CN113036791A - 一种混合储能、光伏、热能联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合储能、光伏、热能联产系统，包括：PV面板、集热装置、光伏电池及混合储能装置；所述PV面板用于接收太阳光进行光生伏特效应，并将产生的电能及热能分别输入至所述光伏电池及所述集热装置；所述混合储能装置，由锂电池与超级电容器串联组成，用于根据光伏弃光进行充电及储能，并将储能后的电量用于调频及调峰。其中，所述锂电池由受控电压源与内阻串联构成，所述超级电容器由理想电容器与等效内阻串联构成。本发明提供的混合储能、光伏、热能联产系统，通过增设由锂电池与超级电容组成的混合储能部分，帮助消纳光伏发电中的弃光，并利用弃光电量参与调峰、调频等多元服务，提高了光伏利用率和经济效益。

Description

一种混合储能、光伏、热能联产系统

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种混合储能、光伏、热能联产系统。

背景技术

太阳能作为一种清洁可再生能源，已被广泛利用于太阳能光伏发电领域。虽然光伏发电技术已经相对成熟，但是其存在利用率低及经济效益低的问题，一直是光伏发电领域关注的重点。

目前，市面上常见的一种模型是光伏和热的联产模型，该模型用光伏(PV)层压板组成光伏集热器的吸收器从而组成组合面板用以将太阳能转换为电能和热能；另一种模型则为具有电池存储功能的混合光伏-地热联产模型，通过设计一种合适的选择光伏面板以及储能电池数量的程序，以达到持续性发电的目的。但是这些模型均存在自身的缺点：第一种模型并不涉及光伏出力问题，也没有考虑光伏发电的弃光问题，因此联产利用率低下。而第二种模型作为一个初步程序模型，对于储能所起到的作用以及电储能的类型并没有提及，同时也没有考虑光伏发电的弃光问题，同样不能大幅度提高联产的利用率。因此，如何提供一种联产系统，大大提高光伏发电联产的利用率，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合储能、光伏、热能联产系统，该系统通过增设由锂电池与超级电容组成的混合储能部分，帮助消纳光伏发电中的弃光，并利用弃光电量参与调峰、调频等多元服务，提高了光伏利用率和经济效益。

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种混合储能、光伏、热能联产系统，包括：

PV面板、集热装置、光伏电池及混合储能装置；

所述PV面板用于接收太阳光进行光生伏特效应，并将产生的电能及热能分别输入至所述光伏电池及所述集热装置；

所述混合储能装置，由锂电池与超级电容器串联组成，用于根据光伏弃光进行充电及储能，并将储能后的电量用于调频及调峰。

作为优选地，所述锂电池由受控电压源与内阻串联构成。

作为优选地，所述超级电容器由理想电容器与等效内阻串联构成。

作为优选地，联产系统的功率输出关系包括：

其中，P_PV为光伏出力；P_N为电网可消纳的光伏部分电量；P_abandon为弃光电量；P_THERMAL为利用光伏产热的热电出力；P_HESS为混合储能的出力。

作为优选地，所述锂电池放电输出电压及功率的计算公式为：

其中，E(t)为受控电压源的输入电压；E₀为标称额定电压；i(t)是t时刻的放电控制电流；K为极化电压；Q为容量(Ah)；A代表指数区域的振幅；B表示指数区域的时间常数的倒数；U_bat(t)、I_bat(t)分别为t时刻锂电放电输出电压、电流，P_d(t)为输出功率。

作为优选地，所述锂电池充电的SOC的计算公式为：

其中，δ_{d_Li}、δ_{c_Li}分别为锂电充放电效率。

作为优选地，所述超级电容器放电的输出电压的计算公式为：

其中，U_SC(t)、I_SC(t)分别为超级电容电路的输出电压、电流；R_SC、X_{C_SC}分别为等效电阻和电容；C为电容的电容值；P_{d_SC}(t)、Q_{d_SC}(t)分别为超级电容的有功输出、无功输出。

作为优选地，所述超级电容器充电的SOC的计算公式为：

其中，δ_{d_SC}、δ_{c_SC}分别为超级电容的充放电效率。

作为优选地，所述光伏电池输出功率的计算公式为：

P_PV＝η_PVN_PVA_PVG_t

其中，P_PV是光伏功率，η_PV是瞬时效率，N_PV是面板的数量，A_PV是光伏发电机的表面积，G_t是太阳入射辐射W/m²。

作为优选地，所述热能输出功率的计算公式为：

P_THERMAL＝A_PVF_R((τ_α-τη_el)G_t-U_loss(T_in-T_a))

其中，P_THERMAL是热能，F_R是除热因子((无量纲，范围：0-1))，τ_α是传输-吸收因子，τ是玻璃的透射率，η_el是电效率，U_loss是总的热损失系数，T_in是流入温度。

相对于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：

1)本发明加入由容量大可以长时间持续放电的锂电池和充放电迅速可应对瞬时变化的超级电容组成的混合储能部分，并在锂电池部分采用与放电状态有关的受控源与内阻串联，帮助消纳弃光。利用弃光电量参与调峰、调频等多元服务，最终提高光伏利用率和经济效益。

2)本发明通过在光伏热联产模型上加入混合储能部分，利用光伏发电产生的弃光进行充电，从而帮助光伏发电消纳弃光，从而直接增加了原模型的利润收益。且由锂电池和超级电容组成的混合储能，在性能上形成互补，使得混合储能可以参与有不同充放电要求的多元服务，从而实现利用率的最大化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的混合储能、光伏、热能联产系统的结构示意图；

图2是本发明某一实施例提供的混合储能装置的结构示意图；

图3是本发明某一实施例提供的锂电池的结构示意图；

图4是本发明某一实施例提供的锂电池放电特性曲线示意图；

图5是本发明某一实施例提供的超级电容器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本发明某一实施例提供了一种混合储能、光伏、热能联产系统，包括：

PV面板、集热装置、光伏电池及混合储能装置；

所述PV面板用于接收太阳光进行光生伏特效应，并将产生的电能及热能分别输入至所述光伏电池及所述集热装置；

所述混合储能装置，由锂电池与超级电容器串联组成，用于根据光伏弃光进行充电及储能，并将储能后的电量用于调频及调峰。

需要说明的是，目前利用太阳能进行光伏发电的技术已经相对成熟，但是如何提高其能源利用率是本领域长期关注的重点。目前，市面上常见的两种发电模型，一种是光伏和热的联产模型，即用光伏(PV)层压板组成光伏集热器的吸收器从而组成组合面板用以将太阳能转换为电能和热能；另一种是具有电池存储功能的混合光伏-地热联产模型，通过设计一种合适的选择光伏面板以及储能电池数量的程序，以达到持续性发电的目的。

具体地，就能源利用率问题来说，上述两种模型都存在自身的缺点，第一种模型不涉及光伏出力问题以及对光伏发电的弃光问题。在此需要说明，出力在电力系统领域一般指的是输出功率，可以指设备或场站的有功或无功输出功率，此处的光伏出力指的就是光伏发电有功输出功率。弃光，放弃光伏所发电力，一般指的是不允许光伏系统并网，因为光伏系统所发电力功率受环境的影响而处于不断变化之中，不是稳定的电源，电网经营单位以此为由拒绝光伏系统的电网接入。而通常，弃光率的计算方式满足：弃光率＝光伏电站的发电量-(电力系统最大传输电量+负荷消纳电量)/光伏电站的发电量。鉴于第一种模型并没有考虑光伏出力及弃光问题，因此联产的利用率通常较为低下。

进一步地，第二种模型作为一个初步程序模型，对于储能所起到的作用以及电储能的类型并没有提及，同时也没有考虑光伏发电的弃光问题，同样不能大幅度提高联产的利用率。因此，在本实施例中主要提供一种能够大幅度提高光伏发电联产利用率联产发电系统。

具体地，请参阅图1，本发明实施例的联产系统包括：PV面板、集热装置、光伏电池及混合储能装置；可以了解，PV面板即太阳能面板，是一种利用半导体材料在光照条件下发生的光生伏特效应(photovoltaic)将太阳能直接转换为电能的器件，是诸多太阳能利用方式中最直接的一种，其大多数材料为硅。在PV面板进行光伏发电的过程中，可以通过集热装置收集该过程的热能，并计算该热能出力的大小，最后用于电网或能量市场。而PV面板产生的电力主要供给光伏电池，考虑光伏弃光问题，光伏发电中的弃光主要用于给混合储能装置进行充电，其中，混合储能装置，由锂电池与超级电容器串联组成，最终混合储能装置的能量能用于调频或调峰等多元服务。其中，该联产系统的功率输出关系为：

P_PV＝P_N+P_abandon (1)

P＝P_PV+P_THERMAL+P_HESS (2)

式中，P_PV为光伏出力；P_N为电网可消纳的光伏部分电量；P_abandon为弃光电量P_THERMAL为利用光伏产热的热电出力；P_HESS为混合储能的出力。

本发明实施例加入由容量大可以长时间持续放电的锂电池和充放电迅速可应对瞬时变化的超级电容组成的混合储能部分，并在锂电池部分采用与放电状态有关的受控源与内阻串联，帮助消纳弃光。利用弃光电量参与调峰、调频等多元服务，最终提高光伏利用率和经济效益。

在某一个实施例中，混合储能装置的结构如图2所示，为了简化分析过程，锂电池的模型选为与充放电状态相关的受控电压源与内阻串联，将超级电容器模型简化为理想电容器与等效内阻的串联，忽略并联内阻，则得到锂电池-超级电容的混合储能并联模型：

具体地，锂电池放电过程的模型如图3所示，放电过程中，其输出电压与功率的表达式为：

U_bat(t)＝E(t)-I_bat(t)R_in (4)

P_{d_Li}(t)＝U_bat(t)I_bat(t) (5)

式中，E(t)代表受控电压源的输入电压；E₀代表标称额定电压；i(t)是t时刻的放电控制电流；K代表极化电压；Q代表容量(Ah)；A代表指数区域的振幅；B表示指数区域的时间常数的倒数；后两个分别代表第二个放电特性对面积和初始放电阶段的影响)。U_bat(t)、I_bat(t)分别为t时刻锂电放电输出电压、电流，P_d(t)为输出功率。

进一步地，在本实施例中，还给出了锂电池放电特性曲线示意图，如图4所示，根据该图说明放电控制电流以及各控制参数：

A＝E_full-E_exp (7)

根据公式(3-9)，得出最后的输出功率表达式为：

在某一个实施例中，锂电池充电的过程为：利用光伏弃光出力为锂电池充电：

P_{c_Li}(t)＝P_abandon(t) (11)

进一步地，锂电池的SOC的计算公式为：

式中，δ_{d_Li}、δ_{c_Li}分别为锂电充放电效率。

在某一个实施例中，超级电容器的内部结构如图5所示，其中，可以将超级电容等效为理想电容与电阻的串联戴维南模型，由此可得到超级电容器等效电路的相关表达式：

U_SC(t)＝I_SC(t)(R_SC+X_{C_SC}) (13)

U_SC(t)＝U_bat(t) (19)

式中，U_SC(t)、I_SC(t)分别为超级电容电路的输出电压、电流；R_SC、X_{C_SC}分别为等效电阻和电容；C为电容的电容值；P_{d_SC}(t)、Q_{d_SC}(t)分别为超级电容的有功输出、无功输出。

在某一个实施例中，利用光伏弃光为超级电容器进行充电，即：

P_{c_SC}(t)＝P_abandon(t) (20)

进一步地，超级电容器的SOC的计算公式为：

式中，δ_{d_SC}、δ_{c_SC}分别为超级电容的充放电效率。

在某一个实施例中，光伏电池模型的功率为：

P_PV＝η_PVN_PVA_PVG_t (22)

式中，P_PV是光伏功率，η_PV是瞬时效率，N_PV是面板的数量，A_PV是光伏发电机的表面积，G_t是太阳入射辐射W/m²。

进一步地，其他参数还包括：

η_PV＝η_rη_PPT[1-βr(T_SP-T_r)] (23)

式中，η_r是面板参考效率，η_PPT是功率点跟踪器的效率，T_SP是太阳能面板温度，T_r是面板参考温度，βr是温度系数

式中，T_a是环境温度，T_NORM是正常工作温度

G_t＝r_tH (25)

式中，r_t是每小时辐射与每日辐射的比率，H是测得的每月(平均每天全球平均值)平均辐射

a＝0.049+0.5016sin(ω_S-60) (27)

b＝0.6609+0.4767sin(ω_S-60) (28)

ωi是小时角(以时间为单位)，太阳正午时等于0°。时角在早晨为负值，在下午为正值。每小时改变15度。ω_s是日落小时角

cosω_S＝-tanφtanδ (29)

φ是纬度，δ是太阳偏角

式中，n是一年中的一天，n的取值范围为(1，365)

在某一个实施例中，基于光伏的热能出力为：

P_THERMAL＝A_PVF_R((τ_α-τη_el)G_t-U_loss(T_in-T_a)) (31)

式中，P_THERMAL是热能，F_R是除热因子((无量纲，范围：0-1))，τ_α是传输-吸收因子，τ是玻璃的透射率，η_el是电效率，U_loss是总的热损失系数，T_in是流入温度。

进一步地，电效率η_el的计算公式为：

η_el＝η₀(1-0.0045[T_CELL-25℃] (32)

式中，η₀是标准条件下的电效率,T_CELL是电池温度。(通常电池的参数是在25℃的标准温度下获得的，因此我们可以得出η_el＝η₀)

式中，

是质量流量，c是比热(J/kgK),F′是集热效率系数(无量纲，范围：0-1)

F′＝{1/F_t+U_loss/h_ca+U_lossW/(πDh_tube)}^-1 (34)

式中，h_ca是从电池到吸收器的热传递系数，h_tube是从管到水的传热系数，W是管间距，D是外径管直径。

进一步地，F_t和F的计算公式分别为：

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种混合储能、光伏、热能联产系统，其特征在于，包括：

PV面板、集热装置、光伏电池及混合储能装置；

所述PV面板用于接收太阳光进行光生伏特效应，并将产生的电能及热能分别输入至所述光伏电池及所述集热装置；

所述混合储能装置，由锂电池与超级电容器串联组成，用于根据光伏弃光进行充电及储能，并将储能后的电量用于调频及调峰。

2.根据权利要求1所述的混合储能、光伏、热能联产系统，其特征在于，所述锂电池由受控电压源与内阻串联构成。

3.根据权利要求1所述的混合储能、光伏、热能联产系统，其特征在于，所述超级电容器由理想电容器与等效内阻串联构成。

4.根据权利要求1所述的混合储能、光伏、热能联产系统，其特征在于，联产系统的功率输出关系包括：

其中，P_PV为光伏出力；P_N为电网可消纳的光伏部分电量；P_abandon为弃光电量；P_THERMAL为利用光伏产热的热电出力；P_HESS为混合储能的出力。

5.根据权利要求2所述的混合储能、光伏、热能联产系统，其特征在于，所述锂电池放电输出电压及功率的计算公式为：

其中，E(t)为受控电压源的输入电压；E₀为标称额定电压；i(t)是t时刻的放电控制电流；K为极化电压；Q为容量(Ah)；A代表指数区域的振幅；B表示指数区域的时间常数的倒数；U_bat(t)、I_bat(t)分别为t时刻锂电放电输出电压、电流，P_d(t)为输出功率。

6.根据权利要求2所述的混合储能、光伏、热能联产系统，其特征在于，所述锂电池充电的SOC的计算公式为：

其中，δ_{d_Li}、δ_{c_Li}分别为锂电充放电效率。

7.根据权利要求3所述的混合储能、光伏、热能联产系统，其特征在于，所述超级电容器放电的输出电压的计算公式为：

其中，U_SC(t)、I_SC(t)分别为超级电容电路的输出电压、电流；R_SC、X_{C_SC}分别为等效电阻和电容；C为电容的电容值；P_{d_SC}(t)、Q_{d_SC}(t)分别为超级电容的有功输出、无功输出。

8.根据权利要求3所述的混合储能、光伏、热能联产系统，其特征在于，所述超级电容器充电的SOC的计算公式为：

其中，δ_{d_SC}、δ_{c_SC}分别为超级电容的充放电效率。

9.根据权利要求1所述的混合储能、光伏、热能联产系统，其特征在于，所述光伏电池输出功率的计算公式为：

P_PV＝η_PVN_PVA_PVG_t

其中，P_PV是光伏功率，η_PV是瞬时效率，N_PV是面板的数量，A_PV是光伏发电机的表面积，G_t是太阳入射辐射W/m²。

10.根据权利要求1所述的混合储能、光伏、热能联产系统，其特征在于，所述热能输出功率的计算公式为：

P_THERMAL＝A_PVF_R((τ_α-τη_el)G_t-U_loss(T_in-T_a))

其中，P_THERMAL是热能，F_R是除热因子((无量纲，范围：0-1))，τ_α是传输-吸收因子，τ是玻璃的透射率，η_el是电效率，U_loss是总的热损失系数，T_in是流入温度。

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