新能源材料及应用 第二章 储能

15 承压含水层储热(冷)系统由冷井、热井、井间管道与换热器 组成。 为避免冷热“短路”的相互影响，交替作为取水井和回灌井 的冷井与热井，间距至少为15 mm~20 mm。 含水层储存的是低品位的冷与热，大多数储热(冷)系统回灌 水的温度，冬季为6℃~9℃，夏季为15℃~25℃。 16
世界最早投入运行的抽水蓄能电厂为瑞士Schaffhausen电 站，设2座常规机组和2座泵机，装机2000kw, 从1909年开 始迄今仍在运行中。 20世纪60、70年代后发展迅速。广州抽水蓄能电厂总装机 容量240万千瓦。
1. 机械能储存技术
压缩空气蓄能
通过将压缩空气送到埋设在地下的容器里来达到储能的 目的。对电力工业来说，这是一种简便的储能方法。
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1. 机械能储存技术
压缩空气蓄能Baidu Nhomakorabea
优点： ①从地质上看，选择建设地的余地更大； ②可进一步增大储能密度； ③装置小，比较经济。 缺点： ① 此种储能方法的最大缺点是压缩空气要发热。如 如何处理这种热，对能源经济有很大的影响。 ② 在地下储存压缩空气时，温升的空气会导致岩石 的龟裂和岩盐的蠕变。
二．什么是储能技术？
• 储能一般是利用特殊装置把能量储存起来，并在 能量不足时释放出来，从而调节能量供求在时间 和强度上的不匹配。
• 储能系统本身并不节约能源，他们的引入主要在 于能够提高能源利用体系的效率，促进新能源如 太阳能和风能的发展，以及对废热的利用。
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三．能量储存方法
能量有各种不同的形式，做功的能力也不一样。 按形态可将能量的种类分为： 机械（力学）能 热能 化学能 辐射（光）能 电（磁）能 核能 特点：
（冰融化、 水结冰）；
(3) 液、气相的相变即气化、冷凝
（水蒸发、蒸汽冷凝）；
(4) 固相直接变成气相即升华。
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2. 热能储存技术
对潜热储热来说，最好的办法是利用熔解热。 在选择这种储热材料，特别是选择盐类时应考虑 以下各点： ①该物质的熔点是否在规定的加热、冷却温度范 围之内； ②熔点变化； ③相变时体积变化。
2. 热能储存技术
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2. 热能储存技术
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灯罩内部有一个特殊的聚 热层，把热能转变为电能存 储，使得内部的小 LED 灯利 用这些存储的电能来发光， 起到夜灯的作用。
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2. 热能储存技术
潜热一般是在物质相变时才有，这种相变一般 有以下四种情况： (1) 固体物质的晶体结构发生变化； (2) 固、液相间的相变即熔解、凝固
2 储能技术发展的前景
储能技术将在能源系统、可再生能源（单 个或集成）技术及输送中发挥作用。它的发 展，必须和现有的过容电站或应急发电厂相 适应。 为了减少温室气体排放，降低一次能源的消 耗，促成可再生能源在持续供给电力中份额 的不断增加，为偏远地区提供廉价、可靠的 电力，储能至关重要。
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3. 化学能储存技术
化学能是诸能源中最易储存的能源形态。从广义 上讲，储存这种化石燃料本身就是化学能的储存。 石油有原油和各种石油产品，都是液体，同时又 具有挥发性。因此，在储存时需要防止漏失和蒸 发所造成的数量减少和质量下降。一般都用油罐 来储存。
常压型：结构简单，费用低。 存在油蒸气，损失大 加压型：球形罐，LPG 35 液态低温存储 常温高压存储 36
1. 机械能储存技术
飞轮蓄能
此种储能方法的特点是 比能大。采用这种储能 方法，储能时能量损失 主要是由风损和轴承摩 擦造摩擦造成的。 储存能量：
E 1 2 I 2
2. 热能储存技术
热能虽然是一种低质量的能源，但从它在所利用 的全都能源中占60%这一点来看，储热的意义是 很重大的。
在低温T1下为a相的单位质量储能物质经加热到高 温T2时变成 b相，Tf为相变温度相变过程储存的全 热能Q为：
三．能量储存方法
储存技术选择，性能判断考虑因素： ①能的输入、输出形态； ②储能密度； ③储能时的能量损失程度； ④储能期限； ⑤能的输出和输入的难易程度； ⑥安全性； ⑦达到一定的输入、输出值所需的时间即响应 性； ⑧耐久性； ⑨经济性。
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• ①化学能的优点是便于储 存和输送； • ②电能的优点是可适用于 各种用途，但储存困难： • ③热能约占最终能源消耗 的 60% ，但它是一种质量最 差的能的形态，在储存和 输送方面也不太适宜。 7
电容器方法（电场） 直接储存电能 线圈方法（磁场）
物理吸附 化学储氢 氢气与储能材料间的范德华力 循环吸放氢时生成新的氢化物
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4. 电能储存技术
电容器方法
Ew 4.43 10 12 r E 2 (J/m 3 )
使用电容器法，即使得到的电场强度相当大， 但其储存的电能密度实际上并不会很大。因 此，这种方法不适用于储存调整系统电力用 的大容量电力，而要求在短时间内提取大容 量电力等场合，此法可以发挥简这一特点。
油罐
3. 化学能储存技术
储煤一般采用露天堆放方式，这就需要采取 防自燃措施。因此，要有堆煤高度限制、排 水性、通风性以及储煤管理等具体规定。 蓄电池也是化 学能储能的一 种方式，可以 通过电化学方 式将能量转换 后进行储存和 利用。
37 1、安全问题：300～500℃ 2、寿命问题：10年 3、温度问题：>300 ℃ 启动 4、成本问题 铅－酸蓄电池占85% ：工作原理 钠硫电池
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2.2 储能技术
一．能量的基本转换过程
能量有各种形式，人们可以将能量相互转换， 变成符合要求和使用方便的形式。 在诸多能量中利用价值最高的是电能。为了 能最终获取电能，需要研究力学、热力学、 化学及核能等不同形式的能量转换为电能的 原理，各种形式的能量与电能间的转换对目 前使用的发电技术起了非常重要的作用。
1. 机械能储存技术
飞轮蓄能
利用电能与旋转能量之间的转换来 储能。 在储能时，电能通过电力转换器变 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，能量储存在高速旋转 的飞轮体中；之后，电机维持一个 恒定的转速。 释能时，高速旋转的飞轮拖动电机 发电，经电力转换器输出适用于负 载的电流与电压，完成机械能到电 能转换的释放能量过程。 23 24
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二．什么是储能技术？
• 按照储存状态下能量的形态，可分为机械储能、化 学储能、电磁储能（或蓄电）等。和热有关能量储 存，称为蓄热。 • 无论在工业生产和日常生活中，能量储存常常是非 常重要的： 电网峰谷差：夏季40% ，需要调节峰谷差； 工业余热 储能技术有如下广泛的用途： ①防止能量品质的自动恶化。（水、风流动与方向）
Q c dT H t c dT
T1 Tf
Tf
T2
蓄冷
蓄热
放出能量：
E' 1 I (i2 2 f ) 2
储热分为显热储热和潜热储热。和相变潜热Ht无关的
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储热，称为显热储热；除此以外，称为潜热储热。 26
2. 热能储存技术
对储热来说，特别是利用显热时，基准温度同储 热时物质的温度差越大，对同一体积或同一质量 的储热量就越大。另外，选用热容大的物质也是 增加储热量的一个方法。
Ew 4.43 10 12 r E 2 (J/m3 )
电场强度E(V/m)，绝缘体介电常数 r
2. 热能储存技术
储热材料稳定性
与蓄热法有关，还有 一个材料稳定性的问题。 有机物、无机水合盐等， 经过反复温度升降，会 导致物质的分解及潜热 量的减少。
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2. 热能储存技术
蒸汽蓄热器
储热时将高温蒸汽 引入水箱内，和热 水直接接触而冷凝。 放热时，降低压力， 将沸腾饱和蒸汽从 水箱放出。
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一．能量的基本转换过程
与各种发电方式相对应的能量转换方式
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二．储能技术发展状况与展望 1 储能技术发展的历史
（了解）
天然冰，冬季由湖泊和河流采取，储存于绝热良 好的库房，用于保存食物、冷却饮料等。 19世纪化学电池 在1896年世界首台电热能储能系统，压缩空气、 高温热水驱动的街车 20世纪70年代，单井承压含水层季节性蓄能 当前：双井
2.1 储能概述
一．什么是储能?
储能(energy storage)，又称蓄能，是指使能量转 化为在自然条件下比较稳定的存在形态的过程。 • 它包括自然的和人为的两类：
第二章 储能材料
储能概述 储能技术 相变储能材料
自然的储能，如植物通过光合作用，把太阳辐射能 转化为化学能储存起来； 人为的储能，如旋紧机械钟表的发条，把机械功转 化为势能储存起来。
三．能量储存技术
1.机械能储存技术 2.热能储存技术 3.化学能储存技术 4.电能储存技术 5.气体水合物储能技术
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1. 机械能储存技术
抽水蓄能
利用电力时，由于时间性和季 节性的关系，需求和发电量之 间有一个不平衡，为了消除这 一不平衡曾采用扬水发电方法， 即利用轻负荷时的电力将低位 水池的水扬到高位水池里，以 后根据需利用落差进行水力发 电。 储存能量： E
电能 辐射能 原子能
四．储能系统的评价指标
在对储能过程进行分析时，为了确定研究对 象而划出的部分物体或空间范围，称为储能 系统。 包括能量和物质的输入和输出设备、能量的 转换和储存设备。
四．储能系统的评价指标
储能系统往往涉及多种能量、多种设备、多种 物质、多个过程，是随时间变化的复杂能量系 统，需要多项指标来描述它的性能。 常用的评价指标有 储能密度 储能功率 蓄能效率以及储能价格 对环境的影响 按 储 能 周 期 ， 分 为 短 期 （ <1h ） 、 中 期 （ 1h至1周）、长期（>1周）
三．能量储存方法
按照储存能量的形态，储能方法的分类可为如下 4 种： ①机械储能：以动能形式储存能量（如冲压机床所用的
飞轮；以势能形式储能，如机械钟表的发条、汽锤等。） 能量形态 机械能 热能
表1－2 能量的形态类别及其存储和输送方法 储 存 法 输送法 动能、位能 飞轮、扬水 高压管道 弹性能、压力能 弹簧、压缩空气 显热 显热储热、地下水层 热介质输送 潜热(熔化、蒸发) 潜热储热(蒸汽储热器) 管道、热管 电池 电化学能 化学储热、氢能、 化学热管、 化学能、物理化学 生物质、合成燃料、 能(溶解、稀释、 管道、罐车、 浓度差、温度差、化 混合、吸收等) 汽车等 石燃料的储存 电能、磁能 电磁能(微波) 太阳光，激光束 电容器 超导线圈 铀、钚等 输电线 微波输电 光纤维 10
②蓄热 ：以物质内能方式储存能量的属于蓄热，以任 何方式储存热量的也属于蓄热。 一般把物质内能随温
度升高而增大的部分称为显热，把相变的热效应称为潜热， 把化学反应的热效应称为化学反应热，把溶液浓度变化的热 效应称为溶解热或稀释热。
化学能
③化学储能 ：在正向化学反应中吸收能量，把能量储 存在化学反应的产品中，在逆向反应中则释放出能 量；蓄电池。 ④电磁储能 ：把能量保存在电场、磁场或交变等电磁 场内。 9
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3. 化学能储存技术
氢能
一般采用水分解方法来制备氢气。 • • • • ①水的直接热分解法； ②采用热化学反应循环的方法； ③以热化学反应为主并采用一部分电解法； ④采用光化学反应的方法等。
4. 电能储存技术
用力学能或化学能的形态来储存电力，需要能的 转换。这势必会产生转换效率和时间滞后的问题。 如果能将电直接储存起来，不仅可以解决这些问 题，而且可以加快响应性。
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在能源的开发、转换、运输和利用过程中，能量 的供应和需求之间，往往存在着数量上、形态上和 时间上的差异。为了弥补这些差异，有效地利用能 源，常采取储存和释放能量的人为过程或技术手段， 称为储能技术。
二．什么是储能技术？
②改善能源转换过程的性能。（自然界一些能源具 有良好储存性，但在化石燃料转化为电能时，电 网峰谷差、部分负荷运行）：需要大容量、高效 率的电能储存技术调峰。 ③为了方便经济地使用能量，也要用到储能技术。 （蓄电池充电、放电） ④为了降低污染、保护环境也需要储能技术。（氢 能） ⑤新能源利用中，也需要发展储能技术。太阳能、 风能、海洋能等发电装置，在能量输入、输出之 间必须布置蓄能装置，稳定输出。加惯性轮的机 械储能、太阳能储热箱等。 5