前言：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%的電網滲透率并不遙遠。到時候還這么靠天吃飯陰晴圓缺，前一分鐘發電10度后一分鐘只發電5度的狀況，電網、工商用戶、居民，誰受得了?

兔子斗膽預測，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范圍(數小時)，主要是為了調峰，即實現發電側和用電側的匹配。那基本上是什么便宜上什么，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范圍之內，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，到底什么樣的儲能才是光伏發電所需要的?學界和業界此前并無系統的歸納總結，讓人摸不到頭腦。

幸而新南威爾士大學博士研究生江嶼的“Suitabilityofrepresentativeelectrochemicalenergystoragetechnologiesforramp-ratecontrolofphotovoltaicpower”《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。兔子不敢耽誤，在此奉獻給大家。

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于10%。許多國家新進推出的并網標準，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。在多云的天氣，50%的爬坡速率也很常見，所以必須要加以處理(見下圖)。組件優化器、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，要不就是讓組件發電偏離最佳功率點，要不就是砍掉多余的出力，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(而不是直接把多余發電切掉不要了);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，關系到充放電的持續性;二是功率密度，關系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里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紅線為平滑后)。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)，快速響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。

不同的光伏系統對于儲能系統的要求大不相同。文章考察了單個組件、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”(geographicalaggregation)的發電出力平滑能力。在江嶼的算法中，引入了一個叫做截斷頻率(cut-offfrequency)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。目前相較于鉛酸電池，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。至于電容系列，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沖，相去甚遠。研究發現，高能量密度的鋰離子電池(低于600瓦時每升)最符合光伏出力緩沖的要求，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——在微型逆變器和組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(儲能單元使得光伏組件不需要過度偏離組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立方厘米之內，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%的達標率(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，用于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，儲能和光伏系統的接口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，接口模式的研發比儲能材料和器件本身的研發同等重要!