超级电容器储能系统面临机遇与挑战

如果公用事业公司为他们的客户提供太阳能并利用超级电容器进行储能，那么可以显著地减少温室气体排放。而这是KilowattLabs公司首席执行官兼联合创始人OmerGhani对于储能系统的观点。该公司推出的基于超级电容器的储能设备SiriusEnergyStorage和CentauriEnergyServer，旨在管理分布式能源。

“我认为从公用事业部门减少温室气体排放量一个过渡过程就是采用微电网的方式。”Ghani说。

Ghani认为，公用事业公司应该为他们的客户提供住宅太阳能发电或其他形式的太阳能发电，并配备超级电容储能器，另外还配备一个独特的能源服务器，可以对太阳能发电和存储系统进行管理。实质上，每个家庭都可以部署自己的微电网。

他说：“这可以更好地采用可再生能源，而采用住宅太阳能发电的真正方法是使其成为客户采用电网电力的替代品。”

他说，这一战略将帮助公用事业部门达到可再生能源组合标准，并避免需求响应计划和关于净计量的争论。

公用事业部门将从储能系统中获得收入。他说：“通过经济运行的方式，公用事业部门可以收取一定的费用，并获得安装在住宅中储能系统的电能。”

公用事业公司将在适当的住宅安装并运行太阳能发电系统，并向客户收取一定数额的电费，例如25美分／千瓦时。或者他们可能会提供月度固定支付计划。Ghani说，“有很多财务结构既适用于公用事业，也适用于住宅用户。”

该系统将设计用于生成太阳能光伏所需的大部分电力，因此可以减少对公用事业需求响应和净计量的需求。

太阳能发电可以直接或从电容储能器输出电力满足家庭的高峰需求，如果峰值出现在晚上，那么能源服务器能够在没有支持的情况下处理住宅的所有即时浪涌、峰值、启动电源等问题。

Ghani说，人们如果想理解储能系统将如何工作，那么就需要了解超级电容器的储能系统（一种经过测试和应用的储能系统）。KilowattLabs公司现在已经有多个储能系统投入运行，并且通过其全球分销商网络出售了1．5兆瓦时的储能设备。

更重要的是，联合国的一个人道主义援助机构正在研究该公司在其350个可能的微电网站点的储能和服务器提案，以取代目前使用柴油发电机的“不良电网和无电网”系统。KilowattLabs公司一直积极参与该项目的开发和设计。

“我们帮助设计了这个概念。虽然不能说我们就会中标，但我们很强的市场定位。”Ghani说。该公司还被要求在加利福尼亚的自发激励计划下增加基于超级电容器的储能作为储能选项。

该公司正在为南非的一座矿山开发微电网，该矿井位于海拔3000的米高度，并面临电源可靠性方面的挑战。频繁的雷击使电源开关脱扣，并影响一些矿井设备的运行。

Ghani说，此外在几个小型试点项目中，几家美国公用事业公司已经为KilowattLabs公司的微电网使用或测试提交了订单。

KilowattLabs公司基于超级电容器的储能系统是独一无二的，因为它不使用铅酸蓄电池和锂离子等化学电池，因此避免了与电池相关的挑战。“蓄电池通过化学电解质储存能量。当充电时，可以将电能转化为化学能，并储存在电池的电解液中，而电池放电涉及反向化学反应。”他解释说。

但蓄电池的化学反应会产生问题，其中包括电池容量随着时间的推移而降低，并且有时会产生过多的热量，这可能会降低电池的性能，并导致热失控。而且蓄电池的放电次数和生命周期都存在一定的限制，这使得公用事业公司很难将其视为客户现场发电的一种长期资产。

另一方面，基于超级电容器的储能器要简单得多。这项技术将电能储存在电容器表面，这意味着不会产生化学反应。“接入电源并为储能器存储电能。它在放电时释放出电能。”Ghani解释说。面临的技术挑战

Ghani表示KilowattLabs公司已经克服了以前还没有使用的超级电容器储能技术，因为这种技术也面临自己的挑战：每个电池单体都是2．4伏的低电压，这意味着电池必须串联连接用于商业应用。而电池组需要进行平衡，其过程很复杂。其次，基于超级电容器的储能倾向于快速放电和放电。此外，它们的能量密度很低。

然而，KilowattLabs公司开发了一种平衡基于超级电容器的储能系统并使用电子电路控制其放电率的方法。该公司还与供应商合作开发石墨烯超级电容器。Ghani说，“这可以提高产品的能量密度，并让它在市场上可以接受，这款产品具备非常高的能量密度，比任何其他产品都高。”

他说，基于超级电容器的储能器的循环寿命为100万次，而电池循环寿命为4，000次至5，000次。

“我们开发的基于超级电容器的储能器在运行时没有化学反应，并且具有极高的充放电效率，并在整个充放电循环周期内保持性能不变。所有的电子元件都在表面，而且没有化学反应。另外，储能设备的容量不会随着时间的推移而降低。现在解决了这些问题之后，我们可以使用超级电容器作为储能介质，提供与电池相同的储能属性，但比电池具有更多的优势。”Ghani说。

Ghani表示，基于超级电容器的储能成本稍高于锂离子电池的成本。该公司预计其产品的价格将很快与锂离子电池竞争。而基于超级电容器的储能器比锂离子电池的优势意味着它更具成本效益。

“我们不需要体积超大的超级电容储能器。”Ghani说。他指出，蓄电池会因为多年的使用而降低容量，并且电池组的体积庞大。

一切采用服务器控制

基于超级电容器的储能系统可以帮助公用事业公司满足KilowattLabs公司为客户安装和运营太阳能发电的愿景。KilowattLabs的能源服务器也是如此，该服务器旨在整合分布式能源。它可以被众多公司所使用，其中包括由他们的公用事业公司配备太阳能和超级电容器储能的客户。

通常，分布式能源集成涉及硬件系统，例如逆变器、充电控制器和发电机。而软件也很重要。“这采用了一个软件层，微电网控制器，开关设备以及将它们组合在一起的各种方式。”Ghani解释道。

KilowattLabs公司的能源服务器是一种内置软件的电力电子硬件平台。“用户把所有东西都放到服务器上，其内置了软件，并在同一台机器上提供输出。”他说。

能源服务器由KilowattLabs公司开发，以解决与集成分布式能源相关的诸多挑战。

Ghani解释说，虽然太阳能发电系统可以安装在任何地方，并且不需要输电线路，特别是与储能系统配套使用时，但其应用仍会受到电力电子设备的限制。

Ghani说：“当用户使用太阳能发电系统产生电能，并且使用这种电能为家庭、工厂、办公室供电时，电力电子设备必须处理很多事情。”

这些事项包括在电路上运行的电动机、压缩机、冰箱，以及启动和停止的水泵，并在每次启动时吸收浪涌电流，即最大瞬时输入电流。它们的浪涌电流可能差别很大，范围从其额定容量的100％到1000％，持续几毫秒到几秒钟。

不需要过大的体积

采用功率电子器件能够处理这些浪涌电流。解决这个问题的一个方法采用体积庞大的设备，而这是低效和不经济的做法。

“我们服务器的内部架构使其能够在两秒内处理其额定容量的10倍的负载，而不会过载，从而有效且经济地处理这些瞬时负载。”他说。

更重要的是，太阳能发电系统通常每天可用约五个小时的时间，但为了提供24小时的电力，在没有电网或柴油发电机供电的情况下，太阳能发电系统必须在5小时内产生足够用户使用24小时的电能。

“为了做到这一点，电力电子设备需要处理高水平的太阳能发电的电源输入。在以往，通常采用增加柴油发电机的方式，但其效率低下，并且成本高昂。我们的服务器可以处理太阳能发电的5到8倍的容量而不会过载。”Ghani说。

“假设用户有一台100kW的服务器，并由负载率决定，但需要500kW的设备才能在一整天内产生足够的太阳能发电。用户可以将500kW的设备连接到100kW服务器。现在，可以在24小时内产生足够的电力，并可在不过载的情况下处理浪涌电流。”他解释说。

Ghani说，其能源服务器可以连接到太阳能发电和储能设备。他说，“因此，现在用户拥有可独立处理负载的即插即用系统，从太阳能发电到为储能器充电，处理电源间歇性问题，并为客户提供24小时稳定灵活的电源。能源服务器做的第一件事就是管理负载，如果还有多余的电能，它会在运行负载时向储能设备充电。能源服务器通过无缝切换功能，在需要时使用太阳能发电或储能系统来解决电力间歇性问题。通过能源服务器，太阳能发电系统可以使用电网作为电源备份。”

电网将作为一种电力输入源连接到服务器。能源服务器会在日照不良的情况下从电网获取电力为储能设备充电。他表示，根据位置和日照的不同，获取的电能将是5％到15％不等。

他指出，能源服务器还有能力为电网提供电力，例如，如果住户外出度假，其太阳能发电系统可以向电网提供电力，并获得收入。

Ghani表示，这些技术可以帮助更快、更有效地扩大太阳能发电的使用，特别是如果公用事业公司为他们的客户提供太阳能的话。

“美国太阳能发电的最大的成本之一就是客户的购置成本。公用事业部门有大量的客户，而这就是为什么与客户开展合作的原因。”他说。