中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2017年4月24-26日，第七屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在蘇州香格里拉大酒店圓滿召開，來自中、美、英、德、澳、日、韓等國(guó)家的1400余位嘉賓到場(chǎng)參會(huì)。大會(huì)共邀請(qǐng)140余位行業(yè)專家與企業(yè)代表，圍繞產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)話題，發(fā)表了一系列精彩演講，中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)將向讀者傳遞本次大會(huì)最具價(jià)值的聲音。
大會(huì)期間，中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員張國(guó)民，在“先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)專場(chǎng)”，以《高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展》為題發(fā)表演講，現(xiàn)將演講主要內(nèi)容發(fā)布，以饗讀者。
中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員張國(guó)民
張國(guó)民：各位專家、各位同仁下午好。我主要是做一些超導(dǎo)儲(chǔ)能的工作，所以說我這個(gè)介紹主要是介紹一下超導(dǎo)在電力系統(tǒng)方面的一些工作。首先是講一下電網(wǎng)對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的需求，電網(wǎng)對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)的需求跟可再生能源的發(fā)展是不可分割的，世界各國(guó)都在開展新能源的建設(shè)。美國(guó)能源部規(guī)劃就是2030年風(fēng)能提供20%的能源，歐洲也有20:20:20計(jì)劃。我們國(guó)家也發(fā)布了可再生能源的規(guī)劃，這個(gè)十三五的規(guī)劃是說到2020年風(fēng)電的規(guī)模是2.1億千瓦，太陽能發(fā)電是1.1億千瓦，所以說這個(gè)可再生能源將在電力系統(tǒng)中成為一個(gè)重要的能量。但是可再生能源的發(fā)展，風(fēng)能、太陽能的主要特點(diǎn)就是波動(dòng)性和隨機(jī)性很強(qiáng)，這樣接入電網(wǎng)來說難度就比較大，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性有很大的影響。所以說大規(guī)模的風(fēng)電的并網(wǎng)將對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行影響比較大，怎么可以解決可再生能源比例高的情況下保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行呢？這是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，所以說儲(chǔ)能就是一個(gè)很好的支撐技術(shù)。通常發(fā)電的話，發(fā)出的電跟用的電要平衡，如果沒有儲(chǔ)能的話發(fā)出的跟用的就失去平衡了。但是有了儲(chǔ)能以后我們就不需要實(shí)時(shí)平衡，我們儲(chǔ)能可以把發(fā)電用電從時(shí)間空間上分隔開來，這樣發(fā)電之后我就存起來，需要的時(shí)候再拿出來，所以說儲(chǔ)能是解決并網(wǎng)的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。
大家都搞儲(chǔ)能的，儲(chǔ)能的種類就很多了，電池儲(chǔ)能、還有今天我們講的飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能。超導(dǎo)儲(chǔ)能是一個(gè)功率型的能量，它的響應(yīng)時(shí)間就是毫秒級(jí)，它是能夠快速響應(yīng)的一種能源。超導(dǎo)儲(chǔ)能的功率密度比較大，另外它可以反復(fù)多次充電。超導(dǎo)儲(chǔ)能實(shí)際上這里邊有兩種，一種就是說可以用超導(dǎo)做成飛輪儲(chǔ)能！另外超導(dǎo)還可以做磁儲(chǔ)能。超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能實(shí)際上是利用了超導(dǎo)的特性，就是超導(dǎo)的磁懸浮的原理。對(duì)于超導(dǎo)體來講它有一個(gè)重要的特性就是完全抗磁性。就是說對(duì)于正常的物體來講磁場(chǎng)是可以穿透物體的，但是對(duì)于超導(dǎo)體來講，這個(gè)電流在磁場(chǎng)里面產(chǎn)生力，這個(gè)力就可以把懸浮懸浮起來，這種懸浮是一種穩(wěn)定的懸浮。利用這種懸浮就可以做成軸承，基于超導(dǎo)懸浮原理做的軸承具有自穩(wěn)定性，不需要控制的情況下它就自覺的懸在中間了。對(duì)超導(dǎo)來說，超導(dǎo)軸承是不需要控制的。這樣的話我們就可以利用超導(dǎo)軸承做成飛輪，飛輪在超導(dǎo)懸浮下高速旋轉(zhuǎn)，沒有摩擦的旋轉(zhuǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)。超導(dǎo)的飛輪儲(chǔ)能除了具有常規(guī)的飛輪儲(chǔ)能的特點(diǎn)之外，它的重要特點(diǎn)就是自穩(wěn)定性，就是不需要外部控制，因此它的效率還可以再高一些。
這個(gè)超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能的結(jié)構(gòu)跟常規(guī)的基本上差不多，一般都是在真空里面一個(gè)飛輪一個(gè)電機(jī)，因?yàn)檩S承是懸浮軸承，所以這個(gè)就是用超導(dǎo)的懸浮軸承，另外就是各種控制系統(tǒng)，還有一個(gè)冷卻系統(tǒng)，就是說常規(guī)的飛輪儲(chǔ)能冷卻系統(tǒng)不需要那么低的溫度，我們這個(gè)是低溫冷卻，它是一個(gè)低溫的設(shè)備。目前超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能的研發(fā)情況來看，目前國(guó)際上就這么幾家，美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)等等這幾家做的是比較好的。這是美國(guó)波音公司的一個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的案例，這是2009年他們研發(fā)的一個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。這是德國(guó)ATZ的，他們也是2007年就開發(fā)出來這種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。日本的國(guó)際超導(dǎo)技術(shù)中心的這個(gè)我就不說了，這個(gè)是韓國(guó)電科院的，這是2010年的。2012年韓國(guó)又做了一個(gè)稍微大一點(diǎn)的35千瓦時(shí)的，雖然說35千瓦時(shí)還不算太大。日本有一個(gè)計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃是比較大的，是1兆瓦的一個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，它的特點(diǎn)就是全超導(dǎo)的。通常我們說是超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能都是轉(zhuǎn)子用磁定子月超導(dǎo)，他們這個(gè)轉(zhuǎn)子和定子都是用超導(dǎo)的。這個(gè)計(jì)劃最后沒有完全實(shí)現(xiàn)，不過有部分實(shí)現(xiàn)了，也就是說它2015年有一個(gè)報(bào)道，就是說世界最大的超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。你看它計(jì)劃的是1兆瓦，實(shí)際上最后結(jié)果是一個(gè)300千瓦，基本上是做了一個(gè)三分之一的，實(shí)現(xiàn)了三分之一的計(jì)劃。這是對(duì)那幾家公司飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)總結(jié)，我就不仔細(xì)說了。
我們電工所也在一個(gè)國(guó)防項(xiàng)目的支持下也做了一個(gè)飛輪儲(chǔ)能研究，早期我們大概是在1999年到2000年的時(shí)候做超導(dǎo)軸承，現(xiàn)在我們實(shí)際上這次應(yīng)該說是2012年開始來做這件事情，所以說又重新搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，做了實(shí)驗(yàn)和理論分析。就是在此基礎(chǔ)上涉及了一個(gè)小的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，雖然說是個(gè)小的，但是各個(gè)方面都是要做的，麻雀雖小五臟俱全。最后是做出來這樣一個(gè)很小的東西，功率大概是2千瓦的，儲(chǔ)能是3KJ，轉(zhuǎn)速是10000轉(zhuǎn)，工作溫度是83度。我們目前繼續(xù)向下做，因?yàn)閷?duì)于目前這個(gè)飛輪儲(chǔ)能來講大家用的最多的還是迅速補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)裝置，如果長(zhǎng)期儲(chǔ)能的話還是有一個(gè)問題，效率還不是那么理想，所以還是很難長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量。為了能夠進(jìn)一步儲(chǔ)存能量，通常的這個(gè)飛輪儲(chǔ)能是內(nèi)制的，電機(jī)是在里面的，電機(jī)在里面是發(fā)熱的。儲(chǔ)能期間電機(jī)也是空轉(zhuǎn)的，損耗也是有的。我們次驅(qū)動(dòng)技術(shù)+開斷技術(shù)+超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)提高效率實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無損耗儲(chǔ)能。另外一個(gè)就是超導(dǎo)的磁儲(chǔ)能，這個(gè)就非常簡(jiǎn)單了，就是超導(dǎo)的線圈，我們做成線圈以后就可以給線圈充電，需要的時(shí)候再把這個(gè)線圈能量返回來。它的優(yōu)勢(shì)就是說它的轉(zhuǎn)換非常快，反應(yīng)時(shí)間比較快。主要優(yōu)勢(shì)就是說它可以長(zhǎng)期無損耗的循環(huán)儲(chǔ)能，儲(chǔ)能時(shí)間比較長(zhǎng)，這是它的主要優(yōu)勢(shì)。這是關(guān)于超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究情況，這是一些案例，我就簡(jiǎn)單的過一下。
我們2005年做了一個(gè)小的儲(chǔ)能系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上我們又進(jìn)一步做了一個(gè)1MJ的儲(chǔ)能系統(tǒng)，這個(gè)我們用在了白銀的超導(dǎo)變電站。另外華中科大也做了小的儲(chǔ)能系統(tǒng)，超導(dǎo)這個(gè)儲(chǔ)能實(shí)際上是沒有問題的，但是這個(gè)系統(tǒng)本身還可以用于限流，這就是超導(dǎo)儲(chǔ)能限流系統(tǒng)，這個(gè)思路也是我們最早提出來的，所以說我們2005年也做出一個(gè)小的樣機(jī)，后來我們就把這個(gè)系統(tǒng)的思路進(jìn)一步放大，又申請(qǐng)了一個(gè)863的項(xiàng)目，就是說面向新能源發(fā)電的超導(dǎo)儲(chǔ)能—限流系統(tǒng)的研制和并網(wǎng)運(yùn)行，這個(gè)項(xiàng)目剛剛結(jié)題。因?yàn)樾履茉窗l(fā)電存在這個(gè)斷續(xù)性，存在低電壓穿越的問題，怎么去解決這個(gè)問題呢？我們就想到這個(gè)超導(dǎo)儲(chǔ)能還可以限流，就把這個(gè)結(jié)合起來，就是把我們以前做的一個(gè)東西放大了一下。這個(gè)是我們當(dāng)初的一個(gè)指標(biāo)，就是說儲(chǔ)能能量是1MJ的?；驹砭褪前堰@個(gè)儲(chǔ)能和限流結(jié)合起來做一個(gè)儲(chǔ)能限流裝置，當(dāng)然在做這個(gè)限流儲(chǔ)能之前我們先是做一些仿真的工作，可以看到這個(gè)系統(tǒng)具有功率平滑的作用，之后我們驗(yàn)證仿真的結(jié)果對(duì)不對(duì)，驗(yàn)證完成之后把這個(gè)模塊設(shè)計(jì)出來，大概就是這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)完了以后就把這個(gè)系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)做出來，就是這樣一個(gè)東西，這是我們跟西電合作的。做完了之后首先對(duì)這個(gè)限流進(jìn)行測(cè)試，限流測(cè)試的結(jié)果是電流限制率可以達(dá)到90%。儲(chǔ)能是用超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能，所以要設(shè)計(jì)一個(gè)磁體電站，設(shè)計(jì)完了就把它做出來，就是右邊這個(gè)圖。做出來之后我們就把這一套裝置用在玉門的一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，這個(gè)風(fēng)電場(chǎng)大概有91臺(tái)風(fēng)級(jí)，總裝機(jī)能量大概是100兆瓦。最后出來的結(jié)果是這樣的，下邊這個(gè)圖的藍(lán)線就是風(fēng)級(jí)發(fā)出來的功率，為了補(bǔ)償這個(gè)有功我就用這個(gè)超導(dǎo)磁體來出力，下面是超導(dǎo)磁體出來的補(bǔ)償有功，平滑以后這個(gè)有功得到了明顯的平滑，當(dāng)然這個(gè)平滑效果還不是很好，它是一個(gè)功率型的，不是一個(gè)能量型的。我們這個(gè)剛剛結(jié)題，然后科技部網(wǎng)站就發(fā)了一個(gè)報(bào)道。
其實(shí)單純的超導(dǎo)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)并不是特別明顯，因?yàn)槌瑢?dǎo)離不開低溫，低溫是很麻煩的，所以最好把這個(gè)低溫的缺點(diǎn)克服掉。復(fù)合超導(dǎo)儲(chǔ)能將來會(huì)是一條比較好的路線，混合儲(chǔ)能是超導(dǎo)儲(chǔ)能的一個(gè)發(fā)展方向。最后我談一點(diǎn)看法，目前這個(gè)超導(dǎo)的磁儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能，就是磁驅(qū)動(dòng)的飛輪儲(chǔ)能有望實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能，可以長(zhǎng)期儲(chǔ)能。隨著材料與低溫技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用也可以實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在超導(dǎo)儲(chǔ)能還比較少，超導(dǎo)的飛輪儲(chǔ)能也就我們一家做了。另外超導(dǎo)儲(chǔ)能要向多功能化發(fā)展，最后就是說超導(dǎo)的復(fù)合儲(chǔ)能應(yīng)該是具有良好的應(yīng)用前景的。謝謝大家。
（本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄音整理，未經(jīng)本人審核）
