基于超级电容的光伏电站储能

基于超级电容的光伏电站储能

1发展前景：

能源是人类社会存在和发展的重要物质基础，随着社会的发展，能源日渐减少，太阳能作为重要能源之一，以其永不枯竭，无污染等优点，正得到迅速的发展。但太阳能存在间歇性、不稳定性和不可控性等缺陷, 为保证其供电的均衡性和连续性, 储能装置成为光伏发电系统的关键配套部件。储能系统种类较多, 如铅酸电池、锂电池、钠硫电池和钒液流电池等其技术虽成熟度不一, 但均较易实现大容量储能。但电池类储能的充放电速度、充放电次数等受到限制, 不能用于实现快速的动态功率补偿, 抑制动态振荡、平滑风力发电输出的快速变化，但超级电容由于储能过程属于物理反应，因此充/放电流可瞬时达到几百安，实现快速充/放电，断电ms时间内响应，充分保护用电设备的安全，而且在合适的使用条件下充/放电次数在50万次以上，免维护等优势，在光伏-发电储能系统中有重大潜力。

2光伏电站组成：

1）太阳能电池板

按晶体硅电池板划分：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。

按非晶硅电池板划分：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。

（1）单晶硅太阳能电池：

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

（2）多晶硅太阳能电池：

光电转换效率约12％左右，从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，总的生产成本较低，多晶硅太阳能电池的使用寿命要比单晶硅太阳能电池短。

（3）薄膜太阳能电池：

新型薄膜式太阳电池，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前水平为8％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。

3光伏发电使用储能系统的必要性：

太阳能光伏发电系统需要储能蓄电池。对于独立光伏发电系统需要蓄电池

是可以理解的；对于并网光伏发电系统，为了减少太阳能发电对电网稳定的影响，对电网有功分量的补偿只有依靠蓄电池或者其他储能装置。

1）光伏发电对储能系统的5项基本要素：

1.1：高的瓦时效率

由于太阳电池发电成本比较高，所以蓄电池的充电、放电效率，是太阳能光伏发电储能蓄电池的最重要、最基本的就是指标，但是又是被绝大多数蓄电池生产企业所忽视的指标。

蓄电池的效率分电压效率、安时效率和瓦时效率，对于太阳能光伏发电系统我们最关心的是瓦时效率，这是因为太阳能光伏发电的成本比较高，我们不希望光伏发电的电能在存储的过程中无端损失掉，这对于提高太阳能光伏发电系统效率非常重要。铅酸蓄电池瓦时效率只有70-80%；而且，蓄电池的瓦时效率是指25℃条件下的效率，当环境温度在零下或者40℃以上时实际效率要下降许多。

1.2：蓄电池应该有比较平坦的充电特性曲线

对于小型独立光伏发电系统，系统对MPPT（最大输出功率点）的跟踪，绝大多数情况是依靠蓄电池对太阳电池组件工作点的钳位，如果蓄电池的充电特性曲线比较平坦，将有效提高太阳电池的利用效率。即使对于有MPPT（最大输出功率点跟踪）的独立光伏发电系统或者是并网光伏发电系统，由于有了比较平坦的充电特性曲线，MPPT里面的DC/DC变换器的电压差可以做到最小，所以跟踪效率将有所提高。

1.3：充电放电循环次数多

充电放电循环次数多实际上是表现在使用的寿命长，这是一个非常重要的指标。当然，这里还涉及放电深度问题、使用环境温度问题、充放电倍率问题；单体电池串联、并联的平衡问题等等，因为光伏电池组件寿命一般为25年左右，因此超长寿命的储能单元可以最大限度的节省使用和维护成本。

1.4：快速的充/放电响应

由于太阳能发电存在随机性、不稳定性、谷-峰相差大等特性，要求储能系统可吸收频繁微弱光照，储能迅速等特性。

1.5：不污染环境

如果蓄电池在充电/放电过程中或者废弃回收过程中污染了环境，这种蓄电池就悖于太阳能光伏发电绿色环保的初衷，抵消了太阳能电池的节能减排效果；在这方面物理法储能要独特的优势。

2）各种储能器件性能对比：

（1）电池类储能：

蓄电池种类较多, 如铅酸电池、锂电池、钠硫电池和钒液流电池等其技术

虽成熟度不一, 但均较易实现大容量储能。但电池类储能的充放电速度、充放

电次数等受到限制, 不能用于实现快速的动态功率补偿,抑制动态振荡、平滑

光伏发电输出的快速变化。

（2) 超导磁储能：

超导磁储能一般由超导线圈及低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统

4 个主要部分组成。其主要特点是: 响应速度快, 可以达到 1 ms～

5 ms; 储

能效率高, 可达到 90%以上; 可实现大功率输出，但要求温度保持在临界温度

以下，对环境要求过于苛刻。

（2）超级电容器：

超级电容器的存储容量可以达到数千F以上，理论上超级电容器应具备很高的功率密度和循环寿命。与蓄电池和传统物理电容器相比, 超级电容器的主要技术特点体现在: 功率密度高, 远高于目前蓄电池的功率密度水平; 循环寿命长, 在几秒的高速深度循环 1 万次~ 50 万次后, 超级电容器的特性变化很小, 容量和内阻仅降低10%～20% ; 响应速度较快, 对过充电和过放电有一定的承受能力。

由上分析可得出超级电容在光伏电站储能方面有无与伦比的优越性，具体的有以下几点：

2.1良好的充/放电特性，近似为线性关系：

电压

充电

曲线放电

曲线

超级电容充放电曲线锂电池充放电曲线

通过电容的充放电曲线可看出电容在太阳微弱光照情况下依然可以进行储能，而传统蓄电池只要在电压达到一定门限时才能吸收能量，这样无异于对能量的巨大浪费，我公司通过长期实验得出结论：超级电容可使太阳能电池板转化吸收效能提高3%以上，对薄膜电池来讲意味着提高37.5%的吸收率，大大的增加了储能效率，降低了成本。

2.2超长的循环寿命（50万次以上）：

太阳能由于自身的特点——阳光强度的不稳定，可能引起蓄电池反复频繁充电，导致电池寿命缩短。而超级电容器因具有50万次以上的充放电循环寿命和完全免维护、高可靠性等特点，很快成为贮能缓冲装置的首选，此外，在有瞬间强负载的系统中，利用该电容器可以发挥稳定系统电压，减少系统电源容量配置的作用。

2.3快速响应特性（ms级）：

超级电容放电响应时间在ms之内，远远短于传统蓄电池，可以有效、及时保护负载的安全。

2.4绿色能源，不污染环境。

3）超级电容与蓄电池混合的优势：

超级电容的缺点是能量密度相比于蓄电池较低，无法长时间、大量的能量支撑。

2.7V/3000F电容能量密度为：

E=1/2×C×U2=10935J/（3600×0.54Kg）=5.6Wh/Kg