储能技术在光伏发电系统中的应用

储能技术在光伏发电系统中的应用

杜江剑

中国三峡新能源(集团)股份有限公司云南分公司

云南省昆明市 650051

摘要：随着技术的发展，新能源种类变得越来越丰富，如何高效存储新能源产生的电能，是提高新能源使用效率的有效策略。要充分了解各类新能源技术中影响储能效率因素，科学研究提高储能效率的方法，最终提高绿色能源的占比。

关键词：碳达峰；碳中和；新型电力系统；储能

引言

20世纪70年代的能源危机，使世界各国意识到新能源开发的重要性。全球能源转型背景下，推动能源向高效、清洁、多元化发展是大势所趋。2020年9月22日，中国国家主席习近平在国际气候峰会上郑重宣布，中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。“碳达峰”和“碳中和”的宏伟目标是中国的重大战略决策，充分体现了中国的大国责任、大国担当。“双碳”目标的达成对促进生态文明建设、保障能源自给与高效安全、推动经济转型、引领气候变化、实现“第二个百年”奋斗目标具有重大意义。

1储能技术在新能源发电领域中的意义

储能技术是一种通过人为方式来解决能源供求的差异，有效地利用能源，并通过人为的方式将其释放和存储的方法。由于科技和电力电子技术的不断发展，越来越多的储能设备出现在我们的日常生活中。随着储能设备的成本不断下降，人们对它的认识也随之发生了改变。在我国的电力系统中，储能系统的应用越来越广泛，尤其是在新能源产业中占有举足轻重的地位。储能技术可以有效地解决新能源在电网中存在的随机性、波动性问题，从而有效地降低了分布式电源对电网的冲击。在电力系统中，它的应用范围主要有：（1）它既可以作为能量的缓冲器，又可以作为后备电源，可以在一定程度上解决输变电的不一致性问题，提高电网的安全、稳定。（2）能够提高电力系统的稳定性，由于储能设备在电力系统中的应用，使得电力系统的可调度能力得到了提高。（3）它可以有效地抑制可再生能源的并网功率波动，降低电网的影响。（4）能够提高电网的经济性，降低了不必要的能源消耗。

2“双碳”目标下的光伏发展新机遇

中国是能源消费大国，根据中国能源统计年鉴等机构的公开数据测算，2019年可供全国消费的能源供应总量达46.4×108tce。2015—2019年，煤炭占能源供应的比重从68%降至63.5%，石油占比从19.6%提高至20.7%，天然气占比从6.3%提高至8.2%，一次电力占比从4.6%提高至5.9%（一次电力指水电、核电、风光发电等）。从能源消耗结构看，目前中国的一次能源消耗仍在增长，能源清洁化发展显著加快，煤炭消耗呈下降趋势，石油消费较稳定，预计未来能源向清洁化、绿色化方向发展的趋势将加快。在“双碳”战略的推进中，绿色电力将成为未来几乎所有制造产业的核心能源，以新能源为主的一次能源占比将不断提高，预计到2050年将超过60%，具体情况如图1所示。太阳电池成为太阳能开发利用的重要技术路线。太阳电池利用光生伏特效应，直接实现太阳能的光电转换。过去10年，中国光伏产业蓬勃发展，在产业规模、生产制造、技术水平、企业实力等方面全面领跑世界。展望未来，全球能源转型已是大势所趋，光伏发电将迎来新的发展阶段：“双碳”目标下，大规模、高比例、高质量跃升发展阶段；摆脱补贴政策依赖，实现真正意义平价上网的阶段；构建以新能源为主体的新型电力系统阶段，从而实现多能互补、源网荷储、整县推进的多元化发展。

图1未来中国能源发展趋势

3储能技术在光伏发电系统中的应用

3.1天然储能形式

以物理形态划分，大自然中天然存在的储能形式有太阳能、风能、水势能、波浪能、洋流能、潮汐能、温差能、地热能、核能、生物质能、煤、石油、天然气（含页岩气）共十三种。根据储能性质可以将其归纳为化学储能、物理储能、生物储能三种储能方式。地球的所有天然能源都来源于太阳能，即我们能利用的天然能源都是在太阳的作用下大自然活动形成的。自然界中天然存在的储能能源被统称为一次能源，非自然存在而是由人类加工将一次能源转换而成的能源，根据其转换次数，被称为二次能源、三次能源、四次能源、……、N次能源。

3.2飞轮储能（FESS）

飞轮储能（FlywheelEnergyStorageSystem，FESS）是一种新型的机械能储能方式，它突破了化学电池的局限，其原理是能量输入到电力系统设备中，利用电动机带动飞轮旋转，将电能转化成动能并储存在高速旋转的飞轮中，需要时再将高速运转的飞轮动能转化成电能，输送给电力用户使用。这种储能方式可以实现电能和动能之间的自由转换，但由于它存在能量密度不高、能量会自行耗尽的不足，很多企业通过增加飞轮的转动惯量和转速、改进材料构成等途径来提高飞轮存储能量的密度，使之能够充分发挥其适应性强、循环寿命长、无污染等优势，在电网调频和电能质量保障方面得到更为广泛的应用。

3.3超导储能

超导储能系统是由用超导材料制成的、放在一个低温容器中的线圈、功率调节系统和低温制冷系统等组成。能量以超导线圈中循环流动的直流电流方式储存在磁场之中。由于该储能方式直接将电能储存在磁场当中，没有能量形式的转换，因此功率密度很高，能量的充放电速度非常快，响应速度与转换效率也较高。但是由于其材料价格昂贵，维护较为复杂，且需要维持低温环境等原因，当前阶段在电力系统中应用较少。

3.4人工储能形式

众所周知，能源的每一次形式转换都有损耗，损耗的多少和转换效率有关。目前人类使用的能源绝大部分都是二次能源（如电力能、热能）。因此，只要不是二次能源，我们都视其为耗能负荷。其中一部分耗能负荷在耗能的同时具有“储能、调节”功能，即可以改变能源利用的时空关系，使能源利用更加符合人类社会活动的应用目的和应用场景。这种功能是储能资源存在并发挥重大价值的根本原因。能源结构正在发生深刻的变化，储能问题愈发重要，在新型电力系统实现“实时平衡、安全稳定”方面扮演着举足轻重的角色。

3.5超级电容储能

超级电容器是根据电化学双层理论研制而成的，因此又称为双电层电容器。该方式的优点是寿命长、循环次数大、充放电速率快、响应时间短、能量转化率高、维护较少、无旋转部件、运行温度范围广、环境友好等。缺点是能量密度低、投资建设花费大、有一定的自放电率，且超级电容器的电介质耐压很低，储能水平受到了耐压的限制，因而储存的能量不大。在相关电力系统中，通常用于改善电能质量，为电压跌落或者瞬态干扰的情况提供电能。

结束语

在推进新型储能技术发展的同时，也需要看到一些新模式、新业态的变化。例如随着电动汽车的普及，越来越多的有序充电、V2G、换电站等车网互动项目落地；绿氢产业的持续升温也提升了各界对氢储能的关注度。在“双碳”目标倒逼下，各类跨界元素也将深度参与电力系统运行，与储能技术共同构建新型电力系统。

参考文献

[1]郑文迪,张敏,邵振国.光伏并网点电压调节案例教学研究[J].实验技术与管理,2020,37(12):218-224.

[2]贾伟青,陈俊清,赵耀,梁晓莉,任永峰.储能电池实现风光储微电网灵活安全运行的仿真研究[J].太阳能,2020(12):33-38.

[3]周玉立,袁宏永.中国煤炭发电与光伏发电技术的经济性评估[J].技术经济与管理研究,2020(12):97-102.