关健字：光伏电池；储能；超级电；蓄电池；燃料电池；飞轮
能源短缺以及燃烧化石燃料所带来的大气污染、温室效应等环境问题日益严重,使得新能源特别是太阳能、风能等可再生能源的开发利用日益受到世界各国的青睐。其中,太阳能资源的利用由于储量丰富、分布范围广泛及具有清洁性和经济性,受到广泛重视。
太阳能光伏发电由于其输人能量极不稳定、间隙性大,除了昼夜有周期变化外,太阳能光伏发电还受到云层的影响, 独立光伏发电系统一般需要配置储能装置才可以更好的工作。因此,电力储能环节在独立光伏系统中具有很重要的地位。
1光伏电池的等效电路
单体光伏电池片（cell）是光伏电池的最基本单元。在使用光伏电池供电时,单体电池片的容量较小,一般不能满足负载的用电需求。因此,将几片、几十片或几百片单体电池经过串、并联连接起来构成组合体,形成光伏电池板。工程上应用的光伏电池板是光伏电池使用的基本单元, 其输出电压一般为十几至几十伏左右。此外,还可以根据负载容量需求,将若干个光伏电池板经过串、并联组成功率较大的实际供电装置,称为光伏电池。图1为较常见的一种光伏电池的等效电路。
其中,IPH为太阳能电池的电流,G为太阳光照辐射, ID为二极管电流,ISH为并联电阻的电流,VD为二极管的电压。
2蓄电池储能
蓄电池是一种化学电源, 它将直流电能转变为化学能储存起来, 需要时再把化学能转变为电能释放出来。在光伏发电系统中,蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节的作用。由于光伏系统的功率输出经常在变化, 在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时, 蓄电池也能够提供相对稳定的电能。在太阳能光伏系统中应用蓄电池的主要作用如下。
(1)储存能量。在大部分独立太阳能光伏系统中, 因为光伏阵列产能和负载用电要求的不一致,在晚上或多云等情况下,光伏阵列不能提供足够的能量,而用电负载又必须工作时,蓄电池是必要的。
(2)蓄电池对太阳能电池的工作电压具有钳位作用。当把太阳能电池组件直接连接到负载时,由于太阳能电池的工作特性受太阳辐照强度、温度等影响很大, 使负载常常不能一直工作在最佳工作点附近,系统效率很低,而蓄电池对太阳能电池的工作电压具有钳位作用, 能够保证系统工作在最佳工作点附近。
(3)提供较大的瞬间电流。电动机类设备在启动时通常需要大的启动电流,例如电冰箱、压缩机、电动车等电动机负载,启动电流常常是额定工作电流的一倍。由于光伏组件受到最大短路电流和太阳辐照强度的限制, 光伏阵列可能满足不了它们启动电流的要求, 而蓄电池能够在短时间内提供大电流给负载启动。
常见的蓄电池储能光伏系统示意图如图2所示。
整个系统包括光伏阵列、蓄电池组和双向勿直流转换器。在光伏电池系统内,使用太阳能电池组在每天太阳能充足时收集太阳能, 使用蓄电池组来存储多余能量, 不仅可以补偿每天用电高峰时的需求, 同时可在日照情况不理想的状况下提供用户所需电能。
3超级电容储能
传统独立光伏发电系统的能量存储普遍采用蓄电池弥补太阳能光伏发电系统输人能量的不稳定性,但蓄电池也存在一些难以克服的缺点,如循环寿命短、严格的充放电电流等,限制了独立光伏·系统的大规模发展。蓄电池成本占系统造价的20%一30%, 光伏系统工作环境和工作过程的特殊性导致蓄电池过早失效或容量损失, 进一步加大了光伏系统的成本, 这是困扰独立太阳能发电系统发展的一大难题。因此,近年来超级电容储能得到较快发展。
(1)超级电容器是近年来出现的一种新型能源器件,与常规电容器不同,其容量可达法拉级甚至数千法拉。它兼有常规电容器功率密度大、充电电池比能量高的优点,可快速充放电而且寿命长,正在发展成为一种新型、高效、实用的能量储存装置。
(2)超级电容器与蓄电池相比, 具有明显的特点和优点, 超级电容器兼具蓄电池能量密度大的优点充放电速度快,充放电效率高,循环寿命长,高低温性能好。此外,超级电容器的材料几乎没有毒性,环境友好,而且在使用中无需维护。可以预见,在不远的将来,超级电容器作为电力储能装置, 在可再生能源发电系统和电能质量改善系统中,必定能发挥重要的作用。
(3)一般基于超级电容器储能的独立光伏系统结构如图3所示,由光伏阵列、充电控制器、超级电容器组、放电控制器和系统控制器等部分组成。
根据系统的实际状态, 利用充电控制器以一定方式向超级电容器组及放电控制器供电, 其工作方式由系统控制器通过控制PWM(脉宽调制)脉冲实现。超级电容器组作为能量储存装置,将光伏系统不稳定的能量储存起来, 向负载提供稳定的功率为使串联电容在充放电过程中具有很好的电压一致性,提高电容利用率,系统可以添加单体电容并联监视电路。放电控制器对超级电容器组不断变化的端电压进行稳压,输出直流,也可以逆变给交流负载供电。系统控制器是系统的控制中心,主要实现系统能量管理与控制、参数检测与显示以及故障报警等功能。
4超级电容器和蓄电池混合储能
从目前的产品情况来看, 超级电容器也存在着较明显的不足之处,尤其是应用于长期的、大容量的电力储能场合。主要体现在能量密度较低,约为铅酸蓄电池的端电压波动范围大串联均压问题。
（1）如果将超级电容器与蓄电池混合使用,使蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长的特点相结合, 将会给储能系统的性能带来很大提高。超级电容器与蓄电池并联使用,能够增大储能系统的功率,降低蓄电池内部损耗,延长放电时间,增加使用寿命,还可以缩小储能装置的体积以改善经济性能。
（2）超级电容器与蓄电池通常采用并联储能的方式,一般有种并联方式,分别为直接并联、通过电感器并联以及通过功率变换器并联。在有源式储能结构中, 系统配置和控制过程设计上有较大的灵活性,对储能系统的性能提升也有效,但电路结构复杂,成本较高,能耗较大,对一般中小型独立光伏系统不适用。超级电容器的端电压在充放电过程中会不断上升或下降, 因而一般不直接与光伏阵列和负载连接, 而需要在中间配置电感器。
（3）常见的超级电容器和蓄电池储能系统原理框图如图4所示。
(4)超级电容器和蓄电池储能系统由光伏阵列、系统控制器、蓄电池、超级电容器组组成。将模型设计为有源式混合储能结构, 超级电容器与蓄电池通过降压型功率变换器(BUCK)并联。系统控制器对光伏阵列的输出能量进行控制, 根据系统的实际状态,以一定的方式输出电能(包括MPPT模式、限流模式或恒压模式)。当光伏发电有能量剩余时, 超级电容器首先接受来自光伏电池输出的电能,当端电压上升到蓄电池电压时,蓄电池开始接受充电电流。该结构能有效地抑制光伏输出电流波动对蓄电池的冲击, 并能大大降低蓄电池在脉动负载时的输出电流峰值, 提高储能装置的功率输出能力,且简单可靠、造价低。
(5)系统采用超级电容器组和蓄电池组复合交替控制, 本着超级电容器优先充电优先放电和蓄电池后充后放的原则, 这样的控制策略可以减少蓄电池的充放电循环次数, 优化蓄电池的工作环境,以延长蓄电池的使用寿命。
5储氮一燃料电池储能系统
(1)近年来,氢能领域中制氢技术的进展和质子交换膜燃料电池技术的突破,为独立运行的光伏发电系统改变依赖蓄电池的储能方式、寻求新的系统运行模式提供了可能性。太阳能光伏发电系统以制氢储能替代蓄电池储能, 主要有以下优越性第一,无论是高压贮氢还是金属贮氢,其能量密度均远高于蓄电池第二,氢的储存基本没有时间限制,而铅酸蓄电池如长时间蓄电,必须考虑硫酸化和自放电问题第三,高压贮氢钢瓶及金属贮氢器的维护工作量极少,维护周期以若干年计,而铅酸蓄电池的维护工作量大,使用寿命不长。
(2)太阳能光伏制氢储能一一燃料电池发电系统的优点如下储能密度高、使用寿命长、运行成本低、没有污染,可最大限度地发挥光伏系统的发电能力。常见太阳能光伏制氢储能一燃料电池发电系统框图如图5所示。
（3）太阳能光伏制氢储能一燃料电池发电系统由光伏方阵、系统控制器、制氢单元、储氮单元、燃料电池组成。其中,制氢单元可以是各种类型的电化学制氢方法, 例如目前工业上已经大规模使用的水电解槽或技术上已经成熟的离子膜法制氢等。储氢单元可使用通常的高压贮氢钢瓶,也可以采用更先进的金属贮氢器。上述提出的太阳能光伏制氢储能一燃料电池发电系统有两种运行方式当日照充足时,光伏电池方阵将以满功率发电,由于白天用电负荷轻,甚至无负荷,此时光伏电池发出的电能将全部或部分通过功率分配器流向制氢单元,制出的氢气储存于储氢单元,待夜晚或无日照时, 燃料电池利用存储的氢气发电, 供负荷使用当日照不足时,光伏电池发出的电能不能满足负载需要,此时,起动燃料电池发电装置与光伏电池方阵同时向负载供电。此外,在紧急情况下,当光伏电池方阵发生故障不能发电时, 用户还可通过购买氢气供燃料电池发电, 以保证用电负载的急需。
6飞轮储能系统
6.1系统特点
（1）飞轮储能技术是一种新型高效的能量转换与存储方法,它将电机的转子与飞轮结合,电机驱动飞轮至高速旋转,电能转变为机械能储存。当需要电能时,飞轮减速并驱动电机,电机作发电机运行,将飞轮动能转换成电能。
（2）飞轮储能系统是一种高度机电一体化产品,它在国防工业、汽车工业、电力工业、电信业等领域具有广阔的应用前景。作为电池家族的成员,这种新型的电池与化学电池相比具有以下几方面突出的优点储能密度高无过充电、过放电问题容易测量放电深度, 充电时间较短对温度不敏感对环境友好。
飞轮储能系统主要由转子、电动发电机、电力转换器和真空室部分组成, 转子系统包括飞轮本体与轴承两部分。
6.2系统工作原理
常见的飞轮储能系统框图如图6所示。
该系统的工作原理是太阳能发电的电能经过整流器变成一定电压的直流电源, 在经过逆变器,通过其调频调压后变成工频交流电源,给负载提供电能或并人电网。由于太阳能只有在有太阳的时候才能工作, 而且一天中每个时间段的太阳能强度不一样, 飞轮储能系统就起到调节电能在时间上不均匀的作用。当白天太阳光照强烈时,太阳能发电的电能功率大于负载或电网的平均功率,就把多余的电能通过飞轮储能系统储存起来。当太阳光照变弱时, 太阳能发电的功率小于负载或电网的平均功率, 则通过飞轮储能系统释放电能来补偿。当晚上没有太阳光时,其电能供应全部由飞轮储能系统来提供。太阳能发电系统通常有下列4种工作模式。
（1）负载不需要能量供应, 由太阳能发电系统发出的电力送到飞轮储能系统储存起来。
（2）太阳能发电系统发出的电力大于负载需要的电力, 多余的部分被送到飞轮储能系统储存起来。
（3）太阳能发电系统发出的电力小于负载需要的电力,由飞轮储能系统补充不足的电力供应。
（4）太阳能发电系统不发电, 负载的电力供应全部由飞轮储能系统来完成。
7结语
本文对光伏电池的储能装置进行了一定的技术探讨,分析了蓄电池、超级电容、燃料电池、飞轮储能的优缺点及其原理和工作方式。通过上述分析,可以得出以下结论。
（1）蓄电池的优点是能量密度大, 缺点是循环寿命短、有严格的充放电电流要求。
（2）超级电容储能的优点是充放电速度快,充放电效率高,循环寿命长,高低温性能好缺点是能量密度较低,约为铅酸蓄电池的,端电压波动范围大,有串联均压问题。
（3）燃料电池储能优点是储能密度高、使用寿命长、运行成本低、没有污染缺点是对环境要求较高、实现有一定的危险性。
（4）飞轮储能优点是储能密度高、无过充放电问题、容易测量放电深度、充电时间较短、对温度不敏感、对环境友好缺点是造价较高、实现较难、作用时间短。
