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产业观察丨《指导意见》对储能装备产业化的推动作用

2017年10月11日,由国家五部委联合发布的《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》(以下简称《指导意见》),是我国大规模储能技术 及应用发展的首个指导性政策。《指导意见》围绕能源改革的指导思想,提出“政府引导、企业参与”、“创新引领、示范先行”、“市场主导、改革助推”三个基本原则,制定了“研发示范向商业化初期过渡”、“商业化初期向规模化发展”的两个阶段性发展目标,提出了“推进储能技术装备研发示范”、“推进储能提升可再生能源利用水平应用示范”、“推进储能提升电力系统灵活性稳定性应用示范”、“推进储能提升用能智能化水平应用示范”和“推进储能多元化应用支撑能源互联网应用示范”五个重点任务,最后制定了“加强组织领导”、“完善政策法规”、“开展试点示范”、“建立补偿机制”、“引导社会投资”、“推动市场改革”和“夯实发展基础”七个保障措施。


《指导意见》的制定与颁布,反映了我国已把推动能源革命作为当前能源工作的中心任务,并坚信能源技术是新一轮科技革命和产业革命的突破口。储能作为智能电网、可再生能源高占比能源系统、能源互联网的重要组成部分,对能源产业结构升级起到关键技术的支撑作用。


在《指导意见》部署的五大重点任务中,“推进储能技术研发示范”为首要任务,也是“十三五”期间最重要的任务。该任务根据不同类型技术的发展阶段划分为四类,并对其中的一些核心技术及重点装备进行了点名,这对于相关行业的研发和制造将起到极大的鼓舞和推动作用。本文将针对《指导意见》中提及的飞轮储能技术及装备,阐述该项政策的颁布给行业带来的推动作用,并简要介绍清华四川能源互联网研究院(以下简称研究院)高速飞轮储能研究中心(以下简称飞轮储能研究中心)的研究方向与成果。

政策推动作用

1. 吹响了储能技术与装备产业化竞争的号角

《指导意见》指出,我国储能呈现多元发展的良好态势:抽水蓄能发展迅速;压缩空气储能、飞轮储能,超导储能和超级电容,铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等储能技术研发应用加速;储热、储冷、储氢技术也取得了一定进展。这是对我国现有储能技术研究与发展工作的肯定,认可了既往以来的技术发展路线,同时大胆预测我国储能技术总体上已经初步具备了产业化的基础。这是对储能技术与装备发展现状的一个定调,证明我国储能技术总体已处于从示范应用向商业化初期过渡的重要阶段,必将引来一轮新的能源产业化浪潮,产生一批具有创新创造力的制造型企业。

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2. 为不同储能技术与装备指明了发展目标与现状

关于推进储能技术装备研发示范,《指导意见》提出了四个主要任务:“集中攻关一批具有关键核心意义的储能技术和材料”、“试验示范一批具有产业化潜力的储能技术和装备”、“应用推广一批具有自主知识产权的储能技术和产品”和“完善储能产品标准和检测认证体系”。这四项任务按照产业化进展程度分别对应四个阶段:基础研究阶段、试验示范阶段、应用推广阶段、标准认证阶段。其实是间接指明了相关储能技术与装备所处的阶段,以明确该阶段的主要任务,有的放矢,而不要好高骛远,盲目大跃进。


各阶段对应的主要任务及相关储能技术装备如下:


(1)基础研究类:该类技术或装备尚处于预研阶段,主要任务是加强基础、共性技术攻关,围绕低成本、长寿命、高安全性、高能量密度的总体目标,开展储能原理和关键材料、单元、模块、系统和回收技术研究,发展储能材料与器件测试分析和模拟仿真。重点包括变速抽水蓄能技术、大规模新型压缩空气储能技术、化学储电的各种新材料制备技术、高温超导磁储能技术、相变储热材料与高温储热技术、储能系统集成技术、能量管理技术等;


(2)试验示范类:该类装备技术已经成熟,已开始或完成样机制作,主要任务是针对不同应用场景和需求,开发分别适用于长时间大容量、短时间大容量、分布式以及高功率等模式应用的储能技术装备。大力发展储能系统集成与智能控制技术,实现储能与现代电力系统协调优化运行。重点包括10MW/100MWh级超临界压缩空气储能系统、10MW/1000MJ级飞轮储能阵列机组、100MW级锂离子电池储能系统、大容量新型熔盐储热装置、应用于智能电网及分布式发电的超级电容电能质量调节系统等;


(3)应用推广类:该类技术或装备已具备市场应用价值,开始产业转化,主要任务是加强引导和扶持,促进产学研用结合,加速技术转化。鼓励储能产品生产企业采用先进制造技术和理念提质增效,鼓励创新投融资模式降低成本,鼓励通过参与国外应用市场拉动国内装备制造水平提升。重点包括100MW级全钒液流电池储能电站、高性能铅炭电容电池储能系统等;


(4)标准认证类:该类技术及装备已具备初步的市场规模,主要任务是建立与国际接轨、涵盖储能规划设计、设备及试验、施工及验收、并网及检测、运行与维护等各应用环节的标准体系,并随着技术发展和市场需求不断完善。完善储能产品性能、安全性等检测认证标准,建立国家级储能检测认证机构,加强和完善储能产品全寿命周期质量监管。建立和完善不合格产品召回制度。目前尚无制定的储能技术或装备。


以飞轮储能为例,其应用阶段尚属于试验示范类,表明其基础技术研究及核心零部件的制造已经基本成熟,可以开始在相关应用领域进行试验示范,以长期验证功能是否满足需求、性能指标是否合格、是否可以长期稳定可靠运行、对周围环境的影响等等。完成试验示范后就初步具备了市场应用推广价值。这也为飞轮储能研发团队指明了本阶段的主要目标,应该集中注意力在产品的应用落地上,而非盲目推广和扩张。


3. ?明确了保障措施

为确保重点部署的储能技术与研发示范任务顺利实施,《指导意见》从平台、资金、示范工程和人才等多方面提供了保障措施。以科技部重点专项“智能电网技术与装备”为例,2017年重点专项在5个技术方向启动18个研究任务的20个项目,2018年在5个技术方向启动19个研究任务19至38个项目,拟安排国拨经费总概算为4.63亿元。其中“MW级先进飞轮储能关键技术研究”被列为智能电网基础支撑技术进行重点扶持。对于飞轮储能技术与装备的研发示范,现阶段中心除了可以与清华大学联合申请国家电网、数据中心、石油、铁路等相关部门的示范工程项目,还可以由省政府牵头与当地的一些企业开展横向合作,根据企业需求量身打造合适的储能设备。

中心研究方向与成果

飞轮储能电源属于短时间大容量、分布式以及高功率等模式应用的储能技术装备。飞轮储能电源在过载能力与响应速度方面也极具竞争力,虽然在自放电率方面仍有待改进,但是飞轮储能电源在电力系统中已经获得了良好的应用收益。

(1)在发电侧,飞轮储能电源与分布式新能源发电系统配合,平抑分布式发电的功率波动,提高风能、太阳能等清洁能源的利用效率;

(2)在电能传输中,飞轮储能电源作为瞬态调频装置,实现电网在大规模分布式发电接入情况下的稳定控制;

(3)在用电侧,飞轮储能电源作为新兴不间断电源(UPS),广泛应用于数据中心、医疗结构等。此外飞轮储能电源在轨道交通车辆制动能量回收、大功率脉冲电源等领域也有一定应用。

本高速飞轮储能研究中心基于清华大学的研究成果,在高速飞轮储能技术领域积累了近20年的研究和工程经验,正在承担国家科技支撑计划等飞轮储能课题。


1. 研究方向

根据国家“十三五”规划的要求,以及《指导意见》对飞轮储能任务定位,飞轮储能研究中心正致力于能源互联网高速飞轮储能技术的研究及其产业化应用,侧重于大容量飞轮储能调频电站、独立电网飞轮储能应用和飞轮储能UPS的研究和产品开发,大力发展储能系统集成与智能控制技术,实现储能与现代电力系统协调优化运行。


2.研究成果

飞轮储能研究中心已拥有:100kW-1MW,1kWh-10kWh,转速范围2700rpm-42000rpm的飞轮储能技术,具有包括飞轮本体(磁悬浮轴承、驱动电机等)和电力电子转换装置全套系统独立设计和完全自主的知识产权,研究成果处于国内前列。并且具备大量的应用工程或案例,涉及飞轮储能UPS、飞轮储能DVR、石油钻机飞轮储能能源优化系统等。


图:国产首套3kWh /500kW飞轮储能工程样机


图:国产首套5kWh /1MW飞轮储能示范工程样机


飞轮储能研究中心在飞轮高速轴承、复合材料及飞轮绕制工艺、高速飞轮电机、飞轮储能阵列以及飞轮储能电源的应用开发上紧跟国外先进同行,同时还在高效能量转化技术上做了很多优化,实现了极低载波比下电机的高速控制,另外还实现了基于感应子电机的飞轮系统控制,感应子电机在转子结构上与开关磁阻电机类似,但是其在定子上增加布置励磁绕组,并在转子上形成励磁磁极,具备永磁同步电机控制特性的同时又可以实时控制转子磁场的大小。可以进一步提高待机效率,减小自放电率。


3. 未来展望

按照《指导意见》“十三五”规划的指引,飞轮储能研究中心计划在现阶段以承接企业和国家示范工程项目为主,具备1kW至1MW级单体设计和制造或装配能力,其中核心零部件全部自主设计,并有长期战略合作的供应商体系;并逐步实现产品的单元化、模块化,将产品型号及功率等级进行精简,通过阵列并联技术实现不同功率等级、不同客户应用需求,以达到降低成本和实现批量化产业化的目标。


同时根据《指导意见》保障规划,积极配合当地政府的能源转型升级,申请实验、办公场所及厂房等相关支持,引进优秀海内外人才,凝聚和优化一支国际一流、国内领先的高水平研究队伍。在项目申请上,提出具有战略性、前瞻性的研究构想,充分结合研究院现有的资源和基础,积极申请国家重大重点研究项目。


最后在“十四五”规划期间实现核心零部件的批量制造及生产,整合供应链体系,进而实现高速磁悬浮飞轮储能装置的产业化,并广泛应用在UPS电源、电网调频、轨道交通车辆等制动动/势能再生、新能源发电等行业。

盛爽,清华大学电气工程专业博士,

清华四川能源互联网研究院高速飞轮储能研究所所长助理,

发表多篇核心期刊及EI论文,拥有6项授权发明专利和2项授权实用新型专利,

邮箱:shengshuang2017@outlook.com