超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　如果公用事業(yè)公司為他們的客戶提供太陽能并利用超級電容器進(jìn)行儲(chǔ)能，那么可以顯著地減少溫室氣體排放。而這是Kilowatt Labs公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Omer Ghani對于儲(chǔ)能系統(tǒng)的觀點(diǎn)。該公司推出的基于超級電容器的儲(chǔ)能設(shè)備Sirius Energy Storage和Centauri Energy Server，旨在管理分布式能源。

　　“我認(rèn)為從公用事業(yè)部門減少溫室氣體排放量一個(gè)過渡過程就是采用微電網(wǎng)的方式。”Ghani說。

　　Ghani認(rèn)為，公用事業(yè)公司應(yīng)該為他們的客戶提供住宅太陽能發(fā)電或其他形式的太陽能發(fā)電，并配備超級電容儲(chǔ)能器，另外還配備一個(gè)獨(dú)特的能源服務(wù)器，可以對太陽能發(fā)電和存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行管理。實(shí)質(zhì)上，每個(gè)家庭都可以部署自己的微電網(wǎng)。

　　Sirius儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　他說：“這可以更好地采用可再生能源，而采用住宅太陽能發(fā)電的真正方法是使其成為客戶采用電網(wǎng)電力的替代品。”

　　他說，這一戰(zhàn)略將幫助公用事業(yè)部門達(dá)到可再生能源組合標(biāo)準(zhǔn)，并避免需求響應(yīng)計(jì)劃和關(guān)于凈計(jì)量的爭論。

　　公用事業(yè)部門將從儲(chǔ)能系統(tǒng)中獲得收入。他說：“通過經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方式，公用事業(yè)部門可以收取一定的費(fèi)用，并獲得安裝在住宅中儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能。”

　　公用事業(yè)公司將在適當(dāng)?shù)淖≌惭b并運(yùn)行太陽能發(fā)電系統(tǒng)，并向客戶收取一定數(shù)額的電費(fèi)，例如25美分/千瓦時(shí)?；蛘咚麄兛赡軙?huì)提供月度固定支付計(jì)劃。Ghani說，“有很多財(cái)務(wù)結(jié)構(gòu)既適用于公用事業(yè)，也適用于住宅用戶。”

　　該系統(tǒng)將設(shè)計(jì)用于生成太陽能光伏所需的大部分電力，因此可以減少對公用事業(yè)需求響應(yīng)和凈計(jì)量的需求。

　　太陽能發(fā)電可以直接或從電容儲(chǔ)能器輸出電力滿足家庭的高峰需求，如果峰值出現(xiàn)在晚上，那么能源服務(wù)器能夠在沒有支持的情況下處理住宅的所有即時(shí)浪涌、峰值、啟動(dòng)電源等問題。

　　Ghani說，人們?nèi)绻肜斫鈨?chǔ)能系統(tǒng)將如何工作，那么就需要了解超級電容器的儲(chǔ)能系統(tǒng)(一種經(jīng)過測試和應(yīng)用的儲(chǔ)能系統(tǒng))。Kilowatt Labs公司現(xiàn)在已經(jīng)有多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)投入運(yùn)行，并且通過其全球分銷商網(wǎng)絡(luò)出售了1.5兆瓦時(shí)的儲(chǔ)能設(shè)備。

　　更重要的是，聯(lián)合國的一個(gè)人道主義援助機(jī)構(gòu)正在研究該公司在其350個(gè)可能的微電網(wǎng)站點(diǎn)的儲(chǔ)能和服務(wù)器提案，以取代目前使用柴油發(fā)電機(jī)的“不良電網(wǎng)和無電網(wǎng)”系統(tǒng)。Kilowatt Labs公司一直積極參與該項(xiàng)目的開發(fā)和設(shè)計(jì)。

　　“我們幫助設(shè)計(jì)了這個(gè)概念。雖然不能說我們就會(huì)中標(biāo)，但我們很強(qiáng)的市場定位。”Ghani說。該公司還被要求在加利福尼亞的自發(fā)激勵(lì)計(jì)劃下增加基于超級電容器的儲(chǔ)能作為儲(chǔ)能選項(xiàng)。

　　該公司正在為南非的一座礦山開發(fā)微電網(wǎng)，該礦井位于海拔3000的米高度，并面臨電源可靠性方面的挑戰(zhàn)。頻繁的雷擊使電源開關(guān)脫扣，并影響一些礦井設(shè)備的運(yùn)行。

　　Ghani說，此外在幾個(gè)小型試點(diǎn)項(xiàng)目中，幾家美國公用事業(yè)公司已經(jīng)為Kilowatt Labs公司的微電網(wǎng)使用或測試提交了訂單。

　　Kilowatt Labs公司基于超級電容器的儲(chǔ)能系統(tǒng)是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗皇褂勉U酸蓄電池和鋰離子等化學(xué)電池，因此避免了與電池相關(guān)的挑戰(zhàn)。“蓄電池通過化學(xué)電解質(zhì)儲(chǔ)存能量。當(dāng)充電時(shí)，可以將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并儲(chǔ)存在電池的電解液中，而電池放電涉及反向化學(xué)反應(yīng)。”他解釋說。

　　但蓄電池的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生問題，其中包括電池容量隨著時(shí)間的推移而降低，并且有時(shí)會(huì)產(chǎn)生過多的熱量，這可能會(huì)降低電池的性能，并導(dǎo)致熱失控。而且蓄電池的放電次數(shù)和生命周期都存在一定的限制，這使得公用事業(yè)公司很難將其視為客戶現(xiàn)場發(fā)電的一種長期資產(chǎn)。

　　另一方面，基于超級電容器的儲(chǔ)能器要簡單得多。這項(xiàng)技術(shù)將電能儲(chǔ)存在電容器表面，這意味著不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。“接入電源并為儲(chǔ)能器存儲(chǔ)電能。它在放電時(shí)釋放出電能。”Ghani解釋說。

　　面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

　　Ghani表示Kilowatt Labs公司已經(jīng)克服了以前還沒有使用的超級電容器儲(chǔ)能技術(shù)，因?yàn)檫@種技術(shù)也面臨自己的挑戰(zhàn)：每個(gè)電池單體都是2.4伏的低電壓，這意味著電池必須串聯(lián)連接用于商業(yè)應(yīng)用。而電池組需要進(jìn)行平衡，其過程很復(fù)雜。其次，基于超級電容器的儲(chǔ)能傾向于快速放電和放電。此外，它們的能量密度很低。

　　然而，Kilowatt Labs公司開發(fā)了一種平衡基于超級電容器的儲(chǔ)能系統(tǒng)并使用電子電路控制其放電率的方法。該公司還與供應(yīng)商合作開發(fā)石墨烯超級電容器。Ghani說，“這可以提高產(chǎn)品的能量密度，并讓它在市場上可以接受，這款產(chǎn)品具備非常高的能量密度，比任何其他產(chǎn)品都高。”

　　他說，基于超級電容器的儲(chǔ)能器的循環(huán)壽命為100萬次，而電池循環(huán)壽命為4，000次至5，000次。

　　“我們開發(fā)的基于超級電容器的儲(chǔ)能器在運(yùn)行時(shí)沒有化學(xué)反應(yīng)，并且具有極高的充放電效率，并在整個(gè)充放電循環(huán)周期內(nèi)保持性能不變。所有的電子元件都在表面，而且沒有化學(xué)反應(yīng)。另外，儲(chǔ)能設(shè)備的容量不會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低?，F(xiàn)在解決了這些問題之后，我們可以使用超級電容器作為儲(chǔ)能介質(zhì)，提供與電池相同的儲(chǔ)能屬性，但比電池具有更多的優(yōu)勢。”Ghani說。

　　Ghani表示，基于超級電容器的儲(chǔ)能成本稍高于鋰離子電池的成本。該公司預(yù)計(jì)其產(chǎn)品的價(jià)格將很快與鋰離子電池競爭。而基于超級電容器的儲(chǔ)能器比鋰離子電池的優(yōu)勢意味著它更具成本效益。

　　“我們不需要體積超大的超級電容儲(chǔ)能器。”Ghani說。他指出，蓄電池會(huì)因?yàn)槎嗄甑氖褂枚档腿萘?，并且電池組的體積龐大。

　　一切采用服務(wù)器控制

　　基于超級電容器的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以幫助公用事業(yè)公司滿足Kilowatt Labs公司為客戶安裝和運(yùn)營太陽能發(fā)電的愿景。Kilowatt Labs的能源服務(wù)器也是如此，該服務(wù)器旨在整合分布式能源。它可以被眾多公司所使用，其中包括由他們的公用事業(yè)公司配備太陽能和超級電容器儲(chǔ)能的客戶。

　　通常，分布式能源集成涉及硬件系統(tǒng)，例如逆變器、充電控制器和發(fā)電機(jī)。而軟件也很重要。“這采用了一個(gè)軟件層，微電網(wǎng)控制器，開關(guān)設(shè)備以及將它們組合在一起的各種方式。”Ghani解釋道。

　　Centauri能源服務(wù)器

　　Kilowatt Labs公司的能源服務(wù)器是一種內(nèi)置軟件的電力電子硬件平臺(tái)。“用戶把所有東西都放到服務(wù)器上，其內(nèi)置了軟件，并在同一臺(tái)機(jī)器上提供輸出。”他說。

　　能源服務(wù)器由Kilowatt Labs公司開發(fā)，以解決與集成分布式能源相關(guān)的諸多挑戰(zhàn)。

　　Ghani解釋說，雖然太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以安裝在任何地方，并且不需要輸電線路，特別是與儲(chǔ)能系統(tǒng)配套使用時(shí)，但其應(yīng)用仍會(huì)受到電力電子設(shè)備的限制。

　　Ghani說：“當(dāng)用戶使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生電能，并且使用這種電能為家庭、工廠、辦公室供電時(shí)，電力電子設(shè)備必須處理很多事情。”

　　這些事項(xiàng)包括在電路上運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、冰箱，以及啟動(dòng)和停止的水泵，并在每次啟動(dòng)時(shí)吸收浪涌電流，即最大瞬時(shí)輸入電流。它們的浪涌電流可能差別很大，范圍從其額定容量的100%到1000%，持續(xù)幾毫秒到幾秒鐘。

　　不需要過大的體積

　　采用功率電子器件能夠處理這些浪涌電流。解決這個(gè)問題的一個(gè)方法采用體積龐大的設(shè)備，而這是低效和不經(jīng)濟(jì)的做法。

　　“我們服務(wù)器的內(nèi)部架構(gòu)使其能夠在兩秒內(nèi)處理其額定容量的10倍的負(fù)載，而不會(huì)過載，從而有效且經(jīng)濟(jì)地處理這些瞬時(shí)負(fù)載。”他說。

　　更重要的是，太陽能發(fā)電系統(tǒng)通常每天可用約五個(gè)小時(shí)的時(shí)間，但為了提供24小時(shí)的電力，在沒有電網(wǎng)或柴油發(fā)電機(jī)供電的情況下，太陽能發(fā)電系統(tǒng)必須在5小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生足夠用戶使用24小時(shí)的電能。

　　“為了做到這一點(diǎn)，電力電子設(shè)備需要處理高水平的太陽能發(fā)電的電源輸入。在以往，通常采用增加柴油發(fā)電機(jī)的方式，但其效率低下，并且成本高昂。我們的服務(wù)器可以處理太陽能發(fā)電的5到8倍的容量而不會(huì)過載。”Ghani說。

　　“假設(shè)用戶有一臺(tái)100kW的服務(wù)器，并由負(fù)載率決定，但需要500kW的設(shè)備才能在一整天內(nèi)產(chǎn)生足夠的太陽能發(fā)電。用戶可以將500kW的設(shè)備連接到100kW服務(wù)器?，F(xiàn)在，可以在24小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生足夠的電力，并可在不過載的情況下處理浪涌電流。”他解釋說。

　　Ghani說，其能源服務(wù)器可以連接到太陽能發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備。他說，“因此，現(xiàn)在用戶擁有可獨(dú)立處理負(fù)載的即插即用系統(tǒng)，從太陽能發(fā)電到為儲(chǔ)能器充電，處理電源間歇性問題，并為客戶提供24小時(shí)穩(wěn)定靈活的電源。能源服務(wù)器做的第一件事就是管理負(fù)載，如果還有多余的電能，它會(huì)在運(yùn)行負(fù)載時(shí)向儲(chǔ)能設(shè)備充電。能源服務(wù)器通過無縫切換功能，在需要時(shí)使用太陽能發(fā)電或儲(chǔ)能系統(tǒng)來解決電力間歇性問題。通過能源服務(wù)器，太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以使用電網(wǎng)作為電源備份。”

　　電網(wǎng)將作為一種電力輸入源連接到服務(wù)器。能源服務(wù)器會(huì)在日照不良的情況下從電網(wǎng)獲取電力為儲(chǔ)能設(shè)備充電。他表示，根據(jù)位置和日照的不同，獲取的電能將是5%到15%不等。

　　他指出，能源服務(wù)器還有能力為電網(wǎng)提供電力，例如，如果住戶外出度假，其太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以向電網(wǎng)提供電力，并獲得收入。

　　Ghani表示，這些技術(shù)可以幫助更快、更有效地?cái)U(kuò)大太陽能發(fā)電的使用，特別是如果公用事業(yè)公司為他們的客戶提供太陽能的話。

　　“美國太陽能發(fā)電的最大的成本之一就是客戶的購置成本。公用事業(yè)部門有大量的客戶，而這就是為什么與客戶開展合作的原因。”他說。