太陽能光伏發電儲能控制研究

劉輝，張爽

(吉林建筑科技學院電氣信息工程學院，吉林長春，130114)

1 發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型。太陽能獨特的清潔性、太陽能發電過程中的低碳化都是減少發電對于環境污染的重要措施，而將太陽能轉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）提升光伏發電和輸電的效率。儲能模式已經成為了未來可再生能源發展領域中不可獲取的研究方向。（3）增加能源領域的經濟價值。作為未來能源行業的一部分，儲能最終是需要創造價值的。

2 現階段光伏發電儲能控制存在的問題

2.1 儲能介質所能承載的能源總量低下

通過調查發現，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。然而現實中電池的能量密度往往只有燃料的1%不到。單質鋰的原子量為6.9，能貢獻1個電子參與電子轉移。氧化劑來自空氣，不需要考慮。

通過上圖的電池反應過程可以知道，鈷酸鋰電池的電池反應的反應物總分子量為98+72=170，但只能貢獻半個電子參與電子轉移。因為只有部分鋰原子會發生反應。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%。考慮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。現階段對于光伏發電的儲能過程主要是利用電化學將光能轉化成為化學能儲存在化學電池等儲能介質當中，雖然這些電化學電池能夠將能源非常便捷性的存儲起來，但是單個電話學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，這么大量體的儲能介質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濟成本，在另一個方面還使得環境污染問題進一步加劇。

2.2 大量的存儲電池帶來的環境污染不可逆轉

電池對環境污染很嚴重，一節電池可以污染數十立方米的水。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，太陽能光伏發電能源存儲需要用到大量的存儲介質，而目前用的最多的存儲介質就是鋰電池，鋰電池在存儲能源時當然非常方便，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境污染問題，通過相關科學研究發現，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，而且現階段很多的發電企業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電池流失到了環境當中，這將給自然環境帶來不可逆轉的破壞。

2.3 光伏發電成材料、經濟成本大

首先是成本的問題，現在其實光伏的成本還是很高，然后是使用壽命的問題，現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，說說光伏未來發展的方向吧，我覺得核心點應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，或者說能夠解決現在光伏公路耐久性的問題，對現在來說都是技術性突破，光伏發電發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制作材料的成本。

3 太陽能光伏發電儲能控制策略探究

3.1 創設智能化控制管理系統

世界光伏產業增長迅速，產業規模不斷擴大，產業成本持續下降。尤其我國地域開闊日照充足發展潛力巨大，并在政策與技術的支撐下，光伏產業已經發展成為我國為數不多進入國際領先領域的產業。在國家不斷提倡加快工業互聯網發展的背景下以及大部分光伏站結構龐大分布偏僻的現狀，光伏發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，向著數據可視化的發展方向。

通過智能型可視化展示，清晰的看見光伏發電的整體樣貌。白晝時利用太陽能電池板通過光電轉換原理使太陽能通過半導體轉換為電能。使用者可以通過電腦控制路燈，做到及時調整，合理安排。智能控制器協調整體系統的工作，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，真正達到綠色節能的效果。而提到供暖可能想到傳統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境污染。而太陽能集熱器收集太陽輻射并轉化成熱能，以液體作為傳熱介質，以水作為儲熱介質，進行供暖的方式更加綠色環保，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,能夠有效的實現人機對話。并且可根據需求調控水流量來滿足不同需求，優化了資源配置。

3.2 改進和優化儲能技術

儲能技術發展到今天，科學家們研究了多種形式的儲能技術和儲能方式，針對儲能技術的分類主要有物理儲能、電化學儲能、電氣儲能、化學儲能和熱儲能這五種基本類型，但是無論何種儲能技術，都面臨著技術的實用性不高的問題，這些儲能技術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化率低能問題，所以結合這樣的情況，要加強對于太陽能光伏發電儲能的控制，就應當要加強對于能源存儲技術的改進和優化。而現階段的儲能技術應當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改進光伏發電過程中產生的不穩定輸出，也是就是說調節儲存與發電之間的數據平衡，使得發電誤差的降低來減少對于存儲電網的沖擊，最終提升光伏發電存儲過程的并網友好性能。其二、儲能技術要降低光伏發電可能產生的預測誤差，從而降低儲能系統的備用容量，最終提升電網對于光伏發電的接收性能。其三，在儲能技術上有充分利用大規模儲存太陽能時的“削峰填谷”，減少能量傳輸過程中的不穩定特性，增強對于太陽能的利用率，改善存儲能量的經濟性。另外一方面，儲能控制要充分接入到配電網當中，在配電網中，儲能接入配電網可以減少或延緩配電網升級投資，并且分布在配電網中的儲能還可以在相關政策和市場規則允許的條件下為大電網提供調頻、調峰、容量備用和電能質量治理等輔助服務。

3.3 建設大規模的光伏發電儲能系統

大規模的儲能當屬抽水蓄能，此種技術相當的成熟，在調峰調頻中起到至關重要的作用。但是大規模儲能技術主要受制于：電池性能以及成本；完善的解決方案；激勵政策。電池方面，我國大規模示范的電池包含鋰電池，液流全釩電池，以及在一些微網中應用鉛碳電池，而其中的佼佼者就是鋰電池，有權威人士曾經說過，鋰電池要將成本降到1500元/kwh，循環次數達到5000次以上才有競爭力，才有可能進行大規模的儲能應用，儲能的示范項目也是在驗證這些電池的性能，推動電池行業的發展。而筆者通過分析完善的解決方案：PCS是銜接電池與電網之間的核心環節，由電力電子器件組成，結合精確地控制系統可以與電網調度等系統相結合，肩負著能量轉換的重任。包含削峰填谷，調頻調峰，平滑潔凈能源輸出等應用模式，無一不需要通過PCS來實現。而現在PCS的拓撲結構呈現多元化，接口聯通性都不佳，不利于系統的整合，所以需要出臺一系列的標準來規范。PCS的結構功能的標準化，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？這需要一系列的數值統計，模擬驗證等研究工作來支撐，這就體現了現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。