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，國家級海外高層次人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地。目前設有北京、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位。擁有國家能源煤炭清潔轉換利用技術研發(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、北京市納米結構薄膜太陽能電池工程技術研究中心等重點科研平臺。低碳院致力于清潔能源及相關領域先進技術的開發(fā)，并通過技術創(chuàng)新支持國家能源集團實現世界一流清潔能源集團的戰(zhàn)略目標。以構建高效多能源集成系統(tǒng)為目標，開展關鍵設備、核心技術、系統(tǒng)集成方案的開發(fā)研究及產業(yè)化，助力集團新能源業(yè)務板塊的發(fā)展。
1.光伏逆變器
光伏建筑一體化應用中，光伏逆變器是一個關鍵設備，現在市場上的光伏逆變器，由于其體積大、重量重，多數選擇放置在屋頂，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，而且導致系統(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面積。
針對光伏建筑一體化應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，采用第三代半導體碳化硅（SiC）器件，自主研發(fā)了高頻隔離拓撲結構、高帶寬快響應控制算法和多間隔多區(qū)域散熱等專利技術。通過仿真驗證并優(yōu)化主電路設計、控制算法、結構設計和熱設計，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面積。應用此光伏逆變器，可以構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)化設計、降低成本、提高效率，計劃明年實現商業(yè)化應用。
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的儲能變流器，使模塊化多并聯的儲能系統(tǒng)，在并離網運行實現雙向無縫切換。
主要參數：
功率：20kW～50kW
輸入電壓：250～800V
輸出電壓：380V
多機并聯和均流；
虛擬同步機；
并離網無縫切換功能；
無功補償功能；
3.梯次電池儲能系統(tǒng)
結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、電池重組、壽命預測、模塊化等關鍵技術，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
低碳院液流電池技術主要聚焦于新一代液流電池儲能技術開發(fā)和產業(yè)化。研發(fā)領域覆蓋核心電堆、關鍵材料和系統(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品。
在眾多儲能技術中，液流電池技術相對成熟，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”，在結構上與一般電池不同，具備功率和容量可獨立設計的獨特優(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)高殘值增加經濟性，生命周期內物質損失少，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電池容量迅速恢復，適合快速換電（分鐘級）、緊急供電、電能快速補給等應用場景；
8)適用于新能源發(fā)電、電網側等大規(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、電網主要硬件壽命相當，適合同期建設，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)的液流電池技術以降低其儲能總體成本為目標，以提高液流電池堆功率密度為核心指標，通過創(chuàng)新型的電池堆結構設計、新型關鍵材料和工藝優(yōu)化，實現了電堆小型化、材料利用率高效化、功率輸出最大化，進而實現成本的削減。
目前，低碳院液電池儲能技術已經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。其中，以高功率密度電堆技術最為復雜。已申請和授權中國專利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。高功率密度技術實現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。測算結果顯示，總體儲能成本有望降低30%以上。目前已經和正在開展“5G通訊基站+風光儲”、“光儲+用戶側儲能”等多種場景的技術應用和示范項目。
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