中國儲能網(wǎng)訊：2017年4月24-26日，第七屆中國國際儲能大會在蘇州香格里拉大酒店圓滿召開，來自中、美、英、德、澳、日、韓等國家的1400余位嘉賓到場參會。大會共邀請140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產(chǎn)業(yè)熱點話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國儲能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會最具價值的聲音。
大會期間，中國科學院電工研究所研究員張國民，在“先進儲能技術專場”，以《高溫超導儲能技術研究進展》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講主要內(nèi)容發(fā)布，以饗讀者。
中國科學院電工研究所研究員張國民
張國民：各位專家、各位同仁下午好。我主要是做一些超導儲能的工作，所以說我這個介紹主要是介紹一下超導在電力系統(tǒng)方面的一些工作。首先是講一下電網(wǎng)對于儲能技術的需求，電網(wǎng)對于儲能技術的需求跟可再生能源的發(fā)展是不可分割的，世界各國都在開展新能源的建設。美國能源部規(guī)劃就是2030年風能提供20%的能源，歐洲也有20:20:20計劃。我們國家也發(fā)布了可再生能源的規(guī)劃，這個十三五的規(guī)劃是說到2020年風電的規(guī)模是2.1億千瓦，太陽能發(fā)電是1.1億千瓦，所以說這個可再生能源將在電力系統(tǒng)中成為一個重要的能量。但是可再生能源的發(fā)展，風能、太陽能的主要特點就是波動性和隨機性很強，這樣接入電網(wǎng)來說難度就比較大，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性有很大的影響。所以說大規(guī)模的風電的并網(wǎng)將對電力系統(tǒng)的運行影響比較大，怎么可以解決可再生能源比例高的情況下保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行呢？這是個很大的挑戰(zhàn)，所以說儲能就是一個很好的支撐技術。通常發(fā)電的話，發(fā)出的電跟用的電要平衡，如果沒有儲能的話發(fā)出的跟用的就失去平衡了。但是有了儲能以后我們就不需要實時平衡，我們儲能可以把發(fā)電用電從時間空間上分隔開來，這樣發(fā)電之后我就存起來，需要的時候再拿出來，所以說儲能是解決并網(wǎng)的一項非常重要的技術。
大家都搞儲能的，儲能的種類就很多了，電池儲能、還有今天我們講的飛輪儲能、超導儲能。超導儲能是一個功率型的能量，它的響應時間就是毫秒級，它是能夠快速響應的一種能源。超導儲能的功率密度比較大，另外它可以反復多次充電。超導儲能實際上這里邊有兩種，一種就是說可以用超導做成飛輪儲能！另外超導還可以做磁儲能。超導飛輪儲能實際上是利用了超導的特性，就是超導的磁懸浮的原理。對于超導體來講它有一個重要的特性就是完全抗磁性。就是說對于正常的物體來講磁場是可以穿透物體的，但是對于超導體來講，這個電流在磁場里面產(chǎn)生力，這個力就可以把懸浮懸浮起來，這種懸浮是一種穩(wěn)定的懸浮。利用這種懸浮就可以做成軸承，基于超導懸浮原理做的軸承具有自穩(wěn)定性，不需要控制的情況下它就自覺的懸在中間了。對超導來說，超導軸承是不需要控制的。這樣的話我們就可以利用超導軸承做成飛輪，飛輪在超導懸浮下高速旋轉(zhuǎn)，沒有摩擦的旋轉(zhuǎn)，這樣就實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)。超導的飛輪儲能除了具有常規(guī)的飛輪儲能的特點之外，它的重要特點就是自穩(wěn)定性，就是不需要外部控制，因此它的效率還可以再高一些。
這個超導飛輪儲能的結構跟常規(guī)的基本上差不多，一般都是在真空里面一個飛輪一個電機，因為軸承是懸浮軸承，所以這個就是用超導的懸浮軸承，另外就是各種控制系統(tǒng)，還有一個冷卻系統(tǒng)，就是說常規(guī)的飛輪儲能冷卻系統(tǒng)不需要那么低的溫度，我們這個是低溫冷卻，它是一個低溫的設備。目前超導飛輪儲能的研發(fā)情況來看，目前國際上就這么幾家，美國、德國、日本、韓國等等這幾家做的是比較好的。這是美國波音公司的一個飛輪儲能系統(tǒng)的案例，這是2009年他們研發(fā)的一個飛輪儲能系統(tǒng)。這是德國ATZ的，他們也是2007年就開發(fā)出來這種飛輪儲能系統(tǒng)。日本的國際超導技術中心的這個我就不說了，這個是韓國電科院的，這是2010年的。2012年韓國又做了一個稍微大一點的35千瓦時的，雖然說35千瓦時還不算太大。日本有一個計劃，這個計劃是比較大的，是1兆瓦的一個飛輪儲能系統(tǒng)，它的特點就是全超導的。通常我們說是超導飛輪儲能都是轉(zhuǎn)子用磁定子月超導，他們這個轉(zhuǎn)子和定子都是用超導的。這個計劃最后沒有完全實現(xiàn)，不過有部分實現(xiàn)了，也就是說它2015年有一個報道，就是說世界最大的超導飛輪儲能系統(tǒng)。你看它計劃的是1兆瓦，實際上最后結果是一個300千瓦，基本上是做了一個三分之一的，實現(xiàn)了三分之一的計劃。這是對那幾家公司飛輪儲能系統(tǒng)的一個總結，我就不仔細說了。
我們電工所也在一個國防項目的支持下也做了一個飛輪儲能研究，早期我們大概是在1999年到2000年的時候做超導軸承，現(xiàn)在我們實際上這次應該說是2012年開始來做這件事情，所以說又重新搭建了實驗系統(tǒng)，做了實驗和理論分析。就是在此基礎上涉及了一個小的飛輪儲能系統(tǒng)，雖然說是個小的，但是各個方面都是要做的，麻雀雖小五臟俱全。最后是做出來這樣一個很小的東西，功率大概是2千瓦的，儲能是3KJ，轉(zhuǎn)速是10000轉(zhuǎn)，工作溫度是83度。我們目前繼續(xù)向下做，因為對于目前這個飛輪儲能來講大家用的最多的還是迅速補償?shù)囊粋€裝置，如果長期儲能的話還是有一個問題，效率還不是那么理想，所以還是很難長期儲存能量。為了能夠進一步儲存能量，通常的這個飛輪儲能是內(nèi)制的，電機是在里面的，電機在里面是發(fā)熱的。儲能期間電機也是空轉(zhuǎn)的，損耗也是有的。我們次驅(qū)動技術+開斷技術+超導飛輪儲能技術提高效率實現(xiàn)長期無損耗儲能。另外一個就是超導的磁儲能，這個就非常簡單了，就是超導的線圈，我們做成線圈以后就可以給線圈充電，需要的時候再把這個線圈能量返回來。它的優(yōu)勢就是說它的轉(zhuǎn)換非?？?，反應時間比較快。主要優(yōu)勢就是說它可以長期無損耗的循環(huán)儲能，儲能時間比較長，這是它的主要優(yōu)勢。這是關于超導磁儲能系統(tǒng)的國內(nèi)外研究情況，這是一些案例，我就簡單的過一下。
我們2005年做了一個小的儲能系統(tǒng)，在此基礎上我們又進一步做了一個1MJ的儲能系統(tǒng)，這個我們用在了白銀的超導變電站。另外華中科大也做了小的儲能系統(tǒng)，超導這個儲能實際上是沒有問題的，但是這個系統(tǒng)本身還可以用于限流，這就是超導儲能限流系統(tǒng)，這個思路也是我們最早提出來的，所以說我們2005年也做出一個小的樣機，后來我們就把這個系統(tǒng)的思路進一步放大，又申請了一個863的項目，就是說面向新能源發(fā)電的超導儲能—限流系統(tǒng)的研制和并網(wǎng)運行，這個項目剛剛結題。因為新能源發(fā)電存在這個斷續(xù)性，存在低電壓穿越的問題，怎么去解決這個問題呢？我們就想到這個超導儲能還可以限流，就把這個結合起來，就是把我們以前做的一個東西放大了一下。這個是我們當初的一個指標，就是說儲能能量是1MJ的?；驹砭褪前堰@個儲能和限流結合起來做一個儲能限流裝置，當然在做這個限流儲能之前我們先是做一些仿真的工作，可以看到這個系統(tǒng)具有功率平滑的作用，之后我們驗證仿真的結果對不對，驗證完成之后把這個模塊設計出來，大概就是這樣一個結構。設計完了以后就把這個系統(tǒng)按照設計做出來，就是這樣一個東西，這是我們跟西電合作的。做完了之后首先對這個限流進行測試，限流測試的結果是電流限制率可以達到90%。儲能是用超導磁體儲能，所以要設計一個磁體電站，設計完了就把它做出來，就是右邊這個圖。做出來之后我們就把這一套裝置用在玉門的一個風電場，這個風電場大概有91臺風級，總裝機能量大概是100兆瓦。最后出來的結果是這樣的，下邊這個圖的藍線就是風級發(fā)出來的功率，為了補償這個有功我就用這個超導磁體來出力，下面是超導磁體出來的補償有功，平滑以后這個有功得到了明顯的平滑，當然這個平滑效果還不是很好，它是一個功率型的，不是一個能量型的。我們這個剛剛結題，然后科技部網(wǎng)站就發(fā)了一個報道。
其實單純的超導儲能的優(yōu)勢并不是特別明顯，因為超導離不開低溫，低溫是很麻煩的，所以最好把這個低溫的缺點克服掉。復合超導儲能將來會是一條比較好的路線，混合儲能是超導儲能的一個發(fā)展方向。最后我談一點看法，目前這個超導的磁儲能和飛輪儲能，就是磁驅(qū)動的飛輪儲能有望實現(xiàn)較長時間的儲能，可以長期儲能。隨著材料與低溫技術的發(fā)展，超導儲能技術大規(guī)模應用也可以實現(xiàn)，國內(nèi)現(xiàn)在超導儲能還比較少，超導的飛輪儲能也就我們一家做了。另外超導儲能要向多功能化發(fā)展，最后就是說超導的復合儲能應該是具有良好的應用前景的。謝謝大家。
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
