《可再生能源概论第2版 左然第11章 储能技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可再生能源概论第2版 左然第11章 储能技术（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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。,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
2、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。,11.1 飞轮储能,11.1.1飞轮储能系统的组成,储能飞轮； 集成驱动的电动机/发电机； 磁悬浮支承轴承； 磁力轴承控制器和电机变频调速控制器； 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,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
3、，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。,飞轮储能系统最大能量,(11-1) 式中，E是最大可提取的能量(J)，J是飞轮的转动惯量(kg.m2)，max和min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： (11-2
4、) 式中，h是材料的许用拉应力(MPa)，r是薄壳圆筒的半径(mm)，是材料的密度(g/cm3)。,储能密度高（45Wh/kg，而镍氢电池的能量密度仅有1012Wh/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，不会因过充电或过放电而影响储能密度和使用寿命，而且飞轮也不会受到损坏； 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。,11.1.2 飞轮储能的特点,尽管飞轮储能已有长足的进
5、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。,图11-3 丹尼尔干电池,11.2 化学电池原理,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
6、，其方程涉及等量的电子产生或消耗。,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): 或 Zn=Zn2+2e- (11-3) Cu电极(还原): 或 Cu2+2e-=Cu (11-4) 总反应： 或 Zn+Cu2+=Zn2+Cu (11-5),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： (11-6) 当锌片与硫酸锌溶液接触时，金属锌
7、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。,11.2.2 平衡电位和标准电位,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： (11-7),式中,G0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(-G0)就越
8、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，-G0也越大。,注:金属在其离子浓度为每升溶液含单位活度在25时的平衡电位。,表11-1 金属的标准电极电位,原电池的平衡电位(可逆电位)即当整个系统处于电化学平衡时电池两极在开路时的电位差1-2。这一条件要求没有净的反应在任一电极发生。对于总化学反应(11-5) 其可逆平衡电位与总反应的各组分化学势的关系为： (11-8) 式中平
9、衡电位的单位为V，化学势的单位为J/mol。,11.2.3 原电池的平衡电位与化学势的关系,考虑可逆电位的符号取法，注意到上述反应给出电位差1-2，即电极1相对于电极2的电位，则显然电子的化学计量系数n1 应具有与电极1的反应方程中同样的符号； 如果希望将电位差表达为2-1，即电极2相对于电极1的电位，则电子的化学计量系数n2必须用与电极2的反应方程中同样的符号，即n2=-n1。显然有 2-1=-(1-2) (11-9),当无外电流流动时，电池两电极之间测出的电位差称为电池的电动势，简写为E.m.f，表示为E。 图11-4示出一个无液相界面的典型的原电池的总E.m.f组成。由图可见，E=(Pt
10、)-(Pt)。总电位差可表为穿过各界面的电位差之和： (11-10),11.2.4 电池电动势和电极电位差,图11-4 一个无液相界面的原电池的总的E.m.f组成,右端电位: ER=(Pt,M)+(M,S) (11-11) 左端电位: EL=(Pt,M)+(M,S) (11-12) 电池电动势：E=ER-EL，其中R和L对应所标记的电池的右端和左端。,符号规则,图11-5 原电池符号与电位的对应关系,一个正的电动势强调右电极存在电子匮乏。这一电子匮乏是由于在该电极的反应趋势为从电极吸引电子。因此，如果E0,则右电极发生还原反应 (11-13) 右电极因此为电池阴极。左电极的电子相对富余(当E0
11、)，表现在其周围反应趋势为氧化反应(去电子反应) (11-14),电池电动势与自发反应方向的对应关系,为了确定自发反应向何方向进行,执行下列操作： 1)将右端电极写为获得电子的反应(还原反应)。 2) 将左端电极写为获得电子的反应。 3) 右端-左端,得到总电池反应和总电动势。 4) 如果E0,则电池反应的趋势为左端右端(即电池反应方向由指示); 如果E0,则电池反应的趋势为右端左端(即电池反应方向由指示)。,11.3 铅酸电池,图11-6 铅酸电池的结构示意图,铅酸电池由正电极、负电极、间隔板、电解液和辅件组成，如图11-6所示。 正极侧使用的是二氧化铅电极，负极侧使用的是铅板。 间隔板是在
12、正负极之间起绝缘作用的多孔材料，它的特性是不导电且耐酸。 电解液由纯硫酸与蒸馏水按一定比例配置而成。 辅件包括盖板、壳体、溢气阀等，前二者主要起支撑作用，后者是用于排出电池运行过程中产生的气体，保持电池内外的压力平衡。 常见的铅酸电池堆（stack）是由一定数量的单电池用铅质联条串联起来的。,11.3.1 铅酸电池的组成和工作原理,电极反应,由于硫酸的一级解离常数约是二级解离常数的1000倍，在电解液中大量存在的是硫酸氢根离子。其正负极的电化学反应方程式为： 正极 E0= 1.655 V (11-15) 负极 E0= -0.300 V (11-16) 总反应方程式为： (11-17),铅酸电池
13、的优点： 1）原料易得，价格相对低廉。 2）电池的吸液间隔板将电解液保持在隔板内，电池内部没有自由酸液，因此电池可放置在任意位置。 3）高倍率放电性能良好。 4）温度适应性好，可在-40+60oC的环境下工作。,11.3.2 铅酸电池的特点,铅酸电池也有显著的缺点: 1）能量密度较低，实际应用为3545Wh/kg。 2）使用寿命不够长。普通铅酸电池的设计寿命为23年，而往往实际使用只一年时间甚至更短。若深度充放电使用，电池更是很快就会失效。 3）制造过程容易污染环境，必须配备三废处理设备。,铅酸电池以一定的电流充、放电时，其端电压的变化如图11-7所示： 图11-7 铅酸电池的充放电曲线,11
14、.3.3 铅酸电池的充放电性能特性,硫酸盐化，简称“硫化”是指正负极板上不可逆地形成一层白色粗粒结晶的硫酸铅。这种结晶体很难在正常的充电时消除，硫化的形成程度与铅酸蓄电池容量有很大的关系，硫化越严重，电池容量越少，直至报废。 自放电是指铅酸蓄电池内电自行消耗，一般认为每昼夜容量下降不大于2，就认为正常，因铅酸蓄电池本身有自放电缺点，如果每昼夜容量下降大于2时，那就是有故障了。 活性物质失效并脱落,11.3.4 铅酸电池的失效机理,1）一般维护 a. 单体和电池组浮充电压 b. 电池外壳或极板温度 c. 连接处有无松动 d. 极板、安全阀周围是否有渗酸与酸雾逸出 e. 电池壳体有无变形和渗漏 2
15、）内阻和电导测试 电池容量与电池内阻或电导存在对应关系，通过测量电池的内阻或电导，可以判断电池容量状况，达到电池容量检测的目的。,11.3.5 铅酸电池的维护,11.4 锂离子电池,图 11-8 锂离子电池原理示意图,与传统的铅酸蓄电池不同，锂离子电池是一种全新的电池设计概念，它用嵌入化合物代替了锂金属，电池两极都由嵌入化合物充当。本质上，锂离子电池是一种浓差电池。锂离子在整个充放电过程中，往返于正负极之间形成摇椅式运动，故这种电池也称为摇椅式电池。 锂离子电池用化学式可以表示为： (-)C|LiClO4+(EC+DEC)|LiMO2(+) 上式表示正极材料为LiMO2(M代表金属，常用的是C
16、o)，负极材料为碳材料，电解质为LiClO4、EC(乙烯碳酸脂)以及DEC(二乙烯碳酸脂)所组成的锂离子电池。,11.4.1 锂离子电池的工作原理,电极反应,电池的正极反应: (11-18) 电池的负极反应： (11-19) 总反应： (11-20),锂离子电池具有显著的优点： 1) 工作电压高。（3.6V） 2) 寿命长。锂离子电池的寿命可达到1200次以上，远远高于其他类电池。 3) 具有自放电小，无记忆效应，对环境无污染，综合性能优于其他种电池。 4) 允许工作温度范围宽，具有优良的高低温放电性能，可在- 20oC 60 oC的温度范围工作。 5) 体积小、质量轻、能量密度高。,11.4.2 锂离子电池的特点,锂离子电池的缺
