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一文以蔽:光伏發(fā)電到底需要怎樣的儲能系統(tǒng)?

光伏產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊 發(fā)布日期:2018-04-13
核心提示: 沒有儲能的光伏是沒有未來的。去年和一位業(yè)界朱姓大牛交流,他提出觀點“儲能技術(shù)的發(fā)展是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的命脈”,可謂醍醐灌頂。
   前言:沒有儲能的光伏是沒有未來的。去年和一位業(yè)界朱姓大牛交流,他提出觀點“儲能技術(shù)的發(fā)展是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的命脈”,可謂醍醐灌頂。當整個電網(wǎng)只有1%的再生能源占比的時候,沒人在乎;可按照現(xiàn)在穩(wěn)穩(wěn)超過20%每年的行業(yè)發(fā)展速度投射未來,光伏達到10%、20%的電網(wǎng)滲透率并不遙遠。到時候還這么靠天吃飯陰晴圓缺,前一分鐘發(fā)電10度后一分鐘只發(fā)電5度的狀況,電網(wǎng)、工商用戶、居民,誰受得了?
  
  兔子斗膽預(yù)測,如果沒有高效低成本的儲能配套,光伏發(fā)電的占比不會超過10%。
  
  儲能的作用在大時間尺度范圍(數(shù)小時),主要是為了調(diào)峰,即實現(xiàn)發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的匹配。那基本上是什么便宜上什么,鉛酸、梯級使用的鋰電池、液流電池、蓄水儲能等都是可選擇的方案,不為本文所重點討論。而在較小的時間尺度范圍之內(nèi),儲能也具有極其重要的意義。光伏和風能被不客氣的稱為“垃圾電”,就是因為風光發(fā)電功率電壓輸出靠天吃飯不穩(wěn)定,而且直流轉(zhuǎn)交流存在波形不理想、頻率不協(xié)調(diào)的問題,給電網(wǎng)造成極大的壓力;而儲能可以極大程度上解決這些要命的問題。然而儲能技術(shù)五花八門,到底什么樣的儲能才是光伏發(fā)電所需要的?學(xué)界和業(yè)界此前并無系統(tǒng)的歸納總結(jié),讓人摸不到頭腦。
  
  幸而新南威爾士大學(xué)博士研究生江嶼的“Suitabilityofrepresentativeelectrochemicalenergystoragetechnologiesforramp-ratecontrolofphotovoltaicpower”《主流電化學(xué)儲能技術(shù)針對光伏發(fā)電爬坡速率控制的適用性》大作橫空出世,為大家厘清了思路。兔子不敢耽誤,在此奉獻給大家。
  
  為了減輕壓力,電網(wǎng)對光伏電站出力穩(wěn)定性提出要求,已經(jīng)成為大趨勢。比如德國提出了最高10%每分鐘爬坡速率的要求,也即是說每一時刻和一分鐘前比較,光伏電站功率輸出的差異不能高于10%。許多國家新進推出的并網(wǎng)標準,都要求光伏電站具有必要時斷電和減少輸出,以及平滑爬坡速率的要求。在多云的天氣,50%的爬坡速率也很常見,所以必須要加以處理(見下圖)。組件優(yōu)化器、微型逆變器等電力電子技術(shù)都可以在一定程度上實現(xiàn)平滑,但處理的能力非常有限,而且解決問題的方法簡單粗暴,要不就是讓組件發(fā)電偏離最佳功率點,要不就是砍掉多余的出力,為了達到電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求不得已割肉。這個時候,儲能系統(tǒng)就是發(fā)揮作用的關(guān)鍵了:一旦發(fā)電量暴增就充電(而不是直接把多余發(fā)電切掉不要了);一旦發(fā)電量爆降就放電,實現(xiàn)對電網(wǎng)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)力。
 
  一文以蔽:光伏發(fā)電到底需要怎樣的儲能系統(tǒng)?
 
  化學(xué)儲能材料和器件的三大重要指標,一是能量密度,關(guān)系到充放電的持續(xù)性;二是功率密度,關(guān)系到瞬間釋放能量的能力;三是充放電次數(shù),決定了儲能器件的壽命。下圖給出了鉛酸電池、鋰電池、鋰離子電容、碳基電化學(xué)雙層電容器EDLC、電解液電容的能量密度、功率密度和充放電壽命等指標。不幸的是,光伏這樣極度苛刻的應(yīng)用場景,對儲能系統(tǒng)能量、功率、壽命的要求都非常高!儲能系統(tǒng)儲能能力、充放電功率,直接影響了對爬坡速率的控制力。
 
  一文以蔽:光伏發(fā)電到底需要怎樣的儲能系統(tǒng)?
 
  文章的計算涉及到傅里葉變換等燒腦數(shù)學(xué)工具,此處不再贅述??傊峭ㄟ^下面的爬坡速率控制模型流程圖,可以實現(xiàn)對瞬息萬變的光伏出力(圖b藍色區(qū)域)的有效平滑(圖b紅線為平滑后)。圖c顯示了儲能系統(tǒng)在爬坡上升超過10%每分鐘速率的時間段通過充電實現(xiàn)爬坡速率的控制(圖c靛藍色區(qū)域),而在光伏出力下降超過10%的時間段,通過放電實現(xiàn)控制(土黃色區(qū)域),快速響應(yīng)的能力是對儲能系統(tǒng)充放電功率W的考驗。而圖d是儲能系統(tǒng)的充電狀態(tài)SoC,SoC的幅值考驗的是儲能系統(tǒng)總儲能能力Wh。
 
  一文以蔽:光伏發(fā)電到底需要怎樣的儲能系統(tǒng)?
 
  不同的光伏系統(tǒng)對于儲能系統(tǒng)的要求大不相同。文章考察了單個組件、5千瓦屋頂系統(tǒng)、100千瓦小型光伏電站、以及7.2兆瓦大型電站四個場景。一般而言,大型系統(tǒng)占地面積大,具有一定“地理聚集”(geographicalaggregation)的發(fā)電出力平滑能力。在江嶼的算法中,引入了一個叫做截斷頻率(cut-offfrequency)的東東,通過經(jīng)驗公式考慮到了這個自動平滑的現(xiàn)象。下圖看到,越大的系統(tǒng),其自帶發(fā)電出力平滑的能力越強,無論是光功率變化的劇烈程度還是頻度都有下降!
 
  一文以蔽:光伏發(fā)電到底需要怎樣的儲能系統(tǒng)?
 
  隨著系統(tǒng)的增大,儲能系統(tǒng)更多的從能量密度限制,轉(zhuǎn)變成了功率密度限制。也就是說,高功率密度的儲能系統(tǒng)更具有優(yōu)勢。在這方面,鋰離子電池具有重大的技術(shù)優(yōu)勢。目前相較于鉛酸電池,鋰離子電池成本高處1倍到3倍不等,但是未來具有更大的降本空間。至于電容系列,雖然功率密度足夠甚至超過要求,但能量密度距離一整天的發(fā)電出力緩沖,相去甚遠。研究發(fā)現(xiàn),高能量密度的鋰離子電池(低于600瓦時每升)最符合光伏出力緩沖的要求,基本可以100%達到10%爬坡速率控制的要求。
 
  一文以蔽:光伏發(fā)電到底需要怎樣的儲能系統(tǒng)?
 
  文章還提出了一個非常具有新穎性和吸引力的技術(shù)方案——在微型逆變器和組件優(yōu)化器上集成儲能系統(tǒng)。這樣既滿足了發(fā)電出力平滑的要求,又增加了系統(tǒng)整體的發(fā)電能力(儲能單元使得光伏組件不需要過度偏離組件發(fā)電的最佳功率點)。作為一個初步的設(shè)想,作者把儲能單元體積控制在100立方厘米之內(nèi),也即是收入接線盒中。這需要最少400瓦時每升的能量密度,2300瓦每升的功率密度,這已經(jīng)超出了現(xiàn)今量產(chǎn)鋰離子電池可以達到的指標。如果用現(xiàn)今量產(chǎn)的鋰離子電池性能指標加以衡量,10%的爬坡速率控制可以達到99.5%的達標率(即每1000次出現(xiàn)爬坡速率超過10%的情況,995次可以得到解決)。
 
  一文以蔽:光伏發(fā)電到底需要怎樣的儲能系統(tǒng)?
一文以蔽:光伏發(fā)電到底需要怎樣的儲能系統(tǒng)?
 
  作者江嶼等設(shè)計的組串層級和組件層級的儲能解決方案,用于解決發(fā)電不穩(wěn)定的問題。
  一文以蔽:光伏發(fā)電到底需要怎樣的儲能系統(tǒng)?
 
  結(jié)語:沒有儲能的光伏是沒有未來的。一方面,儲能材料和器件本身需要不停的降本提效;另外一方面,儲能和光伏系統(tǒng)的接口模式也需要著力研發(fā)?!吨髁麟娀瘜W(xué)儲能技術(shù)針對光伏發(fā)電爬坡速率控制的適用性》一文不但提供了有益的探討,更重要的是提供了研究的方法論。研究表明,接口模式的研發(fā)比儲能材料和器件本身的研發(fā)同等重要!
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