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钠硫电池——智能电网能量控制之门的金钥匙

作者:中国储能网新闻中心 来源:本站 发布时间:2013-11-05 浏览:
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  中国储能网讯: 智能电网,顾名思义就是聪明的电网,就像人有思维一样,有着智力,能自主地判断处理各种事件的电网。既然是这样一种电网,那么它是从哪些方面体现出智能化呢?分布式电源接入、储能系统、智能变电站、配电自动化工程、故障报修管理系统、电能质量监测、用电信息采集系统智能、用电楼宇、电动汽车充放电站,这些是“上海世博园智能电网综合示范工程”的组成部分。但是那么多尖端的技术,却都可以归结为一句话:“智能电网就是业务流、信息流、能量流的双向互动”。

  在本次世博会国家电网馆的地下一层,关于智能电网的设想的影片已公布于众了,但是我们仍想利用这次机会来详细介绍一下智能电网的各个组件,让每一位读者不再停留在智能电网这个名词的表面,而真正地看到它存在的实质和意义,那么我想这几篇文章的意义就在此吧。首先为您献上:

  当一次能源转变为清洁的二次能源时,控制往往是最为关键的,由此便诞生了智能电网的概念。智能电网就是一张控制网,无论是水能、热能、风能、还是太阳能、原子能,它们一旦化身电能并被送上智能电网,就好像江河中奔腾的流水,奔向千家万户。当然,智能电网不仅仅控制着发电侧的电能,也同时控制着受电侧的电能,它是对于整个能量系统的控制。而钠硫电池恰恰就是智能电网技术中的明珠,是能量的源泉,是能量控制的魔盒

  2009年10月14日,中科院上海硅酸盐研究所与上海市电力公司宣布:双方多年攻关,成功完成了大容量城网储能钠硫电池的研发,建成了一条2兆瓦的中试生产示范线和一套10千瓦的储能系统示范装置,並成功完成2.2千瓦钠硫电池子模块的首次充放电,一举使我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家。

  对能量的利用贯穿于人类进步的始终,第一次工业革命后,蒸汽机开始为人类广泛应用,将人类从繁重的手工工作中逐步解脱了出来,而发电机的诞生则拉开了第二次工业革命的序幕。随着原子能的诞生和计算机的发明,人类昂首阔步跨入了第三次科技革命时代。当代,能量产生的方式业已多种多样,但一个棘手的问题始终悬在人们的心头——能量控制。

  当一次能源转变为清洁的二次能源时,控制往往是最为关键的,由此便诞生了智能电网的概念。智能电网就是一张控制网,无论是水能、热能、风能、还是太阳能、原子能,它们一旦化身电能并被送上智能电网,就好像江河中奔腾的流水,奔向千家万户。当然,智能电网不仅仅控制着发电侧的电能,也同时控制着受电侧的电能,它是对于整个能量系统的控制。而钠硫电池恰恰就是智能电网技术中的明珠,是能量的源泉,是能量控制的魔盒。

  合作

  “能不龟手一也,或以封,或不免于洴澼絖,则所用之异也。”——庄子《逍遥游》

  释意:“能令手不皲裂的药也是这个道理,有人靠他得到封赏,而有人却免不了漂洗棉絮的辛劳,这就是因为用途不一样啊。”

  由于电能具有瞬时性和季节性需求变化巨大的特性,作为国内主要供电企业之一的国家电网公司始终在寻找一种良好的电能储存方法,在供大于求时把电能妥善存储,当需要的时候再拿出来使用。抽水蓄能是目前通用的好办法之一,在富余电能的驱动下,抽水机将水从低处抽向高处——即是将动能转换成势能,等到供电不足时,再通过水力发电机发出电能。然而抽水蓄能变电站的选址存在诸多限制,最关键的是需要山麓、丘陵等地理结构。可惜,对于十分需要储能的中国沿海大型城市而言,这样的地形可遇而不可求。

  生活中常用的酸性电池和锂电池也是一种常见的储能手段,且这些传统电池的技术已经成熟了。然而酸性电池和锂电池在大容量电池的应用上有其一定的局限性,这类电池的电流密度低,充电寿命也很低,这对工业用电质量来说是致命的。

  “山重水复疑无路,柳暗花明又一村”,就在这个时候,1967年由美国福特汽车公司发明的钠硫电池渐渐进入了国家电网公司的视线。以钠为阴极、硫为阳极,钠硫蓄电池的能量密度是镍氢电池的4倍,铅酸蓄电池的10倍;由于采用固体电解质,所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应,充放电电流效率几近100%,能连续充放电2万余次,使用寿命长达十余年;而且,钠硫电池的占地小,不受地域因素影响,是城市电网的最佳选择。更令人欣喜的事,这种电池“寿终正寝”后可被完全分解再利用,不会污染环境。以上这些优异的特性让电力系统的专家无比心动又困惑重重,“为什么这样的技术就不能运用到我们国家的电力系统上来呢?”

  专家的困惑不无道理,如此尖端的钠硫电池技术已在在实验室里被雪藏了30年。早在上世纪70年代,在上海硅酸盐研究所得实验室里就制成了车用钠硫蓄电池。虽然在此后的30多年中,硅酸盐研究所始终瞄准钠硫电池这一世界最前沿的科学技术并不断将期改进完善,但由于缺乏市场化的途径,钠硫电池只能深守实验室中,像个待嫁的姑娘,嫁妆越攒越多,却不知能嫁给谁。

  从实验室到产业化往往是目前中国创新技术的发展瓶颈,然而只有大境界的人,才有大视野。世界上所有的事物都有其独特的用途,有些可能现在没有显现出来,但是“天生我才必有用”,若干年之后,是金子必将闪光。当看到国外发达国家对钠硫电池的实际应用时,国家电网公司看到了希望,多年的经验和教训显示它必将在电力系统内发挥光与热。由于上海这座城市本身就是人才与技术的高地,有着丰富的科研人员和研究经验,于是由国家电网公司牵头,委托上海市电力公司承办,在此基础上,上海市电力公司与上海硅酸盐研究所一拍即合,共同负责钠硫电池的研发和产业化运作,成果与专利技术共享,求同存异,为整个电力系统的智能化贡献自己的全力。

  研发

  “故不积跬步,无以至千里;不积小流,无以成江海。”——荀子《劝学篇》

  释意:“因此,不积累一步半步,就没有办法到达千里之外;不积累涓滴细流,就没有办法汇成浩淼江海。”

  与车用电池相比,大容量储能钠硫电池的很多关键技术难度大得多,每一节电池储存的能量是车用电池的二十余倍,电池的尺寸也大上了二十多倍。要想达到目标,必须改变思维,一切从零开始。

  “2006年8月,我便带领着我的团队联系相关的设备生产厂家,前后共用了4个月时间,夜以继日地建设实验室,多个厂家也为我们挑灯夜战。最赶进度的当口,凌晨2点设备厂家的工人们还在配合我们奋战。”谈起创业历程,上海硅酸盐研究中心上海嘉定钠硫电池研究所项目总工程师温兆银的脸上总是充满了兴奋,“12月25日,经过大家的不懈努力,我们终于成功制造出第一件陶瓷管实物样品;2007年1月2日的凌晨4点,第一件大容量钠硫储能电池顺利完工。”

  2008年,上海硅酸盐研究所开始与多家设备公司紧密合作,并用了一年的时间研制成功了一台又一台设计独特的设备,并陆续调试成功。一条具有年产2兆瓦单体钠硫电池的中试线终于在当年8月落成。

  作为“国家科技支撑计划”项目之一的大容量城市储能工程能落户上海,是上海的骄傲,更是上海市电力公司科研能力的体现。“当拿到这个项目时,我感到了无比的压力和动力。”上海电力技术与管理学院院长俞国勤感叹地说,“这么大的项目落在了上海市电力公司的肩上,我们感到责任重大。虽然钠硫电池在电动车研究上有一定进展,而在电力系统的运用上只有日本一家公司有实际应用经验,我们了解的很少,心中也没什么底。但是我知道,大容量储能技术是今后国家发展的大战略,一次能源终有枯竭之日,但是作为二次能源的电能却可由其他能源或可再生资源转换产生,因此我认为我们必须坚定地走下去。”

  是的,上海市电力公司坚定地一路走来,以准公司化的形式运作整个钠硫电池基地,并成立了管委会,俞国勤亲任负责人,管理整个基地的运作和生产。俞国勤还亲自设计了家用钠硫电池模块,为今后家用电能存储考虑良多。

  智能电网归根结底就是通过现有的技术,实现业务流、信息流、能量流的双向互动,改变现在从上而下的调度模式,创建反馈式的双向互动模式,根本意义上形成一个互动的智能化控制电网。

  上海市电力公司就是如此实践的,在徐汇区的漕溪能源转换综合展示基地内,已展现了一个智能电网的雏形。作为“世博园智能电网综合示范工程”重要组成部分的漕溪基地包含了国内首座商业运行的电动汽车充放电站、大容量城市电网储能站与集中控制系统以及能源转换综合展示厅三部分。这里摆放着实时运作的钠硫电池组,目前的容量为100千瓦/720千瓦时,充分体现了“分布储能、集中控制、统一调度”的理念。

关键字:钠硫电池

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