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呂潔：超級電容器在智能電網中的運用
DQZHAN訊：呂潔：超級電容器在智能電網中的運用
2014年4月1日，以智能變配電與電能測量管理為主題的探討會在國家會議中心舉辦。一直專注于超級電容器領域研究的美國麥克斯威中國區大客戶經理呂潔受邀參加這次研討會并做演講，以下為演講內容：
呂潔：各位領導，各位來賓大家下午好。我是呂潔，今天主要講一下我們用于智能電網輔助服務的超級電容器，也是和大家探討，我們經驗不是很多，有些示范項目在美國、中國。我們是專注做超級電容的，系統上涉獵的不是那么多，今天專家在這里，有不當的地方可以批評指正。
介紹一下我們公司的情況，比較有歷史的一個公司，1969年，現在四百多人。我們公司做三種產品，超級容器只是一種，*近這幾年在各個領域越來越廣，公司比較重視超級電容這門技術。*早是1992年研發，大家聽說時間并不長，進入中國是2007年，2008年有一個大規模的應用，風電和混合動力車領域。
簡單介紹一下它的原理，有些儲能的論壇我參加了，它不超級電容和非容儲能歸為物理儲能，都是通過活性碳孔吸附正負粒子的動作形成充放點，所以說它的壽命比較長。之所以叫超級電容，是因為活性碳的展開面積特別大，我們把吸附面積做的非常大，所以叫超級電容。
它是一個物理儲能，壽命比較長，十萬到一百萬次的充放電周期，15年左右。充放電響應速度比電池快，大家很熟悉這張圖，不同的儲能方式的一個比較。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的鉛酸電池的數十倍，能量密度相對低很多，總的來說是功率型的儲能元件。
它的一個制作過程其實很簡單，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，作用是提供正負離子。其實現在應用*多的是混合動力車和變槳控制系統。作用是混合動力減少排油氣的排放，變槳是長時間的俯沖，需要大電流的時候偶爾放電。在歐洲應用的比較好，汽車排放要求比較高，所以說有一個啟定系統，常規電源用電池，電池有一個問題是突然啟動的時候整車電壓有一個低落，這時候我們有一個暫態的電壓支撐。
*后一個是電壓穩定，我們做過*大功率是三兆瓦，這是我們合作伙伴做的，他是做系統集成的。在美國簡單介紹一下太陽能示范的項目，電壓穩定我們做一個模型，這是一個發電廠，這是一個用戶端的大的起重機，在這種大的使用電機有一個開和關的動作，其實對電網是有一個電壓的沖擊。這個電壓的沖擊對這個發電機的響應速度有的時候不會足夠快，作為及時的響應。
所以說這個時候就需要增加儲能設備，來滿足局部的電壓波動，達到它的需求，換取發電機的響應時間。我剛剛講到三兆瓦的項目在上海新港，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電能的輸送，里面的港機非常多，23臺，切換和運行過程中對電網造成10到15秒的波動，我們的作用是避免這些波動。
因為充放電次數多，壽命比較長，在這個項目里設計方作為一個優選做這個應用，這是鳥瞰圖。
這是我們的一個模塊，外面做了一個箱體，126塊，功率三兆瓦，儲存是12.7千瓦時，放電時間平均是20秒，剛才講它是一個功率性的儲能元器件，時間比較短，恰恰因為時間短，功率大，用在這個場合比較合適。
剛才是一個工業領域的局部電網的穩定現在講一下用戶家電穩定的需求，剛才這是用戶側，現在把工業的需求變成常規家庭用電需求，這個是一個太陽能的電池板，配了一個1兆瓦平衡它波動的小型的發電廠。剛才是用戶側的港機，現在是太陽能的波動，一個是在發電側，一個是在用戶側，這兩個*后的結果都是對局部電壓和頻率做一個擾動。在廣泛使用太陽能發電的地區，擾動會降低供電質量，對當地用戶造成不利的影響。
我們這些數據在美國正在合作的項目數據，這是加州用太陽能的一個情況。2020年的目標可再生能源到33%的比例，現在太陽能不到5%，2020年10%。
這個是太陽能在24小時周期里面的一個曲線，中國的時候是*多的，早上和晚上會有一個減少。針對太陽能的使用比例增加，它就為了抑制太陽能波動和變化，它需要在發電側做一些所謂的輔助市場上購買一些調節功率，才能響應調節太陽能波動的需求。比如說這是常規的發電，這是提前****的調峰的功率，它還有一個更高峰值的需求。如果需求滿足不了的話，電壓會有一個迅速的降低，會產生一些跳閘的現象等等。
加州的運營商每天在市場上采購300到600千瓦來維持比例。
即使太陽比較多，但是烏云對發電影響比較大，一片烏云過來的話，在分鐘內造成大功率的影響，使發電電壓跌落，40%的變化很正常。這邊有一個統計，99%的情況是在負35到正38的一個變化區間。
太陽能的比重增大，就造成了電網的壓力。這里做一個模型，就是滿足太陽能調峰，穩壓的小型電廠，調整是五分鐘。這里是一個用戶，這個是太陽能，這個是發電廠對它功率變化的響應。電能質量滿足不了，負荷會跳閘，五分鐘后重置。這個模型我們推出的結論是太陽能占總的發電比20%以上，電網就變的很不穩定。這個時候我們就加了一個儲能的系統在里面，儲能系統在里面，這是一個儲能的系統，做一個輔助它對電壓的平滑。
這個模型顯示20秒的儲能，其實能把太陽能發電比例提升到40%。這個不是說儲能的時間越長，太陽能的使用率越高，在這里可以看到，你即使做到90秒的儲能，大概是**十使用太陽能的比例，不是說時間的增長和比例的增長成正比的，20秒40%的效率相當于是*高的。
這是使用能量儲存系統之后的太陽能輸出，黑色是能量儲存之前，這個是之后作為一個平滑。為什么說用超級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秒的儲能，夏天**會完成8.6個完整的充放周期，很多地方是淺充淺放，要換算成8.6個完整的充放周期。結合我們產品壽命的曲線和特性，其實它可以接近20年使用壽命。
超級電容和其他的比較，這是從兩個角度比較超級電容和電池其他元器件在電網中的一個性能，這個是時間和能量密度，這個是超容，幾十秒之內放電的效率比較高，如果放電上千秒的話，在這里其實已經停止了，相反鋰電池的話，時間延長，每放出來的能量比較多，能量密度比較大，我們放幾十秒就完成了。這是能量密度，然后這個是時間壽命，我們壽命是一百萬次，其他的元器件幾百次、上千次。所以說同樣20秒的儲能，超電容要比電池小2到3倍，因為要滿足大電流的放電，用電容一個就夠了，體積就點小了。它的壽命比電池要長很多，可以和太陽能設備保持一致的壽命，20年。
剛才是一個原理的介紹，其實我們和加州做的項目規模不大，只有30千瓦，是在圣地亞哥分校加州大學做的，二期項目更大一些。
太陽能之外我們也在探超電容在風電和其他新能源的應用，這是簡單的原理圖，太陽能和風力發電。原理和剛才的差不多，做一個電壓波動的平滑。這個圖里能看出來，這是超電容和鈉硫電池，和電池一起合作完成這個任務，能量密度比較大，長時間的削峰平谷完成，短時間的用我們超電容完成。這是簡單的超電容和其他技術的比較，下面是超電容，其實是時間上的比較，秒級三分鐘、20分鐘、八天、3個星期，每個時間段針對時間長度不同儲能繼續，有的是生物能、水力發電等等，超電容是秒級和，*多三分鐘的時間。
這張圖是主能源設備，完成兩個任務，一個是峰值功率需求，一個是持續功率需求，幾個串并聯就很多，要滿足它的放電時間和功率。這是剛才的一個變化圖，這是峰值功率，這是長時間的功率需求，這是儲能源。比如說電池、電機一些其他的技術。這是超級電容，峰值功率不需要它來應付，我們來做就可以了，把它的體積縮小減少串并聯。
就像我介紹的，在其他工業領域超電容用的比較廣泛了，也是經過市場考驗了它的質量和性能，在輔助服務商我們剛剛開始做這個市場。但是我們通過一些示范項目，已經證明它可以有效的來平滑局部電網對電壓的波動，包括太陽能，包括風能。他和其他的元器件比是它的功率比較大，儲能時間相對短，有些用對了場合利用它的高功率短時間充放電的性能，比電池的方案要小兩到三倍。有些場合需要能量和功率，和電池簡單的并聯可以對系統和體積上的優化。
再就是它的壽命，因為它是物理儲能，沒有化學，與太陽能、風能相當的儲能設備。*后希望和大家有機會合作，在系統層面上做一點事情，謝謝。

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