CN113691023A - 一种基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统及方法，包括高温超导电磁储能装置、液氮罐、锂电池储能阵列和锂离子电池阵列降温系统；锂电池储能阵列周向布置在高温超导电磁储能装置和液氮罐的外部，锂离子电池阵列降温系统与锂电池储能阵列相邻布置；高温超导电磁储能装置包括双向线圈、高温超导电磁储能充能线圈、高温超导电磁储能释能线圈和高温超导电磁储能测控装置，液氮罐内设置有柱芯，柱芯的侧壁分布有凹槽，双向线圈缠绕在凹槽内，高温超导电磁储能充能线圈和高温超导电磁储能释能线圈分别与双向线圈连接。通过温度场和复合储能系统的设计，实现了光伏电站的储能和快速响应电网调频，提高了储能的能量转换效率。

Description

一种基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统及方法，属于光伏发电储能领域。

背景技术

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，主要部件由电子元器件构成。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。硅原子有4个外层电子，如果在纯硅中掺入有5个外层电子的原子如磷原子，就成为N型半导体；若在纯硅中掺入有3个外层电子的原子如硼原子，形成P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，电流便从P型一边流向N型一边，形成电流。

与常用的火力发电系统相比，光伏发电的优点主要体现于：

1．无枯竭危险；

2．安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；

3．不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；例如，无电地区，以及地形复杂地区；

4．无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；

5．能源质量高；

6．使用者从感情上容易接受；

7．建设周期短，获取能源花费的时间短。

并网光伏发电：并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。而分散式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。

分布式光伏发电：分布式光伏发电系统，又称分散式发电或分布式供能，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求。分布式光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。

光伏发电系统是由太阳能电池方阵，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，太阳跟踪控制系统等设备组成。

逆变器：是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。

汇流箱：汇流箱是指用户可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流箱，在光伏汇流箱内汇流后，通过控制器，直流配电柜，光伏逆变器，交流配电柜，配套使用从而构成完整的光伏发电系统，实现与市电并网。

超导储能是由于超导磁体环流在零电阻下无能耗运行持久地储存电磁能，且在短路情况下运行，所以称超导储能。超导线圈的优点在于，一次储能可长期无损耗地保存，又可瞬时放出，储存能量高，装置体积小，节省了常规所需的送变电设备和减少送变电损耗。

超导储能的优点很多，主要是功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快等等，因此应用很广。如大功率激光器，需要在瞬时提供数千乃至上万焦耳的能量，这就可由超导储能装置来承担。超导储能还可以用于电网。

锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M. S.Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用对环境要求非常高。随着科学技术的发展，锂电池已经成为了主流。

锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。放电反应：Li+MnO₂=LiMnO₂。

锂电池优点：

1．能量比较高。具有高储存能量密度，已达到460-600Wh/kg；

2．使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10,000次的记录；

3．额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术，将电压调至3.0V，以适合小电器的使用；

4．具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；

5．自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；

6．重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；

7．高低温适应性强，可以在-20℃--60℃的环境下使用；

8．绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质；

9．生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。

目前，光伏电站无平滑出力曲线功能，也不具备快速响应电网调频的能力，因此如果发明一种基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统及方法，将可以在负载不高的时候，将电能储存起来，在负载高的时候再释放电能，提高光能利用率，平滑出力曲线，并且光伏电站将能够实现快速响应电网调频，将产生极大的经济效益。

目前还没有针对基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统及方法开展相关研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统及方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统，其特征是，包括高温超导电磁储能装置、液氮罐、锂电池储能阵列和锂离子电池阵列降温系统；所述锂电池储能阵列周向布置在高温超导电磁储能装置和液氮罐的外部，所述锂电池储能阵列与锂电池储能阵列电流电压控制装置连接，所述锂电池储能阵列电流电压控制装置与锂电池储能控制开关连接，所述锂离子电池阵列降温系统与锂电池储能阵列相邻布置；所述高温超导电磁储能装置包括双向线圈、高温超导电磁储能控制开关、高温超导电磁储能充能线圈、高温超导电磁储能释能线圈和高温超导电磁储能测控装置，所述液氮罐内设置有柱芯，所述柱芯的侧壁分布有凹槽，所述双向线圈缠绕在凹槽内，所述高温超导电磁储能充能线圈和高温超导电磁储能释能线圈分别与双向线圈连接，所述高温超导电磁储能控制开关分别与高温超导电磁储能充能线圈和高温超导电磁储能释能线圈连接，所述高温超导电磁储能测控装置与高温超导电磁储能控制开关连接。

所述液氮罐的侧壁包括内壁和外壁，所述内壁与外壁之间具有中间隔层，所述中间隔层为真空；所述内壁和外壁上均电镀有覆银层和导热系数低的氧化锆层。

光伏电站直流配电柜出线的直流电直接进入基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统。

工作方法如下：

1）当光伏电站直流配电柜出线的直流电按照日发电曲线增加发电量变化趋势较大或者波动范围（预设阙值）较大时，锂电池储能控制开关开启，开始向锂电池储能阵列储存电能；当光伏电站直流配电柜出线的直流电按照日发电曲线减少发电量变化趋势较大或者波动范围（预设阙值）较大时，锂电池储能控制开关断开，锂电池储能阵列开始向负载释放电能；储存电能和释放电能的过程中，锂电池储能阵列电流电压控制装置控制锂电池储能阵列的储能和释能的速度和状态，当锂电池储能阵列的电压达到预定上限时，停止储能，当锂电池储能阵列的电压下降到预定下线时，停止释放能量，同时锂电池储能阵列电流电压控制装置控制储能和释放能量的电流值，保证系统安全；上述过程中产生的热量由锂离子电池阵列降温系统排出，保障系统温度场的稳定；

2）当光伏电站直流配电柜出线的直流电波动范围（预设阙值）较小、电能瞬时增加或者电网需要快速响应调频时，高温超导电磁储能测控装置开启高温超导电磁储能控制开关，闭合高温超导电磁储能充能线圈，开始向双向线圈储存电能；当光伏电站直流配电柜出线的直流电波动范围（预设阙值）较小、电能瞬时减少或者电网需要快速响应调频时，高温超导电磁储能测控装置开启高温超导电磁储能控制开关，断开高温超导电磁储能充能线圈，闭合高温超导电磁储能释能线圈，双向线圈开始向负载释放电能；

3）高温超导电磁储能控制开关、高温超导电磁储能测控装置、锂电池储能控制开关、锂电池储能阵列电流电压控制装置、锂电池储能阵列和锂离子电池阵列降温系统控制的温度场维持了温度场的稳定；

4）中间隔层的真空状态，液氮罐罐体的内壁和外壁电镀的覆银层和导热系数低的氧化锆层基本隔绝了液氮罐的散冷；高温超导电磁储能控制开关、高温超导电磁储能充能线圈和高温超导电磁储能释能线圈的设计杜绝了双向线圈与外界的直接接触，保障了双向线圈的超导环境；

5）光伏电站直流配电柜出线的直流电直接进入基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统提高了储能转换效率。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、结构设计合理，实用性强，适合光伏发电行业使用，具备可操作性，实践证明是一种很好的设计。

2、具备科学性，能满足光伏场站的要求。

3、灵敏度高，具有广泛适用性。

4、降低光伏电站成本，节约能源，提升经济效益。

附图说明

图1是本发明系统的整体结构示意图。

图2是本发明液氮罐的内部结构示意图。

图3是本发明液氮罐的罐体剖面局部结构示意图。

图中：高温超导电磁储能装置1、液氮罐2、柱芯3、凹槽4、双向线圈5、高温超导电磁储能控制开关6、高温超导电磁储能充能线圈7、高温超导电磁储能释能线圈8、高温超导电磁储能测控装置9、锂电池储能阵列10、锂电池储能控制开关11、锂电池储能阵列电流电压控制装置12、锂离子电池阵列降温系统13、中间隔层14、内壁15、外壁16、覆银层17、氧化锆层18。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1至图3，本实施例中，一种基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统，包括高温超导电磁储能装置1、液氮罐2、锂电池储能阵列10和锂离子电池阵列降温系统13；锂电池储能阵列10周向布置在高温超导电磁储能装置1和液氮罐2的外部，锂电池储能阵列10与锂电池储能阵列电流电压控制装置12连接，锂电池储能阵列电流电压控制装置12与锂电池储能控制开关11连接，锂离子电池阵列降温系统13与锂电池储能阵列10相邻布置；高温超导电磁储能装置1包括双向线圈5、高温超导电磁储能控制开关6、高温超导电磁储能充能线圈7、高温超导电磁储能释能线圈8和高温超导电磁储能测控装置9，液氮罐2内设置有柱芯3，柱芯3的侧壁分布有凹槽4，双向线圈5缠绕在凹槽4内，高温超导电磁储能充能线圈7和高温超导电磁储能释能线圈8分别与双向线圈5连接，高温超导电磁储能控制开关6分别与高温超导电磁储能充能线圈7和高温超导电磁储能释能线圈8连接，高温超导电磁储能测控装置9与高温超导电磁储能控制开关6连接。

液氮罐2的侧壁包括内壁15和外壁16，内壁15与外壁16之间具有中间隔层14，中间隔层14为真空；内壁15和外壁16上均电镀有覆银层17和导热系数低的氧化锆层18。

双向线圈5沿着凹槽4螺旋缠绕至柱芯3顶部再反向螺旋缠绕下来。

光伏电站直流配电柜出线的直流电直接进入基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统。

工作方法如下：

1）当光伏电站直流配电柜出线的直流电按照日发电曲线增加发电量变化趋势较大或者波动范围（预设阙值）较大时，锂电池储能控制开关11开启，开始向锂电池储能阵列10储存电能；当光伏电站直流配电柜出线的直流电按照日发电曲线减少发电量变化趋势较大或者波动范围（预设阙值）较大时，锂电池储能控制开关11断开，锂电池储能阵列10开始向负载释放电能；储存电能和释放电能的过程中，锂电池储能阵列电流电压控制装置12控制锂电池储能阵列10的储能和释能的速度和状态，当锂电池储能阵列10的电压达到预定上限时，停止储能，当锂电池储能阵列10的电压下降到预定下线时，停止释放能量，同时锂电池储能阵列电流电压控制装置12控制储能和释放能量的电流值，保证系统安全；上述过程中产生的热量由锂离子电池阵列降温系统13排出，保障系统温度场的稳定；

2）当光伏电站直流配电柜出线的直流电波动范围（预设阙值）较小、电能瞬时增加或者电网需要快速响应调频时，高温超导电磁储能测控装置9开启高温超导电磁储能控制开关6，闭合高温超导电磁储能充能线圈7，开始向双向线圈5储存电能；当光伏电站直流配电柜出线的直流电波动范围（预设阙值）较小、电能瞬时减少或者电网需要快速响应调频时，高温超导电磁储能测控装置9开启高温超导电磁储能控制开关6，断开高温超导电磁储能充能线圈7，闭合高温超导电磁储能释能线圈8，双向线圈5开始向负载释放电能；

3）高温超导电磁储能控制开关6、高温超导电磁储能测控装置9、锂电池储能控制开关11、锂电池储能阵列电流电压控制装置12、锂电池储能阵列10和锂离子电池阵列降温系统13控制的温度场维持了温度场的稳定；

4）中间隔层14的真空状态，液氮罐2罐体的内壁15和外壁16电镀的覆银层17和导热系数低的氧化锆层18基本隔绝了液氮罐2的散冷；高温超导电磁储能控制开关6、高温超导电磁储能充能线圈7和高温超导电磁储能释能线圈8的设计杜绝了双向线圈5与外界的直接接触，保障了双向线圈5的超导环境；

5）光伏电站直流配电柜出线的直流电直接进入基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统提高了储能转换效率。

系统内外线圈平衡电磁力，锂电池储能容量大，做储能基本储能载荷。高温超导电磁储能充放迅速，响应速度快，负责电网调频、调峰和小范围快速响应储能。液氮罐2为高压压力罐。

本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统，其特征是，包括高温超导电磁储能装置（1）、液氮罐（2）、锂电池储能阵列（10）和锂离子电池阵列降温系统（13）；所述锂电池储能阵列（10）周向布置在高温超导电磁储能装置（1）和液氮罐（2）的外部，所述锂电池储能阵列（10）与锂电池储能阵列电流电压控制装置（12）连接，所述锂电池储能阵列电流电压控制装置（12）与锂电池储能控制开关（11）连接，所述锂离子电池阵列降温系统（13）与锂电池储能阵列（10）相邻布置；所述高温超导电磁储能装置（1）包括双向线圈（5）、高温超导电磁储能控制开关（6）、高温超导电磁储能充能线圈（7）、高温超导电磁储能释能线圈（8）和高温超导电磁储能测控装置（9），所述液氮罐（2）内设置有柱芯（3），所述柱芯（3）的侧壁分布有凹槽（4），所述双向线圈（5）缠绕在凹槽（4）内，所述高温超导电磁储能充能线圈（7）和高温超导电磁储能释能线圈（8）分别与双向线圈（5）连接，所述高温超导电磁储能控制开关（6）分别与高温超导电磁储能充能线圈（7）和高温超导电磁储能释能线圈（8）连接，所述高温超导电磁储能测控装置（9）与高温超导电磁储能控制开关（6）连接。

2.根据权利要求1所述的基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统，其特征是，所述液氮罐（2）的侧壁包括内壁（15）和外壁（16），所述内壁（15）与外壁（16）之间具有中间隔层（14），所述中间隔层（14）为真空；所述内壁（15）和外壁（16）上均电镀有覆银层（17）和导热系数低的氧化锆层（18）。

3.根据权利要求1所述的基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统，其特征是，光伏电站直流配电柜出线的直流电直接进入基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统的工作方法，其特征是，过程如下：

1）当光伏电站直流配电柜出线的直流电按照日发电曲线增加发电量变化趋势较大或者波动范围较大时，锂电池储能控制开关（11）开启，开始向锂电池储能阵列（10）储存电能；当光伏电站直流配电柜出线的直流电按照日发电曲线减少发电量变化趋势较大或者波动范围较大时，锂电池储能控制开关（11）断开，锂电池储能阵列（10）开始向负载释放电能；储存电能和释放电能的过程中，锂电池储能阵列电流电压控制装置（12）控制锂电池储能阵列（10）的储能和释能的速度和状态，当锂电池储能阵列（10）的电压达到预定上限时，停止储能，当锂电池储能阵列（10）的电压下降到预定下线时，停止释放能量，同时锂电池储能阵列电流电压控制装置（12）控制储能和释放能量的电流值，保证系统安全；上述过程中产生的热量由锂离子电池阵列降温系统（13）排出，保障系统温度场的稳定；

2）当光伏电站直流配电柜出线的直流电波动范围较小、电能瞬时增加或者电网需要快速响应调频时，高温超导电磁储能测控装置（9）开启高温超导电磁储能控制开关（6），闭合高温超导电磁储能充能线圈（7），开始向双向线圈（5）储存电能；当光伏电站直流配电柜出线的直流电波动范围较小、电能瞬时减少或者电网需要快速响应调频时，高温超导电磁储能测控装置（9）开启高温超导电磁储能控制开关（6），断开高温超导电磁储能充能线圈（7），闭合高温超导电磁储能释能线圈（8），双向线圈（5）开始向负载释放电能；

3）高温超导电磁储能控制开关（6）、高温超导电磁储能测控装置（9）、锂电池储能控制开关（11）、锂电池储能阵列电流电压控制装置（12）、锂电池储能阵列（10）和锂离子电池阵列降温系统（13）控制温度场使其稳定；

4）中间隔层（14）真空状态，液氮罐（2）罐体的内壁（15）和外壁（16）电镀的覆银层（17）和导热系数低的氧化锆层（18）隔绝液氮罐（2）的散冷；高温超导电磁储能控制开关（6）、高温超导电磁储能充能线圈（7）和高温超导电磁储能释能线圈（8）杜绝双向线圈（5）与外界直接接触，保障双向线圈（5）的超导环境；

5）光伏电站直流配电柜出线的直流电直接进入基于温度场控制技术的光伏直流复合储能系统提高储能转换效率。

Images