可再生能源第十一章 储能技术new
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第十一章 储能技术
引言
储能技术可以分为三大类： 机械储能，包括抽水储能（参见第七章）、压缩空气储能、 飞轮储能等； 化学储能，包括铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、全钒 液流电池等； 电磁储能，包括超导储能、超级电容器储能等。
11.1 飞轮储能
飞轮储能的基本原理是利用旋转飞轮的角动量守恒。 储能时，电能通过电力电子装置变换后驱动电机运行，电 机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来 ，完成电能到机械能转换的储能过程，能量储存在高速旋 转的飞轮体中； 储能后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量 释放的控制信号。释能时，高速旋转的飞轮带动发电机发 电，经电力电子装置输出适用于负载的电流与电压，完成 机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实 现了电能的输入、储存和输出。
(11-4)
总反应： v1M1 v2M2 0 或 Zn+Cu2+=Zn2++Cu
(11-5)
11.2.2 平衡电位和标准电位
当大多数金属和各种溶液接触时，都会自发的离子化，即金属 变成金属离子进入溶液，在金属表面留下相应的电子。 进入溶液的离子越多，留在表面的电子也越多。由于正离子和 负电子的相互吸引，金属的离子化越来越困难，终于达到平衡 ，如下式： M=Mn+ ne (11-6) 当锌片与硫酸锌溶液接触时，金属锌中Zn2+的化学势大于溶液 中Zn2+的化学势，则锌不断溶解到溶液中，而电子留在锌片上 。结果是金属带负电，溶液带正电，形成双电层。 双电层的形成建立了相间的电位差，电位差排斥Zn2+继续进入 溶液，金属表面的负电荷又吸引Zn2+,达到动态平衡。此时的电 极电位即平衡电极电位。
飞轮储能系统最大能量
1 2 2 E J (max min ) 2
(11-1)
式中，ΔE是最大可提取的能量(J)，J是飞轮的转动惯量 (kg.m2)，ωmax和ωmin分别是飞轮的最大旋转速度和最小 稳定旋转速度(rad/s)。
从式（11-1）可看出，飞轮储存的能量与飞轮的转动惯量 成正比，与飞轮的旋转速度的平方成正比。可见提高飞轮 的转速比提高飞轮的转动惯量更有效。 飞轮的最大旋转速度除跟飞轮的结构有关外，主要取决于 飞轮材料的最大许用拉应力。对于薄壳圆筒形飞轮，最大 旋转速度：
电极反应
如果Zn电极表面反应涉及的物质用M1表示，Cu电极表面反 应涉及的物质用M2表示,于是这些电极反应分别为： Zn电极(氧化): Cu电极(还原):
v M n e 1 1 1 0 或 Zn=Zn2++2e-
(11-3)
v M n e 2 2 2 0 或 Cu2++2e-=Cu
充电模式：当飞轮电池充电器插头插入外部电源插座时，打 开启动开关，电动机开始运转，吸收电能，使飞轮转子速度 提升直至达到额定转速时，由电机控制器切断与外界电源的 连接。在整个充电过程中电机作电动机用。 放电模式：当飞轮电池外接负载设备时，发电机开始工作， 向外供电，飞轮转速下降，直至下降到最低转速时由电机控 制器停止放电。在放电过程中，电机作为发电机使用。这两 种工作模式全部由电机控制器负责完成。
电极电位和吉布斯自由能的关系可由下列电化学的公式解 释：
G0 nE0 F
(11-7)
式中,ΔG0为电化学反应的吉布斯自由能变化；E0为电化学电 池的电动势；n为氧化反应中的电子数，即金属离子的价数； F为法拉第常数，F=96485C/mol。
由式(11-7)可看出，电池的电动势越大，自由能降低 (-ΔG0)就越大，即离子化倾向越大。电动势等于电池 中两个电极(阴极和阳极)电位之差。 原电池(或腐蚀电池)中的阳极反应是金属失去电子变 成离子，阴极反应一般是溶液中氧的离子化。 只有同时存在阴极反应，有效地取走金属表面上的离 子，反应才能继续进行。可见，阳极金属电位越低， 则E0越大，-ΔG0也越大。
尽管飞轮储能已有长足的进展，但由于它涉及机械、电机 、电力电子、传感技术、控制技术、材料科学等诸多学科 和技术，所以到目前为止，国内外仍没有成熟的理论和方 法指导飞轮储能系统的设计。即便在国外已有开发出的飞 轮电池可供使用，但仍有诸多方面需要改善，而且价格昂 贵。只有大幅降低其价格并提高其可靠性，才有大范围推 广应用的可能。
max
1 h r
(11-2)
式中，σh是材料的许用拉应力(MPa)，r是薄壳圆筒的半径 (mm)，ρ是材料的密度(g/cm3)。
11.1.2 飞轮储能的特点
储能密度高（45Wh/kg，而镍氢电池的能量密度仅有 10~12Wh/kg），瞬时功率大，功率密度甚至比汽油的还高 ，因而在短时间内可以输出更大的能量，这非常有利于电 磁炮的发射和电动汽车的快速启动； 在整个寿命周期内，不会因过充电 容易测量放电深度和剩余“电量”； 充电时间较短，一般在几分钟就可以将电池充满； 能量转换效率高，一般可达85%~95%，这意味着有更多可 利用的能量、更少的热耗散。
11.2 化学电池原理
图11-3
丹尼尔干电池
11.2.1 丹尼尔干电池原理
如图11-3所示，丹尼尔干电池包括一个锌电极和一个铜电 极，分别浸没在硫酸锌和硫酸铜溶液中，两种溶液被多孔 隔膜隔开。 电池的两电极通过外电路相连，两电极的连接端为同一种 金属材料(例如铜)。从而得到两个分别发生在两电极的电 化学反应，其方程涉及等量的电子产生或消耗。
11.1.1飞轮储能系统的组成
①储能飞轮； ②集成驱动的电动机/发电机； ③磁悬浮支承轴承； ④磁力轴承控制器和电机变频 调速控制器； ⑤辅件（如着陆轴承、冷却系 统、显示仪表、真空设备和安 全容器等）。
图 11-1 飞轮储能原理图
图 11-2 飞轮储能系统结构示意图
飞轮电池工作模式
表11-1 金属的标准电极电位
引言
储能技术可以分为三大类： 机械储能，包括抽水储能（参见第七章）、压缩空气储能、 飞轮储能等； 化学储能，包括铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、全钒 液流电池等； 电磁储能，包括超导储能、超级电容器储能等。
11.1 飞轮储能
飞轮储能的基本原理是利用旋转飞轮的角动量守恒。 储能时，电能通过电力电子装置变换后驱动电机运行，电 机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来 ，完成电能到机械能转换的储能过程，能量储存在高速旋 转的飞轮体中； 储能后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量 释放的控制信号。释能时，高速旋转的飞轮带动发电机发 电，经电力电子装置输出适用于负载的电流与电压，完成 机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实 现了电能的输入、储存和输出。
(11-4)
总反应： v1M1 v2M2 0 或 Zn+Cu2+=Zn2++Cu
(11-5)
11.2.2 平衡电位和标准电位
当大多数金属和各种溶液接触时，都会自发的离子化，即金属 变成金属离子进入溶液，在金属表面留下相应的电子。 进入溶液的离子越多，留在表面的电子也越多。由于正离子和 负电子的相互吸引，金属的离子化越来越困难，终于达到平衡 ，如下式： M=Mn+ ne (11-6) 当锌片与硫酸锌溶液接触时，金属锌中Zn2+的化学势大于溶液 中Zn2+的化学势，则锌不断溶解到溶液中，而电子留在锌片上 。结果是金属带负电，溶液带正电，形成双电层。 双电层的形成建立了相间的电位差，电位差排斥Zn2+继续进入 溶液，金属表面的负电荷又吸引Zn2+,达到动态平衡。此时的电 极电位即平衡电极电位。
飞轮储能系统最大能量
1 2 2 E J (max min ) 2
(11-1)
式中，ΔE是最大可提取的能量(J)，J是飞轮的转动惯量 (kg.m2)，ωmax和ωmin分别是飞轮的最大旋转速度和最小 稳定旋转速度(rad/s)。
从式（11-1）可看出，飞轮储存的能量与飞轮的转动惯量 成正比，与飞轮的旋转速度的平方成正比。可见提高飞轮 的转速比提高飞轮的转动惯量更有效。 飞轮的最大旋转速度除跟飞轮的结构有关外，主要取决于 飞轮材料的最大许用拉应力。对于薄壳圆筒形飞轮，最大 旋转速度：
电极反应
如果Zn电极表面反应涉及的物质用M1表示，Cu电极表面反 应涉及的物质用M2表示,于是这些电极反应分别为： Zn电极(氧化): Cu电极(还原):
v M n e 1 1 1 0 或 Zn=Zn2++2e-
(11-3)
v M n e 2 2 2 0 或 Cu2++2e-=Cu
充电模式：当飞轮电池充电器插头插入外部电源插座时，打 开启动开关，电动机开始运转，吸收电能，使飞轮转子速度 提升直至达到额定转速时，由电机控制器切断与外界电源的 连接。在整个充电过程中电机作电动机用。 放电模式：当飞轮电池外接负载设备时，发电机开始工作， 向外供电，飞轮转速下降，直至下降到最低转速时由电机控 制器停止放电。在放电过程中，电机作为发电机使用。这两 种工作模式全部由电机控制器负责完成。
电极电位和吉布斯自由能的关系可由下列电化学的公式解 释：
G0 nE0 F
(11-7)
式中,ΔG0为电化学反应的吉布斯自由能变化；E0为电化学电 池的电动势；n为氧化反应中的电子数，即金属离子的价数； F为法拉第常数，F=96485C/mol。
由式(11-7)可看出，电池的电动势越大，自由能降低 (-ΔG0)就越大，即离子化倾向越大。电动势等于电池 中两个电极(阴极和阳极)电位之差。 原电池(或腐蚀电池)中的阳极反应是金属失去电子变 成离子，阴极反应一般是溶液中氧的离子化。 只有同时存在阴极反应，有效地取走金属表面上的离 子，反应才能继续进行。可见，阳极金属电位越低， 则E0越大，-ΔG0也越大。
尽管飞轮储能已有长足的进展，但由于它涉及机械、电机 、电力电子、传感技术、控制技术、材料科学等诸多学科 和技术，所以到目前为止，国内外仍没有成熟的理论和方 法指导飞轮储能系统的设计。即便在国外已有开发出的飞 轮电池可供使用，但仍有诸多方面需要改善，而且价格昂 贵。只有大幅降低其价格并提高其可靠性，才有大范围推 广应用的可能。
max
1 h r
(11-2)
式中，σh是材料的许用拉应力(MPa)，r是薄壳圆筒的半径 (mm)，ρ是材料的密度(g/cm3)。
11.1.2 飞轮储能的特点
储能密度高（45Wh/kg，而镍氢电池的能量密度仅有 10~12Wh/kg），瞬时功率大，功率密度甚至比汽油的还高 ，因而在短时间内可以输出更大的能量，这非常有利于电 磁炮的发射和电动汽车的快速启动； 在整个寿命周期内，不会因过充电 容易测量放电深度和剩余“电量”； 充电时间较短，一般在几分钟就可以将电池充满； 能量转换效率高，一般可达85%~95%，这意味着有更多可 利用的能量、更少的热耗散。
11.2 化学电池原理
图11-3
丹尼尔干电池
11.2.1 丹尼尔干电池原理
如图11-3所示，丹尼尔干电池包括一个锌电极和一个铜电 极，分别浸没在硫酸锌和硫酸铜溶液中，两种溶液被多孔 隔膜隔开。 电池的两电极通过外电路相连，两电极的连接端为同一种 金属材料(例如铜)。从而得到两个分别发生在两电极的电 化学反应，其方程涉及等量的电子产生或消耗。
11.1.1飞轮储能系统的组成
①储能飞轮； ②集成驱动的电动机/发电机； ③磁悬浮支承轴承； ④磁力轴承控制器和电机变频 调速控制器； ⑤辅件（如着陆轴承、冷却系 统、显示仪表、真空设备和安 全容器等）。
图 11-1 飞轮储能原理图
图 11-2 飞轮储能系统结构示意图
飞轮电池工作模式
表11-1 金属的标准电极电位