超級電容器儲能系統(tǒng)面臨機遇與挑戰(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行儲能，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對于儲能系統(tǒng)的觀點。該公司推出的基于超級電容器的儲能設(shè)備Sirius Energy Storage和Centauri Energy Server，旨在管理分布式能源。

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

　　Ghani認為，公用事業(yè)公司應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，并配備超級電容儲能器，另外還配備一個獨特的能源服務器，可以對太陽能發(fā)電和存儲系統(tǒng)進行管理。實質(zhì)上，每個家庭都可以部署自己的微電網(wǎng)。

　　Sirius儲能系統(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)部門達到可再生能源組合標準，并避免需求響應計劃和關(guān)于凈計量的爭論。

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

　　公用事業(yè)公司將在適當?shù)淖≌惭b并運行太陽能發(fā)電系統(tǒng)，并向客戶收取一定數(shù)額的電費，例如25美分/千瓦時?；蛘咚麄兛赡軙峁┰露裙潭ㄖЦ队媱潯hani說，“有很多財務結(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)需求響應和凈計量的需求。

　　太陽能發(fā)電可以直接或從電容儲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，那么能源服務器能夠在沒有支持的情況下處理住宅的所有即時浪涌、峰值、啟動電源等問題。

　　Ghani說，人們?nèi)绻肜斫鈨δ芟到y(tǒng)將如何工作，那么就需要了解超級電容器的儲能系統(tǒng)(一種經(jīng)過測試和應用的儲能系統(tǒng))。Kilowatt Labs公司現(xiàn)在已經(jīng)有多個儲能系統(tǒng)投入運行，并且通過其全球分銷商網(wǎng)絡出售了1.5兆瓦時的儲能設(shè)備。

　　更重要的是，聯(lián)合國的一個人道主義援助機構(gòu)正在研究該公司在其350個可能的微電網(wǎng)站點的儲能和服務器提案，以取代目前使用柴油發(fā)電機的“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目的開發(fā)和設(shè)計。

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

　　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)備的運行。

　　Ghani說，此外在幾個小型試點項目中，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能系統(tǒng)是獨一無二的，因為它不使用鉛酸蓄電池和鋰離子等化學電池，因此避免了與電池相關(guān)的挑戰(zhàn)。“蓄電池通過化學電解質(zhì)儲存能量。當充電時，可以將電能轉(zhuǎn)化為化學能，并儲存在電池的電解液中，而電池放電涉及反向化學反應。”他解釋說。

　　但蓄電池的化學反應會產(chǎn)生問題，其中包括電池容量隨著時間的推移而降低，并且有時會產(chǎn)生過多的熱量，這可能會降低電池的性能，并導致熱失控。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能器要簡單得多。這項技術(shù)將電能儲存在電容器表面，這意味著不會產(chǎn)生化學反應。“接入電源并為儲能器存儲電能。它在放電時釋放出電能。”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能技術(shù)，因為這種技術(shù)也面臨自己的挑戰(zhàn)：每個電池單體都是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)應用。而電池組需要進行平衡，其過程很復雜。其次，基于超級電容器的儲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能器在運行時沒有化學反應，并且具有極高的充放電效率，并在整個充放電循環(huán)周期內(nèi)保持性能不變。所有的電子元件都在表面，而且沒有化學反應。另外，儲能設(shè)備的容量不會隨著時間的推移而降低?，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能介質(zhì)，提供與電池相同的儲能屬性，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能成本稍高于鋰離子電池的成本。該公司預計其產(chǎn)品的價格將很快與鋰離子電池競爭。而基于超級電容器的儲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能器。”Ghani說。他指出，蓄電池會因為多年的使用而降低容量，并且電池組的體積龐大。

　　一切采用服務器控制

　　基于超級電容器的儲能系統(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營太陽能發(fā)電的愿景。Kilowatt Labs的能源服務器也是如此，該服務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。而軟件也很重要。“這采用了一個軟件層，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能源服務器

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

　　能源服務器由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，特別是與儲能系統(tǒng)配套使用時，但其應用仍會受到電力電子設(shè)備的限制。

　　Ghani說：“當用戶使用太陽能發(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，電力電子設(shè)備必須處理很多事情。”

　　這些事項包括在電路上運行的電動機、壓縮機、冰箱，以及啟動和停止的水泵，并在每次啟動時吸收浪涌電流，即最大瞬時輸入電流。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。解決這個問題的一個方法采用體積龐大的設(shè)備，而這是低效和不經(jīng)濟的做法。

　　“我們服務器的內(nèi)部架構(gòu)使其能夠在兩秒內(nèi)處理其額定容量的10倍的負載，而不會過載，從而有效且經(jīng)濟地處理這些瞬時負載。”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小時的時間，但為了提供24小時的電力，在沒有電網(wǎng)或柴油發(fā)電機供電的情況下，太陽能發(fā)電系統(tǒng)必須在5小時內(nèi)產(chǎn)生足夠用戶使用24小時的電能。

　　“為了做到這一點，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)電機的方式，但其效率低下，并且成本高昂。我們的服務器可以處理太陽能發(fā)電的5到8倍的容量而不會過載。”Ghani說。

　　“假設(shè)用戶有一臺100kW的服務器，并由負載率決定，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服務器?，F(xiàn)在，可以在24小時內(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，其能源服務器可以連接到太陽能發(fā)電和儲能設(shè)備。他說，“因此，現(xiàn)在用戶擁有可獨立處理負載的即插即用系統(tǒng)，從太陽能發(fā)電到為儲能器充電，處理電源間歇性問題，并為客戶提供24小時穩(wěn)定靈活的電源。能源服務器做的第一件事就是管理負載，如果還有多余的電能，它會在運行負載時向儲能設(shè)備充電。能源服務器通過無縫切換功能，在需要時使用太陽能發(fā)電或儲能系統(tǒng)來解決電力間歇性問題。通過能源服務器，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器。能源服務器會在日照不良的情況下從電網(wǎng)獲取電力為儲能設(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、更有效地擴大太陽能發(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。