再生能源電池與超級電容混合儲能系統之應用與發展

摘要：本文將對再生能源的電池與超級電容混合儲能系統發展，以及在離網與併網系統的應用進行探討。首先說明系統架構，其次對各零組件的發展進行闡述，並說明目前的零組件包括鋰電池、超級電容、太陽能電池與系統電路模型，以及混合儲能系統在孤島微電網與併網系統的應用。最後說明在能源管理策略所使用控制策略與成本分析與優化。本文對再生能源結合混合儲能系統的分析與發展趨勢的闡述，將有助於研究人員對於混合儲能的應用與發展有進一步的瞭解，以減少研發時間，加速國內混合儲能產品的上市與擴大部署，以達到淨零碳排的目標。
Abstract：This article aims to explore the development of hybrid energy storage systems combining renewable energy batteries and supercapacitors, as well as their applications in off-grid and grid-connected systems. Firstly, the system architecture is introduced, followed by an explanation of the development of various components. The current components include lithium batteries, supercapacitors, solar cells, and system circuit models. The application of hybrid energy storage systems in isolated microgrids and grid-connected systems is also discussed. Lastly, the control strategies and cost analysis and optimization used in energy management strategies are explained. The analysis and discussion of the integration of renewable energy with hybrid energy storage systems in this article will contribute to researchers' further understanding of the application and development of hybrid energy storage, reducing research and development time, accelerating the introduction and widespread deployment of domestic hybrid energy storage products, and ultimately achieving the goal of net-zero carbon emissions.

關鍵詞：混合儲能、超級電容、再生能源
Keywords：Hybrid energy storage, Supercapacitor, Renewable energy

前言
為減少溫室效應，達成2050淨零碳排的目標，世界各國莫不致力於綠色能源的發展。由於綠色能源具有循環再生的特性，因此亦可稱為再生能源。在各項能源中，包括煤炭、石油、天然氣、核能等，近年來人類為減少石化與煤炭燃料的使用，使得電動車與再生能源成為發展的重點。再生能源有太陽能、風能、地熱、水力、生質能、海洋能與氫能等。為降低核能的使用，國內也大力發展風力發電與太陽能。但是太陽能只能在白天取得，是一種間歇性的能源，必須搭配儲能系統，才能有效的利用。以先進國家而言，太陽能發電已是成熟的技術，而儲能的技術發展與部署隨著淨零碳排的需求正方興未艾。國內業者也看到儲能的商機，因此愈來愈多的業者也相繼投入與布局儲能產業，以提升國內綠色能源的滲透率，協助政府早日達到淨零碳排的目標。單一的儲能系統鋰電池其功能有限，若能加上其他的儲存系統將有助於整體的效益的提升，因此近年來混合儲能系統更加受到矚目。有多種的混合儲能方式被提出，例如飛輪與鋰電池，或是超級電容與電池。由於目前全球電化學累計儲能裝機中鋰電池占比已達90%，且超級電容具有獨特的快速充放電的特性，因此本文將聚焦在鋰電池與超級電容，並透過鋰電池與超級電容的簡介、建模、能源管理策略與成本優化來說明再生能源混合儲能的應用與研究進展。因鉛酸電池容易產生故障，使用鋰電池可以解決鉛酸電池的問題，但是鋰電池會有高放電的問題，因此加入超級電容可以緩和鋰電池高放電的問題，延長鋰電池的壽命。因此間歇性太陽光電可再生能源的可行解決方案之一是高能量電池與超級電容器的混合。人工智慧自1956年創立以來，歷經兩次寒冬與兩次浪潮，目前是第三次浪潮。隨著晶片製造的技術大幅進步，使得電腦的計算速度愈來愈快，甚至結合人工智慧演算法的人工智慧晶片也被創造出來，並在各個領域如交通、醫療、金融、能源、製造等有著廣泛與深入的應用，具體的應用包括自駕車、電腦視覺、自然語言處理、精準控制等。我國為半導體製造生產的重鎮，更是AI晶片與伺服器的重要供應國，因此我們也將探討人工智慧在再生能源混合儲能系統的應用，如能源管理與成本優化，以達到最佳的供電效益與營運成本。
系統架構與各次系統建模
1.系統架構
本文所探討的系統由鋰電池、超級電容、太陽能陣列所組成，一個獨立的太陽能發電系統如圖1 [1]所示。太陽能陣列透過DC-DC升壓轉換器連接直流總線，負載接在直流總線上。混合儲能系統由鋰電池與超級電容兩個儲能次系統組成，兩者分別透過DC-DC降壓-升壓轉換器連接到直流總線。功率管理系統各使用一個PI控制器進行儲能次系統的控制，太陽能的追蹤方式採用最大功率點跟蹤(MTTP)控制器以達成追蹤目標。

圖1 再生能源混合儲能示意圖[1]
資料來源：Journal of Energy Storage ;工研院機械所重製

2. 混合儲能建模
可作為儲能電池的種類很多，如鉛酸電池、鋰離子電池、釩氧化還原液流電池、鈉硫電池等。本文將以鋰離子電池為例進行相關說明。