1、蓄能原理与应用蓄能原理与应用郑州郑州轻工业学院轻工业学院 能源与动力工程学院能源与动力工程学院2016.03 郑州郑州 节能效率优先节能效率优先， 环境发展协调环境发展协调， 内外开发并举内外开发并举； 以煤炭为主体以煤炭为主体、 电力为中心电力为中心， 油气和油气和新能源全面发展新能源全面发展； 以能源可持续发展和有效以能源可持续发展和有效利用，利用， 支持经济社会的支持经济社会的可持续发展。可持续发展。前 言前 言 解决新能源解决新能源发展瓶颈发展瓶颈：波动性和间歇性；：波动性和间歇性； 削削峰峰填谷填谷：合理调配使用：合理调配使用电能；电能； 满足时代满足时代发展需求发展需求：新技术革新
2、：新技术革新 推动推动分布式能源分布式能源发展：提高能源综合利用效率；发展：提高能源综合利用效率；主要章节 1、绪论绪论 2 2、储能技术原理、储能技术原理 3 3、相变储能、相变储能材料的基本特性材料的基本特性 4 4、冰蓄冷空调技术及应用、冰蓄冷空调技术及应用 5 5、电能储存技术及应用、电能储存技术及应用 6 6、热能储存技术及应用、热能储存技术及应用 7 7、气体水合物储能技术及应用、气体水合物储能技术及应用 8 8、化学储能技术及应用、化学储能技术及应用 9 9、其他储能技术及应用、其他储能技术及应用第一章第一章 绪论绪论1 储能技术及其应用简介2 储能技术发展状况与展望 了解储能基
3、本概念和储能技术的应用场合。掌握能量储存主要方法和储能系统的评价指标。了解储能技术发展的历史及前景。一次能源一次能源二次能源二次能源可再生能源化石燃料核 能能能源源分分类类热 能电 能合成燃料能源定义能源定义一一次次能能源源核裂变能常规能源常规能源新能源新能源化石燃料固体燃料液体燃料气体燃料生物质能可再生能源水 能太 阳 能风 能地 热 能海 洋 能核 能核聚变能能源定义能源定义电电 能能汽、热水汽、热水 二甲醚二甲醚( (CH3OCH3) )、乙醇、乙醇 氢氢 能能热热 能能.二二次次能能源源最重要最重要应用最广应用最广1.1 1.1 储能技术及其应用储能技术及其应用 1.1.1 1.1.1
4、 什么是储能什么是储能? ?l 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。它包括自然的自然的和人为人为的的两类：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。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），风能储存、水能储存等；和热有关能量储存，称为蓄热。l 储能储能技术技术特指通过机械的、电磁的、电化学电等方法，将能量存储起来，在需要的时候，再通过机械的、电磁的、电化学的方法转变为相应的可用能量的技术。 l 储能储能技术有如下广
5、泛的用途：技术有如下广泛的用途：防止能量品质的自动恶化。（水、风流动与方向）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。需要大容量、高效率的电能储存技术调峰。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）1.1.2 1.1.2 什么是储能技术？什么是储能技术？为了降低污染、保护环境也需要储能技术。（氢能）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。加惯性轮的机械储能、太阳
6、能储热箱等。1.1.2 1.1.2 什么是储能技术？什么是储能技术？1.1.2 1.1.2 储能技术特点储能技术特点l储能就是在能量富余的时候，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。可以设置可储蓄能量的中间环节，类似稳压器。l储能系统本身并不节约能源节约能源，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。l 特点：化学能的优点是便于储存和输送；电能的优点是可适用于各种用途，但储存困难：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。l 储存技术选择，性
7、能判断考虑因素：能的输入、输出形态；储能密度；储能时的能量损失程度；储能期限；能的输出和输入的难易程度；安全性；达到一定的输入、输出值所需的时间即响应性；耐久性；经济性。 1.1.3 1.1.3 能量储存方法能量储存方法按照储存能量的形态储能方法可分为如下按照储存能量的形态储能方法可分为如下4 4类：类：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、压缩空气、水电站的蓄水库、汽锤等。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
8、，把溶液浓度变化的热效应称为溶解热或稀释热。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；蓄电池蓄电池。电磁储能：把能量保存在电场、磁场或交变等电磁场内。1.1.3 1.1.3 能量储存方法能量储存方法l 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，称为储能系统储能系统。l 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。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。l 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、对环境的影响等。按储能周期
9、，分为短期按储能周期，分为短期（ 11周）周）1.1.4 1.1.4 储能系统的评价指标储能系统的评价指标钠硫电池锂离子电池超级电容器飞轮储能锌溴液流电池铅酸电池抽水蓄能压缩空气1.1.5 1.1.5 能量储存方法能量储存方法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物理储能抽水蓄能压缩空气储能飞轮储能电磁储能电化学储能相变储能超导储能超级电容储能高能密度电容储能铅酸、镍氢、镍镉、锂离子、钠硫和液流等电池储能冰蓄冷储能水合物储能相变材料储能1.1.5 1.1.5 能量储存方法能量储存方法优点优点：技术成熟，容量大；技术成熟，容量
10、大；缺点缺点：受地理限制，能量损失大，投资周期长。受地理限制，能量损失大，投资周期长。优点优点：技术相对成熟，大规模储能；技术相对成熟，大规模储能；缺点缺点：响应速度慢，需要特殊地理环境。响应速度慢，需要特殊地理环境。 优势优势 效率：效率：70%-90%； 能量密度：最高能量密度：最高130Wh/kg； 输出功率：输出功率：kW-MW，由电，由电动动/发电机和电力变换装置发电机和电力变换装置决定；决定； 响应速度：响应速度：5-25ms，5-15s达到额定输出；达到额定输出； 寿命：大于寿命：大于20年；年； 工作温度：工作温度：-40 50 低维护、环境友好低维护、环境友好 限制限制 系统
11、复杂；系统复杂； 有高速转动部件；有高速转动部件； 轴承待机损耗问题轴承待机损耗问题Beacon power 50kWh/100kW的飞轮储能示范电站的飞轮储能示范电站8个个6kWh/15kW飞轮单体飞轮单体MW级飞轮储能示范电站级飞轮储能示范电站25kWh/100kW飞轮单体飞轮单体不足：不足： 高温运行，启动慢；高温运行，启动慢； 费用较高；费用较高； 材料腐蚀、安全性较差。材料腐蚀、安全性较差。优点：优点： 高比功率；高比功率； 高比能量；高比能量； 转换率高。转换率高。34MW钠硫电池储能电站优点：优点： 缺点：比容量小；单位能量投资高；缺点：比容量小；单位能量投资高； 关键：开拓毫秒
12、关键：开拓毫秒-秒级的应用、降低成本秒级的应用、降低成本n功率功率300kW；n储能量储能量850Wh；n组成：双向组成：双向DC/DC，640支超级电容支超级电容器，器， 2.5V/2600F；n重量重量477kg；n体积体积1900950455mmn车载储能装置车载储能装置庞巴迪庞巴迪 Mitrac 节电装置节电装置优点：优点：高比能量；高比能量；高比功率；高比功率；高能量转换效率；高能量转换效率；长循环寿命长循环寿命不足：不足： 有的体系安全性较差；有的体系安全性较差； 价格还不够低价格还不够低锂离子动力电池，是锂离子动力电池，是电动汽车产业电动汽车产业兴起兴起的关键的关键磷酸亚铁锂、钛
13、酸锂等新材料的开磷酸亚铁锂、钛酸锂等新材料的开发和应用，大大改善了锂离子电池发和应用，大大改善了锂离子电池的安全性能和循环寿命，从而可能的安全性能和循环寿命，从而可能将锂离子电池用于更大规模的储能将锂离子电池用于更大规模的储能全矾液流电池与风电场全矾液流电池与风电场联合运行联合运行储能系统储能系统6MW/6MWh 目前的各种储能技术各具优缺点，单一的储能技术很难在技目前的各种储能技术各具优缺点，单一的储能技术很难在技术性和经济性上适应所有的应用需求。术性和经济性上适应所有的应用需求。 将性能互补性强的两种或两种以上储能技术混合使用，可以将性能互补性强的两种或两种以上储能技术混合使用，可以取得良
14、好的应用效果，混合储能可以是储能器件的内部混合，取得良好的应用效果，混合储能可以是储能器件的内部混合，也可以是系统级的混合。也可以是系统级的混合。 对于微电网，可以将功率型的储能和能量型的储能技术混合对于微电网，可以将功率型的储能和能量型的储能技术混合使用，同时实现对系统的能量管理和稳定控制，提高微电网使用，同时实现对系统的能量管理和稳定控制，提高微电网的稳定性和经济性。的稳定性和经济性。1.1.6 1.1.6 储存技术对比储存技术对比储能类型储能类型典型额定功率典型额定功率额定容量额定容量特点特点应用场合应用场合机机械械储储能能抽水储能抽水储能1002000MW410小时小时适用于大规模，技
15、术适用于大规模，技术成熟。响应慢，需要成熟。响应慢，需要地理资源地理资源日负荷调节，频日负荷调节，频率控制和系统备率控制和系统备用用压缩空气压缩空气10300MW120小时小时适用于大规模。响应适用于大规模。响应慢，需要地理资源。慢，需要地理资源。调峰、调频、系调峰、调频、系统备用、风电储统备用、风电储备备飞轮储能飞轮储能5Kw10MW1秒秒30分钟分钟 比功率较大。成本高，比功率较大。成本高，噪音大。噪音大。调峰、频率控制、调峰、频率控制、UPS和电能质量和电能质量电电磁磁储储能能超导储能超导储能10Kw50MW2秒秒5分分响应快，比功率高。响应快，比功率高。成本高，维护困难。成本高，维护困
16、难。输配电稳定、抑输配电稳定、抑制振荡制振荡高能电容高能电容110MW110秒秒响应快，比功率高。响应快，比功率高。比能量低。比能量低。输电系统稳定、输电系统稳定、电能质量控制电能质量控制超级电容超级电容10kW1MW130秒秒响应快，比功率高。响应快，比功率高。成本高、出能量低。成本高、出能量低。可应用于定制电可应用于定制电力及力及FACTS1.1.6 1.1.6 储存技术对比储存技术对比储能类型储能类型典型额定功率典型额定功率额定容量额定容量特点特点应用场合应用场合电电化化学学储储能能铅酸电池铅酸电池kW50MW分钟分钟小时小时 技术成熟，成本低。技术成熟，成本低。寿命短，环保问题。寿命短
17、，环保问题。电能质量、电站电能质量、电站备用、黑启动备用、黑启动液流电池液流电池5kW100MW120小时小时寿命长，可深放，寿命长，可深放，适于组合，效率高，适于组合，效率高，环保性好。但能量环保性好。但能量密度稍低密度稍低电能质量、备用电能质量、备用电源、调峰填谷、电源、调峰填谷、能量管理、可再能量管理、可再生储能、生储能、EPS钠硫电池钠硫电池100kW100MW数小时数小时比能量和比功率较比能量和比功率较高。高温条件、运高。高温条件、运行安全问题有待改行安全问题有待改进。进。电能质量、备用电能质量、备用电源、调峰填谷、电源、调峰填谷、能量管理、可再能量管理、可再生储能、生储能、EPS锂
18、电池锂电池kWMW分钟分钟小时小时比能量高。成组寿比能量高。成组寿命、安全问题有待命、安全问题有待改进。改进。电能质量、备用电能质量、备用电源、电源、UPS1.1.6 1.1.6 储存技术对比储存技术对比l 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。l 19世纪化学电池l 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l 20世纪70年代，单井承压含水层季节性蓄能 当前：双井双井(Ref. Paper:地下含水层储能技术的应用条件及其关键科学问题)1.2 1.2 储能技术发展状况与展望储能技术发展状况与展望1.2.1 1.2.1 储能技术发
19、展的历史储能技术发展的历史l 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。l 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 mm20 mm。l 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69，夏季为1525。l 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。l 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。l 近年来，我国电力蓄能技术发展迅速，全国已有20多个省市应用了电力蓄冷、蓄热技术，累
20、计可转移高峰负荷80万千瓦，按冰冷空调和蓄热电锅炉平均移峰成本约1500元/kW和900元/kW计算，已节省电力投资50多亿元。 l 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。l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。 1.2.2 1.2.2 储能技术发展的前景储能技术发展的前景l 提高电池的能源密度和寿命，开发新材料和材料改性，改进现有制造工艺和操作条件。l 针对便携式应用系统，研究的重点是开发锂离子、锂聚合物和镍氢电池。l 针对电动和混合动力汽车，重点研究NiMH、锂离子、锂聚”合物电池，提高能量和动力密度。l 开发超级电容器，降低成本、改进生产工艺、降低内部电阻是关键。l 冷、热储能技术的研究目标应该综合不同用途，采取更有效的办法，例如提高或降低温度水平；重点开发新材料，如相变材料。1.2.3 1.2.3 需要研究的课题需要研究的课题
