兔子斗膽預測，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），主要是為了調峰，即實現(xiàn)發(fā)電側和用電側的匹配。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，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，而且直流轉交流存在波形不理想、頻率不協(xié)調的問題，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。然而儲能技術五花八門，到底什么樣的儲能才是光伏發(fā)電所需要的？學界和業(yè)界此前并無系統(tǒng)的歸納總結，讓人摸不到頭腦。
幸而新南威爾士大學博士研究生江嶼的“Suitabilityofrepresentativeelectrochemicalenergystoragetechnologiesforramp-ratecontrolofphotovoltaicpower”《主流電化學儲能技術針對光伏發(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。
化學儲能材料和器件的三大重要指標，一是能量密度，關系到充放電的持續(xù)性；二是功率密度，關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。
文章的計算涉及到傅里葉變換等燒腦數(shù)學工具，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。
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！
隨著系統(tǒng)的增大，儲能系統(tǒng)更多的從能量密度限制，轉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。
文章還提出了一個非常具有新穎性和吸引力的技術方案——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）。作為一個初步的設想，作者把儲能單元體積控制在100立方厘米之內，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）。
作者江嶼等設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。
結語：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)。《主流電化學儲能技術針對光伏發(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！
