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1、1. 储能技术与原理分析储能技术有物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能等4类。物理储能主要有飞轮储能、抽水蓄 能和压缩空气储能方式；电磁储能主要有超导储能方式；电化学储能主要有蓄电池储能、超级电容器储 能；相变储能主要有冰蓄冷储能等。1.1. 物理储能1.2. 电磁储能1.3. 电化学储能1.4. 相变储能1.1物理储能：指在不改变物质组成成分的前提下，将一种能量转换成另外一种能量储存起来，在需要的 时候再将储存的能量释放出来。根据工作原理的不同可以分成飞轮储能、抽水储能和压缩空气储能。 1.1.1飞轮储能：1.1.1.1工作原理：飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率
2、变换器、电子控制 系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞 轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为 原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。1.1.1.2优势：飞轮储能具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境危 害小，充放电快捷，能量密度大等优点。飞轮储能功率密度大于5 kW/kg，能量密度超过20Wh/kg，效率 在90%以上，循环使用寿命长达20年，工作温区为40C50C，噪声小，无污染，维护简单，可连续工作， 积木式组合后可
3、以实现兆瓦级，输出持续时间较长，主要用于不间断电源UPS）、应急电源（EPS）、电网 调峰和频率控制。1.1.1.3局限性：飞轮储能需要电能的持续输入，以维持转子的转速恒定。一旦断电，飞轮储能通常只能 维持一两分钟。这也就是说，飞轮储能优势不在于时间的长短，而是充放的快捷。1.1.2抽水储能：1.1.2.1 工作原理：抽水储能需要一定的地理条件，主要有两个作用：一个是日调峰作用，就是在用电低谷 时用电网的电抽水，将电能转换成水的势能，到用电高峰时用水发电供应电网，缓解用电高峰时发电厂的 压力。二是年调节作用，即在丰水季节电能过剩时用电把水抽到高位水库，到枯水季节时再放水发电，供 应电网。1.1
4、.2.2 优势：抽水储能目前技术成熟，容量大，是一种可靠的储能方式。1.1.2.3 局限性：受地理位置影响较大，工期巨大，效率不高，且影响生态坏境，需要可靠安全系统保证。1.1.3压缩空气储能：1.1.3. 1压缩空气储能电站（CAES）是一种用来调峰的燃气轮机发电厂，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。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。1.1.3.2 优势：压缩空气储能电站建设投资和
5、发电成本均低于抽水储能电站，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，效率高，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。1.1.3.3 局限性：其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制，需要占用大面积土地，且工程费用较高。1.2 电磁储能：1.2.1电磁储能原理：SMES(SuperConductor Magnetics Energy System利用超导线制成的线圈将电网供电励 磁所产生的磁场能量储存起来，在需要时再将此储存量送回至电网或其他作用。即利用超导物质在一定温 度下达到超导状态即电阻为0 欧姆的特性。在超导线圈充电
6、之后，超导线圈中形成短路状态，由于这一闭 合回路中的电流不会减少而形成永久磁通，所以电流的能量就以永久磁通的形成储存起来了。1.2.2优势:在整个闭合回路中没有直流阻抗，所以能量可以无损耗的保留下来储能密度高达(107-108)J/m3, 响应速度快(ms级)，转换效率高(=96%),比容量(1-10Wh/kg)和比功率(104-105KWh/kg)大等优点。1.2.3 局限性：与其他储能方式相比，超导电磁储能造价昂贵，除超导物质本身价格偏高外，而且因维持 系统温度导致维修频率提高所产生的费用也是颇高。1.3 电化学储能： 电化学储能原理：通过发生化学反应来储存或者释放电能量的过程即为化学储能
7、。化学储能的实质就是化 学物质发生化学反应，且反应是可逆的。根据化学物质的不同可以分为钠硫电池、全钒液流电池、铅酸电 池、锂离子电池和镍氢电池等。1.3.5镍氢电池：1.3.5.1技术发展历程：镍氢电池的诞生应该归功于储氢合金的发现。早在20世纪六十年代末，人们就发 现了一种新型功能材料储氢合金，储氢合金在一定的温度和压力条件下可吸放大量的氢，因此被人们形象 地称为“吸氢海绵”。储氢合金的主要来源是稀土，而中国的稀土资源占世界总储量的70 %以上，发展镍氢电池具有得天独厚的优势。因此中国镍氢电池的研制与开发，受到了国家八六三计划的大力支 持，被列为“重中之重”项目。通过该项目的实施，使中国镍氢
8、电池的装备水平得到了大大的提高，目 前中国已开发成功九个系列，32个规格的镍氢电池产品，形成了年产3000吨储氢合金材料和3亿安 时镍氢电池的生产规模，年产值约30亿元人民币的镍氢电池产业。带动了一个年产值超百亿元的高 技术产业群。1.3.5.2镍氢电池原理：镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍(称氧化镍电极)，负极活性物质为金属氧化物，也称贮氢合金(电极 称贮氢电极)，电解液为6N氢氧化钾，在电池充放电过程中的电池反应为：正极反应式：Ni(OH)2+OH- charge NiOOH+H2O+e-discharge负极反应式：M+H2O+e- charge MHab+OH-discharge总反应式
9、：Ni(OH)2+M charge NiOOH+MHdischarge其中 M 为储氢合金材料。电池的开路电压为：1.2 V1.3V、因贮氢材料和制备工艺不同而有所不同。过充电时，两极上的反应为: 氧化镍电极上：4OH-4e 2H2O+O2贮氢电极上； 2H2O+O2+4e 4OH-电池过充电时的总反应：0 电池在设计中一般采用负极过量的办法，氧化镍电极全充电态时产生氧气，经过扩散在负极重新化合成水， 这样，既保持了电池内压的恒定，同时亦使电解液浓度不致发生巨人变化。当电池过放电时，电极反应为： 氧化镍电极上： 2H2O+2e H2+2OH-贮氢电极上； 2OH-+H2-2e 2H2O 电池过
10、放电时的总反应：0 虽然过放电时，电池总反应的净结果为零，但要出现反极现象。由于在正极上产生的氢气会在负极上产生 新化合，同样也保持了体系的稳定。另外，负极活性物质氢以氢原子态能以相当高的密度吸附干贮氢合金中，在这样的电极上，吸放氢反应能 平稳地进行，放电性能较镉-镍电池而言得以提高。1.3.5.3 镍氢电池特性：镍氢电池(NIMH)是现代电子产品中使用最为广泛的绿色环保电池之一。具有单体容量大、放电特 性平稳、通用性强、发热量小等优点。缺点是体积大、自身重量大。镍氢电池具有接近2 倍于镍镉电池的 能量密度，与普通AA类碱性电池电压相近，基本上可以通用，镍氢电池的放电特性非常好，放电曲线也 非
11、常平滑，到电力快要消耗完时，电压突然跌落，这一点接近于镍铬电池，但是瞬间放电电流不如镍铬电 池。另外，镍氢电池采用无汞设计，这对于环境保护具有重大意义。1.3.5.4 适用范围主要应用于电动车，UPS,在军用民用设施上都有广泛应用。1.3.5.5 应用业绩1.3.5.6 国家对此类电池的标准：2007 年度 EV 用金属氢化物镍动力蓄电池性能测试规范科技部 863 能源办公室1.3.6 超级电容器：1.3.6.1 发展历程：超级电容器的储能机理是在1879年由Helmholz发现，但是将这个原理将大量电能储存在物质表面， 像电池一样运用于实际的是Becker。随后美国人Sohio公司开始利用基
12、于高比表面的碳材料的双层电容器。 Conway公司与19751981开发了另外一种“准电容”体系。日本NEC公司从1979年开始生产一种 SuperCapacitor，并将该技术应用于电动汽车的电池启动系统，开始了超级电容的大规模使用。国内学者于20世纪80年代才开始注意到双层电容器的研究，但是到了90年代才开始研究超级电容 器，起步相对国外较晚，但是发展势头可观.1.3.6.2 特性分析：又名双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。
13、它是一种电化学元件，但在其储能的过程 并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容 器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负 离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极 板附近。超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器 一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下， 在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不
14、同相 之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容 量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级 电容器为正常工作状态(通常为 3V 以下)，如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解 液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界 面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性 能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。-覆11 FV- 14 ia；l FW 1 EhEi. 1* b LfTub-
15、 |-Ml ! Ir.RM 12 f E; pF 幣:I3-血粽 1|T| 1 府I甜过円桶屯浊购屯压诫畔工作原理电容值为：C =A / 3.6 nd 10-6(uF)其中A为极板面积，d为介质厚度 所储存的能量为：E = 1/2 C (AV) 21.3.6.2.1 特性：体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大3040倍充电速度快，10秒内达到额定容量的95%充放电能力强失效开路，过电压不击穿，安全可靠 超长寿命，可长达40万小时以上充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，真正免维护电压类型：2.7v-12.0v 容量范围：0.1F-1000F1.3.6.2.2优点：具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，在体积很小的情况下就可 以达到法拉级电容量，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子(而不依靠化学反应) 释放电流，优点：在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路； 和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超 级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题缺点：如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以 用于交流电路1.3.6.3适用范围：作为固定线路电动汽车
