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呂潔：超級(jí)電容器在智能電網(wǎng)中的運(yùn)用
DQZHAN訊：呂潔：超級(jí)電容器在智能電網(wǎng)中的運(yùn)用
2014年4月1日，以智能變配電與電能測(cè)量管理為主題的探討會(huì)在國(guó)家會(huì)議中心舉辦。一直專(zhuān)注于超級(jí)電容器領(lǐng)域研究的美國(guó)麥克斯威中國(guó)區(qū)大客戶經(jīng)理呂潔受邀參加這次研討會(huì)并做演講，以下為演講內(nèi)容：
呂潔：各位領(lǐng)導(dǎo)，各位來(lái)賓大家下午好。我是呂潔，今天主要講一下我們用于智能電網(wǎng)輔助服務(wù)的超級(jí)電容器，也是和大家探討，我們經(jīng)驗(yàn)不是很多，有些示范項(xiàng)目在美國(guó)、中國(guó)。我們是專(zhuān)注做超級(jí)電容的，系統(tǒng)上涉獵的不是那么多，今天專(zhuān)家在這里，有不當(dāng)?shù)牡胤娇梢耘u(píng)指正。
介紹一下我們公司的情況，比較有歷史的一個(gè)公司，1969年，現(xiàn)在四百多人。我們公司做三種產(chǎn)品，超級(jí)容器只是一種，*近這幾年在各個(gè)領(lǐng)域越來(lái)越廣，公司比較重視超級(jí)電容這門(mén)技術(shù)。*早是1992年研發(fā)，大家聽(tīng)說(shuō)時(shí)間并不長(zhǎng)，進(jìn)入中國(guó)是2007年，2008年有一個(gè)大規(guī)模的應(yīng)用，風(fēng)電和混合動(dòng)力車(chē)領(lǐng)域。
簡(jiǎn)單介紹一下它的原理，有些儲(chǔ)能的論壇我參加了，它不超級(jí)電容和非容儲(chǔ)能歸為物理儲(chǔ)能，都是通過(guò)活性碳孔吸附正負(fù)粒子的動(dòng)作形成充放點(diǎn)，所以說(shuō)它的壽命比較長(zhǎng)。之所以叫超級(jí)電容，是因?yàn)榛钚蕴嫉恼归_(kāi)面積特別大，我們把吸附面積做的非常大，所以叫超級(jí)電容。
它是一個(gè)物理儲(chǔ)能，壽命比較長(zhǎng)，十萬(wàn)到一百萬(wàn)次的充放電周期，15年左右。充放電響應(yīng)速度比電池快，大家很熟悉這張圖，不同的儲(chǔ)能方式的一個(gè)比較。橫向的是功率密度，縱向是能量密度，它的功率密度是鋰電池傳統(tǒng)的鉛酸電池的數(shù)十倍，能量密度相對(duì)低很多，總的來(lái)說(shuō)是功率型的儲(chǔ)能元件。
它的一個(gè)制作過(guò)程其實(shí)很簡(jiǎn)單，是椰殼做成活性碳的粉末，壓到里面做成單體的模塊。里面有一些鹽和溶液在里面，作用是提供正負(fù)離子。其實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用*多的是混合動(dòng)力車(chē)和變槳控制系統(tǒng)。作用是混合動(dòng)力減少排油氣的排放，變槳是長(zhǎng)時(shí)間的俯沖，需要大電流的時(shí)候偶爾放電。在歐洲應(yīng)用的比較好，汽車(chē)排放要求比較高，所以說(shuō)有一個(gè)啟定系統(tǒng)，常規(guī)電源用電池，電池有一個(gè)問(wèn)題是突然啟動(dòng)的時(shí)候整車(chē)電壓有一個(gè)低落，這時(shí)候我們有一個(gè)暫態(tài)的電壓支撐。
*后一個(gè)是電壓穩(wěn)定，我們做過(guò)*大功率是三兆瓦，這是我們合作伙伴做的，他是做系統(tǒng)集成的。在美國(guó)簡(jiǎn)單介紹一下太陽(yáng)能示范的項(xiàng)目，電壓穩(wěn)定我們做一個(gè)模型，這是一個(gè)發(fā)電廠，這是一個(gè)用戶端的大的起重機(jī)，在這種大的使用電機(jī)有一個(gè)開(kāi)和關(guān)的動(dòng)作，其實(shí)對(duì)電網(wǎng)是有一個(gè)電壓的沖擊。這個(gè)電壓的沖擊對(duì)這個(gè)發(fā)電機(jī)的響應(yīng)速度有的時(shí)候不會(huì)足夠快，作為及時(shí)的響應(yīng)。
所以說(shuō)這個(gè)時(shí)候就需要增加儲(chǔ)能設(shè)備，來(lái)滿足局部的電壓波動(dòng)，達(dá)到它的需求，換取發(fā)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間。我剛剛講到三兆瓦的項(xiàng)目在上海新港，它和大陸有一段距離，大橋連接，有很大的海底的電纜做一個(gè)電能的輸送，里面的港機(jī)非常多，23臺(tái)，切換和運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)造成10到15秒的波動(dòng)，我們的作用是避免這些波動(dòng)。
因?yàn)槌浞烹姶螖?shù)多，壽命比較長(zhǎng)，在這個(gè)項(xiàng)目里設(shè)計(jì)方作為一個(gè)優(yōu)選做這個(gè)應(yīng)用，這是鳥(niǎo)瞰圖。
這是我們的一個(gè)模塊，外面做了一個(gè)箱體，126塊，功率三兆瓦，儲(chǔ)存是12.7千瓦時(shí)，放電時(shí)間平均是20秒，剛才講它是一個(gè)功率性的儲(chǔ)能元器件，時(shí)間比較短，恰恰因?yàn)闀r(shí)間短，功率大，用在這個(gè)場(chǎng)合比較合適。
剛才是一個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的局部電網(wǎng)的穩(wěn)定現(xiàn)在講一下用戶家電穩(wěn)定的需求，剛才這是用戶側(cè)，現(xiàn)在把工業(yè)的需求變成常規(guī)家庭用電需求，這個(gè)是一個(gè)太陽(yáng)能的電池板，配了一個(gè)1兆瓦平衡它波動(dòng)的小型的發(fā)電廠。剛才是用戶側(cè)的港機(jī)，現(xiàn)在是太陽(yáng)能的波動(dòng)，一個(gè)是在發(fā)電側(cè)，一個(gè)是在用戶側(cè)，這兩個(gè)*后的結(jié)果都是對(duì)局部電壓和頻率做一個(gè)擾動(dòng)。在廣泛使用太陽(yáng)能發(fā)電的地區(qū)，擾動(dòng)會(huì)降低供電質(zhì)量，對(duì)當(dāng)?shù)赜脩粼斐刹焕挠绊憽?br />我們這些數(shù)據(jù)在美國(guó)正在合作的項(xiàng)目數(shù)據(jù)，這是加州用太陽(yáng)能的一個(gè)情況。2020年的目標(biāo)可再生能源到33%的比例，現(xiàn)在太陽(yáng)能不到5%，2020年10%。
這個(gè)是太陽(yáng)能在24小時(shí)周期里面的一個(gè)曲線，中國(guó)的時(shí)候是*多的，早上和晚上會(huì)有一個(gè)減少。針對(duì)太陽(yáng)能的使用比例增加，它就為了抑制太陽(yáng)能波動(dòng)和變化，它需要在發(fā)電側(cè)做一些所謂的輔助市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)一些調(diào)節(jié)功率，才能響應(yīng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能波動(dòng)的需求。比如說(shuō)這是常規(guī)的發(fā)電，這是提前****的調(diào)峰的功率，它還有一個(gè)更高峰值的需求。如果需求滿足不了的話，電壓會(huì)有一個(gè)迅速的降低，會(huì)產(chǎn)生一些跳閘的現(xiàn)象等等。
加州的運(yùn)營(yíng)商每天在市場(chǎng)上采購(gòu)300到600千瓦來(lái)維持比例。
即使太陽(yáng)比較多，但是烏云對(duì)發(fā)電影響比較大，一片烏云過(guò)來(lái)的話，在分鐘內(nèi)造成大功率的影響，使發(fā)電電壓跌落，40%的變化很正常。這邊有一個(gè)統(tǒng)計(jì)，99%的情況是在負(fù)35到正38的一個(gè)變化區(qū)間。
太陽(yáng)能的比重增大，就造成了電網(wǎng)的壓力。這里做一個(gè)模型，就是滿足太陽(yáng)能調(diào)峰，穩(wěn)壓的小型電廠，調(diào)整是五分鐘。這里是一個(gè)用戶，這個(gè)是太陽(yáng)能，這個(gè)是發(fā)電廠對(duì)它功率變化的響應(yīng)。電能質(zhì)量滿足不了，負(fù)荷會(huì)跳閘，五分鐘后重置。這個(gè)模型我們推出的結(jié)論是太陽(yáng)能占總的發(fā)電比20%以上，電網(wǎng)就變的很不穩(wěn)定。這個(gè)時(shí)候我們就加了一個(gè)儲(chǔ)能的系統(tǒng)在里面，儲(chǔ)能系統(tǒng)在里面，這是一個(gè)儲(chǔ)能的系統(tǒng)，做一個(gè)輔助它對(duì)電壓的平滑。
這個(gè)模型顯示20秒的儲(chǔ)能，其實(shí)能把太陽(yáng)能發(fā)電比例提升到40%。這個(gè)不是說(shuō)儲(chǔ)能的時(shí)間越長(zhǎng)，太陽(yáng)能的使用率越高，在這里可以看到，你即使做到90秒的儲(chǔ)能，大概是**十使用太陽(yáng)能的比例，不是說(shuō)時(shí)間的增長(zhǎng)和比例的增長(zhǎng)成正比的，20秒40%的效率相當(dāng)于是*高的。
這是使用能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)之后的太陽(yáng)能輸出，黑色是能量?jī)?chǔ)存之前，這個(gè)是之后作為一個(gè)平滑。為什么說(shuō)用超級(jí)電容在這里面比較合適，我們算了一下它的充放電的周期，如果按30秒的儲(chǔ)能，夏天**會(huì)完成8.6個(gè)完整的充放周期，很多地方是淺充淺放，要換算成8.6個(gè)完整的充放周期。結(jié)合我們產(chǎn)品壽命的曲線和特性，其實(shí)它可以接近20年使用壽命。
超級(jí)電容和其他的比較，這是從兩個(gè)角度比較超級(jí)電容和電池其他元器件在電網(wǎng)中的一個(gè)性能，這個(gè)是時(shí)間和能量密度，這個(gè)是超容，幾十秒之內(nèi)放電的效率比較高，如果放電上千秒的話，在這里其實(shí)已經(jīng)停止了，相反鋰電池的話，時(shí)間延長(zhǎng)，每放出來(lái)的能量比較多，能量密度比較大，我們放幾十秒就完成了。這是能量密度，然后這個(gè)是時(shí)間壽命，我們壽命是一百萬(wàn)次，其他的元器件幾百次、上千次。所以說(shuō)同樣20秒的儲(chǔ)能，超電容要比電池小2到3倍，因?yàn)橐獫M足大電流的放電，用電容一個(gè)就夠了，體積就點(diǎn)小了。它的壽命比電池要長(zhǎng)很多，可以和太陽(yáng)能設(shè)備保持一致的壽命，20年。
剛才是一個(gè)原理的介紹，其實(shí)我們和加州做的項(xiàng)目規(guī)模不大，只有30千瓦，是在圣地亞哥分校加州大學(xué)做的，二期項(xiàng)目更大一些。
太陽(yáng)能之外我們也在探超電容在風(fēng)電和其他新能源的應(yīng)用，這是簡(jiǎn)單的原理圖，太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電。原理和剛才的差不多，做一個(gè)電壓波動(dòng)的平滑。這個(gè)圖里能看出來(lái)，這是超電容和鈉硫電池，和電池一起合作完成這個(gè)任務(wù)，能量密度比較大，長(zhǎng)時(shí)間的削峰平谷完成，短時(shí)間的用我們超電容完成。這是簡(jiǎn)單的超電容和其他技術(shù)的比較，下面是超電容，其實(shí)是時(shí)間上的比較，秒級(jí)三分鐘、20分鐘、八天、3個(gè)星期，每個(gè)時(shí)間段針對(duì)時(shí)間長(zhǎng)度不同儲(chǔ)能繼續(xù)，有的是生物能、水力發(fā)電等等，超電容是秒級(jí)和，*多三分鐘的時(shí)間。
這張圖是主能源設(shè)備，完成兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)是峰值功率需求，一個(gè)是持續(xù)功率需求，幾個(gè)串并聯(lián)就很多，要滿足它的放電時(shí)間和功率。這是剛才的一個(gè)變化圖，這是峰值功率，這是長(zhǎng)時(shí)間的功率需求，這是儲(chǔ)能源。比如說(shuō)電池、電機(jī)一些其他的技術(shù)。這是超級(jí)電容，峰值功率不需要它來(lái)應(yīng)付，我們來(lái)做就可以了，把它的體積縮小減少串并聯(lián)。
就像我介紹的，在其他工業(yè)領(lǐng)域超電容用的比較廣泛了，也是經(jīng)過(guò)市場(chǎng)考驗(yàn)了它的質(zhì)量和性能，在輔助服務(wù)商我們剛剛開(kāi)始做這個(gè)市場(chǎng)。但是我們通過(guò)一些示范項(xiàng)目，已經(jīng)證明它可以有效的來(lái)平滑局部電網(wǎng)對(duì)電壓的波動(dòng)，包括太陽(yáng)能，包括風(fēng)能。他和其他的元器件比是它的功率比較大，儲(chǔ)能時(shí)間相對(duì)短，有些用對(duì)了場(chǎng)合利用它的高功率短時(shí)間充放電的性能，比電池的方案要小兩到三倍。有些場(chǎng)合需要能量和功率，和電池簡(jiǎn)單的并聯(lián)可以對(duì)系統(tǒng)和體積上的優(yōu)化。
再就是它的壽命，因?yàn)樗俏锢韮?chǔ)能，沒(méi)有化學(xué)，與太陽(yáng)能、風(fēng)能相當(dāng)?shù)膬?chǔ)能設(shè)備。*后希望和大家有機(jī)會(huì)合作，在系統(tǒng)層面上做一點(diǎn)事情，謝謝。

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