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  • 儲能“黑科技”:超級電容器行業爆發節點來臨(圖表)
  • 2016-08-12 10:26:00分享到
    一般而言,儲能主要是指電能的儲存。2014年發布的《能源發展戰略行動計劃(2014-2020)》中,儲能首次被明確為“9個重點創新領域”和“20個重點創新方向”之一,但是從文字的表述也可以看出,這次國家對儲能的關注更傾向于技術和創新層面,在政策層面政府對儲能技術發展的重視程度還遠遠不夠,尤其在電力領域的應用方面,儲能通常只能作為新能源、微電網、電動汽車、配電網等系統中的附屬產品出現,其推進速度較為遲緩。

    2015年以來,我國連續出臺多項支持儲能發展的政策,2016年尤為密集。我們認為,國家正高度重視儲能行業的發展,儲能大規模產業化時點即將到來。

    我們有必要對儲能的方式進行一下劃分,一般而言,儲能可以分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能。
    物理儲能,主要是指抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等。
    化學儲能,主要是指鉛酸電池、氧化還原液流電池、鈉硫電池、鋰離子電池等。
    電磁儲能,主要是指超導電磁儲能、超級電容器儲能等。

    超級電容器簡介和基本原理
    根據我們的研究和調研發現,除了現在市場關注度較高的鋰電池之外,超級電容器作為一種儲能方式,具有較大的發展潛力。
    超級電容器不同于傳統的化學電源,是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源。按照原理進行劃分,超級電容器分為雙電層電容器和贗電容器。目前來看,雙電層超級電容器的技術更為成熟,在市場上已經逐步推廣,所以現在市場上所說的超級電容器一般指的就是雙電層電容器。

    雙電層超級電容器主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能,當外加電壓添加到超級電容器的兩個極板上時,極板的正電極開始存儲正電荷,同時負極板開始存儲負電荷,在超級電容器兩極板上電荷產生的電場的作用下,電解液與電極間的界面上就會形成相反的電荷,以平衡電解液內部的電場,這種正電荷與負電荷在兩個不同相之間的接觸面上,以正負電荷之間極短間隙排列在相反的位置上,因此電容量非常大。
    但是,在雙電層超級電容器儲能的過程中并不發生化學反應,這種儲能過程是可逆的,也正因為此超級電容器可以反復充放電數十萬次。
    總結起來,超級電容器具有如下特點:
    充電速度快,充電10秒~10分鐘可達到其額定容量的95%以上;循環使用壽命長,深度充放電循環使用次數可達1~50萬次,沒有“記憶效應”;大電流放電能力超強,能量轉換效率高,過程損失小,大電流能量循環效率≥90%;功率密度高,可達300W/KG~5000W/KG,相當于電池的5~10倍;產品原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染,是理想的綠色環保電源;超低溫特性好,溫度范圍寬-40℃~+70℃;
檢測方便,剩余電量可直接讀出;也正是因為超級電容器所具有的上述特點,超級電容器的應用領域十分廣泛。

    超級電容器應用領域廣泛
    在談超級電容器的應用之前,我們應該首先明確從目前來看,超級電容器的出現和推廣不是為了去取代電池,因為超級電容器和電池都各自具有獨立的特性:超級電容器充放電時間快,但是儲電量較少,電池充放電時間比較長,儲電量相對于超級電容器要多。舉個例子來講電池相當于大象,超級電容器相當于豹子。
    超級電容器可以廣泛應用于輔助峰值功率、備用電源、存儲再生能量、替代電源等不同的應用場景,在交通運輸、工業控制、風光發電、智能三表、電動工具、軍工等領域具有非常廣闊的發展前景。

一、交通運輸領域
    交通運輸用超級電容器將是支撐整個行業高速發展的最重要動力,超級電容器突出的特點使其可在許多領域包括新能源車中廣泛使用。
    汽車
    在汽車領域,超級電容器的應用主要分為兩類:汽車的啟停系統和純超級電容器汽車。
    在汽車工業中,超級電容器在智能啟停控制系統的應用原理是:
    ①減速或短停車時,將制動過程中產生的熱能轉換成電能儲存在超級電容器里;
    ②前進或加速時,電容器則將電能瞬間輸出給智能啟停控制系統中的電機,帶動發動機工作。
    這樣,在整個啟停過程,汽車沒有油耗,既經濟又環保。因此具備快速充放電的超級電容器成為最佳選擇,也是智能啟停控制系統最重要的組成部分,為超級電容器在汽車工業上的應用提供了廣闊的舞臺。并且,該應用能使油耗降低25%-40%,可有效實現節能減排。
    在此之前,汽車的啟停系統現在用的比較多的是蓄電池,在汽車整個生命周期中需要更換多次,而用了超級電容器,在汽車的全生命周期中將不需要在更換。
    此類裝有超級電容器的混合動力汽車,據不完全統計,國內保有量已超過2萬輛,并且超級電容已被市場的主流車企接受,應用于新能源客車乃大勢所趨。
    超級電容器公交車
    這種一般應用于城市內的公交車,因為一般而言,城市內公交車線路約為30-40公里,甚至更短,現在超級電容器的續航能力可以達到50-60公里,完全可以滿足城市內公交車的正常運行。
    并且,超級電容器作為動力源充電時間非常短,在幾分鐘之內就可以完成充電。在這一點上要遠遠好于電池作為動力源的公交車,因為電池的充電時間往往為幾個小時。
目前,上海市已經有純超級電容器公交車,其他城市,比如南通市也在積極推進超級電容器公交車的運營,預計明年將會通車。
    2015年3月,我國交通部發布《關于加快推進新能源汽車在交通運輸行業推廣應用的實施意見》,提出重點推廣應用插電式(含增程式)混合動力汽車、純電動汽車,研究推廣應用儲能式超級電容汽車等其他新能源汽車,到2020年我國新能源城市公交車將達到20萬輛。根據“十三五”規劃,五年內全國新能源汽車累計產銷量達到500萬輛,并鼓勵城市公交和出租汽車使用新能源汽車,大力發展純電動汽車和插電式混合動力汽車。
    所以我們預計,在汽車行業,超級電容器將有廣闊的發展空間。
    軌道交通
    超級電容器應用在軌道車輛制動的時候,回收制動能量,存儲于超級電容器中,當車輛再加速時,超級電容器將這些能量釋放出來,起到節能的作用。
    在城市軌道交通,特別是有軌電車也出現了快速增長,截至到今年有5條線路采用超級電容作為主供電的運營。特別的,2016年8月1日,中國首列完全自主化全線無接觸網“超級電容”現代有軌電車在中車株洲電力機車有限公司下線。該車以9500法拉“超級電容”儲能供電,車輛在制動時能將85%以上的制動能量回收反饋至超級電容形成電能儲存,實現能量循環利用。
    AGV物流搬運車
    AGV物流搬運車可以使用超級電容器作為能源裝置,據我們調研了解到,東風二汽內部有1000-1500輛這種AGV物流搬運車,像這種AGV物流搬運車之前用的一般都是鉛酸電池,所以普遍存在的一個問題就是充電時間比較長,并且安全性也不好,而且充電過程會占用很大的場地。
    而AGV物流搬運車運用了超級電容器作為能源裝置后,充電不到1分鐘,大概在裝卸貨物的時候就可以完成充電,不會發生因為集中充電導致的安全性問題和占據較大空間問題。
    目前,蘇寧也在嘗試這方面的應用,物流中心、倉儲中心的車都會比較多的用到AGV物流搬運車,所以未來這塊市場比較大,值得期待。
    高爾夫球車、機場擺渡車等
    此外,像高爾夫球車、機場擺渡車這樣的在特定區域內行駛的車輛,因為運行距離較短,也完全可以使用超級電容器作為能源供應器件。
    軍用交通工具及重型卡車
    軍事用途的載重卡車、裝甲車輛、電動車輛在惡劣條件下,如啟動、爬坡、剎車等過程,也可以使用電池與超極電容器組合的動力裝置,即混合動力系統。
    目前已經有超級電容器的公司在進行將超級電容器應用到軍用交通工具及重型卡車上的認定。

二、新能源領域
    風力發電
    風力發電系統中電力供給與需求在時間和空間上存在差異,在風速較低的時候,發出的有功功率不足,在風速較大的時候,又存在過多富余能量,波動較大。采用儲能系統則可以補充風力發電機輸出的有功功率,存儲過多富余的能量,通過電力的控制、調節、分配,可以實現對能源的合理、高效利用。
    相較于其他儲能方式,作為儲能裝置的超級電容器具有快充快放的特性,可以在幾十秒到數分鐘內完成充電過程,非常適應風力儲能的大電流波動,能在風力強勁的條件下吸收能量,在風力較弱時補充功率的不足放電,從而能夠熨平風電的波動,實現更有效的并網。
    風力發電變槳用超級電容器儲能的基本工作原理為:平時,由風機產生的電能輸入充電機,充電機為超級電容器儲能電源充電,直至超級電容器儲能電源達到額定電壓。當需要風力發電機組工作時,控制系統發出指令,超級電容器儲能系統放電,驅動系統工作。
    據了解,湖南的湘電集團中的風能發電就已經在使用超級電容器儲能系統,我們認為,未來會有更多的風電企業會用到超級電容器。
    光伏發電
    跟風力發電一樣,光伏發電過程中也會受天氣影響的輸出波動會影響并網電能質量,而超級電容器儲能技術具有瞬時大功率充放電的特性,能有效平抑波動,穩定其對電網的輸出。
    電梯
    像電梯這種需要快速制動的設備,電機都不可避免地存在再生發電過程,原來處理這部分多余能量的方法有兩種:
    1、增加制動單元和制動電阻將這部分電能消耗在電阻上,變成熱能浪費掉;
    2、采用能量回饋裝置將電能反饋至電網,但此方法存在一定諧波干擾,且用戶不能直接享受節電收益。
    將超級電容器應用至電梯后,原本消耗在發熱電阻上的電能儲存起來,當設備負重運行時反饋至變頻器直流母線,供設備優先利用,從而達到綠色、環保、節能的目的。
    超級電容器與電梯的結合有如下特點:
    高功率、長壽命、免維護,傳統電梯用的是電池,這種一般兩三年就需要換一次,節電率達到30%左右,在需要頻繁制動的場合,節電效果更明顯。
    據我們調研了解,三菱電梯、國內電梯廠商奧迪斯都正嘗試使用鋰離子超級電容器作為備用電源,預計未來超級電容器將成為電梯的標配。2014年底,全國在運行的電梯大概有360萬臺,而且每年還保持20%的增長,中國已經成為全球電梯最多的國家,所以應用在電梯的超級電容器的市場規模預計會很大。
    港口機械
    現在已經有利用超級電容器的港口集裝箱牽引車,它的主要工作機構有起升機構、小車機構和大車機構。起升機構在起升時耗電,由柴油發電機組供給,下降時其勢能轉換成電能反饋給輪胎式龍門集裝箱起重機,小車機構和大車機構在驅動和運行時耗電,在制動時反饋電能給輪胎式龍門集裝箱起重機。
    這種港口集裝箱牽引車的特征在于,由柴油發電機組發出的三相交流電源經過交流變頻器的整流裝置,轉換成直流電源DC,DC電源通過交流變頻器中的變頻裝置,將DC電源轉換成頻率和電壓可控的交流電源AC,用于驅動起升、大車或者小車機構;將超級電容并聯在DC電源總線上,利用DC總線監測電壓變化范圍,在電壓上升時充電,在電壓下降時放電,隨著超級電容不斷放電,其端電壓下降,DC總線電壓跟著下降,當檢測到此電壓低于柴油發電機組的電源整流電壓時,柴油發電機組開始參與供電,在制動時反饋電能給超級電容,超級電容不斷得到反饋的能量充電,又不斷地釋放電能;當輪胎式龍門集裝箱起重機的工作機構處于再生反饋狀態時,機構將能量反饋到DC總線上,DC總線電壓在電壓變化范圍內逐步上升,使超級電容不斷吸收電能;當DC電壓由工作機構電機再生反饋電能引起上升時,超級電容進入充電狀態,隨著超級電容不斷充電,其端電壓上升,DC總線電壓跟著上升,所有機構的反饋能量都被超級電容吸收。利用大容量超級電容器,可以短周期大電流充電和放電,在起動時能迅速大電流放電,下降時能迅速大電流充電,將能量吸收,起到節能環保的作用。
    據調研所知,振華港機生產的港口機械現在用的主要是鉛酸電池,因為鉛酸電池的特 性,需要一年多就更換一次,現在正在試驗運用超級電容器來代替鉛酸電池,我們認為,未來超級電容器在港口機械上的應用會推廣起來。
    數據中心
    數據中心場地非常龐大,并且運行過程伴隨著大量的用電,通過使用超級電容器,可以實現整個數據中心的快速啟動,可以將啟動時間提高至17-18秒。并且,如果發生斷電,也可以有效防止數據的丟失。數據中心與超級電容器的組合對于大數據的發展,特別是對于軍方而言,意義重大。
    根據調研,有生產超級電容器的廠家正在跟大數據公司進行協商。
    其他消費電子領域
    目前一些超級電容器在一些如數碼相機、掌上電腦和無線電話等消費電子商得到了廣泛的應用。下面列舉了幾個簡單的用途:

超級電容器應用領域廣泛
    我國積極推動超級電容器的發展
    一直以來,我國也在積極推動超級電容器的發展,2006年、2007年從技術上強調了重視超級電容器的發展,之后出臺了要對超級電容器應用進行補貼的政策,并且首個超級電容器基礎標準和材料方面的首個行業標準相繼出臺。

    技術層面不斷實現突破
    在技術層面,也不斷取得突破,這些突破一方面是在超級電容器的利用效率上的提高,另一方面是在商業化方面普及的推進。
    政策的支持和技術的進步,將極大的推動中國超級電容器產業的發展。

    市場規模激增,進口替代空間較大
    市場規模激增,發展潛力巨大
    從全球來看,2015年全球超級電容器市場規模達到173億美元。據Navigant預計,2014年到2023年超級電容器市場將增長約20倍,年均復合增長率達到39%,可見超級電容器市場的潛力巨大。

    從國內來看,國內超級電容器的市場規模逐年提升,可以看到2012-2015年間,國內超級電容器的市場規模從19.4億元增長到超過70億元,發展速度很快,但是也應該看到國內電容器的市場規模只占到全球市場規模的7%左右。
    國內后來居上,存進口替代空間
    國外研究超級電容器起步較早,技術相對比較成熟。在超級電容器的產業化方面,美國、日本、俄羅斯、瑞士、韓國、法國的一些公司憑借多年的研究開發和技術積累,目前處于領先地位。國外主要的生產企業有:美國的Maxwell公司,俄羅斯的Econd公司、Elit公司,日本的Elna公司、Panasonic公司、Nec-Tokin公司,韓國的Ness公司、Korchip公司、Nuintek公司等。
    2014年Maxwell總營收中有48%來自于中國市場,主要是城市混合動力客車制動能量回收系統。據統計,Maxwell在中國超容混合動力客車的保有量已超過一萬輛,宇通,金龍、金旅、海格、南車等國內知名的十多家車企都已將超級電容成功應用于新能源汽車上。并且,目前國內對超級電容的新能源汽車主流應用在客車領域,供應商除了Maxwell還包括國外超級電容廠商Nesscap,Korchip,VinaTech。
    國內有望發力,存進口替代空間
    從2015年的情況來看,國內從事大容量超級電容器研發的廠家共有50多家,然而,能夠批量生產并達到實用化水平的廠家只有10多家。
    就目前來看,國產超級電容器占有中國市場60%-70%的份額,剩余30%-40%的市場被國外的超級電容器生產廠商占據。我們相信,隨著國內生產廠商技術的完善提高和規模化效應的逐步體現,將會越來越多的替代對超級電容器的進口。
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