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一文以蔽:光伏发电到底需要怎样的储能系统?

发布日期:2018-04-13 15:09:12 栏目:技术研究
前言:没有储能的光伏是没有未来的。去年和一位业界朱姓大牛交流,他提出观点“储能技术的发展是光伏产业发展的命脉”,可谓醍醐灌顶。当整个电网只有1%的再生能源占比的时候,没人在乎;可按照现在稳稳超过20%每年的行业发展速度投射未来,光伏达到10%、20%的电网渗透率并不遥远。到时候还这么靠天吃饭阴晴圆缺,前一分钟发电10度后一分钟只发电5度的状况,电网、工商用户、居民,谁受得了?

兔子斗胆预测,如果没有高效低成本的储能配套,光伏发电的占比不会超过10%。

储能的作用在大时间尺度范围(数小时),主要是为了调峰,即实现发电侧和用电侧的匹配。那基本上是什么便宜上什么,铅酸、梯级使用的锂电池、液流电池、蓄水储能等都是可选择的方案,不为本文所重点讨论。而在较小的时间尺度范围之内,储能也具有极其重要的意义。光伏和风能被不客气的称为“垃圾电”,就是因为风光发电功率电压输出靠天吃饭不稳定,而且直流转交流存在波形不理想、频率不协调的问题,给电网造成极大的压力;而储能可以极大程度上解决这些要命的问题。然而储能技术五花八门,到底什么样的储能才是光伏发电所需要的?学界和业界此前并无系统的归纳总结,让人摸不到头脑。

幸而新南威尔士大学博士研究生江屿的“Suitabilityofrepresentativeelectrochemicalenergystoragetechnologiesforramp-ratecontrolofphotovoltaicpower”《主流电化学储能技术针对光伏发电爬坡速率控制的适用性》大作横空出世,为大家厘清了思路。兔子不敢耽误,在此奉献给大家。

为了减轻压力,电网对光伏电站出力稳定性提出要求,已经成为大趋势。比如德国提出了最高10%每分钟爬坡速率的要求,也即是说每一时刻和一分钟前比较,光伏电站功率输出的差异不能高于10%。许多国家新进推出的并网标准,都要求光伏电站具有必要时断电和减少输出,以及平滑爬坡速率的要求。在多云的天气,50%的爬坡速率也很常见,所以必须要加以处理(见下图)。组件优化器、微型逆变器等电力电子技术都可以在一定程度上实现平滑,但处理的能力非常有限,而且解决问题的方法简单粗暴,要不就是让组件发电偏离最佳功率点,要不就是砍掉多余的出力,为了达到电网稳定性的要求不得已割肉。这个时候,储能系统就是发挥作用的关键了:一旦发电量暴增就充电(而不是直接把多余发电切掉不要了);一旦发电量爆降就放电,实现对电网的持续稳定发力。



化学储能材料和器件的三大重要指标,一是能量密度,关系到充放电的持续性;二是功率密度,关系到瞬间释放能量的能力;三是充放电次数,决定了储能器件的寿命。下图给出了铅酸电池、锂电池、锂离子电容、碳基电化学双层电容器EDLC、电解液电容的能量密度、功率密度和充放电寿命等指标。不幸的是,光伏这样极度苛刻的应用场景,对储能系统能量、功率、寿命的要求都非常高!储能系统储能能力、充放电功率,直接影响了对爬坡速率的控制力。



文章的计算涉及到傅里叶变换等烧脑数学工具,此处不再赘述。总之是通过下面的爬坡速率控制模型流程图,可以实现对瞬息万变的光伏出力(图b蓝色区域)的有效平滑(图b红线为平滑后)。图c显示了储能系统在爬坡上升超过10%每分钟速率的时间段通过充电实现爬坡速率的控制(图c靛蓝色区域),而在光伏出力下降超过10%的时间段,通过放电实现控制(土黄色区域),快速响应的能力是对储能系统充放电功率W的考验。而图d是储能系统的充电状态SoC,SoC的幅值考验的是储能系统总储能能力Wh。



不同的光伏系统对于储能系统的要求大不相同。文章考察了单个组件、5千瓦屋顶系统、100千瓦小型光伏电站、以及7.2兆瓦大型电站四个场景。一般而言,大型系统占地面积大,具有一定“地理聚集”(geographicalaggregation)的发电出力平滑能力。在江屿的算法中,引入了一个叫做截断频率(cut-offfrequency)的东东,通过经验公式考虑到了这个自动平滑的现象。下图看到,越大的系统,其自带发电出力平滑的能力越强,无论是光功率变化的剧烈程度还是频度都有下降!



随着系统的增大,储能系统更多的从能量密度限制,转变成了功率密度限制。也就是说,高功率密度的储能系统更具有优势。在这方面,锂离子电池具有重大的技术优势。目前相较于铅酸电池,锂离子电池成本高处1倍到3倍不等,但是未来具有更大的降本空间。至于电容系列,虽然功率密度足够甚至超过要求,但能量密度距离一整天的发电出力缓冲,相去甚远。研究发现,高能量密度的锂离子电池(低于600瓦时每升)最符合光伏出力缓冲的要求,基本可以100%达到10%爬坡速率控制的要求。



文章还提出了一个非常具有新颖性和吸引力的技术方案——在微型逆变器和组件优化器上集成储能系统。这样既满足了发电出力平滑的要求,又增加了系统整体的发电能力(储能单元使得光伏组件不需要过度偏离组件发电的最佳功率点)。作为一个初步的设想,作者把储能单元体积控制在100立方厘米之内,也即是收入接线盒中。这需要最少400瓦时每升的能量密度,2300瓦每升的功率密度,这已经超出了现今量产锂离子电池可以达到的指标。如果用现今量产的锂离子电池性能指标加以衡量,10%的爬坡速率控制可以达到99.5%的达标率(即每1000次出现爬坡速率超过10%的情况,995次可以得到解决)。





作者江屿等设计的组串层级和组件层级的储能解决方案,用于解决发电不稳定的问题。



结语:没有储能的光伏是没有未来的。一方面,储能材料和器件本身需要不停的降本提效;另外一方面,储能和光伏系统的接口模式也需要着力研发。《主流电化学储能技术针对光伏发电爬坡速率控制的适用性》一文不但提供了有益的探讨,更重要的是提供了研究的方法论。研究表明,接口模式的研发比储能材料和器件本身的研发同等重要!