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(jì)南 250000;2.山東思迪普電氣有限公司濟(jì)南高新分公司,山東 濟(jì)南 250000;3.恒誠(chéng)信國(guó)際工程咨詢有限公司山東分公司,山東 濟(jì)南 250000)
0 引 言
隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境問(wèn)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(guān)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(shí)際應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)之一。特別是在日照強(qiáng)度波動(dòng)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(chǔ)能和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能技術(shù)在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展,成為提升光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。電池儲(chǔ)能技術(shù)將過(guò)剩電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存,超級(jí)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?jī)?chǔ)存設(shè)備。因此,文章旨在深入探討光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐,通過(guò)引入先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù),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(dòng)光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
1 光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立
1.1 光照強(qiáng)度與溫度對(duì)發(fā)電性能的影響
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,光照強(qiáng)度和溫度是直接影響發(fā)電性能的2 個(gè)關(guān)鍵因素。光照強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致光伏電池的性能下降。光照強(qiáng)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(gè)穩(wěn)定水平,而高溫環(huán)境下光伏電池的功率輸出衰減進(jìn)一步限制系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電能力[2]。通過(guò)對(duì)這些影響因素的詳細(xì)分析,能夠?yàn)楹罄m(xù)的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用提供有力的幫助。
1.2 模型建立
考慮光照強(qiáng)度和溫度對(duì)光伏電池性能的影響,建立的數(shù)學(xué)模型為
式中:Ia為實(shí)際輸出電流;Iref為參考光照強(qiáng)度下的輸出電流;G為當(dāng)前光照強(qiáng)度與參考光照強(qiáng)度的比值;β為溫度系數(shù);T為當(dāng)前溫度;Tref為參考溫度。
1.3 模型驗(yàn)證與參數(shù)調(diào)整
光照強(qiáng)度方面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,利用可調(diào)光源設(shè)備模擬了不同強(qiáng)度的光照條件。通過(guò)在模型中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,并考慮了日照強(qiáng)度的變化規(guī)律,如日出、日中、日落等時(shí)段以及不同季節(jié)對(duì)光照條件的影響。
對(duì)于溫度的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),使用恒溫設(shè)備模擬了不同溫度條件下的環(huán)境。同樣,在模型中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,包括模擬高溫天氣和溫度波動(dòng)較大的情況。
在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,通過(guò)深入分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)性能與模型參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。通過(guò)逐步調(diào)整模型中的關(guān)鍵參數(shù),如光伏電池的溫度系數(shù)和光照強(qiáng)度的影響系數(shù)等,使得數(shù)值模擬結(jié)果更加貼近實(shí)際情況。這一過(guò)程確保了數(shù)值模擬模型的高度可靠性,為后續(xù)儲(chǔ)能技術(shù)的引入和系統(tǒng)性能的進(jìn)一步優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
2 儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐
2.1 電池儲(chǔ)能技術(shù)介紹
電池儲(chǔ)能技術(shù)是一種關(guān)鍵的儲(chǔ)能手段,能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為化學(xué)能并在需要時(shí)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(chǔ)能過(guò)程涉及充電和放電2 個(gè)階段。充電階段,電池吸收光伏系統(tǒng)過(guò)剩的電能,將其儲(chǔ)存在電池內(nèi);在需要電能時(shí),電池則進(jìn)行放電,將儲(chǔ)存的能量供給光伏系統(tǒng)[3]。電池儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵性在于其對(duì)電能的高效存儲(chǔ)和可控釋放。其組成如圖1 所示。
2.2 超級(jí)電容器技術(shù)介紹
超級(jí)電容器作為一種高功率密度、快速充放電的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備,在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用受到關(guān)注。其技術(shù)原理主要基于電雙層電容和偽電容2 種儲(chǔ)能機(jī)制。在電雙層電容中,電荷以靜電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)在電極表面;而在偽電容中,電荷以化學(xué)還原和氧化的方式嵌入電極材料[4]。超級(jí)電容器的充放電過(guò)程相對(duì)于傳統(tǒng)電池更為快速,能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放大量?jī)?chǔ)存的電能。
2.3 儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用
儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)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(guò)將電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容器等技術(shù)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(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。電池儲(chǔ)能技術(shù)可以在光照強(qiáng)度充足時(shí)吸收過(guò)剩電能,在低光照時(shí)釋放儲(chǔ)存的電能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的平穩(wěn)輸出。超級(jí)電容器則通過(guò)其高功率密度和快速充放電的特性,在瞬時(shí)電能需求較大的情況下提供迅速且可靠的電能輸出。儲(chǔ)能技術(shù)的引入使光伏發(fā)電系統(tǒng)更加適應(yīng)復(fù)雜多變的電能環(huán)境,為系統(tǒng)的可靠運(yùn)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(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮最佳效果的關(guān)鍵。通過(guò)合理配置電池和超級(jí)電容器的參數(shù),可以最大限度地提高系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率和穩(wěn)定性。
在電池儲(chǔ)能技術(shù)方面,優(yōu)化的關(guān)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(guò)調(diào)整這些參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)在不同光照條件下的高效能量?jī)?chǔ)存和釋放。
對(duì)于超級(jí)電容器技術(shù),關(guān)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(guò)調(diào)整這些參數(shù),使超級(jí)電容器更好地滿足系統(tǒng)瞬時(shí)電能需求,提高其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用性能。綜合考慮電池和超級(jí)電容器的參數(shù)配置,通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段,最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的全面優(yōu)化,為光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與討論
實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池、電池儲(chǔ)能裝置和超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置。可調(diào)光源設(shè)備用于模擬不同光照強(qiáng)度條件;恒溫設(shè)備用于模擬不同溫度條件。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下:光照強(qiáng)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(zhǔn)數(shù)據(jù);二是引入儲(chǔ)能技術(shù),安裝電池和超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置,進(jìn)行儲(chǔ)能前的實(shí)驗(yàn),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(jìn)行儲(chǔ)能后的實(shí)驗(yàn),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(jì),對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì),計(jì)算儲(chǔ)能前后系統(tǒng)的發(fā)電效率;五是統(tǒng)計(jì)各光照強(qiáng)度和溫度條件下的平均發(fā)電效率;六是對(duì)比系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)引入前后的發(fā)電效率,以評(píng)估儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
在不同的光照強(qiáng)度和溫度下,系統(tǒng)引入儲(chǔ)能技術(shù)前后的發(fā)電效率對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 儲(chǔ)能前發(fā)電效率與儲(chǔ)能后發(fā)電效率對(duì)比結(jié)果
通過(guò)表1 所示的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度和溫度條件下存在較大的波動(dòng),主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)的天氣敏感性和溫度敏感性導(dǎo)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(qiáng)度、溫度等各種條件下,系統(tǒng)引入儲(chǔ)能技術(shù)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(jí)電容器等儲(chǔ)能技術(shù)能夠顯著提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率。
4 結(jié) 論
文章圍繞光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐展開,通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型、采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法以及詳實(shí)的數(shù)據(jù)分析,深入研究光照強(qiáng)度、溫度對(duì)系統(tǒng)發(fā)電性能的影響,引入了電池和超級(jí)電容器等儲(chǔ)能技術(shù),并優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)配置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在不同光照強(qiáng)度和溫度條件下,系統(tǒng)引入儲(chǔ)能技術(shù)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(yùn)行提供實(shí)際有效的支持。通過(guò)該研究,為光伏發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)指導(dǎo),同時(shí)也為未來(lái)光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。