北京低碳清潔能源研究院（以下簡(jiǎn)稱“低碳院”）隸屬于國(guó)家能源集團(tuán)，成立于2009年12月，是國(guó)家能源集團(tuán)的直屬研發(fā)機(jī)構(gòu)，國(guó)家級(jí)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(guó)、德國(guó)3個(gè)全球研發(fā)基地，近700名員工，其中國(guó)外員工占比30%以上，50%科研人員具有博士學(xué)位。擁有國(guó)家能源煤炭清潔轉(zhuǎn)換利用技術(shù)研發(fā)中心（國(guó)家能源局）、煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京市納米結(jié)構(gòu)薄膜太陽(yáng)能電池工程技術(shù)研究中心等重點(diǎn)科研平臺(tái)。低碳院致力于清潔能源及相關(guān)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，并通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新支持國(guó)家能源集團(tuán)實(shí)現(xiàn)世界一流清潔能源集團(tuán)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(kāi)展關(guān)鍵設(shè)備、核心技術(shù)、系統(tǒng)集成方案的開(kāi)發(fā)研究及產(chǎn)業(yè)化，助力集團(tuán)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(gè)關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)在市場(chǎng)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(zhǎng)，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(shí)占用樓頂大量空間，降低了光伏板可鋪設(shè)面積。
針對(duì)光伏建筑一體化應(yīng)用尤其是光伏幕墻中存在的這些問(wèn)題，低碳院自主開(kāi)發(fā)了全球首個(gè)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?fù)浣Y(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(zhuān)利技術(shù)。通過(guò)仿真驗(yàn)證并優(yōu)化主電路設(shè)計(jì)、控制算法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)，開(kāi)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(jī)，額定功率10kW，最高輸入電壓可達(dá)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(yùn)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(zhǎng)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(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本、提高效率，計(jì)劃明年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
2.模塊化儲(chǔ)能變流器
針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，低碳院研究開(kāi)發(fā)了一款基于虛擬同步機(jī)技術(shù)的儲(chǔ)能變流器，使模塊化多并聯(lián)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，在并離網(wǎng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)雙向無(wú)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(jī)并聯(lián)和均流；
虛擬同步機(jī)；
并離網(wǎng)無(wú)縫切換功能；
無(wú)功補(bǔ)償功能；
3.梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)
結(jié)合新能源汽車(chē)的高速發(fā)展，低碳院基于自身研發(fā)的模塊化儲(chǔ)能變流器開(kāi)發(fā)了梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過(guò)PCS并聯(lián)、電池重組、壽命預(yù)測(cè)、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(chǔ)能技術(shù)開(kāi)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(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)方法論，以期為儲(chǔ)能市場(chǎng)提供性價(jià)比最具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。
在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，液流電池技術(shù)相對(duì)成熟，并且具備明顯的優(yōu)點(diǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)包括：
1)具有本質(zhì)安全性，常溫運(yùn)行，并且使用水相電解液，無(wú)燃燒爆炸危險(xiǎn)，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(dú)立設(shè)計(jì)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，尤其適合大規(guī)模儲(chǔ)能；
3)使用壽命長(zhǎng)，一般超過(guò)20,000個(gè)循環(huán)，壽命超過(guò)15年；
4)全生命周期環(huán)境友好，無(wú)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(lái)加以利用，液流電解液和固體電池電堆分開(kāi)回收；
5)高殘值增加經(jīng)濟(jì)性，生命周期內(nèi)物質(zhì)損失少，殘值高，僅電解液一項(xiàng)殘值通常達(dá)到70%，電堆材料可回收再生；
6)啟動(dòng)速度快和切換響應(yīng)迅速，充放電過(guò)程無(wú)相變化，所以啟動(dòng)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(bǔ)充，無(wú)需充電，通過(guò)電解液快速置換實(shí)現(xiàn)電池容量迅速恢復(fù)，適合快速換電（分鐘級(jí)）、緊急供電、電能快速補(bǔ)給等應(yīng)用場(chǎng)景；
8)適用于新能源發(fā)電、電網(wǎng)側(cè)等大規(guī)模儲(chǔ)能：?jiǎn)蝹€(gè)循環(huán)超過(guò)4小時(shí)，適合大規(guī)模儲(chǔ)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(yùn)行；
9)儲(chǔ)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(huì)對(duì)電池造成損害；
11)成本低。低碳院開(kāi)發(fā)的液流電池技術(shù)以降低其儲(chǔ)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(guò)創(chuàng)新型的電池堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新型關(guān)鍵材料和工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了電堆小型化、材料利用率高效化、功率輸出最大化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成本的削減。
目前，低碳院液電池儲(chǔ)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(chǔ)能模塊等多項(xiàng)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(qǐng)和授權(quán)中國(guó)專(zhuān)利21項(xiàng)，PCT國(guó)際專(zhuān)利1項(xiàng)，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(diǎn)。單電池功率密度達(dá)到1050 mW/cm2，電堆功率密度達(dá)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(shí)現(xiàn)了電堆的小型化和核心材料的高效化，同級(jí)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(cè)算結(jié)果顯示，總體儲(chǔ)能成本有望降低30%以上。目前已經(jīng)和正在開(kāi)展“5G通訊基站+風(fēng)光儲(chǔ)”、“光儲(chǔ)+用戶側(cè)儲(chǔ)能”等多種場(chǎng)景的技術(shù)應(yīng)用和示范項(xiàng)目。
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