【关注】赝电容是否是未来的光伏储能技术？

前言

与其它再生能源一样，光伏发电的最大硬伤是它的不稳定性。阳光充足的时候发电多，阳光不足的时候发电少，这是它无法改变的本性。当光伏发电还只是个零碎的时候，光伏的不稳定性对电网的影响几乎可以忽略不计；但是随着光伏发电在整个电网中的占比不断提升，这就变成了一个非常严重的问题。光伏发电太多，电网无法消纳；光伏发电太少，无法满足用电侧需求。弃光限电，实在是因为电网无法承受而不得已之举，并不是所谓的传统能源对再生能源的抵触。这个问题如何解决？兔子在这里简单的做一下探讨，并试着介绍一种新型的储能材料——赝电容。

1.提高光伏发电稳定性的途径

要想提高光伏发电的稳定性，途径无非有三：（1）多能互补，风能+光能、水利+光能、化石+光伏，等等；（2）地域平均，用地理地域最大程度的平滑发电量波动；（3）用储能来调峰调频。三种途径，均涉及到对光伏发电侧和用电侧的精确预测，兔子以后会为大家介绍相关的预测技术。（1）（2）暂且不表，兔子在此只想简单的探讨一下（3）储能技术。

储能技术又可以大致分为（1）机械储能，包括飞轮，高压，抽水等等；（2）热储能；（3）生物储能；（4）电储能四个方向。应用场景各有不同。而电储能，因为其高能量密度，高度模块化可控性，运输部署方便的特点，是目前光伏储能的主流方向。

2.电储能的基本原理和特点

电储能，其基本原理是在器件的空间上实现电荷的非对称分布，使得两个端口产生正电荷和负电荷的堆积，也即是使得器件的一个端口为正极，另一个端口为负极。当两极连上外电路的时候，电荷重新分布，能量就可以释放出来供外电路使用。作为逆过程，如果给两个端口加上电压，正负电荷则可以重新堆积，实现充电的状态。电储能最重要的性能指标包括三个：充放电能量密度（EnergyDensity），充放电功率密度（PowerDensity），充放电寿命（Lifecycle）。根据应用场景的不同，“密度”可为体积密度（比如手机笔记本电脑），也可为重量密度（比如电动汽车）。根据应用场景的不同，其他重要的性能指标还包括温度系数，温度适用范围，深度充放能力，回收率，价格等等。

3.电储能的分类

兔子反复强调具体应用场景，这是因为电储能技术多如牛毛，性能指标各有短长，只有限定了应用场景才能找到适用的储能技术，甚至做出具有针对性的开发。任何不提应用场景，只管吹嘘自己储能技术有多牛B的，都是耍流氓。

比如最重要的两个性能指标，能量密度和功率密度，通常就是鱼和熊掌不可兼得。Kim有一个比较直观的图表如下。一般电容器（Capacitor）具有极高的功率密度，可以瞬间输出极高的功率；但是其能量密度极低，能量输出不能持久。在另外一个极端，电池（Battery）和燃料电池（FuelCell）则是完全相反，能量密度极高，而输出功率偏低。处于两个极端中间的，则是所谓的超级电容（Supercapacitor）。

如此这般，那需要什么样的电储能技术才能配合光伏太阳能系统的需求？光伏是一个非常非常棘手的场景，既需要高功率密度的充放电从而平滑因为天气瞬间变化（比如云飘过）引起的高爬坡速率，又需要高能量密度以求在尽可能长的时间范围内实现调峰调频。同时，深度充放电，昼夜四季温差，都对电储能技术提出了巨大挑战。作为常规常用的蓄电池，不管是锂基电池还是铅酸电池，都还不具备理想的功率密度。为了应付瞬息万变的光伏发电，必须要连接相当数量的电池组从而提供足够的功率输出。这样不可避免的提高了储能的成本。

单从能量密度和功率密度这两个指标来看，适合于光伏的储能技术，在保证能量密度的情况下，必须要提升功率密度。因此，兔子认为，作为超级电容的一种，近年来高速发展的赝电容（pseudo-capacitor），可能成为光伏储能的未来技术。

3.赝电容

“赝”的意思就是“假”。“赝电容”这个名词表明了这是一种又像是电容又不太像传统电容的器件。赝电容继承了一般电容高功率密度，高充放电寿命的特点；而其高能量密度的特点，又比较接近于电池。其电化学原理如下图所示。首先，电荷的吸附是一个发生在电极表面的过程（adspotion），发生在表面就意味着赝电容可以像一般电容一样快速的释放电荷，实现很高的功率密度。其次，在离表面不远的地方，还可以发生氧化还原反应（redoxreaction），氧化还原反应其实就类似于电池，需要花一点点时间来完成，也就是可以比较持久的提供电能。最后，层状结构的电极材料还可以使得电荷慢慢的渗透扩散到比较深入的范德华层之间（intercalation），这个储能的能量密度就更大了。结合这些特质，这就是为什么赝电容可以同时实现比较高的能量密度和功率密度的原因。

事实上，研究人员已经做出了将赝电容和太阳能电池做在一起的混合器件，初步验证了用赝电容稳定光伏太阳能发电的可能性。当阳光充足的时候，太阳能电池可以为赝电容充电，而阳光匮乏的时候，赝电容可以放电为太阳能电池发电做出有力的补充。

总结

由于光伏发电不稳定这个“硬伤”，储能技术一直是发展的热点。业界一直期待一种符合光伏应用条件的，能量密度高，功率密度高，寿命长，能够应付环境苛刻条件，同时还便宜的储能技术。或许，赝电容会是一个有希望的候选技术？让我们拭目以待！