储能技术及应用 - 副本

化学储能——锂离子电池
材料科学与工程专业
化学储能——锂离子电池
材料科学与工程专业
化学储能——锂系电池
锂电池
青 山 电 动 车
材料科学与工程专业
化学储能——锂系电池
锂电池
青 山 电 动 车
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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
液流储能电池是一类适合于固定式大规模储能（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 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、环境友好 等优点，是规模储能技术的首选技术之一。
应用
发展 方向
飞轮储能功率密度大于 5kW/kg，能量密度超过 20Wh/kg，效率在 90%以上，循环使用寿命长达 20a，工作温区-40~50℃，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。
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。
物理储能
飞 轮 储 能
1999 年欧洲 Urenc Power 公司利用高强度 碳纤维和玻璃纤维复合
材料制作飞轮，转速为 42 000 rad/min，2001 年 1 月系统投入运行，
充当UPS，储能量达到 18 MJ
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物理储能
研发机构
基本参数
技术特点
作用
日本四个综合研 究所
8MWh，储能放电各 4h，待机16h
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压缩空气储能
原理 应用
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。
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化学储能——液流电池
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化学储能——钠硫电池
钠硫电池是美国福特（Ford）公司于1967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 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。
功率等级 1~100W 25~100KW 100~500KW 1~20MW
1KW
10~100KW
MW 10MW 10~100MW
能量等级 Wh
100KWh 500KWh 10MWh
5KWh
25KWh
MWh 10MWh 10~100MWh
物理储能
弹性储能 液压储能 抽水储能 压缩空气储能 飞轮储能
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储能技术的其他应用
在新能 源中的 的应用：
相变蓄能 稳压发电 方法
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Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2
优点： 1 良好的大电流放电特性 2 耐过充放电能力强 3 维护简单
缺点： 1 镉是有毒的，环境污染 2 在充放电过程中如果处理不当，会出现
严重的“记忆效应”，使得服务寿命大大缩短
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化学储能——镍系电池
镍氢电池
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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 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“摇椅式 电池”，俗称“锂电”。
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化学储能——锂离子电池
锂电池
优点： 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 循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至
1000次以 缺点：
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 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。
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化学储能——锂离子电池
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电力调峰
美国波音公司
100 kW/ 5 kWh
高温超导磁浮轴承
电力调峰
德国(1996)
5MW/100MWh, 2250~4500 rad/min
超导磁浮轴承， 储效96%
储能电站
欧洲 Urenc Power 公司(2001)
转速 42 000 rad/min
巴西(2004)
额定转速 3000 rad/min
高温超导磁浮立时轴承， 储效84%
平滑负荷
日本原子力研究 所
215 MW / 8 GJ
输出电压18kV, 输出电流 6896A，储效85%
UPS
飞
美国Vista公司
277kWh
引入风力发电系统
全程调峰
轮 储 能
美国马里兰大学 (1991)
24kWh, 11610~46345
rad/min
电磁悬浮轴承，输出恒压 110V/ 240V，储效81%
储能技术及应用
材料科学与工程
储能技术
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
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、电讯等部门的高度重视
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储能（电力）技术
储能技术的分类
1
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
化学储能——镍系电池
镍氢电池
优点： 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 镍氢电池能量密度比镍镉电池大二倍
缺点： 1 轻微记忆效应 2 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 化的问题，导致整组电池迅速失效。
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化学储能——镍系电池
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。
✓ 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。
物理储能
抽水蓄能 压缩空气储能 飞轮储能
电磁储能
超导储能 超级电容储能 高能密度电容 储能
电化学储能
相变储能
铅酸、镍氢、 镍镉、锂离子、 钠硫和液流等 电池储能
冰蓄冷储能
不同应用场合对 能量和功率密度的
要求是不同的
设备类型 便携式设备 运输工具
静止设备
用户类型 -
汽车 火车、轻轨列车
潜艇 家庭 小型工业和商业 设施 配电网 输电网 发电站
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超级电容
超级电容是近几年才批量生产的一种新型电 力储能器件，也称为电化学电容。它既具有静电 电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大 电荷储存能力，单体的容量目前已经做到万法拉 级。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密 度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵 活、环境友好免维护等优点。
✓ 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。
100 MW 级燃气轮机技术成熟，利用渠
氏超导热管技术可使系统换能效率达到
发
90%。大容量化和复合发电化将进一步
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化学储能——铅酸电池
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化学储能——铅酸电池
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化学储能——铅酸电池
优点： 1 寿命长 2 价格低 3 可以大电流放电
缺点： 1 铅的污染 2 能量密度低，也就是说过于笨重
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化学储能——镍系电池
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 记本电脑等设备的电池种类 。
高强度碳纤维和玻璃纤维 复合材料
超导与永磁悬浮轴承
UPS 电压补偿
Байду номын сангаас
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化学储能
铅酸电池 镍系电池 锂系电池 液流电池 钠硫电池 ✓ 氢能…
化学储能——铅酸电池
构成铅蓄电池之主要成份如下：
阳极板 ( 过氧化铅 .PbO2 )---> 活性物质
阴极板 ( 海绵状铅 .Pb) ---> 活性物质
展
降低成本。随着分布式能量系统的发展
方
以及减小储气库容积和提高储气压力至
向
10~14 MPa 的需要，8~12 MW 微型 压缩空气蓄能系统（micro-CAES）已成
为人们关注的热点。
飞轮储能
1
原理
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。
缺点：高温350ºC熔解硫和钠
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电磁储能
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 输送时无需能源形式的转换，具有响应速度快 (ms 级)，转换效率高(96%)、比容量(1~10 Wh/kg)/比功率(104~105 kW/kg)大等优点，可 以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率 补偿。
基本的电池反应是：2N a + xS= Na2Sx
钠硫电池的理论比能量高达760Wh／kg，且没有自放电现象。放电效 率几乎可达100％。 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120W 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kW，可直接用于储能。 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 10～15年。
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化学储能——铅酸电池
充电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化： ( 阳极 ) ( 电解液 ) ( 阴极 ) PbSO4 + 2 H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2 H2SO4 + Pb ( 充电反应 ) ( 硫酸铅 ) ( 水 ) ( 硫酸铅 ) 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 , 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 ，而阴极板就产生氢，阳极 板则产生氧。
电解液 ( 稀硫酸 ) ---> 硫酸 ( H2SO4) + 水 ( H2O)
电池外壳
隔离板
其它 ( 液口栓 . 盖子等 )
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化学储能——铅酸电池
铅蓄电池内的阳极 (PbO2) 及阴极 (Pb) 浸到电解液 ( 稀硫酸 ) 中，两极 间会产生 2V 的电力。
放电状态，阴阳极及电解液即会发生如下的变化： ( 阳极 ) ( 电解液 ) ( 阴极 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ( 放电反应 ) ( 过氧化铅 ) ( 硫酸 ) ( 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 反应 , 生成新化合物『硫酸铅』。
物理储能
弹 性 储 能
物理储能
液 压 储 能
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物理储能
抽 水 储 能
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物理储能
抽 水 储 能
日、美、西欧等国家和地区在 20 世纪 60~70 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 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
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超级电容
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电力储能技术发展
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氢（气）储能
太阳能氢气 氢气－>热能
电能
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储能技术的其他应用
日常生活中的应用：
储能厨具 储能节能冰箱 相变蓄热电热水器 暖手袋
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储能技术的其他应用
在交通运输中的应用：
汽车蓄冷箱 汽车动力：斯特林发动机