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.恒誠信國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(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(shù)在能源存儲領(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)。電池儲能技術(shù)將過剩電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)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(shè)備。因此，文章旨在深入探討光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用與實踐，通過引入先進(jìn)的儲能技術(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)的實際發(fā)電能力[2]。通過對這些影響因素的詳細(xì)分析，能夠為后續(xù)的儲能技術(shù)應(yīng)用提供有力的幫助。
1.2 模型建立
考慮光照強(qiáng)度和溫度對光伏電池性能的影響，建立的數(shù)學(xué)模型為
式中：Ia為實際輸出電流；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 模型驗證與參數(shù)調(diào)整
光照強(qiáng)度方面的實驗設(shè)計中，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、日落等時段以及不同季節(jié)對光照條件的影響。
對于溫度的實驗設(shè)計，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較大的情況。
在模型驗證的基礎(chǔ)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(guān)聯(lián)。通過逐步調(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(shù)的引入和系統(tǒng)性能的進(jìn)一步優(yōu)化提供了堅實的理論基礎(chǔ)。
2 儲能技術(shù)應(yīng)用與實踐
2.1 電池儲能技術(shù)介紹
電池儲能技術(shù)是一種關(guān)鍵的儲能手段，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為化學(xué)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(jìn)行放電，將儲存的能量供給光伏系統(tǒng)[3]。電池儲能技術(shù)的關(guān)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(shù)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(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 種儲能機(jī)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(xué)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(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用
儲能技術(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。通過將電池儲能和超級電容器等技術(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]。電池儲能技術(shù)可以在光照強(qiáng)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(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(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮最佳效果的關(guān)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(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(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(yīng)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(shù)應(yīng)用提供實踐經(jīng)驗和技術(shù)支持。
3 實驗驗證與討論
實驗設(shè)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�？烧{(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。實驗參數(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(zhǔn)數(shù)據(jù)；二是引入儲能技術(shù)，安裝電池和超級電容器儲能裝置，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(shù)引入前后的發(fā)電效率，以評估儲能技術(shù)對系統(tǒng)性能的影響。
在不同的光照強(qiáng)度和溫度下，系統(tǒng)引入儲能技術(shù)前后的發(fā)電效率對比結(jié)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(jié)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(qiáng)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(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，引入電池和超級電容器等儲能技術(shù)能夠顯著提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能效率。
4 結(jié) 論
文章圍繞光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能技術(shù)應(yīng)用與實踐展開，通過建立數(shù)學(xué)模型、采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法以及詳實的數(shù)據(jù)分析，深入研究光照強(qiáng)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(shù)，并優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)配置。實驗結(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(yīng)用提供實踐經(jīng)驗和技術(shù)指導(dǎo)，同時也為未來光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。
