超級電容器儲能系統面臨機遇與挑戰

　　如果公用事業(yè)公司為他們的客戶(hù)提供太陽(yáng)能并利用超級電容器進(jìn)行儲能，那么可以顯著(zhù)地減少溫室氣體排放。而這是Kilowatt Labs公司首席執行官兼聯(lián)合創(chuàng )始人Omer Ghani對于儲能系統的觀(guān)點(diǎn)。該公司推出的基于超級電容器的儲能設備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(mén)減少溫室氣體排放量一個(gè)過(guò)渡過(guò)程就是采用微電網(wǎng)的方式。”Ghani說(shuō)。

　　Ghani認為，公用事業(yè)公司應該為他們的客戶(hù)提供住宅太陽(yáng)能發(fā)電或其他形式的太陽(yáng)能發(fā)電，并配備超級電容儲能器，另外還配備一個(gè)獨特的能源服務(wù)器，可以對太陽(yáng)能發(fā)電和存儲系統進(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儲能系統

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

　　他說(shuō)，這一戰略將幫助公用事業(yè)部門(mén)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(mén)將從儲能系統中獲得收入。他說(shuō)：“通過(guò)經(jīng)濟運行的方式，公用事業(yè)部門(mén)可以收取一定的費用，并獲得安裝在住宅中儲能系統的電能。”

　　公用事業(yè)公司將在適當的住宅安裝并運行太陽(yáng)能發(fā)電系統，并向客戶(hù)收取一定數額的電費，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劃。Ghani說(shuō)，“有很多財務(wù)結構既適用于公用事業(yè)，也適用于住宅用戶(hù)。”

　　該系統將設計用于生成太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電可以直接或從電容儲能器輸出電力滿(mǎn)足家庭的高峰需求，如果峰值出現在晚上，那么能源服務(wù)器能夠在沒(méi)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(wèn)題。

　　Ghani說(shuō)，人們如果想理解儲能系統將如何工作，那么就需要了解超級電容器的儲能系統(一種經(jīng)過(guò)測試和應用的儲能系統)。Kilowatt Labs公司現在已經(jīng)有多個(gè)儲能系統投入運行，并且通過(guò)其全球分銷(xiāo)商網(wǎng)絡(luò )出售了1.5兆瓦時(shí)的儲能設備。

　　更重要的是，聯(lián)合國的一個(gè)人道主義援助機構正在研究該公司在其350個(gè)可能的微電網(wǎng)站點(diǎn)的儲能和服務(wù)器提案，以取代目前使用柴油發(fā)電機的“不良電網(wǎng)和無(wú)電網(wǎng)”系統。Kilowatt Labs公司一直積極參與該項目的開(kāi)發(fā)和設計。

　　“我們幫助設計了這個(gè)概念。雖然不能說(shuō)我們就會(huì )中標，但我們很強的市場(chǎng)定位。”Ghani說(shuō)。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(kāi)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。頻繁的雷擊使電源開(kāi)關(guān)脫扣，并影響一些礦井設備的運行。

　　Ghani說(shuō)，此外在幾個(gè)小型試點(diǎn)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是獨一無(wú)二的，因為它不使用鉛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。“蓄電池通過(guò)化學(xué)電解質(zhì)儲存能量。當充電時(shí)，可以將電能轉化為化學(xué)能，并儲存在電池的電解液中，而電池放電涉及反向化學(xué)反應。”他解釋說(shuō)。

　　但蓄電池的化學(xué)反應會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題，其中包括電池容量隨著(zhù)時(shí)間的推移而降低，并且有時(shí)會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的熱量，這可能會(huì )降低電池的性能，并導致熱失控。而且蓄電池的放電次數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(hù)現場(chǎng)發(fā)電的一種長(cháng)期資產(chǎn)。

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

　　面臨的技術(shù)挑戰

　　Ghani表示Kilowatt Labs公司已經(jīng)克服了以前還沒(méi)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：每個(gè)電池單體都是2.4伏的低電壓，這意味著(zhù)電池必須串聯(lián)連接用于商業(yè)應用。而電池組需要進(jìn)行平衡，其過(guò)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(kāi)發(fā)了一種平衡基于超級電容器的儲能系統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(kāi)發(fā)石墨烯超級電容器。Ghani說(shuō)，“這可以提高產(chǎn)品的能量密度，并讓它在市場(chǎng)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(shuō)，基于超級電容器的儲能器的循環(huán)壽命為100萬(wàn)次，而電池循環(huán)壽命為4，000次至5，000次。

　　“我們開(kāi)發(fā)的基于超級電容器的儲能器在運行時(shí)沒(méi)有化學(xué)反應，并且具有極高的充放電效率，并在整個(gè)充放電循環(huán)周期內保持性能不變。所有的電子元件都在表面，而且沒(méi)有化學(xué)反應。另外，儲能設備的容量不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而降低?，F在解決了這些問(wèn)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(shuō)。

　　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(jià)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(zhù)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(shuō)。他指出，蓄電池會(huì )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(wù)器控制

　　基于超級電容器的儲能系統可以幫助公用事業(yè)公司滿(mǎn)足Kilowatt Labs公司為客戶(hù)安裝和運營(yíng)太陽(yáng)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(yáng)能和超級電容器儲能的客戶(hù)。

　　通常，分布式能源集成涉及硬件系統，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(gè)軟件層，微電網(wǎng)控制器，開(kāi)關(guān)設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)器是一種內置軟件的電力電子硬件平臺。“用戶(hù)把所有東西都放到服務(wù)器上，其內置了軟件，并在同一臺機器上提供輸出。”他說(shuō)。

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

　　Ghani解釋說(shuō)，雖然太陽(yáng)能發(fā)電系統可以安裝在任何地方，并且不需要輸電線(xiàn)路，特別是與儲能系統配套使用時(shí)，但其應用仍會(huì )受到電力電子設備的限制。

　　Ghani說(shuō)：“當用戶(hù)使用太陽(yáng)能發(fā)電系統產(chǎn)生電能，并且使用這種電能為家庭、工廠(chǎng)、辦公室供電時(shí)，電力電子設備必須處理很多事情。”

　　這些事項包括在電路上運行的電動(dòng)機、壓縮機、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%，持續幾毫秒到幾秒鐘。

　　不需要過(guò)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(wèn)題的一個(gè)方法采用體積龐大的設備，而這是低效和不經(jīng)濟的做法。

　　“我們服務(wù)器的內部架構使其能夠在兩秒內處理其額定容量的10倍的負載，而不會(huì )過(guò)載，從而有效且經(jīng)濟地處理這些瞬時(shí)負載。”他說(shuō)。

　　更重要的是，太陽(yáng)能發(fā)電系統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(méi)有電網(wǎng)或柴油發(fā)電機供電的情況下，太陽(yáng)能發(fā)電系統必須在5小時(shí)內產(chǎn)生足夠用戶(hù)使用24小時(shí)的電能。

　　“為了做到這一點(diǎn)，電力電子設備需要處理高水平的太陽(yáng)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(wù)器可以處理太陽(yáng)能發(fā)電的5到8倍的容量而不會(huì )過(guò)載。”Ghani說(shuō)。

　　“假設用戶(hù)有一臺100kW的服務(wù)器，并由負載率決定，但需要500kW的設備才能在一整天內產(chǎn)生足夠的太陽(yáng)能發(fā)電。用戶(hù)可以將500kW的設備連接到100kW服務(wù)器?，F在，可以在24小時(shí)內產(chǎn)生足夠的電力，并可在不過(guò)載的情況下處理浪涌電流。”他解釋說(shuō)。

　　Ghani說(shuō)，其能源服務(wù)器可以連接到太陽(yáng)能發(fā)電和儲能設備。他說(shuō)，“因此，現在用戶(hù)擁有可獨立處理負載的即插即用系統，從太陽(yáng)能發(fā)電到為儲能器充電，處理電源間歇性問(wèn)題，并為客戶(hù)提供24小時(shí)穩定靈活的電源。能源服務(wù)器做的第一件事就是管理負載，如果還有多余的電能，它會(huì )在運行負載時(shí)向儲能設備充電。能源服務(wù)器通過(guò)無(wú)縫切換功能，在需要時(shí)使用太陽(yáng)能發(fā)電或儲能系統來(lái)解決電力間歇性問(wèn)題。通過(guò)能源服務(wù)器，太陽(yáng)能發(fā)電系統可以使用電網(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)獲取電力為儲能設備充電。他表示，根據位置和日照的不同，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(hù)外出度假，其太陽(yáng)能發(fā)電系統可以向電網(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(yáng)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(hù)提供太陽(yáng)能的話(huà)。

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