關(guān)健字：光伏電池；儲(chǔ)能；超級(jí)電；蓄電池；燃料電池；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(yīng)等環(huán)境問題日益嚴(yán)重,使得新能源特別是太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源的開發(fā)利用日益受到世界各國(guó)的青睞。其中,太陽(yáng)能資源的利用由于儲(chǔ)量豐富、分布范圍廣泛及具有清潔性和經(jīng)濟(jì)性,受到廣泛重視。
太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電還受到云層的影響, 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)一般需要配置儲(chǔ)能裝置才可以更好的工作。因此,電力儲(chǔ)能環(huán)節(jié)在獨(dú)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(shí),單體電池片的容量較小,一般不能滿足負(fù)載的用電需求。因此,將幾片、幾十片或幾百片單體電池經(jīng)過串、并聯(lián)連接起來構(gòu)成組合體,形成光伏電池板。工程上應(yīng)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(fù)載容量需求,將若干個(gè)光伏電池板經(jīng)過串、并聯(lián)組成功率較大的實(shí)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。
其中,IPH為太陽(yáng)能電池的電流,G為太陽(yáng)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(chǔ)能
蓄電池是一種化學(xué)電源, 它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來, 需要時(shí)再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜怼Ｔ诠夥l(fā)電系統(tǒng)中,蓄電池對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的電能起著儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)的作用。由于光伏系統(tǒng)的功率輸出經(jīng)常在變化, 在日照不足發(fā)電很少或需要維修光伏系統(tǒng)時(shí), 蓄電池也能夠提供相對(duì)穩(wěn)定的電能。在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中應(yīng)用蓄電池的主要作用如下。
(1)儲(chǔ)存能量。在大部分獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中, 因?yàn)楣夥嚵挟a(chǎn)能和負(fù)載用電要求的不一致,在晚上或多云等情況下,光伏陣列不能提供足夠的能量,而用電負(fù)載又必須工作時(shí),蓄電池是必要的。
(2)蓄電池對(duì)太陽(yáng)能電池的工作電壓具有鉗位作用。當(dāng)把太陽(yáng)能電池組件直接連接到負(fù)載時(shí),由于太陽(yáng)能電池的工作特性受太陽(yáng)輻照強(qiáng)度、溫度等影響很大, 使負(fù)載常常不能一直工作在最佳工作點(diǎn)附近,系統(tǒng)效率很低,而蓄電池對(duì)太陽(yáng)能電池的工作電壓具有鉗位作用, 能夠保證系統(tǒng)工作在最佳工作點(diǎn)附近。
(3)提供較大的瞬間電流。電動(dòng)機(jī)類設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)通常需要大的啟動(dòng)電流,例如電冰箱、壓縮機(jī)、電動(dòng)車等電動(dòng)機(jī)負(fù)載,啟動(dòng)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(yáng)輻照強(qiáng)度的限制, 光伏陣列可能滿足不了它們啟動(dòng)電流的要求, 而蓄電池能夠在短時(shí)間內(nèi)提供大電流給負(fù)載啟動(dòng)。
常見的蓄電池儲(chǔ)能光伏系統(tǒng)示意圖如圖2所示。
整個(gè)系統(tǒng)包括光伏陣列、蓄電池組和雙向勿直流轉(zhuǎn)換器。在光伏電池系統(tǒng)內(nèi),使用太陽(yáng)能電池組在每天太陽(yáng)能充足時(shí)收集太陽(yáng)能, 使用蓄電池組來存儲(chǔ)多余能量, 不僅可以補(bǔ)償每天用電高峰時(shí)的需求, 同時(shí)可在日照情況不理想的狀況下提供用戶所需電能。
3超級(jí)電容儲(chǔ)能
傳統(tǒng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)普遍采用蓄電池彌補(bǔ)太陽(yáng)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(diǎn),如循環(huán)壽命短、嚴(yán)格的充放電電流等,限制了獨(dú)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(jià)的20%一30%, 光伏系統(tǒng)工作環(huán)境和工作過程的特殊性導(dǎo)致蓄電池過早失效或容量損失, 進(jìn)一步加大了光伏系統(tǒng)的成本, 這是困擾獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的一大難題。因此,近年來超級(jí)電容儲(chǔ)能得到較快發(fā)展。
(1)超級(jí)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(dá)法拉級(jí)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(diǎn),可快速充放電而且壽命長(zhǎng),正在發(fā)展成為一種新型、高效、實(shí)用的能量?jī)?chǔ)存裝置。
(2)超級(jí)電容器與蓄電池相比, 具有明顯的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn), 超級(jí)電容器兼具蓄電池能量密度大的優(yōu)點(diǎn)充放電速度快,充放電效率高,循環(huán)壽命長(zhǎng),高低溫性能好。此外,超級(jí)電容器的材料幾乎沒有毒性,環(huán)境友好,而且在使用中無(wú)需維護(hù)。可以預(yù)見,在不遠(yuǎn)的將來,超級(jí)電容器作為電力儲(chǔ)能裝置, 在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和電能質(zhì)量改善系統(tǒng)中,必定能發(fā)揮重要的作用。
(3)一般基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,由光伏陣列、充電控制器、超級(jí)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(shí)際狀態(tài), 利用充電控制器以一定方式向超級(jí)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(diào)制)脈沖實(shí)現(xiàn)。超級(jí)電容器組作為能量?jī)?chǔ)存裝置,將光伏系統(tǒng)不穩(wěn)定的能量?jī)?chǔ)存起來, 向負(fù)載提供穩(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(duì)超級(jí)電容器組不斷變化的端電壓進(jìn)行穩(wěn)壓,輸出直流,也可以逆變給交流負(fù)載供電。系統(tǒng)控制器是系統(tǒng)的控制中心,主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量管理與控制、參數(shù)檢測(cè)與顯示以及故障報(bào)警等功能。
4超級(jí)電容器和蓄電池混合儲(chǔ)能
從目前的產(chǎn)品情況來看, 超級(jí)電容器也存在著較明顯的不足之處,尤其是應(yīng)用于長(zhǎng)期的、大容量的電力儲(chǔ)能場(chǎng)合。主要體現(xiàn)在能量密度較低,約為鉛酸蓄電池的端電壓波動(dòng)范圍大串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}。
?。?）如果將超級(jí)電容器與蓄電池混合使用,使蓄電池能量密度大和超級(jí)電容器功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)相結(jié)合, 將會(huì)給儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能帶來很大提高。超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)使用,能夠增大儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率,降低蓄電池內(nèi)部損耗,延長(zhǎng)放電時(shí)間,增加使用壽命,還可以縮小儲(chǔ)能裝置的體積以改善經(jīng)濟(jì)性能。
?。?）超級(jí)電容器與蓄電池通常采用并聯(lián)儲(chǔ)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(chǔ)能結(jié)構(gòu)中, 系統(tǒng)配置和控制過程設(shè)計(jì)上有較大的靈活性,對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能提升也有效,但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高,能耗較大,對(duì)一般中小型獨(dú)立光伏系統(tǒng)不適用。超級(jí)電容器的端電壓在充放電過程中會(huì)不斷上升或下降, 因而一般不直接與光伏陣列和負(fù)載連接, 而需要在中間配置電感器。
?。?）常見的超級(jí)電容器和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。
(4)超級(jí)電容器和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由光伏陣列、系統(tǒng)控制器、蓄電池、超級(jí)電容器組組成。將模型設(shè)計(jì)為有源式混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu), 超級(jí)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(duì)光伏陣列的輸出能量進(jìn)行控制, 根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)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(dāng)光伏發(fā)電有能量剩余時(shí), 超級(jí)電容器首先接受來自光伏電池輸出的電能,當(dāng)端電壓上升到蓄電池電壓時(shí),蓄電池開始接受充電電流。該結(jié)構(gòu)能有效地抑制光伏輸出電流波動(dòng)對(duì)蓄電池的沖擊, 并能大大降低蓄電池在脈動(dòng)負(fù)載時(shí)的輸出電流峰值, 提高儲(chǔ)能裝置的功率輸出能力,且簡(jiǎn)單可靠、造價(jià)低。
(5)系統(tǒng)采用超級(jí)電容器組和蓄電池組復(fù)合交替控制, 本著超級(jí)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(zhǎng)蓄電池的使用壽命。
5儲(chǔ)氮一燃料電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
(1)近年來,氫能領(lǐng)域中制氫技術(shù)的進(jìn)展和質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的突破,為獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)改變依賴蓄電池的儲(chǔ)能方式、尋求新的系統(tǒng)運(yùn)行模式提供了可能性。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)以制氫儲(chǔ)能替代蓄電池儲(chǔ)能, 主要有以下優(yōu)越性第一,無(wú)論是高壓貯氫還是金屬貯氫,其能量密度均遠(yuǎn)高于蓄電池第二,氫的儲(chǔ)存基本沒有時(shí)間限制,而鉛酸蓄電池如長(zhǎng)時(shí)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(hù)工作量極少,維護(hù)周期以若干年計(jì),而鉛酸蓄電池的維護(hù)工作量大,使用壽命不長(zhǎng)。
(2)太陽(yáng)能光伏制氫儲(chǔ)能一一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下儲(chǔ)能密度高、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)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(yáng)能光伏制氫儲(chǔ)能一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖5所示。
（3）太陽(yáng)能光伏制氫儲(chǔ)能一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由光伏方陣、系統(tǒng)控制器、制氫單元、儲(chǔ)氮單元、燃料電池組成。其中,制氫單元可以是各種類型的電化學(xué)制氫方法, 例如目前工業(yè)上已經(jīng)大規(guī)模使用的水電解槽或技術(shù)上已經(jīng)成熟的離子膜法制氫等。儲(chǔ)氫單元可使用通常的高壓貯氫鋼瓶,也可以采用更先進(jìn)的金屬貯氫器。上述提出的太陽(yáng)能光伏制氫儲(chǔ)能一燃料電池發(fā)電系統(tǒng)有兩種運(yùn)行方式當(dāng)日照充足時(shí),光伏電池方陣將以滿功率發(fā)電,由于白天用電負(fù)荷輕,甚至無(wú)負(fù)荷,此時(shí)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(chǔ)存于儲(chǔ)氫單元,待夜晚或無(wú)日照時(shí), 燃料電池利用存儲(chǔ)的氫氣發(fā)電, 供負(fù)荷使用當(dāng)日照不足時(shí),光伏電池發(fā)出的電能不能滿足負(fù)載需要,此時(shí),起動(dòng)燃料電池發(fā)電裝置與光伏電池方陣同時(shí)向負(fù)載供電。此外,在緊急情況下,當(dāng)光伏電池方陣發(fā)生故障不能發(fā)電時(shí), 用戶還可通過購(gòu)買氫氣供燃料電池發(fā)電, 以保證用電負(fù)載的急需。
6飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)
6.1系統(tǒng)特點(diǎn)
?。?）飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種新型高效的能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)方法,它將電機(jī)的轉(zhuǎn)子與飛輪結(jié)合,電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪至高速旋轉(zhuǎn),電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲(chǔ)存。當(dāng)需要電能時(shí),飛輪減速并驅(qū)動(dòng)電機(jī),電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行,將飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。
?。?）飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種高度機(jī)電一體化產(chǎn)品,它在國(guó)防工業(yè)、汽車工業(yè)、電力工業(yè)、電信業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。作為電池家族的成員,這種新型的電池與化學(xué)電池相比具有以下幾方面突出的優(yōu)點(diǎn)儲(chǔ)能密度高無(wú)過充電、過放電問題容易測(cè)量放電深度, 充電時(shí)間較短對(duì)溫度不敏感對(duì)環(huán)境友好。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子、電動(dòng)發(fā)電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換器和真空室部分組成, 轉(zhuǎn)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(chǔ)能系統(tǒng)框圖如圖6所示。
該系統(tǒng)的工作原理是太陽(yáng)能發(fā)電的電能經(jīng)過整流器變成一定電壓的直流電源, 在經(jīng)過逆變器,通過其調(diào)頻調(diào)壓后變成工頻交流電源,給負(fù)載提供電能或并人電網(wǎng)。由于太陽(yáng)能只有在有太陽(yáng)的時(shí)候才能工作, 而且一天中每個(gè)時(shí)間段的太陽(yáng)能強(qiáng)度不一樣, 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)就起到調(diào)節(jié)電能在時(shí)間上不均勻的作用。當(dāng)白天太陽(yáng)光照強(qiáng)烈時(shí),太陽(yáng)能發(fā)電的電能功率大于負(fù)載或電網(wǎng)的平均功率,就把多余的電能通過飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存起來。當(dāng)太陽(yáng)光照變?nèi)鯐r(shí), 太陽(yáng)能發(fā)電的功率小于負(fù)載或電網(wǎng)的平均功率, 則通過飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放電能來補(bǔ)償。當(dāng)晚上沒有太陽(yáng)光時(shí),其電能供應(yīng)全部由飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來提供。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)通常有下列4種工作模式。
（1）負(fù)載不需要能量供應(yīng), 由太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力送到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存起來。
?。?）太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力大于負(fù)載需要的電力, 多余的部分被送到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存起來。
（3）太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電力小于負(fù)載需要的電力,由飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)充不足的電力供應(yīng)。
（4）太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)不發(fā)電, 負(fù)載的電力供應(yīng)全部由飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來完成。
7結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)光伏電池的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行了一定的技術(shù)探討,分析了蓄電池、超級(jí)電容、燃料電池、飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)缺點(diǎn)及其原理和工作方式。通過上述分析,可以得出以下結(jié)論。
?。?）蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是能量密度大, 缺點(diǎn)是循環(huán)壽命短、有嚴(yán)格的充放電電流要求。
?。?）超級(jí)電容儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)是充放電速度快,充放電效率高,循環(huán)壽命長(zhǎng),高低溫性能好缺點(diǎn)是能量密度較低,約為鉛酸蓄電池的,端電壓波動(dòng)范圍大,有串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}。
?。?）燃料電池儲(chǔ)能優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)能密度高、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)行成本低、沒有污染缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境要求較高、實(shí)現(xiàn)有一定的危險(xiǎn)性。
?。?）飛輪儲(chǔ)能優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)能密度高、無(wú)過充放電問題、容易測(cè)量放電深度、充電時(shí)間較短、對(duì)溫度不敏感、對(duì)環(huán)境友好缺點(diǎn)是造價(jià)較高、實(shí)現(xiàn)較難、作用時(shí)間短。
