分布式储能技术探讨

1）飞轮储能

飞轮储能电源系统综合了先进复合材料转子、磁轴承、高速电机以及功率电子技术。在2000年前后，以美国为代表的现代飞轮储能电源商业化产品开始推广。例如，ActivePower公司的100～2 000 kW CleanSource系列UPS已经应用于精密电子生产企业、信息数据中心以及网络通信系统等，满足高级用户对高质量的供电需求。美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。欧洲的法国国家科研中心、德国的物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。

目前国内从事飞轮储能研究的单位有：清华大学工程物理系飞轮储能实验室、华北电力大学、北京飞轮储能柔性研究所（由中国科学院电工研究所、天津核工业理化工程研究院等组成）、北京航空航天大学、南京航空航天大学、中国科学技术大学、中国科学院力学研究所、东南大学、合肥工业大学等。华北电力大学和中国科学院电工研究所、河北省电力局合作，已经开始就电力系统调峰用飞轮储能系统的课题进行研究。2008年，中国电力科学研究院电力电子研究所在中国人民解放军第306医院安装了一台容量为250 kW、磁悬浮轴承、能运行15 s的飞轮储能装置，可与备用的柴油发电机相互配合，这是飞轮储能首次在中国配电系统中安装使用，但与国外技术水平仍有差距。

2）超级电容器

超级电容器的应用日渐成熟，其应用方向可分为以下几个领域：小功率电子设备的主电源、替换电源或后备电源，混合电动汽车和电动汽车，可再生能源发电系统和分布式电力系统，能量缓冲器。能量缓冲器由超级电容器和功率变换器组成，主要应用于电梯等变频驱动系统。当电梯加速上升时，能量缓冲器向驱动系统中的直流母线供电，提供电机所需的峰值功率；当电梯减速下降时，能量缓冲器吸收电机回馈的能量。

超级电容器的发展趋势主要是提高电容器的容量和循环特性、降低成本。就提高性能而言，超级电容器的电极、电解质的改进是重点。目前超级电容器电极材料的研究重点在于：组合利用现有的电极材料，例如结合电双层电容和法拉第准电容的储能机理，从而提高电容；开发新型电极材料。实际上，新型电极材料的开发从来没有停止过，从活性炭、碳纤维、金属氧化物、碳纳米管、石墨烯到复合电极材料等，不断有新材料问世。电解质的研究重点在于开发电位窗宽、耐高低温、离子导电性好的材料。就未来十年的发展而言，超级电容器将是运输行业和自然能源采集的重要组成部分。其中，用于装配启停系统车辆的超级电容器，将成为其未来的主要销售产品，预计2020年产值将超过3.5亿美元。目前超级电容器占世界能量存储装置（包括电池、电容器）的市场份额不足1%，在中国所占市场份额约为0.5%。2016～2020年，随着超级电容器在汽车启停、电网储能、轨道交通、军事、港口等领域的成熟应用推广，预计有超过百亿的市场需求。

在超级电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国等国家起步较早，凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位。如美国的Maxwell，日本的NEC、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等，这些公司目前占据着全球大部分市场。国内大容量超级电容器的研发开始于20世纪90年代，目前国产超级电容器已占有中国市场60%～70%的份额。国内超级电容器产品虽然在工艺和部分产品性能上不及国外公司，但差距正逐步缩小，特别是在卷绕型和大型超级电容器方面，其技术与国际接近，如宁波南车新能源科技有限公司产品的某些性能甚至超过了国外同类产品。在环保型交通工具方面，中国在超级电容公交电车的应用方面领先一步。2006年8月28日，上海11路超级电容公交电车，即“上海科技登山行动计划超级电容公交电车示范线”投入运营，在实际应用领域走在了世界前列。

3）锂电池

锂电池的阴极材料为锂金属氧化物，具有高效率、高能量密度的特点，并具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、存储寿命长、无记忆效应及无公害等优点，广泛应用于数码产品、电动工具、电动自行车、新能源汽车和储能等。锂电池的主要结构构成为电池盖、正极、负极、隔膜、有机电解液、电池壳等。(www.xing528.com)

2014年，全球以及各大企业纷纷加大锂离子电池研发支持力度，新技术和新产品不断涌现，技术创新及产业化步伐加快。可弯曲电池、固态薄膜电池、微型电池等新产品先后亮相，有望在近两年内进入市场。陶瓷涂层隔膜得到广泛应用，明显提高了锂电池的安全性与可靠性。正极材料电压提升至4.35 V乃至更高，5 V镍锰二元材料开始量产，带动了整个电池体系创新发展。电池能量密度持续提升，单体电池容量稳步上升。

预计2022年全球锂电池总需求量和市场规模将分别达到125.4 GW·h和422亿美元，未来十年复合年增长率预计分别为14.9%和12.9%。目前中、日、韩三国企业合计占有全球90%以上的市场份额，全球锂电池产业逐步形成了中、日、韩多头垄断的市场竞争格局。

近年来，我国锂电池产业产值由原来的数百亿元发展到超过千亿元，成为新一代智能手机、各种电动汽车、风能和太阳能储能系统等诸多重大应用领域的主力电源之一。我国锂电池生产技术逐步提升，市场需求稳定增长。数据显示，我国是世界上最大的锂电池制造国，按照市场份额计算，我国锂电池已经占到世界市场份额的40%以上，并且这一速度还在提升，目前我国的锂电池增长速度大概保持在10%左右。

4）铅碳电池

铅碳电池是一种电容型铅酸超级电池，既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点，也发挥了铅酸电池的比能量优势，且拥有非常好的充放电性能。由于加了碳（石墨烯），有效阻止了负极硫酸盐化现象，延长了电池寿命。铅碳电池适用于混合动力汽车、电动自行车等领域，也可用于新能源储能领域。

铅碳电池的核心技术突破是将具有双电层电容特性的碳材料（C）与海绵铅（Pb）负极进行合并，制作成既有电容特性又有电池特性的铅碳双功能复合电极。2005年，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的L.T.Lam等人首先报道了铅碳超级电池的开创性工作，并与日本古河电池公司合作，生产出12 V、6.7 Ah的超级电池。2009年，美国政府拨出专款支持发展铅酸“超级电池”项目。国内企业如南都电源、烯晶碳能、天能集团等也研发出了各具特点的铅碳电池储能产品。南都电源正在募集资金重点投建10 GW·h铅碳电池生产线。

铅碳电池能够在车辆加速和制动期间快速地输出和输入电荷，特别适合于微混合动力车和微型纯电动汽车（MEV）的“停止-启动”系统，动力电池是目前铅碳电池的最大应用市场。欧盟计划到2017年生产启停电动汽车的占有率达到80%，仅此一项对铅碳电池的需求将达到50亿美元/年。预计到2020年，国内微型纯电动汽车（MEV）对铅碳电池的需求量将达到150亿W·h，实现销售额100亿元人民币，满足100万辆MEV的动力电池需求。