一文以蔽：光伏發(fā)電到底需要怎樣的儲(chǔ)能系統(tǒng)？

:前言：沒有儲(chǔ)能的光伏是沒有未來的。去年和一位業(yè)界朱姓大牛交流，他提出觀點(diǎn)“儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的命脈”，可謂醍醐灌頂。當(dāng)整個(gè)電網(wǎng)只有1%的再生能源占比的時(shí)候，沒人在乎；可按照現(xiàn)在穩(wěn)穩(wěn)超過20%每年的行業(yè)發(fā)展速度投射未來，光伏達(dá)到10%、20%的電網(wǎng)滲透率并不遙遠(yuǎn)。到時(shí)候還這么靠天吃飯陰晴圓缺，前一分鐘發(fā)電10度后一分鐘只發(fā)電5度的狀況，電網(wǎng)、工商用戶、居民，誰受得了？

兔子斗膽預(yù)測(cè)，如果沒有高效低成本的儲(chǔ)能配套，光伏發(fā)電的占比不會(huì)超過10%。

儲(chǔ)能的作用在大時(shí)間尺度范圍（數(shù)小時(shí)），主要是為了調(diào)峰，即實(shí)現(xiàn)發(fā)電側(cè)和用電側(cè)的匹配。那基本上是什么便宜上什么，鉛酸、梯級(jí)使用的鋰電池、液流電池、蓄水儲(chǔ)能等都是可選擇的方案，不為本文所重點(diǎn)討論。而在較小的時(shí)間尺度范圍之內(nèi)，儲(chǔ)能也具有極其重要的意義。光伏和風(fēng)能被不客氣的稱為“垃圾電”，就是因?yàn)轱L(fēng)光發(fā)電功率電壓輸出靠天吃飯不穩(wěn)定，而且直流轉(zhuǎn)交流存在波形不理想、頻率不協(xié)調(diào)的問題，給電網(wǎng)造成極大的壓力；而儲(chǔ)能可以極大程度上解決這些要命的問題。然而儲(chǔ)能技術(shù)五花八門，到底什么樣的儲(chǔ)能才是光伏發(fā)電所需要的？學(xué)界和業(yè)界此前并無系統(tǒng)的歸納總結(jié)，讓人摸不到頭腦。

幸而新南威爾士大學(xué)博士研究生江嶼的“Suitabilityofrepresentativeelectrochemicalenergystoragetechnologiesforramp-ratecontrolofphotovoltaicpower”《主流電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)針對(duì)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(xiàn)給大家。

為了減輕壓力，電網(wǎng)對(duì)光伏電站出力穩(wěn)定性提出要求，已經(jīng)成為大趨勢(shì)。比如德國(guó)提出了最高10%每分鐘爬坡速率的要求，也即是說每一時(shí)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(guó)家新進(jìn)推出的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，都要求光伏電站具有必要時(shí)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(shù)都可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)平滑，但處理的能力非常有限，而且解決問題的方法簡(jiǎn)單粗暴，要不就是讓組件發(fā)電偏離最佳功率點(diǎn)，要不就是砍掉多余的出力，為了達(dá)到電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求不得已割肉。這個(gè)時(shí)候，儲(chǔ)能系統(tǒng)就是發(fā)揮作用的關(guān)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(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)力。

化學(xué)儲(chǔ)能材料和器件的三大重要指標(biāo)，一是能量密度，關(guān)系到充放電的持續(xù)性；二是功率密度，關(guān)系到瞬間釋放能量的能力；三是充放電次數(shù)，決定了儲(chǔ)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(xué)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(biāo)。不幸的是，光伏這樣極度苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量、功率、壽命的要求都非常高！儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能能力、充放電功率，直接影響了對(duì)爬坡速率的控制力。

文章的計(jì)算涉及到傅里葉變換等燒腦數(shù)學(xué)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(shí)現(xiàn)對(duì)瞬息萬變的光伏出力（圖b藍(lán)色區(qū)域）的有效平滑（圖b紅線為平滑后）。圖c顯示了儲(chǔ)能系統(tǒng)在爬坡上升超過10%每分鐘速率的時(shí)間段通過充電實(shí)現(xiàn)爬坡速率的控制（圖c靛藍(lán)色區(qū)域），而在光伏出力下降超過10%的時(shí)間段，通過放電實(shí)現(xiàn)控制（土黃色區(qū)域），快速響應(yīng)的能力是對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率W的考驗(yàn)。而圖d是儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電狀態(tài)SoC，SoC的幅值考驗(yàn)的是儲(chǔ)能系統(tǒng)總儲(chǔ)能能力Wh。

不同的光伏系統(tǒng)對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求大不相同。文章考察了單個(gè)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(gè)場(chǎng)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(gè)叫做截?cái)囝l率（cut-offfrequency）的東東，通過經(jīng)驗(yàn)公式考慮到了這個(gè)自動(dòng)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(qiáng)，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(chǔ)能系統(tǒng)更多的從能量密度限制，轉(zhuǎn)變成了功率密度限制。也就是說，高功率密度的儲(chǔ)能系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)。在這方面，鋰離子電池具有重大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。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(yuǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，高能量密度的鋰離子電池（低于600瓦時(shí)每升）最符合光伏出力緩沖的要求，基本可以100%達(dá)到10%爬坡速率控制的要求。

文章還提出了一個(gè)非常具有新穎性和吸引力的技術(shù)方案——在微型逆變器和組件優(yōu)化器上集成儲(chǔ)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(chǔ)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(diǎn)）。作為一個(gè)初步的設(shè)想，作者把儲(chǔ)能單元體積控制在100立方厘米之內(nèi)，也即是收入接線盒中。這需要最少400瓦時(shí)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(dá)到的指標(biāo)。如果用現(xiàn)今量產(chǎn)的鋰離子電池性能指標(biāo)加以衡量，10%的爬坡速率控制可以達(dá)到99.5%的達(dá)標(biāo)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(shè)計(jì)的組串層級(jí)和組件層級(jí)的儲(chǔ)能解決方案，用于解決發(fā)電不穩(wěn)定的問題。

結(jié)語：沒有儲(chǔ)能的光伏是沒有未來的。一方面，儲(chǔ)能材料和器件本身需要不停的降本提效；另外一方面，儲(chǔ)能和光伏系統(tǒng)的接口模式也需要著力研發(fā)?！吨髁麟娀瘜W(xué)儲(chǔ)能技術(shù)針對(duì)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(chǔ)能材料和器件本身的研發(fā)同等重要！