静电场的形式存储在电极表面；而在伪电容中，电荷以化学还原和氧化的方式嵌入电极材料[4]。超级电容器的充放电过程相对于传统电池更为快速，能够在短时间内释放大量储存的电能。

2.3 储能技术在光伏发电系统中的应用

储能技术在光伏发电系统中的应用旨在提高系统的电能利用效率，并改善电能稳定性。通过将电池储能和超级电容器等技术引入光伏发电系统，可以在日照条件不佳或电能需求高峰期，有效增强系统的稳定性[5]。电池储能技术可以在光照强度充足时吸收过剩电能，在低光照时释放储存的电能，实现系统性能的平稳输出。超级电容器则通过其高功率密度和快速充放电的特性，在瞬时电能需求较大的情况下提供迅速且可靠的电能输出。储能技术的引入使光伏发电系统更加适应复杂多变的电能环境，为系统的可靠运行提供重要的支持。

2.4 系统参数配置优化

系统参数配置的优化是确保储能技术在光伏发电系统中发挥最佳效果的关键。通过合理配置电池和超级电容器的参数，可以最大限度地提高系统的储能效率和稳定性。

在电池储能技术方面，优化的关键参数包括电池的充电效率、放电效率以及电池容量。通过调整这些参数，可以实现在不同光照条件下的高效能量储存和释放。

对于超级电容器技术，关键参数包括电容器的电压、电流和内部电阻等方面。通过调整这些参数，使超级电容器更好地满足系统瞬时电能需求，提高其在光伏发电系统中的实际应用性能。综合考虑电池和超级电容器的参数配置，通过数值模拟和实验验证手段，最终实现系统性能的全面优化，为光伏发电系统的储能技术应用提供实践经验和技术支持。

3 实验验证与讨论

实验设备包括光伏发电系统包括光伏电池、电池储能装置和超级电容器储能装置。可调光源设备用于模拟不同光照强度条件；恒温设备用于模拟不同温度条件。实验参数设置如下：光照强度变化范围为800 ～1 200 lux；温度变化范围为25 ～30 ℃；数据采集频率为每隔15 min 记录一次数据。

实验过程如下：一是在典型的光照和温度条件下，记录系统的发电效率作为基准数据；二是引入储能技术，安装电池和超级电容器储能装置，进行储能前的实验，记录系统在不同光照和温度条件下的发电效率；三是进行储能后的实验，记录系统在相同条件下的发电效率；四是数据分析与统计，对实验数据进行整理和统计，计算储能前后系统的发电效率；五是统计各光照强度和温度条件下的平均发电效率；六是对比系统储能技术引入前后的发电效率，以评估储能技术对系统性能的影响。

在不同的光照强度和温度下，系统引入储能技术前后的发电效率对比结果如表1 所示。

表1 储能前发电效率与储能后发电效率对比结果

通过表1 所示的实验数据，可以发现系统的发电效率在不同的光照强度和温度条件下存在较大的波动，主要由光伏发电系统的天气敏感性和温度敏感性导致，使得系统在不同环境条件下表现出不同的发电效率。在不同的光照强度、温度等各种条件下，系统引入储能技术后的发电效率与系统之前的发电效率相比，均有显著提升，且数值不低于90%。由此表明，引入电池和超级电容器等储能技术能够显著提高光伏发电系统的储能效率。

4 结 论

文章围绕光伏发电系统的储能技术应用与实践展开，通过建立数学模型、采用数值模拟与实验相结合的方法以及详实的数据分析，深入研究光照强度、温度对系统发电性能的影响，引入了电池和超级电容器等储能技术，并优化系统参数配置。实验结果表明，在不同光照强度和温度条件下，系统引入储能技术后均取得显著的性能改善，为系统在不稳定环境中的可靠运行提供实际有效的支持。通过该研究，为光伏发电系统的工程应用提供实践经验和技术指导，同时也为未来光伏发电技术的进一步发展和应用奠定坚实的基础。