光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能技術應用與實踐研究

武 凱，孫桂卿，王其靜

（1.山東海諾德電力科技有限公司，山東 濟南 250000；2.山東思迪普電氣有限公司濟南高新分公司，山東 濟南 250000；3.恒誠信國際工程咨詢有限公司山東分公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

隨著全球能源需求的不斷增長和環(huán)境問題的凸顯，光伏發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源形式受到了人們的廣泛關注。光伏發(fā)電系統(tǒng)的天氣依賴性和不穩(wěn)定性一直是其在實際應用中面臨的主要挑戰(zhàn)之一。特別是在日照強度波動較大或光照條件不理想的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和穩(wěn)定性受到了明顯的影響[1]。目前，電池儲能和超級電容器等儲能技術在能源存儲領域取得了顯著的進展，成為提升光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的關鍵技術。電池儲能技術將過剩電能轉化為化學能進行儲存，超級電容器則以其高功率密度和快速充放電特性成為一種理想的能量儲存設備。因此，文章旨在深入探討光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術的應用與實踐，通過引入先進的儲能技術，為提高系統(tǒng)的電能利用效率和穩(wěn)定性提供可行性方案，從而推動光伏發(fā)電技術的進一步發(fā)展。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型建立

1.1 光照強度與溫度對發(fā)電性能的影響

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光照強度和溫度是直接影響發(fā)電性能的2 個關鍵因素。光照強度的變化直接影響光伏電池的輸出電流和電壓，溫度的升高則會導致光伏電池的性能下降。光照強度分布不均勻和變化規(guī)律使得系統(tǒng)的發(fā)電效率難以維持在一個穩(wěn)定水平，而高溫環(huán)境下光伏電池的功率輸出衰減進一步限制系統(tǒng)的實際發(fā)電能力[2]。通過對這些影響因素的詳細分析，能夠為后續(xù)的儲能技術應用提供有力的幫助。

1.2 模型建立

考慮光照強度和溫度對光伏電池性能的影響，建立的數(shù)學模型為

式中：Ia為實際輸出電流；Iref為參考光照強度下的輸出電流；G為當前光照強度與參考光照強度的比值；β為溫度系數(shù)；T為當前溫度；Tref為參考溫度。

1.3 模型驗證與參數(shù)調(diào)整

光照強度方面的實驗設計中，利用可調(diào)光源設備模擬了不同強度的光照條件。通過在模型中設置相應的參數(shù)進行數(shù)值模擬，并考慮了日照強度的變化規(guī)律，如日出、日中、日落等時段以及不同季節(jié)對光照條件的影響。

對于溫度的實驗設計，使用恒溫設備模擬了不同溫度條件下的環(huán)境。同樣，在模型中設置相應參數(shù)進行數(shù)值模擬，包括模擬高溫天氣和溫度波動較大的情況。

在模型驗證的基礎上，通過深入分析實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)性能與模型參數(shù)之間的關聯(lián)。通過逐步調(diào)整模型中的關鍵參數(shù)，如光伏電池的溫度系數(shù)和光照強度的影響系數(shù)等，使得數(shù)值模擬結果更加貼近實際情況。這一過程確保了數(shù)值模擬模型的高度可靠性，為后續(xù)儲能技術的引入和系統(tǒng)性能的進一步優(yōu)化提供了堅實的理論基礎。

2 儲能技術應用與實踐

2.1 電池儲能技術介紹

電池儲能技術是一種關鍵的儲能手段，能夠將電能轉化為化學能并在需要時再次釋放電能，以平衡能源供需之間的差異。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電池的儲能過程涉及充電和放電2 個階段。充電階段，電池吸收光伏系統(tǒng)過剩的電能，將其儲存在電池內(nèi)；在需要電能時，電池則進行放電，將儲存的能量供給光伏系統(tǒng)[3]。電池儲能技術的關鍵性在于其對電能的高效存儲和可控釋放。其組成如圖1 所示。

2.2 超級電容器技術介紹

超級電容器作為一種高功率密度、快速充放電的能量儲存設備，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用受到關注。其技術原理主要基于電雙層電容和偽電容2 種儲能機制。在電雙層電容中，電荷以靜電場的形式存儲在電極表面；而在偽電容中，電荷以化學還原和氧化的方式嵌入電極材料[4]。超級電容器的充放電過程相對于傳統(tǒng)電池更為快速，能夠在短時間內(nèi)釋放大量儲存的電能。

2.3 儲能技術在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用

儲能技術在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用旨在提高系統(tǒng)的電能利用效率，并改善電能穩(wěn)定性。通過將電池儲能和超級電容器等技術引入光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以在日照條件不佳或電能需求高峰期，有效增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。電池儲能技術可以在光照強度充足時吸收過剩電能，在低光照時釋放儲存的電能，實現(xiàn)系統(tǒng)性能的平穩(wěn)輸出。超級電容器則通過其高功率密度和快速充放電的特性，在瞬時電能需求較大的情況下提供迅速且可靠的電能輸出。儲能技術的引入使光伏發(fā)電系統(tǒng)更加適應復雜多變的電能環(huán)境，為系統(tǒng)的可靠運行提供重要的支持。

2.4 系統(tǒng)參數(shù)配置優(yōu)化

系統(tǒng)參數(shù)配置的優(yōu)化是確保儲能技術在光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮最佳效果的關鍵。通過合理配置電池和超級電容器的參數(shù)，可以最大限度地提高系統(tǒng)的儲能效率和穩(wěn)定性。

在電池儲能技術方面，優(yōu)化的關鍵參數(shù)包括電池的充電效率、放電效率以及電池容量。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以實現(xiàn)在不同光照條件下的高效能量儲存和釋放。

對于超級電容器技術，關鍵參數(shù)包括電容器的電壓、電流和內(nèi)部電阻等方面。通過調(diào)整這些參數(shù)，使超級電容器更好地滿足系統(tǒng)瞬時電能需求，提高其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的實際應用性能。綜合考慮電池和超級電容器的參數(shù)配置，通過數(shù)值模擬和實驗驗證手段，最終實現(xiàn)系統(tǒng)性能的全面優(yōu)化，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能技術應用提供實踐經(jīng)驗和技術支持。

3 實驗驗證與討論

實驗設備包括光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池、電池儲能裝置和超級電容器儲能裝置。可調(diào)光源設備用于模擬不同光照強度條件；恒溫設備用于模擬不同溫度條件。實驗參數(shù)設置如下：光照強度變化范圍為800 ～1 200 lux；溫度變化范圍為25 ～30 ℃；數(shù)據(jù)采集頻率為每隔15 min 記錄一次數(shù)據(jù)。

實驗過程如下：一是在典型的光照和溫度條件下，記錄系統(tǒng)的發(fā)電效率作為基準數(shù)據(jù)；二是引入儲能技術，安裝電池和超級電容器儲能裝置，進行儲能前的實驗，記錄系統(tǒng)在不同光照和溫度條件下的發(fā)電效率；三是進行儲能后的實驗，記錄系統(tǒng)在相同條件下的發(fā)電效率；四是數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計，對實驗數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計，計算儲能前后系統(tǒng)的發(fā)電效率；五是統(tǒng)計各光照強度和溫度條件下的平均發(fā)電效率；六是對比系統(tǒng)儲能技術引入前后的發(fā)電效率，以評估儲能技術對系統(tǒng)性能的影響。

在不同的光照強度和溫度下，系統(tǒng)引入儲能技術前后的發(fā)電效率對比結果如表1 所示。

表1 儲能前發(fā)電效率與儲能后發(fā)電效率對比結果

通過表1 所示的實驗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)電效率在不同的光照強度和溫度條件下存在較大的波動，主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)的天氣敏感性和溫度敏感性導致，使得系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出不同的發(fā)電效率。在不同的光照強度、溫度等各種條件下，系統(tǒng)引入儲能技術后的發(fā)電效率與系統(tǒng)之前的發(fā)電效率相比，均有顯著提升，且數(shù)值不低于90%。由此表明，引入電池和超級電容器等儲能技術能夠顯著提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能效率。

4 結 論

文章圍繞光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能技術應用與實踐展開，通過建立數(shù)學模型、采用數(shù)值模擬與實驗相結合的方法以及詳實的數(shù)據(jù)分析，深入研究光照強度、溫度對系統(tǒng)發(fā)電性能的影響，引入了電池和超級電容器等儲能技術，并優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)配置。實驗結果表明，在不同光照強度和溫度條件下，系統(tǒng)引入儲能技術后均取得顯著的性能改善，為系統(tǒng)在不穩(wěn)定環(huán)境中的可靠運行提供實際有效的支持。通過該研究，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的工程應用提供實踐經(jīng)驗和技術指導，同時也為未來光伏發(fā)電技術的進一步發(fā)展和應用奠定堅實的基礎。