立项背

随着新能源行业的快速发展，新能源设备的安全性和高可靠性成为新能源行业内追求的目标。在风电行业大发展时期，大干快干追求利益最大化对风电机组的后期安全运行带来了无限隐患。早期，在有限的技术条件和设备管理水平下，由于设备质量问题造成的风机飞车、倒塔、着火等事故频发，对设备厂家和发电企业带来不小的负面影响，为了解决前期设备质量问题造成的安全隐患，后期对设备隐患改造费用不断攀升，经济利益蒙受损失

目前，老旧风机的安全隐患改造工作也成为行业内的头疼问题，相比于现阶段设计、生产的风力发电机组，老旧风机的运行稳定性下降明显，停机时间大幅上升，严重威胁安全生产。因此，针对设备质量的整治工作已刻不容缓、迫在眉睫。根据历史数据统计分析，风机着火、飞车、倒塔事件等事故是对风电设备运行稳定性影响最深、对安全生产危害最大的三类故障事件。本科研项目旨在对风机后备电源失效带来的安全隐患进行研究开发，解决风力发电机组变桨、主控、变流系统后备电源安全隐患高、容量小、污染大、寿命短、环境适应能力差等问题，切实提高后备电源的工作效率和设备可靠性，为安全生产保驾护航

该项目主要利用目前最新的碳基能量组技术，降低风机设备常规蓄电池及超级电容失效带来的安全隐患风险，现阶段为实现碳基能量组作为后备电源在变桨系统中的应用与数据分析，进一步开发碳基能量组在风力发电机组中的适应性。同时基于碳基能量组具有的电池和电容双重特性，均衡性能好，荷电保持能力强，来提高后备电源的使用寿命，提升设备性能，降低后续运维成本

目前市场上开发研制的1.3Ah 、4Ah碳基能量组电芯已经通过了重庆国家机动车质量监督检验中心进行的强检试验，通过了工信部五所高低温等相关性能鉴定试验；在研的大容量电芯，其能量密度达到了250 Wh/Kg，其可靠性寿命可突破了10000次，正在向连续充放电大于50000次冲击，目前各项性能试验正在进一步开发，后续可满足不同行业用户的需求

新型石墨烯形态碳基电容实验阶段的成功，无疑将成为电池产业的一个新的发展点。电池技术是新能源大力推广和发展的最大门槛，而目前的电池产业正处于铅酸电池和传统锂电池发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯碳基电容及储能设备的研制成功后，若能批量生产，则将为电池产业乃至新能源产业带来新的变革

碳基电容原

碳基电容是一种石墨烯形态的新型功率型储能电容，其采用了传统电池的结构，但其工作原理与传统电池不同，其内部由石墨烯碳基芯子（极板）及灌浆橡胶密封塞，由极板接正负极引线引出，外部为铝制外壳组成，无铅酸电池鼓包、漏液等现象。碳基电容实现了超级电容器和电池的有机结合，具备了电容的大倍率充放电特性和电池的大容量储电能力，可作为新能源储电系统、后备电源、替换电源使用

工作原理为：当电池充电时，电荷储存在电极上，当极板的面积足够大时，可以储存较多的电荷；在放电时，将电池连接在电路中，极板的电荷可以在很短的时间内将电荷送到负荷中，形成大倍率放电；碳基电容电池是通过采用特殊的处理方法，将极板的电荷保存住，使其不能漏掉，在接入负载电路放电时，按照电容的工作模式，瞬间将电荷释放，形成大电流放电；因此，碳基电容电池具有电容的大倍率充放电特性，还有电池大容量储电的能力

碳基电容（单体）性能特点（以1.3Ah电池为例

其主要参数如下：

额定电压：2.7 V;

容量：1.3 Ah;

最大充放电电流：26.0 A;

最大冲击电流：100A（200ms）;

重量比能量：80-130 Wh/Kg;

重量比功率：1500 W/Kg;

电容量：3300F;

工作温度：-43-+80℃;

循环寿命：10000次;

重量：40g;

外形尺寸：Φ18*65mm

创新亮

目前新能源新疆分公司在该领域风力发电机组中变桨、主控、变流系统后备电源常规使用铅酸蓄电池或超级电容，使用环境温度范围在-40℃—45℃，由于目前传统铅酸蓄电池所存在的容量小、污染大、寿命短、环境适应能力差、安全隐患高等问题，其中传统UPS铅酸蓄电池两年到三年需要更换，其中每年需要进行电池性能测试及维护。UPS电源内的蓄电池为耗材，蓄电池的使用年限为2年，超过2年的蓄电池报废，更换新的电池。蓄电池使用一年后要定期（4—6个月）检查电池（组）中各单个电池的端电压，蓄电池组中若单个电池间端电压相差0.5V以上时就需进行特别的维护（一般可用均衡衡压限流0.5CA充电或更换电池）。一般的UPS在环境温度达到35℃后，每上升10℃，蓄电池寿命比正常情况下的寿命缩短一半左右。温度过低，蓄电池实际可释放的容量将大大减少

目前在使用的MAXWELL超级电容模块（变桨系统）虽然相对铅酸蓄电池具备大功率充放电特性，性能上也更优异，但基本为进口零部件，相对成本也较高，例如单台风机单支变桨系统超级电容模块4个一组，单个超级电容模块4155元/个。目前的需求是利用目前最新的石墨烯形态储能碳基电容技术，尝试在风力发电机组取得应用，降低风机设备常规蓄电池及超级电容失效带来的安全隐患，同时基于碳基电容具有电池和电容的双重特性，均衡性能好，荷电保持能力强，来提高风机后备电源使用寿命，提升设备性能，降低后续运维成本。现阶段为实现碳基电容在变桨系统中的数据分析，进一步掌握碳基电容在风力发电机组中的适应性，以新疆中广核达坂城风电场作为试点进行挂机试验及应用

实施前后效益说

由于新能源行业的特殊性，在风力发电机组20年全寿命周期内，需要一种环境适应能力强、安全性能优异、寿命长、免维护及经济性更优异的新型技术的电容电池作为新能源设备的后备电源。目前的需求是利用目前最新的石墨烯形态储能碳基电容技术，研究其在风力发电机组的应用和实用前景，降低风机设备常规蓄电池及超级电容失效带来的安全隐患，探索提高风机碳基电容作为后备电源使用寿命，分析设备性能提升的能力，降低后续运维成本。新能源新疆分公司计划以达坂城风电场单台风机作为试点进行挂机试验。初步考虑应用于单支叶片的变桨后备电源，后续基于碳基电容在变桨系统的应用情况，针对风电机组主控UPS、变桨超级电容或蓄电池进行定制化应用，经过评审后推广该产品。实现4个可行性目标：1、进口部件的国产化应用；2、降成本更换新选型；3、避免常规后备电源可靠性差或存在安全隐患；4、扩充可选范围

可应用推广范

成果应用：新能源MW级风力发电机组变桨、主控、变流后备电源选型，国产化替代方案

实际用户：新疆达坂城中广核风力发电有限公司

潜在用户：新能源行业风力发电行业风电场、光伏电站及风光互补项目设备及升压站继电保护系统的潜在用户