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  • 储能“黑科技”:超级电容器行业爆发节点来临(图表)
  • 2016-08-12 10:26:00分享到
    一般而言,储能主要是指电能的储存。2014年发布的《能源发展战略行动计划(2014-2020)》中,储能首次被明确为“9个重点创新领域”和“20个重点创新方向”之一,但是从文字的表述也可以看出,这次国家对储能的关注更倾向于技术和创新层面,在政策层面政府对储能技术发展的重视程度还远远不够,尤其在电力领域的应用方面,储能通常只能作为新能源、微电网、电动汽车、配电网等系统中的附属产品出现,其推进速度较为迟缓。

    2015年以来,我国连续出台多项支持储能发展的政策,2016年尤为密集。我们认为,国家正高度重视储能行业的发展,储能大规模产业化时点即将到来。

    我们有必要对储能的方式进行一下划分,一般而言,储能可以分为物理储能、化学储能和电磁储能。
    物理储能,主要是指抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等。
    化学储能,主要是指铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池等。
    电磁储能,主要是指超导电磁储能、超级电容器储能等。

    超级电容器简介和基本原理
    根据我们的研究和调研发现,除了现在市场关注度较高的锂电池之外,超级电容器作为一种储能方式,具有较大的发展潜力。
    超级电容器不同于传统的化学电源,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源。按照原理进行划分,超级电容器分为双电层电容器和赝电容器。目前来看,双电层超级电容器的技术更为成熟,在市场上已经逐步推广,所以现在市场上所说的超级电容器一般指的就是双电层电容器。

    双电层超级电容器主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能,当外加电压添加到超级电容器的两个极板上时,极板的正电极开始存储正电荷,同时负极板开始存储负电荷,在超级电容器两极板上电荷产生的电场的作用下,电解液与电极间的界面上就会形成相反的电荷,以平衡电解液内部的电场,这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上,以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上,因此电容量非常大。
    但是,在双电层超级电容器储能的过程中并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。
    总结起来,超级电容器具有如下特点:
    充电速度快,充电10秒~10分钟可达到其额定容量的95%以上;循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达1~50万次,没有“记忆效应”;大电流放电能力超强,能量转换效率高,过程损失小,大电流能量循环效率≥90%;功率密度高,可达300W/KG~5000W/KG,相当于电池的5~10倍;产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源;超低温特性好,温度范围宽-40℃~+70℃;
检测方便,剩余电量可直接读出;也正是因为超级电容器所具有的上述特点,超级电容器的应用领域十分广泛。

    超级电容器应用领域广泛
    在谈超级电容器的应用之前,我们应该首先明确从目前来看,超级电容器的出现和推广不是为了去取代电池,因为超级电容器和电池都各自具有独立的特性:超级电容器充放电时间快,但是储电量较少,电池充放电时间比较长,储电量相对于超级电容器要多。举个例子来讲电池相当于大象,超级电容器相当于豹子。
    超级电容器可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景,在交通运输、工业控制、风光发电、智能三表、电动工具、军工等领域具有非常广阔的发展前景。

一、交通运输领域
    交通运输用超级电容器将是支撑整个行业高速发展的最重要动力,超级电容器突出的特点使其可在许多领域包括新能源车中广泛使用。
    汽车
    在汽车领域,超级电容器的应用主要分为两类:汽车的启停系统和纯超级电容器汽车。
    在汽车工业中,超级电容器在智能启停控制系统的应用原理是:
    ①减速或短停车时,将制动过程中产生的热能转换成电能储存在超级电容器里;
    ②前进或加速时,电容器则将电能瞬间输出给智能启停控制系统中的电机,带动发动机工作。
    这样,在整个启停过程,汽车没有油耗,既经济又环保。因此具备快速充放电的超级电容器成为最佳选择,也是智能启停控制系统最重要的组成部分,为超级电容器在汽车工业上的应用提供了广阔的舞台。并且,该应用能使油耗降低25%-40%,可有效实现节能减排。
    在此之前,汽车的启停系统现在用的比较多的是蓄电池,在汽车整个生命周期中需要更换多次,而用了超级电容器,在汽车的全生命周期中将不需要在更换。
    此类装有超级电容器的混合动力汽车,据不完全统计,国内保有量已超过2万辆,并且超级电容已被市场的主流车企接受,应用于新能源客车乃大势所趋。
    超级电容器公交车
    这种一般应用于城市内的公交车,因为一般而言,城市内公交车线路约为30-40公里,甚至更短,现在超级电容器的续航能力可以达到50-60公里,完全可以满足城市内公交车的正常运行。
    并且,超级电容器作为动力源充电时间非常短,在几分钟之内就可以完成充电。在这一点上要远远好于电池作为动力源的公交车,因为电池的充电时间往往为几个小时。
目前,上海市已经有纯超级电容器公交车,其他城市,比如南通市也在积极推进超级电容器公交车的运营,预计明年将会通车。
    2015年3月,我国交通部发布《关于加快推进新能源汽车在交通运输行业推广应用的实施意见》,提出重点推广应用插电式(含增程式)混合动力汽车、纯电动汽车,研究推广应用储能式超级电容汽车等其他新能源汽车,到2020年我国新能源城市公交车将达到20万辆。根据“十三五”规划,五年内全国新能源汽车累计产销量达到500万辆,并鼓励城市公交和出租汽车使用新能源汽车,大力发展纯电动汽车和插电式混合动力汽车。
    所以我们预计,在汽车行业,超级电容器将有广阔的发展空间。
    轨道交通
    超级电容器应用在轨道车辆制动的时候,回收制动能量,存储于超级电容器中,当车辆再加速时,超级电容器将这些能量释放出来,起到节能的作用。
    在城市轨道交通,特别是有轨电车也出现了快速增长,截至到今年有5条线路采用超级电容作为主供电的运营。特别的,2016年8月1日,中国首列完全自主化全线无接触网“超级电容”现代有轨电车在中车株洲电力机车有限公司下线。该车以9500法拉“超级电容”储能供电,车辆在制动时能将85%以上的制动能量回收反馈至超级电容形成电能储存,实现能量循环利用。
    AGV物流搬运车
    AGV物流搬运车可以使用超级电容器作为能源装置,据我们调研了解到,东风二汽内部有1000-1500辆这种AGV物流搬运车,像这种AGV物流搬运车之前用的一般都是铅酸电池,所以普遍存在的一个问题就是充电时间比较长,并且安全性也不好,而且充电过程会占用很大的场地。
    而AGV物流搬运车运用了超级电容器作为能源装置后,充电不到1分钟,大概在装卸货物的时候就可以完成充电,不会发生因为集中充电导致的安全性问题和占据较大空间问题。
    目前,苏宁也在尝试这方面的应用,物流中心、仓储中心的车都会比较多的用到AGV物流搬运车,所以未来这块市场比较大,值得期待。
    高尔夫球车、机场摆渡车等
    此外,像高尔夫球车、机场摆渡车这样的在特定区域内行驶的车辆,因为运行距离较短,也完全可以使用超级电容器作为能源供应器件。
    军用交通工具及重型卡车
    军事用途的载重卡车、装甲车辆、电动车辆在恶劣条件下,如启动、爬坡、刹车等过程,也可以使用电池与超极电容器组合的动力装置,即混合动力系统。
    目前已经有超级电容器的公司在进行将超级电容器应用到军用交通工具及重型卡车上的认定。

二、新能源领域
    风力发电
    风力发电系统中电力供给与需求在时间和空间上存在差异,在风速较低的时候,发出的有功功率不足,在风速较大的时候,又存在过多富余能量,波动较大。采用储能系统则可以补充风力发电机输出的有功功率,存储过多富余的能量,通过电力的控制、调节、分配,可以实现对能源的合理、高效利用。
    相较于其他储能方式,作为储能装置的超级电容器具有快充快放的特性,可以在几十秒到数分钟内完成充电过程,非常适应风力储能的大电流波动,能在风力强劲的条件下吸收能量,在风力较弱时补充功率的不足放电,从而能够熨平风电的波动,实现更有效的并网。
    风力发电变桨用超级电容器储能的基本工作原理为:平时,由风机产生的电能输入充电机,充电机为超级电容器储能电源充电,直至超级电容器储能电源达到额定电压。当需要风力发电机组工作时,控制系统发出指令,超级电容器储能系统放电,驱动系统工作。
    据了解,湖南的湘电集团中的风能发电就已经在使用超级电容器储能系统,我们认为,未来会有更多的风电企业会用到超级电容器。
    光伏发电
    跟风力发电一样,光伏发电过程中也会受天气影响的输出波动会影响并网电能质量,而超级电容器储能技术具有瞬时大功率充放电的特性,能有效平抑波动,稳定其对电网的输出。
    电梯
    像电梯这种需要快速制动的设备,电机都不可避免地存在再生发电过程,原来处理这部分多余能量的方法有两种:
    1、增加制动单元和制动电阻将这部分电能消耗在电阻上,变成热能浪费掉;
    2、采用能量回馈装置将电能反馈至电网,但此方法存在一定谐波干扰,且用户不能直接享受节电收益。
    将超级电容器应用至电梯后,原本消耗在发热电阻上的电能储存起来,当设备负重运行时反馈至变频器直流母线,供设备优先利用,从而达到绿色、环保、节能的目的。
    超级电容器与电梯的结合有如下特点:
    高功率、长寿命、免维护,传统电梯用的是电池,这种一般两三年就需要换一次,节电率达到30%左右,在需要频繁制动的场合,节电效果更明显。
    据我们调研了解,三菱电梯、国内电梯厂商奥迪斯都正尝试使用锂离子超级电容器作为备用电源,预计未来超级电容器将成为电梯的标配。2014年底,全国在运行的电梯大概有360万台,而且每年还保持20%的增长,中国已经成为全球电梯最多的国家,所以应用在电梯的超级电容器的市场规模预计会很大。
    港口机械
    现在已经有利用超级电容器的港口集装箱牵引车,它的主要工作机构有起升机构、小车机构和大车机构。起升机构在起升时耗电,由柴油发电机组供给,下降时其势能转换成电能反馈给轮胎式龙门集装箱起重机,小车机构和大车机构在驱动和运行时耗电,在制动时反馈电能给轮胎式龙门集装箱起重机。
    这种港口集装箱牵引车的特征在于,由柴油发电机组发出的三相交流电源经过交流变频器的整流装置,转换成直流电源DC,DC电源通过交流变频器中的变频装置,将DC电源转换成频率和电压可控的交流电源AC,用于驱动起升、大车或者小车机构;将超级电容并联在DC电源总线上,利用DC总线监测电压变化范围,在电压上升时充电,在电压下降时放电,随着超级电容不断放电,其端电压下降,DC总线电压跟着下降,当检测到此电压低于柴油发电机组的电源整流电压时,柴油发电机组开始参与供电,在制动时反馈电能给超级电容,超级电容不断得到反馈的能量充电,又不断地释放电能;当轮胎式龙门集装箱起重机的工作机构处于再生反馈状态时,机构将能量反馈到DC总线上,DC总线电压在电压变化范围内逐步上升,使超级电容不断吸收电能;当DC电压由工作机构电机再生反馈电能引起上升时,超级电容进入充电状态,随着超级电容不断充电,其端电压上升,DC总线电压跟着上升,所有机构的反馈能量都被超级电容吸收。利用大容量超级电容器,可以短周期大电流充电和放电,在起动时能迅速大电流放电,下降时能迅速大电流充电,将能量吸收,起到节能环保的作用。
    据调研所知,振华港机生产的港口机械现在用的主要是铅酸电池,因为铅酸电池的特 性,需要一年多就更换一次,现在正在试验运用超级电容器来代替铅酸电池,我们认为,未来超级电容器在港口机械上的应用会推广起来。
    数据中心
    数据中心场地非常庞大,并且运行过程伴随着大量的用电,通过使用超级电容器,可以实现整个数据中心的快速启动,可以将启动时间提高至17-18秒。并且,如果发生断电,也可以有效防止数据的丢失。数据中心与超级电容器的组合对于大数据的发展,特别是对于军方而言,意义重大。
    根据调研,有生产超级电容器的厂家正在跟大数据公司进行协商。
    其他消费电子领域
    目前一些超级电容器在一些如数码相机、掌上电脑和无线电话等消费电子商得到了广泛的应用。下面列举了几个简单的用途:

超级电容器应用领域广泛
    我国积极推动超级电容器的发展
    一直以来,我国也在积极推动超级电容器的发展,2006年、2007年从技术上强调了重视超级电容器的发展,之后出台了要对超级电容器应用进行补贴的政策,并且首个超级电容器基础标准和材料方面的首个行业标准相继出台。

    技术层面不断实现突破
    在技术层面,也不断取得突破,这些突破一方面是在超级电容器的利用效率上的提高,另一方面是在商业化方面普及的推进。
    政策的支持和技术的进步,将极大的推动中国超级电容器产业的发展。

    市场规模激增,进口替代空间较大
    市场规模激增,发展潜力巨大
    从全球来看,2015年全球超级电容器市场规模达到173亿美元。据Navigant预计,2014年到2023年超级电容器市场将增长约20倍,年均复合增长率达到39%,可见超级电容器市场的潜力巨大。

    从国内来看,国内超级电容器的市场规模逐年提升,可以看到2012-2015年间,国内超级电容器的市场规模从19.4亿元增长到超过70亿元,发展速度很快,但是也应该看到国内电容器的市场规模只占到全球市场规模的7%左右。
    国内后来居上,存进口替代空间
    国外研究超级电容器起步较早,技术相对比较成熟。在超级电容器的产业化方面,美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累,目前处于领先地位。国外主要的生产企业有:美国的Maxwell公司,俄罗斯的Econd公司、Elit公司,日本的Elna公司、Panasonic公司、Nec-Tokin公司,韩国的Ness公司、Korchip公司、Nuintek公司等。
    2014年Maxwell总营收中有48%来自于中国市场,主要是城市混合动力客车制动能量回收系统。据统计,Maxwell在中国超容混合动力客车的保有量已超过一万辆,宇通,金龙、金旅、海格、南车等国内知名的十多家车企都已将超级电容成功应用于新能源汽车上。并且,目前国内对超级电容的新能源汽车主流应用在客车领域,供应商除了Maxwell还包括国外超级电容厂商Nesscap,Korchip,VinaTech。
    国内有望发力,存进口替代空间
    从2015年的情况来看,国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家,然而,能够批量生产并达到实用化水平的厂家只有10多家。
    就目前来看,国产超级电容器占有中国市场60%-70%的份额,剩余30%-40%的市场被国外的超级电容器生产厂商占据。我们相信,随着国内生产厂商技术的完善提高和规模化效应的逐步体现,将会越来越多的替代对超级电容器的进口。
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