農(nóng)村地區(qū)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)淺析

孫瑞娟 李旱雨

摘 要 新能源在農(nóng)村地區(qū)得到大力推廣是因?yàn)槠渚哂泄╇婌`活、不需要遠(yuǎn)距離輸送等特性，還可以緩解偏遠(yuǎn)山區(qū)以及孤立地區(qū)的供電設(shè)施老化、維護(hù)不及時(shí)等問(wèn)題。將光伏和儲(chǔ)能相互結(jié)合，但又使其相互獨(dú)立，可以避免其中一部分故障導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰等問(wèn)題的出現(xiàn)?；诖?，從光伏發(fā)電環(huán)節(jié)、儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、儲(chǔ)能控制環(huán)節(jié)、光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行4個(gè)方面對(duì)農(nóng)村地區(qū)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電研究?jī)?nèi)容進(jìn)行概述。

關(guān)鍵詞 光儲(chǔ)聯(lián)合;農(nóng)村電力;控制

在農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行電力建設(shè)和電網(wǎng)發(fā)展依然有以下4個(gè)主要問(wèn)題：1）如果使用傳統(tǒng)的常規(guī)能源，從供電端到負(fù)荷端電網(wǎng)建設(shè)跨度大、距離遠(yuǎn)、線路損耗高;2）由于環(huán)境和氣候的影響，電網(wǎng)及終端設(shè)備需要更高的耐受度以增長(zhǎng)使用壽命;3）操作者的技術(shù)低可能會(huì)造成故障監(jiān)控和消除均受到制約，還易造成人員的損傷;4）物資及人工成本的上升，從一定程度上增大了設(shè)備成本核算。

因此設(shè)計(jì)并推廣農(nóng)村地區(qū)光儲(chǔ)聯(lián)合、生物質(zhì)聯(lián)合或風(fēng)光聯(lián)合等模式的新能源發(fā)電方式一直是農(nóng)業(yè)電氣人的主要工作之一。表1是近5年農(nóng)村電力生產(chǎn)情況，從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明農(nóng)村電力建設(shè)基本呈現(xiàn)增長(zhǎng)狀態(tài)，不論是發(fā)電設(shè)備還是發(fā)電量，增長(zhǎng)程度較為明顯。但是總?cè)萘亢妥冸娬疽?guī)模依然不夠大，對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的目標(biāo)來(lái)說(shuō)，還是有差距的。基于此，介紹農(nóng)村地區(qū)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電的相關(guān)原理和技術(shù)特點(diǎn)，為推動(dòng)新能源在農(nóng)村地區(qū)得到大力推廣提供參考。

1 光伏發(fā)電環(huán)節(jié)概述

1.1 光伏發(fā)電原理

如果太陽(yáng)光照在儲(chǔ)能元件上，且光被吸收，攜帶大量能量的光子可以使PN結(jié)中的電子從原有的共價(jià)鍵之中扯出，發(fā)生正負(fù)電荷配對(duì)，之后產(chǎn)生電流。與界面層相鄰的電子和空穴將由復(fù)合材料前空間電荷的電場(chǎng)分開(kāi)。帶負(fù)電荷的電子向帶有正電的區(qū)域移動(dòng)，帶有正電荷的空穴向帶有負(fù)電的區(qū)域移動(dòng)，由于兩種帶電粒子的移動(dòng)，P結(jié)和N結(jié)之間就產(chǎn)生了一個(gè)可以被儀器檢測(cè)到的微弱電壓，然后將電極添加到硅片的兩側(cè)并連接到電壓表，這樣就可以檢測(cè)到電壓在PN結(jié)之中的移動(dòng)，帶電粒子越多，所產(chǎn)生的電流就越大。照射在光伏發(fā)電板上的光照時(shí)間越長(zhǎng)，太陽(yáng)能蓄電池的體積越大，在PN結(jié)之中產(chǎn)生的可流動(dòng)電荷越多，產(chǎn)生的電流越大[1]。

1.2 光伏電池輸出特性

就目前的儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)看，可以分為物理手法和化學(xué)手法2大類儲(chǔ)能技術(shù)。在物理方面的儲(chǔ)能技術(shù)中，對(duì)地理?xiàng)l件以及場(chǎng)地的要求較為嚴(yán)格，建設(shè)電廠太局限，所以不太適合與太陽(yáng)能發(fā)電之類的新能源發(fā)電形式配合使用。在化學(xué)方面的儲(chǔ)能技術(shù)有各種各樣的固體電池、液體電池等。比較常見(jiàn)的如鉛酸電池等固體電池，一般壽命不是很長(zhǎng)，存儲(chǔ)的容量也不是很大，沒(méi)有辦法做到深度的充電和放電，且這種電池維護(hù)起來(lái)很復(fù)雜，稍有不慎就會(huì)起火甚至有爆炸的危險(xiǎn)。因此，這種電池也無(wú)法和較大的太陽(yáng)能發(fā)電等新型能源電廠配合使用。

20世紀(jì)末，國(guó)際上開(kāi)始將磷酸鐵鋰作為制作蓄電池的材料，直到21世紀(jì)初，才逐漸成熟。磷酸鐵鋰作為蓄電池的材料，不僅相對(duì)安全，還可以使用很長(zhǎng)時(shí)間不損壞。用磷酸鐵鋰供電更加可靠，主要體現(xiàn)在5個(gè)方面：1）可以保證在使用時(shí)是安全的，磷酸鐵鋰很耐高溫，不會(huì)在充電或者放電時(shí)產(chǎn)生安全問(wèn)題;2）這種電池可以使用很長(zhǎng)時(shí)間，解決了以前不停更換電池的缺點(diǎn);3）該電池不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染，基本滿足了國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求;4）普通鋰電池只能在溫度波動(dòng)范圍較小的地方工作，而磷酸鐵鋰電池可以在高低溫環(huán)境內(nèi)進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的工作;5）磷酸鐵鋰電池的性價(jià)比較高，如果使用時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，可以很快修復(fù)或是更換。

圖1和圖2是在全暗和恒光兩種條件下，對(duì)太陽(yáng)電池外加偏壓的伏安特性測(cè)試。全暗時(shí)太陽(yáng)電池等價(jià)于一個(gè)PN結(jié)，恒光時(shí)太陽(yáng)電池正常工作且有最大功率點(diǎn)。

2 儲(chǔ)能環(huán)節(jié)概述

通常決定儲(chǔ)能電池容量的因素有2個(gè)：1）把能量轉(zhuǎn)化能力即太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的能力，也就是儲(chǔ)能電池的能量轉(zhuǎn)化和接受的能力;2）用戶的用電量，對(duì)能量的獲取量太大，不但會(huì)對(duì)能源造成浪費(fèi)，還會(huì)使儲(chǔ)能電池長(zhǎng)期處于過(guò)度充電的狀態(tài)。若用電設(shè)備和蓄電池不相匹配，就會(huì)出現(xiàn)對(duì)用戶的能源供給不足或者剩余電量較多的浪費(fèi)情況。因此，合適的容量不僅是對(duì)儲(chǔ)能電池的保護(hù)，也是對(duì)用戶供電的保障，還可以降低設(shè)備投入成本[2]。

現(xiàn)階段，在其他領(lǐng)域使用鉛蓄電池都是之前設(shè)計(jì)并計(jì)算好使用量，按照原有的計(jì)劃方案按部就班地實(shí)行，并且在使用中可以人為調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)以控制使用，經(jīng)過(guò)調(diào)整就可以使其達(dá)到最佳的使用狀態(tài)。但是太陽(yáng)能系統(tǒng)中的儲(chǔ)能部分補(bǔ)充能源的過(guò)程是不能被人完全控制的，盡管其中含有作為控制的元件，但是也擺脫不了天氣因素所導(dǎo)致的發(fā)電波動(dòng)。這一不穩(wěn)定因素，對(duì)于儲(chǔ)能電池來(lái)說(shuō)是非常危險(xiǎn)的。

對(duì)于鉛蓄電池來(lái)說(shuō)，充電時(shí)對(duì)于電量接收的百分比是一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)，這一項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)于所有儲(chǔ)能電池都是十分重要的。因?yàn)閺奶?yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)化率較低，因此對(duì)轉(zhuǎn)化而來(lái)的電能的儲(chǔ)存率要求就更為嚴(yán)格。鉛蓄電池對(duì)于電能的接收百分比和其使用周期是相關(guān)的，如果電能的接收能力不理想，就會(huì)直接對(duì)其使用周期造成影響。因此，對(duì)于存儲(chǔ)電池的充電率問(wèn)題，有必要進(jìn)行重點(diǎn)研究。

3 儲(chǔ)能控制環(huán)節(jié)概述

3.1 直流側(cè)接入式

直流側(cè)接入是將儲(chǔ)能的系統(tǒng)連接到儲(chǔ)能的專屬控制器，再與光伏發(fā)電的系統(tǒng)相連接，最后連接上逆變系統(tǒng)。在這種情況下，整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)存能量的系統(tǒng)都通過(guò)直流的方式，將能量相互傳遞，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)輸出電能、兩個(gè)系統(tǒng)一起并網(wǎng)、兩種系統(tǒng)分別并網(wǎng)的形式。這樣的連接方式可以避免太陽(yáng)能發(fā)電輸出也不太穩(wěn)定的弊端。

3.2 交流側(cè)接入式

交流側(cè)接入則是利用了兩種逆變的類型，將太陽(yáng)能電站發(fā)出的功率與儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出的功率分別進(jìn)行逆變，也就是將太陽(yáng)能電站與儲(chǔ)能系統(tǒng)分別接入總電網(wǎng)。這樣將儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)接入電網(wǎng)中的方式，優(yōu)點(diǎn)有很多：如母線提供的電壓很不穩(wěn)定，不能接入總電網(wǎng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)就可以迅速調(diào)節(jié)母線的輸出功率，把母線的電壓穩(wěn)定下來(lái)。這種連接系統(tǒng)的方法特別適合輸出量非常大，且儲(chǔ)能系統(tǒng)也非常大的新能源電廠并網(wǎng)的情況。如圖2所示，為交流側(cè)接入系統(tǒng)示意圖。

4 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

主電網(wǎng)正常工作時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)在并網(wǎng)條件下工作，太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電壓，經(jīng)變壓器升高，最終匯聚在母線上，為了使母線功率始終保持在最大點(diǎn)工作且狀態(tài)穩(wěn)定，可以采用最大功率點(diǎn)追蹤法。該方法可以通過(guò)調(diào)整負(fù)載曲線以滿足系統(tǒng)的輸出效率最高，是光伏發(fā)電中常用的功率處理方式[3]。

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)可以在最大功率點(diǎn)追蹤模式、恒壓模式、不工作模式中工作，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在充電模式、放電模式、不工作模式中工作。為了確保光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的正常運(yùn)行，使主電網(wǎng)中的電壓、功率穩(wěn)定，儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)荷狀態(tài)和充放電工作處于最大功率模式，工程中通常把太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài)組合在一起。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳芳.光儲(chǔ)微電網(wǎng)孤島系統(tǒng)儲(chǔ)能控制措施探討[J].中國(guó)科技博覽，2015（46）：34.

[2] 趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛，等，太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：北京科學(xué)出版社，2005.

[3] 王成山，楊占剛，武震.一個(gè)實(shí)際小型光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（6）：6-10.

（責(zé)任編輯：劉昀）