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储能电池等技术或将以集成方式进入百姓家庭

作者:文建华 来源:综合报道 发布时间:2012-06-21 浏览:
 一、引言

本文试图从光伏发电(PV)、储能电池(ES)、电动汽车(EV/PHV)的跨产业开发及应用为契机,探索不同产业之间的交叉应用,通过创新发展不同产业技术,来集成开发战略新兴产业的新能源产品和市场。我们有理由相信,这些伴随着战略新兴产业发展创新的新能源产物,将随着能源紧缺、节能减排民众意识的植入渗透,正从概念到实践、走出实验室。并将逐步走向商业化,走进百姓家庭,成为一种不可或缺的低碳生活方式。

光伏发电、储能电池、电动汽车殊途同归,同属战略新兴产业新能源领域,是国家战略新兴产业计划2020年将要发展成为国民经济的先导性产业,在国民经济体系中具有重要的战略地位,是国民经济规划中先行发展以引导其他产业发展的产业集群。对国民经济未来发展起方向性的引导作用,代表着技术发展和产业结构演进的方向。我们要以科学的态度,前瞻性思维,抓住机遇,整合创新,纵深发展新能源技术,积极拓展和加强产业之间跨技术平台之间的合作,把“创能、储能、节能、智能”关乎国计民生的新能源产业应用打造成为国民经济的支柱产业和企业发展的主导产业。

二、“创能、储能、节能、智能”,构筑建筑新能源时代

日本、德国已进入或按计划进入“零核电”时代,人们不禁要问,由此造成的电力缺口、供求矛盾将如何解决。从企业或家庭用电的角度,在实行节流的同时,更为有效的将是如何开源。于是一种具有“创能、蓄能、节能、智能”的“创蓄联动智能建筑”新能源系统被孕育催生。

创蓄联动智能建筑是指以结合传统能源和新能源电力为中心,设计成能够聪明地使用能源的建筑,是指通过综合配置建筑内的各功能子系统,以IT技术为手段,全面实现通信系统、办公自动化系统以及建筑内各种设备能源管理的自动化的新型建筑。而实现这种建筑创能、蓄能、节能、智能的主角分别是:一体化建筑光伏发电系统、储能电池系统(包含EV/PHV电动汽车、锂离子电池、铅蓄电池、液流电池等)、以及电源控制器、电源管理器、电源监视器等。

(一)、低成本光伏发电是“创能”的主角

1.“平价上网”时代来临。

光伏市场从昔日的财富积聚到如今的残酷竞争最终演变成了光伏电池、光伏系统的价格快速下降。日本GATSolar在2012年3月25日推出了包括施工费用在内,只需35万日元/kW(相当于2.8万RMB/kW,比中国市场要高得多!)的低价位家用建筑光伏发电系统,换算成发电成本约为23日元/kWh(假设利率为3%,偿还期为20年)。低于全额收购光伏发电价42日元/kWh标准,光伏发电提前实施了“平价上网”。回收投资依靠的是节约自身消费的电力(减少从电力公司购买的电量)和销售剩余电力的收入。如果自行消费是发电量的40%,其余60%以现在的售电价格42日元/kWh销售给电力公司,对于普通家庭一个3.3kW标准型系统按投资回报计算,不到8年即可收回全部投资。

同样以国内目前用户侧家庭自发自用光伏发电为例,以家庭住宅安装一个3.3kW的薄膜电池光伏屋顶或幕墙发电系统。包含电池模组、系统平衡件BOS(除模组以外的系统平衡件:逆变器、电站监控系统、组件支架、高低压配电、变压器、电缆等)、和土建施工管理费用等,系统成本降到约为12元/W左右。假设贷款比例70%,负债5年,通货膨涨率3%,负债利率按7%,项目寿命25年,年维护费按2%,不考虑碳排放收入,按现行电价1元/度电回购制度计算,投资3.3kW小型家庭光伏发电系统,在阳光充足地区,将可得到12%的资产回报率,7年回收股本,项目经济性可行(参见下图)。

2.建筑光伏屋顶发电案例

图示是位于德国Backnang的一个普通建筑屋顶光伏电站,使用了113块85瓦的薄膜电池,装机容量为9.61kWp.当地辐照度仅为1079kWh/m2/yr。

3.智能建筑光伏发电工程案例

这是位于日本横滨的一座智能住宅光伏发电工程,仅使用了25块85瓦的薄膜电池,装机容量为2.125kWp.当地辐照度为1357kWh/m2/yr。(该地区的辐照度比深圳稍差。)

4.高效薄膜电池是建筑光伏发电的主角。

高效薄膜电池因其弱光性好、对安装角度容忍度高、耐高温特性,耐湿性好以及符合建筑美学要求等特点,特别适合并被广泛用于光伏建筑一体化领域。

(二)、EV及PHV作为“行驶的蓄能电池”、与智能光电建筑联动,孕育新能源商机。

在智能建筑中,备受期待的蓄能主角是家用电池,其最大作用是储存夜间的剩余电力在白天使用,借此起到移峰的效果。除常规使用锂离子电池、镍氢电池、铅蓄电池外,本节重点介绍以电动汽车(EV)或插电式混合动力车(PHV),作为移动的家用储能电池向家庭供电的的系统。

作为智能住宅的要素之一,有望发挥重大作用的是电动汽车(EV)及插电式混合动力车(PHV)配备的锂电池或镍氢电池在家庭中的利用,购买了EV和PHV的用户无需追加成本便可获得高性能、大容量的家用电池。

1.三菱电动车EV与MiEVPowerBOX供电系统

日本三菱汽车将在今年夏季推出电动车EV与住宅相互供电的名为MiEVPowerBOX系统。三菱使用容量为16kWh的电池在充满电后,与电源控制盒(MiEVPowerBOX)连接,便可连续使用100V、1500W的交流电5~6个小时。

图示:三菱的MiEVPowerBOX供电系统

2.丰田的混合动力车PHV与建筑光伏供电系统

继三菱之后,日产、丰田汽车也接连发布了使用“聆风EV”和“普锐斯PHV”的驱动电池向普通住宅供电的系统。丰田日前开发出了插电式混合动力车(PHV)、电动汽车(EV)等与住宅之间相互供电的系统,名为“VehicletoHome(V2H)”如图所示。丰田将在2012年年底使该系统与其插电式混合动力车“PriusPHV”配套商业化。

图示:利用V2H进行能源管理

通过插电式混合动力车配备的交直流转换器(逆变器),为住宅提供交流电,同时还可在车辆、充电桩和住宅之间进行数据通信,利用家庭能源管理系统(HEMS)对电流进行优化控制。可利用建筑及地区的光伏发电设备所发的电力及电费较低的深夜电力为车辆充电,在用电高峰时段将储存的电力移峰用于住宅。

普通家庭一天的用电量大约为10kWh,一辆充满电或者加满油的插电式混合动力车可为其供电4天左右.

3.本田智能家庭系统HSHS试验屋。

同样本田公司日前也向媒体公开了其“本田智能家庭系统”HSHS。该实验住宅的HSHS由薄膜电池面板、电池容量为2kW的电池组、热水供应单元及HEMS(HomeEnergyManagementSystem,家庭能源管理系统)构成。

该智能住宅力图通过上述能源最佳控制措施,使家庭的二氧化碳排放量减少50%,同时通过住宅隔热及家电节能化,最终使二氧化碳最大减排80%。

另外,在车库的天花板上还配备了臂式的电动汽车(EV)充电器(如图)。其特点是充电臂采用了可旋转的设计,EV充电口无论在哪边都可轻松充电。

图示:安装在天花板上的充电臂

此外,导入的系统可经由本田的“Internavi”服务,使用车载导航仪和智能手机远程操作家电及制暖设备、放洗澡水、锁门及监视家中的耗电情况。该智能社区的实验计划进行到2018年。本田表示,将力争在3~4年后使HEMS等投放市场

4.松下、京瓷家庭太阳能“创蓄联动系统”

2012年夏、秋季日本松下、日本京瓷公司将开始供货适合家庭住宅组合使用光伏发电系统和蓄电系统,可控制家庭内电力的“住宅创蓄联动系统”。主要针对新建住宅。

日本松下的产品组合使用了容量为4.65kWh的锂离子充电电池、太阳能电池、以及使太阳能电池和蓄电池的功率调节器功能集成于一体的能源工作站PowerStation。锂离子充电电池组设置于室内,使用了480个目前主要用于笔记本电脑等的圆柱形电池单元,大约4个小时可充满电。PowerStation设置于室外。

要构筑系统,除了蓄电池、太阳能电池和PowerStation以外,还需要用于实现用电量可视化的“无线能源监测器”及“无线能源监测器电力检测单元”、可在停电时实现自主运转的“电力切换单元”及“配电盘(备用)”等。

此外还提供可通过平板电视、个人电脑及智能手机等进行确认的“监测适配器”。

日本京瓷的产品组合同样使用光伏发电和锂离子蓄电池的家用系统。不同的是采用的锂离子蓄电池容量为7.2kWh,可为冰箱、冷暖气设备及电视等电气产品连续供电最长12个小时。额定输出功率为2.5kW。3小时左右即可充满电。该系统配备多种运转模式,可自由切换利用。

储存电费较低的深夜电力用于白天,以节约电费的深夜电力活用模式

把利用太阳能所发的电力全部用于家庭的“环保住宅”模式

充分利用蓄电池将白天的购买电力控制在一定数值内的峰值抑制模式

強制充电模式

強制放电模式。

与家庭能源管理系统(HEMS)配套使用,便可通过电脑、电视及智能手机(多功能手机)等实现能源的“可视化”,有助于推动节能。

5.神九太阳能创储供电系统

近日升空的神九电源系统就使用了太阳能光伏创储供电系统作为其电力来源之一。由太阳电池帆板、镉镍蓄电池、应急电池组成的供电系统。太阳电池帆板就是飞船外部的一对大“翅膀”,太阳电池在这对“翅膀”上通过串并联方式组成一个太阳电池阵,在能够接受到太阳光照的时候,为飞船的负载供电,同时为蓄电池充电,在阴影期,就通过蓄电池为负载供电。

从神一到神六,飞船的“翅膀”上采用的都是硅太阳电池,但神九采用了三结砷化镓电池后,光电转化效率提高了50%以上。从而在与神七同样面积的太阳能帆板上,使所发出的电能增加了50%以上。

(三)、长寿命氧化还原液流蓄电池适合于大型(MW级)发电系统

日本住友日前开发出了大型蓄、发电系统,该系统组合使用发电效率较高的聚光型光伏(CPV)发电装置和名为“氧化还原液流电池”的长寿命新型蓄电池。

氧化还原液流电池是一种通过钒离子等的氧化还原反应进行充放电的蓄电池。其特点在于,即使频繁进行充放电,电极和电解液也几乎不会出现劣化,因此寿命较长,正极和负极的电解液为同样的物质,所以易于进行维护。不使用可燃材料,而且可在常温下工作,安全性也比较高。实证运转中将使用容量为5000kWh(1000kW×5小时)的氧化还原液流电池。该种电池的好处是可以透过能源管理系统控制氧化还原液流电池的充放电、保持一定的蓄电量、用氧化还原液流电池弥补不稳定的光伏发电量。

(四)、锂离子动力电池的技术进步与希望

锂离子电池的开发始于1981年。从1995年开始用于手机和个人电脑。首先,锂电池已经在手机和个人电脑领域应用了15年。而且与开发初期阶段相比,相当于电池能力的单位重量的能量密度已达到原来的3倍。这有助于实现电池的小型化和削减成本。现今用于个人电脑等的电池价格大约为15年前的15分之1,价格低得令人不敢相信。如果同样的事也发生在电动汽车电池领域,成本问题就会得到解决。

然而还剩一个延长续航距离的问题。从实用水平来看,锂离子电池单位重量的能量密度存在最大值。为了保持稳定的质量,目标是达到该最大值的6~7成左右。目前的电池仅使用了正极中约一半的锂,电池能力为最大值的5成左右,因此还有进一步提高的余地。此前主要是开发可提高负极锂离子吸附能力的材料,但如果今后开发出使用更多锂的正极,就能够进一步的提高电池性能。

要进一步延长续航距离,需要改进包括电池在内的整个系统。大有希望的是能够一直使电流在恰当的条件下流动的“电池管理系统”。只要稍微改变控制方法,续航距离也会发生很大变化。

美国特斯拉汽车公司的豪华跑车“Roadster”充电一次可行驶380公里(如下图)。这是因为该车配备有56千瓦时的电池,相当于日产电动汽车LEAF(聆风)的2倍以上。而且即使配备这么大容量的电池,也不会因为太重而影响行驶。Roadster最高时速为每小时200公里,启动之后4秒钟即可提速到100公里。

图示:美国特斯拉汽车公司的“Roadster”

不过,由于配备的电池较多,因此车辆价格高达10万美元以上。也就是说,电动汽车的续航距离受到了电池成本的制约。

电动汽车EV要得到全面普及,除要突破续航、荷载、安全质疑、无线充电等技术、成本问题之外,还需要进行充电基础设施领域的技术革新,以及产业管理、产业政策方面的创新。

(五)、节能的潜力与实践

创能、蓄能虽然应该强力推进,但是,鉴于全面普及需要时间,所以也不能一下子就可完善。因此,也需要更加聪明地节能。

1.日本实施“限电令”节能节出了七坐核反应堆。

日本在实施了“限电令”的2011年夏季,电辖区7、8两个月与上年相比,平均节电16.2%,成功节省了670万kW电能,功率相当于7座反应堆。

2.家庭节能

家庭的节能方法除了提高冷气的设定温度,降低照明亮度等“忍耐”措施之外,主要方法是照明的LED化和改换节能型的空调冰箱等家电。

3.智能电表

另一个节能功臣是智能电表,智能电表是实时向消费者传达现在的电费、使用量,以及创能(光伏发电)、蓄能(电池的充电状态)等情况,使家庭的能源供求状况“可视化”的关键设备,称得上是智能住宅的指挥塔。

三、IPv6技术助力住宅能源管理智能化

2012年6月6日,是全球IPv6网络正式启动日,借力该技术的系统应用,我们就可以把建筑里面的很多能源使用设备,如冰箱、窗帘、空调,打印机、路由器、电视机等所有的设备透过能源管理系统(EMS)通过一个网络体系来实现智能化管理真正变成现实。或许当您一天劳累之后,驾车回家途中,您只需轻松设置座驾上的能源导航管理系统发出一个预约信号,就可以把住宅的热水加热到您想要的温度。夏日炎炎,当您和客人去午餐时,您可以用手机提前发短信预约把车里的冷气事先开启到您想要的温度。IPv6技术使得能源管理智能化、信息管理自动化、家居智能化等物联网产业得意如期实施。

四、建筑创储联动新能源技术与市场培育

(一)、节能减排、光伏应用技术的稳步发展是强力推手

居民用电占全社会用电的12%以上,建筑能源开发与管理在全社会能源管理系统有着极其重要的位置。日本地震灾难实施“限电令”后,全社会显著的节电效果给全世界做出了成功的榜样。为推动光伏建筑一体化BIPV的应用,住房城乡建设部在《“十二五”建筑节能专项规划》中指出:“十二五,新增可再生能源建筑应用面积25亿平方米,可形成常规能源替代能力3000万吨标准煤”。也就是相当于742.6亿度电,为2011年全社会用电量的1.58%,这些电力将主要来自光伏发电。

(二)、跨产业的技术集成,引导跨行业的市场成长

建筑光伏发电不能简单地理解为自发自用直接并网,事实上,建筑光伏发电是一个用户侧自发自用的分布式微电网系统,尤其考虑到建筑智能管理系统,建筑能源管理系统,节能管理系统,安全管理系统等因数并借助IPv6技术的启动实施,集成太阳能光伏发电系统、多种储能技术方式并举的储能系统构成的“创储联动智能建筑能源集成管理系统”将是低碳、环保、舒适建筑的未来发展方向。目前在日本,欧、美经济发达国家已在技术、政策、和市场体系中基本具备了推广普及的基础。国内的比亚迪(BYD)等公司也有相应的产品出口,我国在这方面正处在研究发展尝试起步阶段。

(三)、市场培育的先决性因素

以建筑新能源研究为基础的新能源产品市场的发展和成功将取决于下列几个方面的因素:(1)用户的高度环保意识;(2)政府的领导与推动力;(3)电力公司的举措;(4)产业界的举措;(5)经济发展程度。

太阳能光伏产业发展迅速,已成为我国为数不多的、可以同步参与国际竞争、并有望达到国际领先水平的行业,由此也确立了我国太阳能光伏在全球市场的举足轻重的战略地位。光伏发展前期主要是集中在地面电站,屋顶电站、商业应用,产业应用等方面取得飞速发展。随着“平价上网”时间的来临,将会加速发展建筑光伏一体化产业的开发应用,尤其是与其它产业、专业学科技术的交叉纵深应用(如电动汽车、储能、建筑业、电子信息技术等)以及向家庭化,民用化方向发展应用。目前主要是针对企业、机构的政策支持和试点、示范应用。可以预见,创储联动系统进入千家万户或“家电下乡”是迟早的事情。这既需要产品技术的创新定型,也要政策的创新及扶持引导。

(四)、日本东京都中小企业的补助金制度的启示

2012年2月,东京都决定扩充对于中小企业的补助金制度。补助金制度是指东京都政府下属团体公益财团法人东京都中小企业振兴公社的“自家发电设备采用费补助事业”。这项制度以帮助中小企业购买抑制电力需求所需的设备为目的,该制度的宗旨是“支持实践‘电力自给型经营’的中小企业”。补助的对象为“东京的中小企业及其集团”,提供补助的设备有5类:1.自家发电设备;2.热电联产设备;3.蓄电池;4.需求监控装置;5.使用1~4需要的附加设备等。

这项制度的补助率及补助额上限为,单独的中小企业为项目经费的3分之2以内(最高为2000万日元)。中小企业集团为项目经费的4分之3以内(最高为5、6亿日元)。可对于中小企业有很大帮助。

这个制度的可喜之处在于,不仅仅是对某个行业、某项技术的实施补助,而是鼓励采用使用不同技术手段去达成一个共同的目标,鼓励集成应用,鼓励跨行业、跨产业之间的技术创新和应用,鼓励产业集群发展。@太阳能我能-文建华

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