储能技术及应用 - 副本

1、储能技术及应用材料科学与工程材料科学与工程专业储能技术l 发展创新性储能技术对加快发展我国新能源产业有发展创新性储能技术对加快发展我国新能源产业有决定性意义决定性意义 l 近几十年来，储能技术的研究和发展一直受到各国近几十年来，储能技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的能源、交通、电力、电讯等部门的高度高度重视重视储能（电力）技术设备类型设备类型用户类型用户类型功率等级功率等级能量等级能量等级便携式设备便携式设备-1100WWh运输工具运输工具汽车25100KW100KWh火车、轻轨列车100500KW500KWh潜艇120MW10MWh静止设备静止设备家庭1KW5KWh小

2、型工业和商业设施10100KW25KWh配电网MWMWh输电网10MW10MWh发电站10100MW10100MWh不同应用场合对能量和功率密度的要求是不同的电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储，按照其具体方式可分为物理、电磁、电化学和相变储能四大类型物理储能抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能电磁储能电化学储能相变储能超导储能超级电容储能高能密度电容储能铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能冰蓄冷储能1储能技术的分类物理储能l 弹性储能弹性储能l 液压储能液压储能l 抽水储能抽水储能l 压缩空气储能压缩空气储能l 飞轮储能飞轮储能物理储能弹弹性性储储能能物理储能材料科学与工程专

3、业液液压压储储能能物理储能材料科学与工程专业抽抽水水储储能能物理储能材料科学与工程专业抽抽水水储储能能日、美、西欧等国家和地区在日、美、西欧等国家和地区在 20 世纪世纪 6070 年代进入抽水蓄年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期，到目前为止，美国和西欧经济发达国家能电站建设的高峰期，到目前为止，美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量 55%以上以上压缩空气储能电站（compressed air energy storage, CAES）是一种调峰用燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型压

4、力 7.5 MPa 的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。原理 在燃气轮机发电过程中，燃料的 2/3 用于空气压缩，其燃料消耗可以减少 1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少 40%，同时可以降低投资费用、减少排放。 CAES 建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站，但其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制。 地下储气站有多种模式，其中最理想的是水封恒压储气站，能保持输出恒压气体，保障燃气轮机稳定运行。CAES 储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。100 MW 级燃气

5、轮机技术成熟，利用渠氏超导热管技术可使系统换能效率达到 90%。大容量化和复合发电化将进一步降低成本。随着分布式能量系统的发展以及减小储气库容积和提高储气压力至 1014 MPa 的需要，812 MW 微型压缩空气蓄能系统（micro-CAES）已成为人们关注的热点。应用发 展 方 向压缩空气储能压缩空气储能飞轮储能装置主要包括3个核心部分：飞轮、电机和电力电子装置。他将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，要求空闲运转时候损耗非常小。原理飞轮储能功率密度大于 5kW/kg，能量密度超过 20Wh/kg，

6、效率在 90%以上，循环使用寿命长达 20a，工作温区-4050，无噪音、无污染、维护简单，主要用于不间断电源(UPS)/应急电源(EPS)、电网调峰和频率控制。应用随着对飞轮转子设计、轴承支撑系统和电能转化系统的深入研究，高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术极大地促进了储能飞轮的发展。磁浮轴承的应用、飞轮的大型化以及高速旋转化合轴承载荷密度的进一步提高，将使飞轮储能的应用更加广泛。发展方向1飞轮储能飞轮储能物理储能材料科学与工程专业飞飞轮轮储储能能1999 年欧洲年欧洲 Urenc Power 公司利用高强度公司利用高强度 碳纤维和玻璃纤维复合碳纤维

7、和玻璃纤维复合材料制作飞轮，转速为材料制作飞轮，转速为 42 000 rad/min，2001 年年 1 月系统投入运行，月系统投入运行，充当充当UPS，储能量达到，储能量达到 18 MJ物理储能材料科学与工程专业飞飞轮轮储储能能研发机构研发机构基本参数基本参数技术特点作用作用日本四个综合研日本四个综合研究所究所8MWh，储能放电各，储能放电各4h，待机，待机16h高温超导磁浮立时轴承，高温超导磁浮立时轴承，储效储效84%平滑负荷平滑负荷日本原子力研究日本原子力研究所所215 MW / 8 GJ输出电压输出电压18kV, 输出电流输出电流6896A，储效，储效85%UPS美国Vista公司27

8、7kWh引入风力发电系统引入风力发电系统全程调峰全程调峰美国马里兰大学美国马里兰大学(1991)24kWh,1161046345 rad/min电磁悬浮轴承，输出恒压电磁悬浮轴承，输出恒压 110V/ 240V，储效，储效81%电力调峰电力调峰美国波音公司美国波音公司100 kW/ 5 kWh高温超导磁浮轴承高温超导磁浮轴承电力调峰电力调峰德国德国(1996)5MW/100MWh,22504500 rad/min超导磁浮轴承，超导磁浮轴承，储效储效96%储能电站储能电站欧洲欧洲 Urenc Power 公司公司(2001)转速转速 42 000 rad/min高强度碳纤维和玻璃纤维高强度碳纤维

9、和玻璃纤维复合材料复合材料UPS巴西巴西(2004)额定转速额定转速 3000 rad/min超导与永磁悬浮轴承超导与永磁悬浮轴承电压补偿电压补偿材料科学与工程专业化学储能l 铅酸电池铅酸电池l 镍系电池镍系电池l 锂系电池锂系电池l 液流电池液流电池l 钠硫电池钠硫电池氢能氢能化学储能铅酸电池材料科学与工程专业构成铅蓄电池之主要成份如下：构成铅蓄电池之主要成份如下： l 阳极板阳极板 ( 过氧化铅过氧化铅 .PbO2 )- 活性物质活性物质 l 阴极板阴极板 ( 海绵状铅海绵状铅 .Pb) - 活性物质活性物质l 电解液电解液 ( 稀硫酸稀硫酸 ) - 硫酸硫酸 ( H2SO4) + 水水

10、( H2O)l 电池外壳电池外壳 l 隔离板隔离板 l 其它其它 ( 液口栓液口栓 . 盖子等盖子等 ) 化学储能铅酸电池材料科学与工程专业 铅蓄电池内的阳极铅蓄电池内的阳极 (PbO2) 及阴极及阴极 (Pb) 浸到电解液浸到电解液 ( 稀硫酸稀硫酸 ) 中，两极间中，两极间会产生会产生 2V 的电力。的电力。放电状态，阴阳极及电解液即会发生如下的变化：放电状态，阴阳极及电解液即会发生如下的变化： ( 阳极阳极 ) ( 电解液电解液 ) ( 阴极阴极 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb - PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ( 放电反应放电反应 ) ( 过氧化铅过氧化铅 ) (

11、 硫酸硫酸 ) ( 海绵状铅海绵状铅 ) 蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应反应 , 生成新化合物生成新化合物硫酸铅硫酸铅。 化学储能铅酸电池材料科学与工程专业 充电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：充电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化： ( 阳极阳极 ) ( 电解液电解液 ) ( 阴极阴极 ) PbSO4 + 2 H2O + PbSO4 - PbO2 + 2 H2SO4 + Pb ( 充电反应充电反应 ) ( 硫酸铅硫酸铅 ) ( 水水 ) ( 硫酸铅硫酸铅 ) 由于放电时在阳极板，阴极

12、板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成由于放电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸硫酸 , 铅及过氧化铅铅及过氧化铅 。 充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解 ，而阴极板就产生氢，阳极，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧。板则产生氧。化学储能铅酸电池材料科学与工程专业化学储能铅酸电池材料科学与工程专业化学储能铅酸电池材料科学与工程专业优点：优点： 1 1 寿命长寿命长 2 2 价格低价格低 3 3 可以大电流放电可以大电流放电 缺点：缺点： 1 1 铅的污染铅的污染 2 2 能量密度低，也就是说过于笨重能量密度低，也就是说过于

13、笨重 化学储能镍系电池材料科学与工程专业优点：优点： 1 1 良好的大电流放电特性良好的大电流放电特性 2 2 耐过充放电能力强耐过充放电能力强 3 3 维护简单维护简单 缺点：缺点： 1 1 镉是有毒的，环境污染镉是有毒的，环境污染 2 2 在充放电过程中如果处理不当，会出现在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的严重的“记忆效应记忆效应”，使得服务寿命大大缩短，使得服务寿命大大缩短 镍镉电池镍镉电池 镍镉电池（镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-Cadmiun Batteries, Ni-Cd Rechargeable Battery）是最早应用于手机、笔）是最早应用于手机、笔记本电脑等设

14、备的电池种类记本电脑等设备的电池种类 。Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2化学储能镍系电池材料科学与工程专业镍氢电池镍氢电池化学储能镍系电池材料科学与工程专业优点：优点： 具有能量密度高、充放电速度快、重量轻、具有能量密度高、充放电速度快、重量轻、寿命长、无环境污染等优点寿命长、无环境污染等优点 镍氢电池能量密度比镍镉电池大二倍镍氢电池能量密度比镍镉电池大二倍 缺点：缺点： 1 1 轻微记忆效应轻微记忆效应 2 2 镍氢电池串连电池组的管理问题比较多，镍氢电池串连电池组的管理问题比较多，一旦发生过充电以后，就会形成单体电池隔板熔一旦发生过充电以后，就会形成单体电

15、池隔板熔化的问题，导致整组电池迅速失效。化的问题，导致整组电池迅速失效。 镍氢电池镍氢电池化学储能镍系电池材料科学与工程专业锂电池锂电池 所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电摇椅式电池池”，俗称，俗称“锂电锂电”。 化学储能锂离子电池材料科学与工程专业优点：优点： 具有能量

16、密度高、充放电速度快、重量轻、具有能量密度高、充放电速度快、重量轻、寿命长、无环境污染等优点寿命长、无环境污染等优点 循环寿命长循环寿命长, ,一般均可达到一般均可达到500500次以上次以上, ,甚至甚至10001000次以次以 缺点：缺点： 锂离子电池主要的问题是在过充电和过放锂离子电池主要的问题是在过充电和过放电状态电池会发生爆炸，手机电池都是使用的单电状态电池会发生爆炸，手机电池都是使用的单体电池，再经过良好的保护电路来配合使用，基体电池，再经过良好的保护电路来配合使用，基本上杜绝了电池爆炸的问题。本上杜绝了电池爆炸的问题。锂电池锂电池化学储能锂离子电池材料科学与工程专业化学储能锂离子

17、电池材料科学与工程专业化学储能锂离子电池材料科学与工程专业化学储能锂系电池材料科学与工程专业锂电池锂电池青青山山电电动动车车化学储能锂系电池材料科学与工程专业锂电池锂电池青青山山电电动动车车化学储能液流电池材料科学与工程专业化学储能液流电池材料科学与工程专业 液流储能电池是一类适合于固定式液流储能电池是一类适合于固定式大规模大规模储能（蓄电）储能（蓄电）的装置，相比于目前常用的铅酸蓄电池、镍镉电池等二次的装置，相比于目前常用的铅酸蓄电池、镍镉电池等二次蓄电池，具有功率和储能容量可独立设计（储能介质存储蓄电池，具有功率和储能容量可独立设计（储能介质存储在电池外部）、效率高、寿命长、可深度放电、环

18、境友好在电池外部）、效率高、寿命长、可深度放电、环境友好等优点，是规模储能技术的首选技术之一。等优点，是规模储能技术的首选技术之一。 化学储能液流电池材料科学与工程专业化学储能钠硫电池材料科学与工程专业 钠硫电池是美国福特（钠硫电池是美国福特（Ford）公司于）公司于1967年首先发明公布的年首先发明公布的 钠硫电池，是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二钠硫电池，是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。在一定的工作度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，次电池。在一定的工作度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。

19、形成能量的释放和储存。l钠硫电池的理论比能量高达钠硫电池的理论比能量高达760Whkg，且没有自放电现象。放电效，且没有自放电现象。放电效率几乎可达率几乎可达100。l钠硫电池的基本单元为单体电池，用于储能的单体电池最大容量达到钠硫电池的基本单元为单体电池，用于储能的单体电池最大容量达到650安时，功率安时，功率120W 以上。将多个单体电池组合后形成模块。模块的功以上。将多个单体电池组合后形成模块。模块的功率通常为数十率通常为数十kW，可直接用于储能。，可直接用于储能。l 钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池。其寿命可以达到使用钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池。其寿命可以达到使用1015年。年。基本的电池反应是：基本的电池反应是：2N a + xS= Na2Sx 缺点：高温缺点：高温350C熔解硫和钠熔解硫和钠 电磁储能材料科学与工程专业超导磁储能系统超导磁储能系统(superconducting magnetic energy storage，SMES) 利用超导体制成的线圈储存磁场能量，功率利用超导体制成的线圈储存磁场能量，功率输送时无需能源形式的转换，具有响应速度快输送时