能量的存储

储能技术发展
高温相变储冷对相变材料的要求
物性条件：必须具有适当的相变温度，高相变潜热，较低的蒸汽压、较 高的密度，相变前后体积变化较小。
化学性要求：长期的化学稳定性，与相变材料容器兼容性好。不燃、无 毒，对环境无污染。
对相变力学特性的要求：良好的相平衡性质，不产生相分离。凝固过程 中，不发生大的过冷现象。有较高的固化结晶速度。
电力储能
用电波动图说明储能的必要性，如果工厂使用可 再生能源，如太阳能、风能来发电，由于输入电 能的间歇性，电力输出的波动性就十分明显，储 能的需求就十分清楚，储能及其转换也比常规工 厂的转换系统昂贵的多。 因此，电力储能的目标 就是要保证现有电厂在用户电力需求波动的条件 下能够一稳定的发电量满足电力需求。
电力管理优化包括：
由相互连接的电网满足电力供应的峰值。 对基本发电负荷采用更新和更有效的发电机组，用老电厂来调峰。 用建设投资少、一次投资低的机组构造调峰电厂，如小型水电厂。 附加的能量储存系统。
热力储能
热能储能就是将暂时不用的热能储存起来，用的时候在提 取出来。
三种主要的热能储存方法的工作特性
技术
压缩空气飞轮 潜热储存 化学能储存 合成燃料 化学储能 超导线圈
电力储能

电力系统的供应负荷是固定的或发电能力是一定的。

发电能力的选择:最大用电量加上在部分电厂进行计划检修或维
护和以外停机而停止发电而确定，这将导致发电能力过大而造价昂贵
的发电厂多数时间都是低负荷运行，造成一次投资和运行投资的浪费。
电力储能就是通过能量转换将一天中，一周中或 一年中超过需求的那部分电力储存起来，用于一 天中，一周中或一年中的用电高峰期，以减少不 必要的发电能耗。
电力储能
电力优化管理
电力储能的成本很高，从生产运行管理的角度，在需要 的时候生产出需要的电量是最经济的。只有在生产与需求无 法匹配的时候，才有必要进行能量储存。所以对发电过程及 其发出的电力进行优化管理是节能的一项重要工作.
特性
显热
潜热
化学
储存容量 小
较小
大
复原特性 可变温度下 固定温度下 可变温度下
隔热措施 需要
需要
不需要
能量损失
长期储存时 长期储存是 低
较大
相当大
工作温度 低
低
高
运行情况 适当短距离 适当短距离 适当长距离
热力储能
显热储能：通过提高储热材料温度将热能储存起 来的技术，常用的材料有水，土壤，岩石等。储 能顺序是水最大，其次是土壤，岩石最小。
潜热储能：利用介质相变热储存热能的技术。潜 热介质有十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）、五水代 硫酸钠(Na2S2O3·5H2O)和六水氯化钙(CaCl2·6H2O) 等。储能介质昂贵，容易腐蚀。
化学储能：将化学物质分解以后分别储存，分解 后的物质重新化合时放出热量。
能量储存系统
从系统划分，储能方法有电力储能和热能储能。
磁能储存的机械设计问题是由于需要非常大的结构质量来容 纳磁场能量，这将导致大量的外向辐射力。质量正比于材料 密度和储存的能量，与应力成反比这样的质量，如果用不锈
钢制造，将达到160kg/（kW·h），在投资上难以接受。
显热储能
显热储能是通过提高工质温度实现的。
显热储能密度等于温度差、比热容和材料密 度的乘积，在实践中有变温运行和储存密度 低等缺点。由于材料的热胀性，可能还会遇 到体积膨胀问题。
反应物 A噲 垐加 冷垐热 却垐储 放垐热 热垐过 过程 程垎垐 生成物 B+C
化学储能具有密度大的优点，通常比显热储能和潜热储能高 出2~20倍。化学储能还可以通过催化剂将产物分离，在常温 下长期储存。
可以作为化学储能的反应很多，但需要满足一定条件的反应 才可以使用。如反应的可逆性好、无明显的附带反应、正反 应和逆反应速度都足够快以满足热量输入输出的要求、反应 生成物易于分离和稳定存储、反应物和生成物无毒无腐蚀性 和无可燃性。
增加燃料进行燃烧，其结果是增加额外费用和维护问题， 这种系统称作联合系统
飞轮储能
飞轮储能是将低谷电能储存成动能，已经广泛应 用到往复式发动机来“削锋”。
物理上与发动机的曲轴连接，与发动机较小的汽 缸相比，飞轮体积较大。它储存来自汽缸的能量， 在没有电力冲击时再释放出能量，通过曲轴和汽 缸稳定连续工作。采用飞轮可以将扭矩变化削减 到最小值。
聚集
能量
输送
储能
能源 需求
能量储能系统
能量储存的基本任务：
克服能量供应和需求之间的时间性和地域性的差别. 这种差别是 由于能量需求突然变化（如季节变化造成的用能高峰）和一次能源 转换装置之类的原因造成的。
能量储存的方法：
储能技术分类
项目
电能
热能
化学能
电磁能
储能
水利储能
显热储能
蓄电池பைடு நூலகம்
电容器
空气压缩储能系统：与水利储能系统属于同类，将 空气压缩并储藏到风库或地下洞穴中，在用电高峰 期间在汽轮机中膨胀做工发电。
风库：风库中的压力、温度和湿度都是周期性重复 波动的，必须确定这种波动的长期效应。通常是多 个风库同时运行作为一个风库储能系统。
可利用的天然风库包括盐穴、矿床穴和天然洞穴。
能量储存系统
（1）电力储存 ：将过量生产的电力储存起来用于用电高峰期。由于 在能量储存和输出过程中总会有损失，所以储能供应出去的电力永远 小于储存能量所消耗的电力。

现采用和正在研究的电力-机械能储存方法有：转化成势能的水
压头储能，压缩空气，弹簧、扭杆、质量提升高度储能等，转化成动
能的各种飞轮储能。
电池储能
铅酸电池是为机动车提供动力的直流电池，包括一系列串联 的电压单元，每个单元中含有几个平行连接的铅板作为阳极， 用氧化铅做阴极板，硫酸溶液作为介电介质。电化学反应为：
阳极 Pb(s) SO42(aq) PbSO4(S ) 2e-
阴极
PbO2(s)

4
H
aq

SO42(aq)
PE g mH gc
（3-1）
PE为势能，J；
g为重力加速度9.81m/s2；
gc为守恒因子，1.0kg/（N·S2）； m为质量，kg；H为提升高度m。
运行压头（或水泵压头）Hp和汽轮机发电式Ht是不同的：
Hp=H+H1
(3-2)
Ht=H-H1
(3-3)
H为静压头或高度；H1代表流动过程中的损失。

2e-

PbSO4(s)

2 H 2O(aq)
电池的潜力在于是电器元件和产品便携，使用可溶解的或液体的反应剂 并能在一定的温度下工作，目前最容易接受的有以下几种：
钠硫电池 锂氯电池和锂碲电池 锌氯电池
超导磁流体储能
超导磁能储存的概念最早来自于充放电时间很短的脉冲能量 储存，大规模能量储存开始于电器元件，其原理就是电能可 以储存在线圈的磁场中。如果线圈是有超导材料制成，即保 持在临界温度以下，即使发生变化，电流也不会发生衰减。 线圈卸载荷，可以将电流释放回电路中去。
能量的存储
能量存储方式与设备
能源的利用方式
直接利用
直接电能 直接热能 直接机械能
转换利用
热能-机械能 机械能-电能 其他转换方式
能量存储系统
电力储能 热力储能 储能系统
能量储能系统
能源的需求具有明显的时间性和空间性，如 何有效的在特定的时间，特定的地点合理供应和 使用能源；例如通过一种装置将特定时间剩余的 能量储存起来，在集中用能的高峰期拿出来使用 或者送往能量紧缺的地方使用，这种思想和技术 就是能量储存。
经济性要求：材料来源广泛，价格低廉。
储能技术发展
高温水储冷空调技术 高温水储冷空调原理
从冷凝器出口流出的温度在45℃以上的液体可以被温度 为12~38 ℃的储水冷却，被过冷的制冷剂液体经节流降压后 在蒸发器内以低于5 ℃的温度蒸发，吸收12 ℃空调回水的热 量，最终向空调系统末端设备输出5 ℃的冷水，实现把高温 水的显热作为供给空调的冷量。
压缩空气储能
孤立系统和联合系统
当空气被压缩储存起来，温度升高：
T2

T1
(
P2 P1
)(n1) /
n
T绝对温度，P压力；角标1和2分别是压缩前后，n不可
逆压缩过程的多变指数
压缩热在进入气轮机膨胀做工之前可以保存在空气和 其他介质中，这种工作方式叫孤立系统，储能效率比较高。
如果允许储存热出现耗散，为了保持高储存效率就要
显热储能方式：水增压储存、有机液储存、 紧凑固体床储存；流化固体床储存。
显热储能
图3-11是一电站压力水显热储能系统，其一次能源可以是核 电站也可是化石燃料电站。
潜热储能
熔融固体或气化液体可以储存相变的 潜热。
能量储存密度等于融化（或蒸发）潜 热与储能材料密度的乘积。由于单相 物质的潜热比其比热容大得多，所以 潜热储能的能力比显热储能能力大得 多。系统运行温度基本上为恒温，相 变过程体积变化小。
飞轮储能
储能飞轮的材料必须是高强度、高强度/密度比、 高抗裂纹长大能力并且具有良好的强度投资比。
储存能量的飞轮是一个系统，除了飞轮本身外还 包括一系列的子系统。如外壳、轴承（球轴承）、 真空泵（防止缝隙泄漏）、密封（防止油和空气 泄漏真空区）以及一些防护环（以防飞轮断裂形 成飞轮碎片伤人）。
转化成水压储能
.•
用质量流量 m代替式（3-1）中的质量，并采用适当的压头单位可以得 到
p p

g gc
•
QP
•
HP
pt

g gc
•
Qt
•
Ht
Pp和Pt分别为水泵和汽轮机模式的功率，W；
（3-4） （3-5）
•
•
QP和 Qt分别是水泵和汽轮机发电方式的流率，m3/s
转化成水压储能
（2）热能储能：所有的储热形式都是将热能在低负荷是储存到物质 中去，在高热负荷时在释放出来。发电厂要满足用电高峰时的实时用 电供应，将可以获得的热能储存到一个装置中（图3-4和图3-5）
转化成水压储能
水压头是大型能量储存的势能方法，是最早开发和使用的方法。其原理
是用水泵提高水的势能。所得到的势能为
率、较高的导热率和液相比热。 无毒性、不易燃、对相变材料容器腐蚀小，与
容器相容性小，在周期性熔化和凝固状体下稳定工 作。
储能技术发展
高温相变蓄热器
高温相变蓄热器是空间太阳能热动力发电系统的关键部件之 一，日照期间吸收来自集热器反射的太阳光，将其中一部分 热传递给循环工质驱动热机发电，其余的热量被高温相变储 存。 当航天器进入轨道阴影没有外界能量入射时，液态相变 材料凝固放热加热工质，使系统继续运行。
储能技术发展
高温相变储冷技术
高温相变储冷空调在电力削峰填谷和节能方面有着显著的效 益。目前主要有三种形式：水储冷、冰储冷、相变材料相变 储冷。
水储冷存在储能密度低，储冷槽体积大，槽内不同温度的水 容易混合等缺点。冰储冷属相变储冷，储能密度大，但是变 温度低，制冷剂效率低。为克服上述缺点，研制出高温相变 材料，主要是一些无机盐、水、成核剂和增稠剂的混合物， 也称作共晶盐或优态盐。这种材料相变温度高， 相变材料的 凝固温度较高，且系统的压降也很低，设计上不必考虑管线 的冻结问题。共晶盐的储冷能力比冰小，但比水储冷大。
高温潜热储能可用于热机、太阳能电站、磁流体发电机以及人造卫星等 方面。以下是太阳能动力系统原理
储能技术发展
高温相变材料
用于太阳能热动力系统的高温储热材料应符合以下 条件：
相变温度必须高于循环工质的最高温度。 相变材料的相变潜热和密度比较大。 相变时具有较小的密度变化和液体的体积膨胀
化学储能
乙醇储存和利用热能过程
储能技术发展
高温储能技术
高温相变储能是利用物质在融化/凝固、凝结/汽化、凝华/升华以及其他相 变过程中伴有大量的能量吸收和释放的原理进行热能存储技术。根据相 变材料相变温度的高低，潜热储能又分为低温和高温两部分。
低温潜热储能主要用于废热回收、太阳能储存以及供暖空调等。
式（3-1）表明，巨量物质提升到足够高的高度可以储存 大量的能量。可以提升流体（水）来实现物质提升，即从 低水位水库将水提高到高位水库。但这样的储能系统需要 适当的条件，两水库要有足够的容量、最大提升高度H和 最小水平距离L，L/H<2
通常将此类储能系统分为地上系统和地下系统。
压缩空气储能
储能材料必须具有适当的相变温度和 潜热值以及合适的物理化学性质，还 要有良好的导热性、稳定性、装载特 性、无毒性以及投资经济性。一些氟 盐可以满足其中的要求。最适合潜热 储能的是70%NaF和30%FeF2组成的 复合盐。
化学储能
化学储能是将化学反应热通过化学物质储存起来，吸收反应 热储存能量，其逆反应放出能量