鉅大LARGE | 點擊量：1718次 | 2021年09月24日
光伏電池儲能裝置的技術探討
摘要：文中簡要介紹了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理、儲能方式及系統(tǒng)結構,指出太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅受太陽光日射的影響較大,同時還受到云層的影響,獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般禽要配儲能裝才能工作,儲能裝里的安裝使其發(fā)電曲線平清化和技術實用化。關健字：光伏電池；儲能；超級電；蓄電池；燃料動力鋰電池；飛輪
能源短缺以及燃燒化石燃料所帶來的大氣污染、溫室效應等環(huán)境問題日益嚴重,使得新能源特別是太陽能、風能等可再生能源的開發(fā)利用日益受到世界各國的青睞。其中,太陽能資源的利用由于儲量豐富、分布范圍廣泛及具有清潔性和經濟性,受到廣泛重視。
太陽能光伏發(fā)電由于其輸人能量極不穩(wěn)定、間隙性大,除了晝夜有周期變化外,太陽能光伏發(fā)電還受到云層的影響,獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般要配置儲能裝置才可以更好的工作。因此,電力儲能環(huán)節(jié)在獨立光伏系統(tǒng)中具有很重要的地位。
1光伏電池的等效電路
單體光伏電池片（cell）是光伏電池的最基本單元。在使用光伏電池供電時,單體電池片的容量較小,一般不能滿足負載的用電需求。因此,將幾片、幾十片或幾百片單體電池經過串、并聯(lián)連接起來構成組合體,形成光伏電池板。工程上應用的光伏電池板是光伏電池使用的基本單元,其輸出電壓一般為十幾至幾十伏左右。此外,還可以根據(jù)負載容量需求,將若干個光伏電池板經過串、并聯(lián)組成功率較大的實際供電裝置,稱為光伏電池。圖1為較常見的一種光伏電池的等效電路。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
其中,IPH為太陽能電池的電流,G為太陽光照輻射,ID為二極管電流,ISH為并聯(lián)電阻的電流,VD為二極管的電壓。
2蓄電池儲能
蓄電池是一種化學電源,它將直流電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存起來,要時再把化學能轉變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,蓄電池對系統(tǒng)出現(xiàn)的電能起著儲存和調節(jié)的用途。由于光伏系統(tǒng)的功率輸出經常在變化,在日照不足發(fā)電很少或要維修光伏系統(tǒng)時,蓄電池也能夠供應相對穩(wěn)定的電能。在太陽能光伏系統(tǒng)中應用蓄電池的重要用途如下。
(1)儲存能量。在大部分獨立太陽能光伏系統(tǒng)中,因為光伏陣列產量和負載用電要求的不一致,在晚上或多云等情況下,光伏陣列不能供應足夠的能量,而用電負載又必須工作時,蓄電池是必要的。
(2)蓄電池對太陽能電池的工作電壓具有鉗位用途。當把太陽能電池組件直接連接到負載時,由于太陽能電池的工作特性受太陽輻照強度、溫度等影響很大,使負載常常不能一直工作在最佳工作點附近,系統(tǒng)效率很低,而蓄電池對太陽能電池的工作電壓具有鉗位用途,能夠保證系統(tǒng)工作在最佳工作點附近。
(3)供應較大的瞬間電流。電動機類設備在啟動時通常要大的啟動電流,例如電冰箱、壓縮機、電動汽車等電動機負載,啟動電流常常是額定工作電流的一倍。由于光伏組件受到最大短路電流和太陽輻照強度的限制,光伏陣列可能滿足不了它們啟動電流的要求,而蓄電池能夠在短時間內供應大電流給負載啟動。
常見的蓄電池儲能光伏系統(tǒng)示意圖如圖2所示。
整個系統(tǒng)包括光伏陣列、蓄電池組和雙向勿直流轉換器。在光伏電池系統(tǒng)內,使用太陽能電池組在每天太陽能充足時收集太陽能,使用蓄電池組來存儲多余能量,不僅可以補償每天用電高峰時的需求,同時可在日照情況不理想的狀況下供應用戶所需電能。
3超級電容儲能
傳統(tǒng)獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量存儲普遍采用蓄電池彌補太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸人能量的不穩(wěn)定性,但蓄電池也存在一些難以克服的缺點,如循環(huán)壽命短、嚴格的充放電電流等,限制了獨立光伏·系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展。蓄電池成本占系統(tǒng)造價的20%一30%,光伏系統(tǒng)工作環(huán)境和工作過程的特殊性導致蓄電池過早失效或容量損失,進一步加大了光伏系統(tǒng)的成本,這是困擾獨立太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的一大難題。因此,近年來超級電容儲能得到較快發(fā)展。
(1)超級電容器是近年來出現(xiàn)的一種新型能源器件,與常規(guī)電容器不同,其容量可達法拉級甚至數(shù)千法拉。它兼有常規(guī)電容器功率密度大、充電電池比能量高的優(yōu)點,可快速充放電而且壽命長,正在發(fā)展成為一種新型、高效、實用的能量儲存裝置。
(2)超級電容器與蓄電池相比,具有明顯的特點和優(yōu)點,超級電容器兼具蓄電池能量密度大的優(yōu)點充放電速度快,充放電效率高,循環(huán)壽命長,高低溫性能好。此外,超級電容器的材料幾乎沒有毒性,環(huán)境友好,而且在使用中無需維護?？梢灶A見,在不遠的將來,超級電容器作為電力儲能裝置,在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和電能質量改善系統(tǒng)中,必定能發(fā)揮重要的用途。
(3)一般基于超級電容器儲能的獨立光伏系統(tǒng)結構如圖3所示,由光伏陣列、充電控制器、超級電容器組、放電控制器和系統(tǒng)控制器等部分組成。
根據(jù)系統(tǒng)的實際狀態(tài),利用充電控制器以一定方式向超級電容器組及放電控制器供電,其工作方式由系統(tǒng)控制器通過控制PWM(脈寬調制)脈沖實現(xiàn)。超級電容器組作為能量儲存裝置,將光伏系統(tǒng)不穩(wěn)定的能量儲存起來,向負載供應穩(wěn)定的功率為使串聯(lián)電容在充放電過程中具有很好的電壓一致性,提高電容利用率,系統(tǒng)可以添加單體電容并聯(lián)監(jiān)視電路。放電控制器對超級電容器組不斷變化的端電壓進行穩(wěn)壓,輸出直流,也可以逆變給交流負載供電。系統(tǒng)控制器是系統(tǒng)的控制中心,重要實現(xiàn)系統(tǒng)能量管理與控制、參數(shù)檢測與顯示以及故障報警等功能。
4超級電容器和蓄電池混合儲能
從目前的產品情況來看,超級電容器也存在著較明顯的不足之處,尤其是應用于長期的、大容量的電力儲能場合。重要體現(xiàn)在能量密度較低,約為鉛酸蓄電池的端電壓波動范圍大串聯(lián)均壓問題。
（1）假如將超級電容器與蓄電池混合使用,使蓄電池能量密度大和超級電容器功率密度大、循環(huán)壽命長的特點相結合,將會給儲能系統(tǒng)的性能帶來很大提高。超級電容器與蓄電池并聯(lián)使用,能夠增大儲能系統(tǒng)的功率,降低蓄電池內部損耗,延長放電時間,新增使用壽命,還可以縮小儲能裝置的體積以改善經濟性能。
（2）超級電容器與蓄電池通常采用并聯(lián)儲能的方式,一般有種并聯(lián)方式,分別為直接并聯(lián)、通過電感器并聯(lián)以及通過功率變換器并聯(lián)。在有源式儲能結構中,系統(tǒng)配置和控制過程設計上有較大的靈活性,對儲能系統(tǒng)的性能提升也有效,但電路結構復雜,成本較高,能耗較大,對一般中小型獨立光伏系統(tǒng)不適用。超級電容器的端電壓在充放電過程中會不斷上升或下降,因而一般不直接與光伏陣列和負載連接,而要在中間配置電感器。
（3）常見的超級電容器和蓄電池儲能系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。
(4)超級電容器和蓄電池儲能系統(tǒng)由光伏陣列、系統(tǒng)控制器、蓄電池、超級電容器組組成。將模型設計為有源式混合儲能結構,超級電容器與蓄電池通過降壓型功率變換器(BUCK)并聯(lián)。系統(tǒng)控制器對光伏陣列的輸出能量進行控制,根據(jù)系統(tǒng)的實際狀態(tài),以一定的方式輸出電能(包括MPPT模式、限流模式或恒壓模式)。當光伏發(fā)電有能量剩余時,超級電容器首先接受來自光伏電池輸出的電能,當端電壓上升到蓄電池電壓時,蓄電池開始接受充電電流。該結構能有效地抑制光伏輸出電流波動對蓄電池的沖擊,并能大大降低蓄電池在脈動負載時的輸出電流峰值,提高儲能裝置的功率輸出能力,且簡單可靠、造價低。
(5)系統(tǒng)采用超級電容器組和蓄電池組復合交替控制,本著超級電容器優(yōu)先充電優(yōu)先放電和蓄電池后充后放的原則,這樣的控制策略可以減少蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù),優(yōu)化蓄電池的工作環(huán)境,以延長蓄電池的使用壽命。
5儲氮一燃料動力鋰電池儲能系統(tǒng)
(1)近年來,氫能領域中制氫技術的進展和質子交換膜燃料動力鋰電池技術的突破,為獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)改變依賴蓄電池的儲能方式、尋求新的系統(tǒng)運行模式供應了可能性。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)以制氫儲能替代蓄電池儲能,重要有以下優(yōu)越性第一,無論是高壓貯氫還是金屬貯氫,其能量密度均遠高于蓄電池第二,氫的儲存基本沒有時間限制,而鉛酸蓄電池如長時間蓄電,必須考慮硫酸化和自放電問題第三,高壓貯氫鋼瓶及金屬貯氫器的維護工作量極少,維護周期以若干年計,而鉛酸蓄電池的維護工作量大,使用壽命不長。
(2)太陽能光伏制氫儲能一一燃料動力鋰電池發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點如下儲能密度高、使用壽命長、運行成本低、沒有污染,可最大限度地發(fā)揮光伏系統(tǒng)的發(fā)電能力。常見太陽能光伏制氫儲能一燃料動力鋰電池發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖5所示。
（3）太陽能光伏制氫儲能一燃料動力鋰電池發(fā)電系統(tǒng)由光伏方陣、系統(tǒng)控制器、制氫單元、儲氮單元、燃料動力鋰電池組成。其中,制氫單元可以是各種類型的電化學制氫方法,例如目前工業(yè)上已經大規(guī)模使用的水電解槽或技術上已經成熟的離子膜法制氫等。儲氫單元可使用通常的高壓貯氫鋼瓶,也可以采用更先進的金屬貯氫器。上述提出的太陽能光伏制氫儲能一燃料動力鋰電池發(fā)電系統(tǒng)有兩種運行方式當日照充足時,光伏電池方陣將以滿功率發(fā)電,由于白天用電負荷輕,甚至無負荷,此時光伏電池發(fā)出的電能將全部或部分通過功率分配器流向制氫單元,制出的氫氣儲存于儲氫單元,待夜晚或無日照時,燃料動力鋰電池利用存儲的氫氣發(fā)電,供負荷使用當日照不足時,光伏電池發(fā)出的電能不能滿足負載要,此時,起動燃料動力鋰電池發(fā)電裝置與光伏電池方陣同時向負載供電。此外,在緊急情況下,當光伏電池方陣發(fā)生故障不能發(fā)電時,用戶還可通過購買氫氣供燃料動力鋰電池發(fā)電,以保證用電負載的急需。
6飛輪儲能系統(tǒng)
6.1系統(tǒng)特點
（1）飛輪儲能技術是一種新型高效的能量轉換與存儲方法,它將電機的轉子與飛輪結合,電機驅動飛輪至高速旋轉,電能轉變?yōu)闄C械能儲存。當要電能時,飛輪減速并驅動電機,電機作發(fā)電機運行,將飛輪動能轉換成電能。
（2）飛輪儲能系統(tǒng)是一種高度機電一體化產品,它在工業(yè)、汽車工業(yè)、電力工業(yè)、電信業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。作為電池家族的成員,這種新型的電池與化學電池相比具有以下幾方面突出的優(yōu)點儲能密度高無過充電、過放電問題容易測量放電深度,充電時間較短對溫度不敏感對環(huán)境友好。
飛輪儲能系統(tǒng)重要由轉子、電動發(fā)電機、電力轉換器和真空室部分組成,轉子系統(tǒng)包括飛輪本體與軸承兩部分。
6.2系統(tǒng)工作原理
常見的飛輪儲能系統(tǒng)框圖如圖6所示。
該系統(tǒng)的工作原理是太陽能發(fā)電的電能經過整流器變成一定電壓的直流電源,在經過逆變器,通過其調頻調壓后變成工頻交流電源,給負載供應電能或并人電網(wǎng)。由于太陽能只有在有太陽的時候才能工作,而且一天中每個時間段的太陽能強度不相同,飛輪儲能系統(tǒng)就起到調節(jié)電能在時間上不均勻的用途。當白天太陽光照強烈時,太陽能發(fā)電的電能功率大于負載或電網(wǎng)的平均功率,就把多余的電能通過飛輪儲能系統(tǒng)儲存起來。當太陽光照變弱時,太陽能發(fā)電的功率小于負載或電網(wǎng)的平均功率,則通過飛輪儲能系統(tǒng)釋放電能來補償。當晚上沒有太陽光時,其電能供應全部由飛輪儲能系統(tǒng)來供應。太陽能發(fā)電系統(tǒng)通常有下列4種工作模式。
（1）負載不要能量供應,由太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力送到飛輪儲能系統(tǒng)儲存起來。
（2）太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力大于負載要的電力,多余的部分被送到飛輪儲能系統(tǒng)儲存起來。
（3）太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力小于負載要的電力,由飛輪儲能系統(tǒng)補充不足的電力供應。
（4）太陽能發(fā)電系統(tǒng)不發(fā)電,負載的電力供應全部由飛輪儲能系統(tǒng)來完成。
7結語
本文對光伏電池的儲能裝置進行了一定的技術探討,分析了蓄電池、超級電容、燃料動力鋰電池、飛輪儲能的優(yōu)缺點及其原理和工作方式。通過上述分析,可以得出以下結論。
（1）蓄電池的優(yōu)點是能量密度大,缺點是循環(huán)壽命短、有嚴格的充放電電流要求。
（2）超級電容儲能的優(yōu)點是充放電速度快,充放電效率高,循環(huán)壽命長,高低溫性能好缺點是能量密度較低,約為鉛酸蓄電池的,端電壓波動范圍大,有串聯(lián)均壓問題。
（3）燃料動力鋰電池儲能優(yōu)點是儲能密度高、使用壽命長、運行成本低、沒有污染缺點是對環(huán)境要求較高、實現(xiàn)有一定的危險性。
（4）飛輪儲能優(yōu)點是儲能密度高、無過充放電問題、容易測量放電深度、充電時間較短、對溫度不敏感、對環(huán)境友好缺點是造價較高、實現(xiàn)較難、用途時間短。
