搜索
储能原理与技术西安交通大学多相流国家重点实验室2013.9西安主要章节1、绪论2、储能技术原理3、储能材料的基本特性4、冰蓄冷空调技术及应用5、电能储存技术及应用6、热能储存技术及应用7、气体水合物储能技术及应用8、化学储能技术及应用9、其他储能技术及应用第一章绪论1气候变化与能源效率2储能技术及其应用3储能技术发展状况与展望了解储能基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。第二章储能技术原理1能量转换原理2热机的原理3热能储存技术4化学能储存技术5电能储存技术6气体水合物储能技术掌握能量转换的基本原理和热机工作原理。了解热能、化学能、电能储存技术的基本原理和技术特点。了解气体水合物储能技术特性。第三章储能材料的基本特性1相变焓差与相平衡、相变过程特性2气体水合物的特性3水、冰及水合盐的特性4高分子储能材料的特性5储能材料的热物性及测定方法6储能材料的遴选原则及常用材料介绍要求掌握相变焓差的基本计算原理，了解相图意义及相率概念。掌握相变过程特性。了解气体水合物、水、冰及水合盐的特性。掌握高分子储能材料的特性。了解储能材料的热物性及测定方法，掌握储能材料的遴选原则及常用材料特性。第四章冰蓄冷空调技术及应用1发展蓄冷空调的效益分析2空调蓄冷方式及其技术3空调蓄冷系统运行方式4蓄冷空调系统设计方法5蓄冷空调发展要求掌握蓄冷空调系统设计方法，了解蓄冷系统发展方向。掌握蓄冷空调原理及运行方式。第五章电能储存技术及应用1抽水蓄能的应用2超导储电能技术的应用3电容器储能技术的应用4压缩空气储电技术的应用要求掌握抽水蓄能技术、超导储电技术、电容器储能技术、压缩空气储电技术的工作原理、技术特点、发展现状和应用场合。第六章热能储存技术及应用1热的传递方式2热能储存方式3蓄热技术的应用4几种蓄热系统的实现方法5蓄热系统用于北方供暖要求了解热能传递的基本方式和相应特点。了解显热储能、潜热储能、化学反应储能的特点。了解蓄热技术的一些应用实例。掌握几种蓄热系统的实现方法。了解蓄热系统在北方供暖中的应用并掌握设计计算方法。第七章气体水合物储能技术及应用1气体水合物性质2气体水合物蓄冷现状3气体水合物蓄冷工质选择4气体水合物相平衡5气体水合物反应动力学6气体水合物蓄冷系统应用7水合物蓄冷中试要求了解气体水合物性质及蓄冷现状。掌握气体水合物蓄冷工质选择、相平衡、反应动力学原理。了解气体水合物蓄冷系统布置方式。第八章化学储能、氢能制备储存技术及应用1化学能2化学能与热能的转换3化学能与电能的转换3燃料电池4化学能储太阳能5高分子换能材料6氢能制备与储存了解化学能特点及计算方法。掌握化学能与热能转换、化学能与电能转换的基本原理和特点。了解燃料电池工作原理及其种类。掌握化学能储太阳能的基本原理和技术特点。了解高分子换能材料的特点。了解氢能制备与储存的技术发展。第九章其他储能技术及应用1气体水合物储能技术及其应用2储能技术在日常生活中的应用3储能技术在交通运输中的应用4储能技术在新能源生产中的应用5储能技术在建筑节能中的应用了解气体水合物储能技术原理及其应用特点。了解储能技术在日常生活、交通运输、新能源生产和建筑节能中的应用及发展趋势。能源定义(1)具有作功能力的资源(2)可直接或间接转化为人类所需的有用能能源分类(1)一次能源的定义1)现存于自然界中的原(初)始能源2)未经任何加工或转换(2)二次能源1)一次能源经过加工或转换后的能源2)主要包括：电能、热能、汽油、二甲醚、氢能等其中，电能是最重要的二次能源(3)终端能源——扣除初始能源在加工、转换、输送、存储过程中损失或自用能量之后，直接提供给用户使用的有用能。一次能源二次能源可再生能源化石燃料核能能源分类热能电能合成燃料一次能源核裂变能常规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电能汽、热水二甲醚(CH3OCH3)、乙醇氢能热能......二次能源最重要应用最广中国能源发展战略基本框架节能效率优先，环境发展协调，内外开发并举；以煤炭为主体、电力为中心，油气和新能源全面发展；以能源可持续发展和有效利用支持经济社会的可持续发展1绪论1.1气候变化与能源效率人类每年释放到地球的二氧化碳有350亿吨，它们直接影响到全球气候的变化。全球排放的二氧化碳中95%以上来自于化石能源的燃烧。煤、石油、天然气等化石燃料是当前人类使用的主要能源。因此，节能、改变能源结构、开发新能源就成了人们的重要选择。我国能耗高：单位GDP能耗、高耗能产业结构、以及技术落后。开发利用新能源如太阳能、风能、地热能、潮汐能、波浪能、温差能、海流能、盐差能等，是人类应对气候变化的又一重要措施。但由于目前它们的利用成本太高，使用规模和范围受到很大限制，广泛使用还需时日。其中一个重要原因是这些不稳定能源需要先进的储存技术，才能稳定输出。1.1气候变化与能源效率1.1气候变化与能源效率虽然利用天然气、水电等清洁能源可以减少排放，但应对气候变化的出路是新能源技术上的突破。只有当太阳能等新能源的生产成本大大降低，价格可以和煤、石油、天然气等石化能源有竞争优势时，温室气体排放引起的气候变化问题才能得到根本解决。1.2储能技术及其应用1.2.1什么是储能?储能(energystorage)，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：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。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：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。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）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）1.2.2什么是储能技术？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。1.2.2什么是储能技术？1.2.2什么是储能技术？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。表1－1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。能源是含高品位能量的物质的总称，如煤、石油及石油类燃料、水力、风力等：一次、二次能量有各种不同的形式，做功的能力也不一样。按形态可将能的种类分为：机械（力学）能、热能、化学能、辐射（光）能、电（磁）能、核能等六种主要类型，除辐射能外，均可以储存在一些普通种类的能量形式中。例如机械能能储存在动能或势能中，电能能储存在感应场能或静电场能中，热能储存在潜热或显热中，而化学能和核能实际上就是纯粹的储能形式。1.2.3能量储存方法特点：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。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。1.2.3能量储存方法按照储存能量的形态储能方法可分为如下4类：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、压缩空气、水电站的蓄水库、汽锤等。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。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。1.2.3能量储存方法能量的形态储存法输送法机械能动能位能弹性能压力能飞轮扬水弹簧压缩空气高压管道热能显热潜热（熔化、蒸发）显热储热、地下水层潜热储热（蒸汽储热器）热介质输送管道热管化学能电化学能化学能、物理化学能（溶解、稀释、混合、吸收等）电池化学储热、氢能、生物质、合成燃料、浓度差、温度差、化石燃料的储存化学热管、管道、罐车、汽车等电能电能磁能电磁能（微波）电容器超导线圈输电线微波输电辐射能太阳光，激光束光纤维原子能铀、钚等表1－2能量的形态类别及其存储和输送方法1.2.3能量储存方法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。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、对环境的影响等。按储能周期，分为短期（1h）、中期（1h至1周）、长期（1周）1.2.4储能系统的评价指标1.2.4储能系统的评价指标蓄可用能效率：根据能量转换的强弱，能量分为三类型：具有无限转换的能量，如电能、机械能、理论上可以无限制地转化为可资利用的功或者任何其它形式的能量有限转换的能量，如温度高于环境温度的热能；与环境介质的状态不相平衡的热力系统所具有的能量不可转换的能量，如环境介质的内能或以热量形式输入环境的能量储能技术的应用非常广泛，包括压缩空气、电池、冷冻水或热水、冰甚至飞轮储能等广泛应用于上述一种或多种场合。在应用形式上又分为：日间调峰、季节调峰、广义储能等。日间调峰：电力、天然气、太阳能；季节调峰：针对季节差异对能量供给和利用造成的不平衡，例如冬夏对供热和供冷的需求不同，储存电力、天然气和太阳能等；广义储能：指在能量富余的时候通过发展高能耗产业，得到产品，然后将产品运输到需要的地方，实现能量的供给平衡。例如在天然气丰富的国家或地区发展天然气化工，制造甲醇、乙烯、液体燃料等产品出口，进行冶金、水泥、陶瓷等高耗能产品加工并出口。按应用对象：工业+日常生活：储能式饭盒、蓄冷冰箱、蓄热电热水器新能源：蓄热式太阳能中央热水机组、电锅炉1.2.5储能技术的应用按储能方式分，储能技术的主要应用如下：①抽水蓄能。抽水蓄能已经实际用于电力系统调峰的大容量蓄能技术。②压气蓄能。压气蓄能可用于发电，是正在蓬勃发展的大容量蓄能技术。③超导电感蓄能。一种新型高效的蓄能技术。主要由电感很大的超导蓄能线圈，使线圈保持在临界温度以下的氦制冷器和交直流变流装置构成超导蓄能系统。④蓄电池蓄能。是使用便利、应用广泛的蓄能技术。铅蓄电池、钠硫电池⑤氢蓄能。氢是一种蓄能密度很高的蓄能物质，具有多种优良性质，可以作为未来的优质二次能源。制法；气态、液态、化学储存；金属储氢⑥工业余能的储存。工业余能具有分散、多样，往征需要收集、储存起来再加以利用。工业余能以余热为主，余能储存系统也可以蓄热为主。1.2.5储能技术的应用天然冰，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