北京低碳清潔能源研究院（以下簡稱“低碳院”）隸屬于國家能源集團，成立于2009年12月，是國家能源集團的直屬研發(fā)機構(gòu)，國家級海外高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地。目前設(shè)有北京、美國、德國3個全球研發(fā)基地，近700名員工，其中國外員工占比30%以上，50%科研人員具有博士學(xué)位。擁有國家能源煤炭清潔轉(zhuǎn)換利用技術(shù)研發(fā)中心（國家能源局）、煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室、北京市納米結(jié)構(gòu)薄膜太陽能電池工程技術(shù)研究中心等重點科研平臺。低碳院致力于清潔能源及相關(guān)領(lǐng)域先進技術(shù)的開發(fā)，并通過技術(shù)創(chuàng)新支持國家能源集團實現(xiàn)世界一流清潔能源集團的戰(zhàn)略目標(biāo)。以構(gòu)建高效多能源集成系統(tǒng)為目標(biāo)，開展關(guān)鍵設(shè)備、核心技術(shù)、系統(tǒng)集成方案的開發(fā)研究及產(chǎn)業(yè)化，助力集團新能源業(yè)務(wù)板塊的發(fā)展。
1.光伏逆變器
光伏建筑一體化應(yīng)用中，光伏逆變器是一個關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)在市場上的光伏逆變器，由于其體積大、重量重，多數(shù)選擇放置在屋頂，需要的線纜多、距離長，不僅易發(fā)生高壓直流拉弧，引起電氣火災(zāi)，而且導(dǎo)致系統(tǒng)成本高、效率低，同時占用樓頂大量空間，降低了光伏板可鋪設(shè)面積。
針對光伏建筑一體化應(yīng)用尤其是光伏幕墻中存在的這些問題，低碳院自主開發(fā)了全球首個超薄全碳化硅高頻隔離光伏逆變器，采用第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）器件，自主研發(fā)了高頻隔離拓撲結(jié)構(gòu)、高帶寬快響應(yīng)控制算法和多間隔多區(qū)域散熱等專利技術(shù)。通過仿真驗證并優(yōu)化主電路設(shè)計、控制算法、結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計，開發(fā)出滿足厚度薄、重量輕、耐高溫、電氣隔離這些BIPV要求的第一代也是業(yè)界首套超薄型全碳化硅高頻隔離光伏逆變器工程樣機，額定功率10kW，最高輸入電壓可達1100V，厚度僅為10cm，功率密度是傳統(tǒng)光伏逆變器的2.5倍，能放置在光伏板與建筑物墻壁之間，最高額定運行環(huán)境溫度70℃。
與現(xiàn)有光伏逆變器的BIPV系統(tǒng)相比，因其體積小、重量輕，能放置在光伏板與建筑物墻壁之間，可減少交直流線纜長度50%以上，減少發(fā)生高壓直流拉弧的可能性，既降低了系統(tǒng)成本，又提高了系統(tǒng)效率和系統(tǒng)安全性，而且不占用樓頂空間，提高了光伏板可鋪設(shè)面積。應(yīng)用此光伏逆變器，可以構(gòu)建低成本高效率的光伏建筑一體化電氣系統(tǒng)。低碳院正在進一步優(yōu)化設(shè)計、降低成本、提高效率，計劃明年實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
2.模塊化儲能變流器
針對大規(guī)模儲能系統(tǒng)，低碳院研究開發(fā)了一款基于虛擬同步機技術(shù)的儲能變流器，使模塊化多并聯(lián)的儲能系統(tǒng)，在并離網(wǎng)運行實現(xiàn)雙向無縫切換。
主要參數(shù)：
功率：20kW～50kW
輸入電壓：250～800V
輸出電壓：380V
多機并聯(lián)和均流；
虛擬同步機；
并離網(wǎng)無縫切換功能；
無功補償功能；
3.梯次電池儲能系統(tǒng)
結(jié)合新能源汽車的高速發(fā)展，低碳院基于自身研發(fā)的模塊化儲能變流器開發(fā)了梯次電池儲能系統(tǒng)。通過PCS并聯(lián)、電池重組、壽命預(yù)測、模塊化等關(guān)鍵技術(shù)，提高系統(tǒng)可靠性，高效利用退役電池剩余能量。
4.液流電池技術(shù)
低碳院液流電池技術(shù)主要聚焦于新一代液流電池儲能技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。研發(fā)領(lǐng)域覆蓋核心電堆、關(guān)鍵材料和系統(tǒng)模塊，基于原始創(chuàng)新想法和6-sigma等先進技術(shù)開發(fā)方法論，以期為儲能市場提供性價比最具競爭力的產(chǎn)品。
在眾多儲能技術(shù)中，液流電池技術(shù)相對成熟，并且具備明顯的優(yōu)點。主要優(yōu)點包括：
1)具有本質(zhì)安全性，常溫運行，并且使用水相電解液，無燃燒爆炸危險，安全性好；
2)靈活配置，“量體裁衣”，在結(jié)構(gòu)上與一般電池不同，具備功率和容量可獨立設(shè)計的獨特優(yōu)點，尤其適合大規(guī)模儲能；
3)使用壽命長，一般超過20,000個循環(huán)，壽命超過15年；
4)全生命周期環(huán)境友好，無排放，不污染環(huán)境，電池系統(tǒng)主要由碳材料、塑料、金屬材料組裝而成易回收，有些金屬材料可持續(xù)使用，碳材料、塑料可以作為燃料來加以利用，液流電解液和固體電池電堆分開回收；
5)高殘值增加經(jīng)濟性，生命周期內(nèi)物質(zhì)損失少，殘值高，僅電解液一項殘值通常達到70%，電堆材料可回收再生；
6)啟動速度快和切換響應(yīng)迅速，充放電過程無相變化，所以啟動速度快，充放電狀態(tài)切換響應(yīng)迅速；
7)可靈活快速換電，容量快速補充，無需充電，通過電解液快速置換實現(xiàn)電池容量迅速恢復(fù)，適合快速換電（分鐘級）、緊急供電、電能快速補給等應(yīng)用場景；
8)適用于新能源發(fā)電、電網(wǎng)側(cè)等大規(guī)模儲能：單個循環(huán)超過4小時，適合大規(guī)模儲能，壽命與新能源、電網(wǎng)主要硬件壽命相當(dāng)，適合同期建設(shè)，一體化配置和運行；
9)儲能容量大，一般在100kWh-1000MWh;
10)能量效率高，高于80%，充放電性能好，可以深度放電而不會對電池造成損害；
11)成本低。低碳院開發(fā)的液流電池技術(shù)以降低其儲能總體成本為目標(biāo)，以提高液流電池堆功率密度為核心指標(biāo)，通過創(chuàng)新型的電池堆結(jié)構(gòu)設(shè)計、新型關(guān)鍵材料和工藝優(yōu)化，實現(xiàn)了電堆小型化、材料利用率高效化、功率輸出最大化，進而實現(xiàn)成本的削減。
目前，低碳院液電池儲能技術(shù)已經(jīng)逐步形成了高功率密度電堆、煤瀝青基液流電池碳電極和雙極板以及新一代液流電池儲能模塊等多項核心技術(shù)。其中，以高功率密度電堆技術(shù)最為復(fù)雜。已申請和授權(quán)中國專利21項，PCT國際專利1項，發(fā)表論文15篇。與一般液流電池不同，低碳院液流電池技術(shù)具備高功率密度、電堆小型化、高效率和低成本四方面特點。單電池功率密度達到1050 mW/cm2，電堆功率密度達到200–350 mW/cm2，二者均處于行業(yè)最好水平之一。高功率密度技術(shù)實現(xiàn)了電堆的小型化和核心材料的高效化，同級別電堆體積降低25%–50%，關(guān)鍵材料用量降低30%-40%。在高功率密度條件下，電池效率保持在75%–85%水平。測算結(jié)果顯示，總體儲能成本有望降低30%以上。目前已經(jīng)和正在開展“5G通訊基站+風(fēng)光儲”、“光儲+用戶側(cè)儲能”等多種場景的技術(shù)應(yīng)用和示范項目。
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