中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊： 智能電網(wǎng)，顧名思義就是聰明的電網(wǎng)，就像人有思維一樣，有著智力，能自主地判斷處理各種事件的電網(wǎng)。既然是這樣一種電網(wǎng)，那么它是從哪些方面體現(xiàn)出智能化呢？分布式電源接入、儲(chǔ)能系統(tǒng)、智能變電站、配電自動(dòng)化工程、故障報(bào)修管理系統(tǒng)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、用電信息采集系統(tǒng)智能、用電樓宇、電動(dòng)汽車充放電站，這些是“上海世博園智能電網(wǎng)綜合示范工程”的組成部分。但是那么多尖端的技術(shù)，卻都可以歸結(jié)為一句話：“智能電網(wǎng)就是業(yè)務(wù)流、信息流、能量流的雙向互動(dòng)”。
在本次世博會(huì)國(guó)家電網(wǎng)館的地下一層，關(guān)于智能電網(wǎng)的設(shè)想的影片已公布于眾了，但是我們?nèi)韵肜眠@次機(jī)會(huì)來詳細(xì)介紹一下智能電網(wǎng)的各個(gè)組件，讓每一位讀者不再停留在智能電網(wǎng)這個(gè)名詞的表面，而真正地看到它存在的實(shí)質(zhì)和意義，那么我想這幾篇文章的意義就在此吧。首先為您獻(xiàn)上：
當(dāng)一次能源轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉亩文茉磿r(shí)，控制往往是最為關(guān)鍵的，由此便誕生了智能電網(wǎng)的概念。智能電網(wǎng)就是一張控制網(wǎng)，無論是水能、熱能、風(fēng)能、還是太陽能、原子能，它們一旦化身電能并被送上智能電網(wǎng)，就好像江河中奔騰的流水，奔向千家萬戶。當(dāng)然，智能電網(wǎng)不僅僅控制著發(fā)電側(cè)的電能，也同時(shí)控制著受電側(cè)的電能，它是對(duì)于整個(gè)能量系統(tǒng)的控制。而鈉硫電池恰恰就是智能電網(wǎng)技術(shù)中的明珠，是能量的源泉，是能量控制的魔盒
2009年10月14日，中科院上海硅酸鹽研究所與上海市電力公司宣布：雙方多年攻關(guān)，成功完成了大容量城網(wǎng)儲(chǔ)能鈉硫電池的研發(fā)，建成了一條2兆瓦的中試生產(chǎn)示范線和一套10千瓦的儲(chǔ)能系統(tǒng)示范裝置，並成功完成2.2千瓦鈉硫電池子模塊的首次充放電，一舉使我國(guó)成為繼日本之后世界上第二個(gè)掌握大容量鈉硫單體電池核心技術(shù)的國(guó)家。
對(duì)能量的利用貫穿于人類進(jìn)步的始終，第一次工業(yè)革命后，蒸汽機(jī)開始為人類廣泛應(yīng)用，將人類從繁重的手工工作中逐步解脫了出來，而發(fā)電機(jī)的誕生則拉開了第二次工業(yè)革命的序幕。隨著原子能的誕生和計(jì)算機(jī)的發(fā)明，人類昂首闊步跨入了第三次科技革命時(shí)代。當(dāng)代，能量產(chǎn)生的方式業(yè)已多種多樣，但一個(gè)棘手的問題始終懸在人們的心頭——能量控制。
當(dāng)一次能源轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵉亩文茉磿r(shí)，控制往往是最為關(guān)鍵的，由此便誕生了智能電網(wǎng)的概念。智能電網(wǎng)就是一張控制網(wǎng)，無論是水能、熱能、風(fēng)能、還是太陽能、原子能，它們一旦化身電能并被送上智能電網(wǎng)，就好像江河中奔騰的流水，奔向千家萬戶。當(dāng)然，智能電網(wǎng)不僅僅控制著發(fā)電側(cè)的電能，也同時(shí)控制著受電側(cè)的電能，它是對(duì)于整個(gè)能量系統(tǒng)的控制。而鈉硫電池恰恰就是智能電網(wǎng)技術(shù)中的明珠，是能量的源泉，是能量控制的魔盒。
合作
“能不龜手一也，或以封，或不免于洴澼絖，則所用之異也。”——莊子《逍遙游》
釋意：“能令手不皸裂的藥也是這個(gè)道理，有人靠他得到封賞，而有人卻免不了漂洗棉絮的辛勞，這就是因?yàn)橛猛静灰粯影 ?rdquo;
由于電能具有瞬時(shí)性和季節(jié)性需求變化巨大的特性，作為國(guó)內(nèi)主要供電企業(yè)之一的國(guó)家電網(wǎng)公司始終在尋找一種良好的電能儲(chǔ)存方法，在供大于求時(shí)把電能妥善存儲(chǔ)，當(dāng)需要的時(shí)候再拿出來使用。抽水蓄能是目前通用的好辦法之一，在富余電能的驅(qū)動(dòng)下，抽水機(jī)將水從低處抽向高處——即是將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能，等到供電不足時(shí)，再通過水力發(fā)電機(jī)發(fā)出電能。然而抽水蓄能變電站的選址存在諸多限制，最關(guān)鍵的是需要山麓、丘陵等地理結(jié)構(gòu)?？上В瑢?duì)于十分需要儲(chǔ)能的中國(guó)沿海大型城市而言，這樣的地形可遇而不可求。
生活中常用的酸性電池和鋰電池也是一種常見的儲(chǔ)能手段，且這些傳統(tǒng)電池的技術(shù)已經(jīng)成熟了。然而酸性電池和鋰電池在大容量電池的應(yīng)用上有其一定的局限性，這類電池的電流密度低，充電壽命也很低，這對(duì)工業(yè)用電質(zhì)量來說是致命的。
“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”，就在這個(gè)時(shí)候，1967年由美國(guó)福特汽車公司發(fā)明的鈉硫電池漸漸進(jìn)入了國(guó)家電網(wǎng)公司的視線。以鈉為陰極、硫?yàn)殛枠O，鈉硫蓄電池的能量密度是鎳氫電池的4倍，鉛酸蓄電池的10倍；由于采用固體電解質(zhì)，所以沒有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應(yīng)，充放電電流效率幾近100％，能連續(xù)充放電2萬余次，使用壽命長(zhǎng)達(dá)十余年；而且，鈉硫電池的占地小，不受地域因素影響，是城市電網(wǎng)的最佳選擇。更令人欣喜的事，這種電池“壽終正寢”后可被完全分解再利用，不會(huì)污染環(huán)境。以上這些優(yōu)異的特性讓電力系統(tǒng)的專家無比心動(dòng)又困惑重重，“為什么這樣的技術(shù)就不能運(yùn)用到我們國(guó)家的電力系統(tǒng)上來呢？”
專家的困惑不無道理，如此尖端的鈉硫電池技術(shù)已在在實(shí)驗(yàn)室里被雪藏了30年。早在上世紀(jì)70年代，在上海硅酸鹽研究所得實(shí)驗(yàn)室里就制成了車用鈉硫蓄電池。雖然在此后的30多年中，硅酸鹽研究所始終瞄準(zhǔn)鈉硫電池這一世界最前沿的科學(xué)技術(shù)并不斷將期改進(jìn)完善，但由于缺乏市場(chǎng)化的途徑，鈉硫電池只能深守實(shí)驗(yàn)室中，像個(gè)待嫁的姑娘，嫁妝越攢越多，卻不知能嫁給誰。
從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化往往是目前中國(guó)創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展瓶頸，然而只有大境界的人，才有大視野。世界上所有的事物都有其獨(dú)特的用途，有些可能現(xiàn)在沒有顯現(xiàn)出來，但是“天生我才必有用”，若干年之后，是金子必將閃光。當(dāng)看到國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)鈉硫電池的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)公司看到了希望，多年的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)顯示它必將在電力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮光與熱。由于上海這座城市本身就是人才與技術(shù)的高地，有著豐富的科研人員和研究經(jīng)驗(yàn)，于是由國(guó)家電網(wǎng)公司牽頭，委托上海市電力公司承辦，在此基礎(chǔ)上，上海市電力公司與上海硅酸鹽研究所一拍即合，共同負(fù)責(zé)鈉硫電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作，成果與專利技術(shù)共享，求同存異，為整個(gè)電力系統(tǒng)的智能化貢獻(xiàn)自己的全力。
研發(fā)
“故不積跬步，無以至千里；不積小流，無以成江海。”——荀子《勸學(xué)篇》
釋意：“因此，不積累一步半步，就沒有辦法到達(dá)千里之外；不積累涓滴細(xì)流，就沒有辦法匯成浩淼江海。”
與車用電池相比，大容量?jī)?chǔ)能鈉硫電池的很多關(guān)鍵技術(shù)難度大得多，每一節(jié)電池儲(chǔ)存的能量是車用電池的二十余倍，電池的尺寸也大上了二十多倍。要想達(dá)到目標(biāo)，必須改變思維，一切從零開始。
“2006年8月，我便帶領(lǐng)著我的團(tuán)隊(duì)聯(lián)系相關(guān)的設(shè)備生產(chǎn)廠家，前后共用了4個(gè)月時(shí)間，夜以繼日地建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，多個(gè)廠家也為我們挑燈夜戰(zhàn)。最趕進(jìn)度的當(dāng)口，凌晨2點(diǎn)設(shè)備廠家的工人們還在配合我們奮戰(zhàn)。”談起創(chuàng)業(yè)歷程，上海硅酸鹽研究中心上海嘉定鈉硫電池研究所項(xiàng)目總工程師溫兆銀的臉上總是充滿了興奮，“12月25日，經(jīng)過大家的不懈努力，我們終于成功制造出第一件陶瓷管實(shí)物樣品；2007年1月2日的凌晨4點(diǎn)，第一件大容量鈉硫儲(chǔ)能電池順利完工。”
2008年，上海硅酸鹽研究所開始與多家設(shè)備公司緊密合作，并用了一年的時(shí)間研制成功了一臺(tái)又一臺(tái)設(shè)計(jì)獨(dú)特的設(shè)備，并陸續(xù)調(diào)試成功。一條具有年產(chǎn)2兆瓦單體鈉硫電池的中試線終于在當(dāng)年8月落成。
作為“國(guó)家科技支撐計(jì)劃”項(xiàng)目之一的大容量城市儲(chǔ)能工程能落戶上海，是上海的驕傲，更是上海市電力公司科研能力的體現(xiàn)。“當(dāng)拿到這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我感到了無比的壓力和動(dòng)力。”上海電力技術(shù)與管理學(xué)院院長(zhǎng)俞國(guó)勤感嘆地說，“這么大的項(xiàng)目落在了上海市電力公司的肩上，我們感到責(zé)任重大。雖然鈉硫電池在電動(dòng)車研究上有一定進(jìn)展，而在電力系統(tǒng)的運(yùn)用上只有日本一家公司有實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，我們了解的很少，心中也沒什么底。但是我知道，大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)是今后國(guó)家發(fā)展的大戰(zhàn)略，一次能源終有枯竭之日，但是作為二次能源的電能卻可由其他能源或可再生資源轉(zhuǎn)換產(chǎn)生，因此我認(rèn)為我們必須堅(jiān)定地走下去。”
是的，上海市電力公司堅(jiān)定地一路走來，以準(zhǔn)公司化的形式運(yùn)作整個(gè)鈉硫電池基地，并成立了管委會(huì)，俞國(guó)勤親任負(fù)責(zé)人，管理整個(gè)基地的運(yùn)作和生產(chǎn)。俞國(guó)勤還親自設(shè)計(jì)了家用鈉硫電池模塊，為今后家用電能存儲(chǔ)考慮良多。
智能電網(wǎng)歸根結(jié)底就是通過現(xiàn)有的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流、信息流、能量流的雙向互動(dòng)，改變現(xiàn)在從上而下的調(diào)度模式，創(chuàng)建反饋式的雙向互動(dòng)模式，根本意義上形成一個(gè)互動(dòng)的智能化控制電網(wǎng)。
上海市電力公司就是如此實(shí)踐的，在徐匯區(qū)的漕溪能源轉(zhuǎn)換綜合展示基地內(nèi)，已展現(xiàn)了一個(gè)智能電網(wǎng)的雛形。作為“世博園智能電網(wǎng)綜合示范工程”重要組成部分的漕溪基地包含了國(guó)內(nèi)首座商業(yè)運(yùn)行的電動(dòng)汽車充放電站、大容量城市電網(wǎng)儲(chǔ)能站與集中控制系統(tǒng)以及能源轉(zhuǎn)換綜合展示廳三部分。這里擺放著實(shí)時(shí)運(yùn)作的鈉硫電池組，目前的容量為100千瓦/720千瓦時(shí)，充分體現(xiàn)了“分布儲(chǔ)能、集中控制、統(tǒng)一調(diào)度”的理念。
上海市電力公司的調(diào)度中心可以直接通過電網(wǎng)儲(chǔ)能管理系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能站實(shí)施統(tǒng)一調(diào)度與遠(yuǎn)程監(jiān)控，可有效解決電網(wǎng)電力能量的供應(yīng)平衡問題，提高了供電可靠性?；貎?nèi)同時(shí)擁有電動(dòng)車的充電樁，并提供了電動(dòng)汽車監(jiān)控中心，對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)施了統(tǒng)一的管理，優(yōu)化運(yùn)行。該充放電站與其他充電站不同的是，除了充電功能以外，它還兼具放電功能，能使電動(dòng)汽車與電網(wǎng)更加順暢地進(jìn)行雙向互動(dòng)，充分發(fā)揮了車電互聯(lián)的功效，讓電動(dòng)車也擁有了向電網(wǎng)充電的能力，將進(jìn)一步緩解電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的投入。
意義
“璞玉渾金，人皆欽其寶，莫知名其器。”——劉義慶《世說新語·賞譽(yù)》
釋意：“未經(jīng)琢磨的玉、未經(jīng)提煉的金，人們都認(rèn)為是好東西，但是不知道其真正的作用。”
隨著鈉硫電池的產(chǎn)業(yè)化步伐的越來越近，人們終于可以看到真正的智能電網(wǎng)離生活并不遙遠(yuǎn)了。鈉硫電池就是一把掌握能量控制的鑰匙，能為人類能量的利用開啟一扇全新的大門，帶來一場(chǎng)全新的技術(shù)革命。
鈉硫電池的一個(gè)重要意義在于，穩(wěn)定間歇式新能源質(zhì)量。
風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已誕生百年有余，從早期的異步風(fēng)機(jī)到現(xiàn)在的同步風(fēng)機(jī)、從定槳距控制到變槳距控制、從恒速恒頻到變速恒頻，風(fēng)機(jī)本身的技術(shù)進(jìn)步一直沒有間斷過。然而，對(duì)于一臺(tái)風(fēng)機(jī)來講，風(fēng)能始終屬于間歇性能源，人類無法控制何時(shí)有風(fēng)、何處有風(fēng)、風(fēng)大風(fēng)小，并且，往往夜間或陰雨天風(fēng)大時(shí)，又碰上負(fù)荷水平較低的時(shí)段，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)就無法顯現(xiàn)。
再來看風(fēng)機(jī)本身，為了最大限度利用風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量日益增大，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中的風(fēng)機(jī)數(shù)量也越來越多，故而，調(diào)動(dòng)數(shù)量眾多的風(fēng)機(jī)協(xié)同運(yùn)行，即時(shí)調(diào)控整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的電力參數(shù)，保證并網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性是未來發(fā)展的趨勢(shì)。比如，風(fēng)場(chǎng)調(diào)度人員需要通過控制和協(xié)調(diào)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)的無功功率，并協(xié)調(diào)風(fēng)場(chǎng)內(nèi)可能具有的其它無功設(shè)備，來有效地調(diào)節(jié)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)。與風(fēng)能利用相類似，利用太陽能時(shí)也會(huì)遇上這些問題。要盡可能實(shí)現(xiàn)理想化的目標(biāo)，就需要高度復(fù)雜的控制管理系統(tǒng)，新能源的接入技術(shù)勢(shì)在必行。
而鈉硫電池等于就是風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的中介，它能從容地吸收瞬間能量，然后再有序地釋放到電網(wǎng)中。項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人之一、上硅所研究員告訴記者，鈉硫電池的“蓄洪”性能非常優(yōu)異，即使輸入的電流突然超過額定功率5-10倍，它也能泰然承受，再以穩(wěn)定的功率釋放到電網(wǎng)中——這對(duì)于大型城市電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行有著重要的作用。
鈉硫電池的第二個(gè)重要意義在于，它能為削峰填谷貢獻(xiàn)良多。
其實(shí)，鈉硫電池儲(chǔ)能電站更大的作用在于為整個(gè)電網(wǎng)削峰填谷。眾所周知，在目前沒有很好的存能介質(zhì)的情況下，電網(wǎng)的瞬時(shí)發(fā)電量需和瞬時(shí)用電量相匹配，因此電網(wǎng)必須按照能滿足最大用電負(fù)荷來修建?？墒牵裆虾＿@樣的國(guó)際大都市，其時(shí)間性、季節(jié)性用電負(fù)荷差別是極為巨大的。2008年，上海最高用電負(fù)荷持續(xù)小時(shí)數(shù)只有104.5小時(shí)；2009年，上海市電力公司全年的峰谷差為800多萬千瓦。按照電監(jiān)會(huì)給出的全國(guó)平均發(fā)電成本計(jì)算，為滿足這短暫的高峰負(fù)荷，上海市電力公司要在興建電網(wǎng)上投資480億元。
如果能將鈉硫電池大量應(yīng)用于電網(wǎng)之中，可以用遠(yuǎn)比興建電網(wǎng)小得多的投資，有效彌合峰谷之間的鴻溝，投用1千瓦功率儲(chǔ)能電池，即可節(jié)省電網(wǎng)投資1.3萬元。而削峰填谷之后，每噸標(biāo)煤所發(fā)的電可多被利用100千瓦時(shí)，可間接帶來480元的經(jīng)濟(jì)效益。預(yù)計(jì)到2015年，上海電網(wǎng)峰谷差可達(dá)1600萬千瓦，即使只將20%的“谷電”存儲(chǔ)起來，用于高峰時(shí)段，其經(jīng)濟(jì)效益就超過70億元——而建設(shè)鈉硫電池儲(chǔ)能電站的投資，僅需20億元左右。鈉硫電池的應(yīng)用不僅為整個(gè)智能電網(wǎng)的能源供應(yīng)降低了大量成本，也為國(guó)家節(jié)能減排的戰(zhàn)略奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
鈉硫電池的第三個(gè)功能在于作為應(yīng)急電源UPS和保證電能質(zhì)量。
用過筆記本電腦的人都知道UPS，就是當(dāng)電腦瞬間失電的情況下，UPS能迅速投切為電腦供電，防止電腦數(shù)據(jù)遺失。而鈉硫電池組就是這樣一個(gè)大容量的UPS，0.6米見方的電池模塊能供應(yīng)1000臺(tái)1匹空調(diào)的用電，一旦電網(wǎng)的電源失電，鈉硫電池就能迅速投入，保證了電能質(zhì)量，提升了應(yīng)急反應(yīng)能力。
結(jié)語
“他山之石，可以攻玉。”——《詩(shī)經(jīng)·小雅·鶴鳴》
釋意：“別的山上的石頭，能夠用來琢磨玉器。”
2009年3月，鈉硫電池中試線全線貫通并實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行。2009年至2010年的歲末年初，國(guó)務(wù)院總理溫家寶、全國(guó)人大委員長(zhǎng)吳邦國(guó)、科技部部長(zhǎng)萬鋼、上海市委書記俞正聲、市長(zhǎng)韓正等領(lǐng)導(dǎo)先后視察鈉硫基地，都給予了充分的肯定，并給予了鼓勵(lì)和期望。
3年時(shí)光荏苒，鈉硫電池基地已形成了26份設(shè)備操作規(guī)范、25份工藝文件、12份檢驗(yàn)規(guī)程，以及多項(xiàng)技術(shù)專利。到今年中試完成時(shí)，基地不僅掌握了大容量電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的成套關(guān)鍵核心制造技術(shù)，還設(shè)計(jì)制造、采購(gòu)了中試生產(chǎn)與性能評(píng)價(jià)裝備170余套，其中2/3擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。只有掌握了知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，才能掌握真正的主動(dòng)權(quán)，使產(chǎn)品具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
“雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越。”面對(duì)在實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線上所獲得的成功，只能說向前跨出了一小步，真正的產(chǎn)業(yè)化的道路還很漫長(zhǎng)，不少實(shí)際問題依然困擾著科研人員。“未來一年，鈉硫電池研究基地將把精力集中在打通‘任督二脈’，使生產(chǎn)線能夠‘復(fù)制’。”上海硅酸鹽研究所的研究人員說，今后通過技術(shù)許可，要讓鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在全國(guó)遍地開花。
“電用不完，按一個(gè)鍵就能存起來將來用”，這就是國(guó)家電網(wǎng)在世博園區(qū)內(nèi)所播放的宣傳片的導(dǎo)言。“這個(gè)夢(mèng)想能實(shí)現(xiàn)嗎?”當(dāng)走進(jìn)國(guó)家電網(wǎng)館地下一層的智能電網(wǎng)展示廳時(shí)，可以感受到國(guó)家電網(wǎng)的勇氣和魄力，可以發(fā)覺夢(mèng)想成真似乎已不遙遠(yuǎn)。
目前，國(guó)家電網(wǎng)公司在智能電網(wǎng)技術(shù)上傾注了全力，無論在輸電、配電抑或調(diào)度等主營(yíng)業(yè)務(wù)方面都將全面引進(jìn)智能電網(wǎng)的技術(shù)。而作為智能電網(wǎng)技術(shù)中最核心、最頂尖的核心技術(shù)的鈉硫電池源雖然源自于汽車技術(shù)，但是關(guān)于它的故事同樣可以在電力系統(tǒng)中演繹。鈉硫電池的誕生必將進(jìn)一步提升智能電網(wǎng)的智能化供電水平，為人類找到開啟能量控制的魔盒的鑰匙，使源于大自然的能量得到更加有效地利用。
