沒有儲能的光伏如何長遠？

沒有儲能的光伏是沒有未來的。 去年和一位業界朱姓大牛交流， 他提出觀點“儲能技術的發展是光伏產業發展的命脈”， 可謂醍醐灌頂。 當整個電網只有1%的再生能源占比的時候， 沒人在乎;可按照現在穩穩超過20%每年的行業發展速度投射未來， 光伏達到10%、20%的電網滲透率並不遙遠。 到時候還這麼靠天吃飯陰晴圓缺， 前一分鐘發電10度後一分鐘只發電5度的狀況， 電網、工商用戶、居民， 誰受得了?

筆者預測， 如果沒有高效低成本的儲能配套， 光伏發電的占比不會超過10%。

儲能的作用在大時間尺度範圍(數小時)，

主要是為了調峰， 即實現發電側和用電側的匹配。 那基本上是什麼便宜上什麼， 鉛酸、梯級使用的鋰電池、液流電池、蓄水儲能等都是可選擇的方案， 不為本文所重點討論。 而在較小的時間尺度範圍之內， 儲能也具有極其重要的意義。 光伏和風能被不客氣的稱為“垃圾電”， 就是因為風光發電功率電壓輸出靠天吃飯不穩定， 而且直流轉交流存在波形不理想、頻率不協調的問題， 給電網造成極大的壓力;而儲能可以極大程度上解決這些要命的問題。 然而儲能技術五花八門， 到底什麼樣的儲能才是光伏發電所需要的?學界和業界此前並無系統的歸納總結， 讓人摸不到頭腦。

幸而新南威爾士大學博士研究生江嶼的 “Suitability of representative electrochemical energy storage technologies for ramp-rate control of photovoltaic power”《主流電化學儲能技術針對光伏發電爬坡速率控制的適用性》大作橫空出世，

為大家厘清了思路。

為了減輕壓力， 電網對光伏電站出力穩定性提出要求， 已經成為大趨勢。 比如德國提出了最高10%每分鐘爬坡速率的要求， 也即是說每一時刻和一分鐘前比較， 光伏電站功率輸出的差異不能高於10%。 許多國家新進推出的並網標準， 都要求光伏電站具有必要時斷電和減少輸出， 以及平滑爬坡速率的要求。 在多雲的天氣， 50%的爬坡速率也很常見， 所以必須要加以處理(見下圖)。 元件優化器、微型逆變器等電力電子技術都可以在一定程度上實現平滑， 但處理的能力非常有限， 而且解決問題的方法簡單粗暴， 要不就是讓元件發電偏離最佳功率點，

要不就是砍掉多餘的出力， 為了達到電網穩定性的要求不得已割肉。 這個時候， 儲能系統就是發揮作用的關鍵了：一旦發電量暴增就充電(而不是直接把多餘發電切掉不要了);一旦發電量爆降就放電， 實現對電網的持續穩定發力。

化學儲能材料和器件的三大重要指標，

一是能量密度， 關係到充放電的持續性;二是功率密度， 關係到瞬間釋放能量的能力;三是充放電次數， 決定了儲能器件的壽命。 下圖給出了鉛酸電池、鋰電池、鋰離子電容、碳基電化學雙層電容器EDLC、電解液電容的能量密度、功率密度和充放電壽命等指標。 不幸的是， 光伏這樣極度苛刻的應用場景， 對儲能系統能量、功率、壽命的要求都非常高!儲能系統儲能能力、充放電功率， 直接影響了對爬坡速率的控制力。

文章的計算涉及到傅裡葉變換等燒腦數學工具， 此處不再贅述。 總之是通過下面的爬坡速率控制模型流程圖， 可以實現對瞬息萬變的光伏出力(圖b藍色區域)的有效平滑(圖b紅線為平滑後)。 圖c顯示了儲能系統在爬坡上升超過10%每分鐘速率的時間段通過充電實現爬坡速率的控制(圖c靛藍色區域)， 而在光伏出力下降超過10%的時間段， 通過放電實現控制(土黃色區域)， 快速回應的能力是對儲能系統充放電功率W的考驗。 而圖d是儲能系統的充電狀態SoC， SoC的幅值考驗的是儲能系統總儲能能力Wh。

不同的光伏系統對於儲能系統的要求大不相同。文章考察了單個元件、5千瓦屋頂系統、100千瓦小型光伏電站、以及7.2兆瓦大型電站四個場景。一般而言，大型系統占地面積大，具有一定“地理聚集”(geographical aggregation)的發電出力平滑能力。在江嶼的演算法中，引入了一個叫做截斷頻率(cut-off frequency)的東東，通過經驗公式考慮到了這個自動平滑的現象。下圖看到，越大的系統，其自帶發電出力平滑的能力越強，無論是光功率變化的劇烈程度還是頻度都有下降!

隨著系統的增大，儲能系統更多的從能量密度限制，轉變成了功率密度限制。也就是說，高功率密度的儲能系統更具有優勢。在這方面，鋰離子電池具有重大的技術優勢。目前相較於鉛酸電池，鋰離子電池成本高處1倍到3倍不等，但是未來具有更大的降本空間。至於電容系列，雖然功率密度足夠甚至超過要求，但能量密度距離一整天的發電出力緩衝，相去甚遠。研究發現，高能量密度的鋰離子電池(低於600瓦時每升)最符合光伏出力緩衝的要求，基本可以100%達到10%爬坡速率控制的要求。

文章還提出了一個非常具有新穎性和吸引力的技術方案——在微型逆變器和元件優化器上集成儲能系統。這樣既滿足了發電出力平滑的要求，又增加了系統整體的發電能力(儲能單元使得光伏元件不需要過度偏離元件發電的最佳功率點)。作為一個初步的設想，作者把儲能單元體積控制在100立方釐米之內，也即是收入接線盒中。這需要最少400瓦時每升的能量密度，2300瓦每升的功率密度，這已經超出了現今量產鋰離子電池可以達到的指標。如果用現今量產的鋰離子電池性能指標加以衡量，10%的爬坡速率控制可以達到99.5%的達成率(即每1000次出現爬坡速率超過10%的情況，995次可以得到解決)。

作者江嶼等設計的組串層級和組件層級的儲能解決方案，用於解決發電不穩定的問題。

結語：沒有儲能的光伏是沒有未來的。一方面，儲能材料和器件本身需要不停的降本提效;另外一方面，儲能和光伏系統的介面模式也需要著力研發。《主流電化學儲能技術針對光伏發電爬坡速率控制的適用性》一文不但提供了有益的探討，更重要的是提供了研究的方法論。研究表明，介面模式的研發比儲能材料和器件本身的研發同等重要!

SoC的幅值考驗的是儲能系統總儲能能力Wh。

不同的光伏系統對於儲能系統的要求大不相同。文章考察了單個元件、5千瓦屋頂系統、100千瓦小型光伏電站、以及7.2兆瓦大型電站四個場景。一般而言，大型系統占地面積大，具有一定“地理聚集”(geographical aggregation)的發電出力平滑能力。在江嶼的演算法中，引入了一個叫做截斷頻率(cut-off frequency)的東東，通過經驗公式考慮到了這個自動平滑的現象。下圖看到，越大的系統，其自帶發電出力平滑的能力越強，無論是光功率變化的劇烈程度還是頻度都有下降!

隨著系統的增大，儲能系統更多的從能量密度限制，轉變成了功率密度限制。也就是說，高功率密度的儲能系統更具有優勢。在這方面，鋰離子電池具有重大的技術優勢。目前相較於鉛酸電池，鋰離子電池成本高處1倍到3倍不等，但是未來具有更大的降本空間。至於電容系列，雖然功率密度足夠甚至超過要求，但能量密度距離一整天的發電出力緩衝，相去甚遠。研究發現，高能量密度的鋰離子電池(低於600瓦時每升)最符合光伏出力緩衝的要求，基本可以100%達到10%爬坡速率控制的要求。

文章還提出了一個非常具有新穎性和吸引力的技術方案——在微型逆變器和元件優化器上集成儲能系統。這樣既滿足了發電出力平滑的要求，又增加了系統整體的發電能力(儲能單元使得光伏元件不需要過度偏離元件發電的最佳功率點)。作為一個初步的設想，作者把儲能單元體積控制在100立方釐米之內，也即是收入接線盒中。這需要最少400瓦時每升的能量密度，2300瓦每升的功率密度，這已經超出了現今量產鋰離子電池可以達到的指標。如果用現今量產的鋰離子電池性能指標加以衡量，10%的爬坡速率控制可以達到99.5%的達成率(即每1000次出現爬坡速率超過10%的情況，995次可以得到解決)。

作者江嶼等設計的組串層級和組件層級的儲能解決方案，用於解決發電不穩定的問題。

結語：沒有儲能的光伏是沒有未來的。一方面，儲能材料和器件本身需要不停的降本提效;另外一方面，儲能和光伏系統的介面模式也需要著力研發。《主流電化學儲能技術針對光伏發電爬坡速率控制的適用性》一文不但提供了有益的探討，更重要的是提供了研究的方法論。研究表明，介面模式的研發比儲能材料和器件本身的研發同等重要!