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储能技术及应用材料科学与工程材料科学与工程专业储能技术发展创新性储能技术对加快发展我国新能源产业有决定性意义近几十年来,储能技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的高度重视储能(电力)技术设备类型用户类型功率等级能量等级便携式设备-1~100WWh运输工具汽车25~100KW100KWh火车、轻轨列车100~500KW500KWh潜艇1~20MW10MWh静止设备家庭1KW5KWh小型工业和商业设施10~100KW25KWh配电网MWMWh输电网10MW10MWh发电站10~100MW10~100MWh不同应用场合对能量和功率密度的要求是不同的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1储能技术的分类物理储能弹性储能液压储能抽水储能压缩空气储能飞轮储能物理储能弹性储能物理储能材料科学与工程专业液压储能物理储能材料科学与工程专业抽水储能物理储能材料科学与工程专业抽水储能日、美、西欧等国家和地区在20世纪60~70年代进入抽水蓄能电站建设的高峰期,到目前为止,美国和西欧经济发达国家抽水储能机组容量占世界抽水蓄能电站总装机容量55%以上压缩空气储能电站(compressedairenergystorage,CAES)是一种调峰用燃气轮机发电厂,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7.5MPa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。原理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。CAES建设投资和发电成本均低于抽水蓄能电站,但其能量密度低,并受岩层等地形条件的限制。地下储气站有多种模式,其中最理想的是水封恒压储气站,能保持输出恒压气体,保障燃气轮机稳定运行。CAES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,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。100MW级燃气轮机技术成熟,利用渠氏超导热管技术可使系统换能效率达到90%。大容量化和复合发电化将进一步降低成本。随着分布式能量系统的发展以及减小储气库容积和提高储气压力至10~14MPa的需要,8~12MW微型压缩空气蓄能系统(micro-CAES)已成为人们关注的热点。应用发展方向压缩空气储能飞轮储能装置主要包括3个核心部分:飞轮、电机和电力电子装置。他将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来,当外界需要电能的时候,又通过发电机将飞轮的动能转化为电能,输出到外部负载,要求空闲运转时候损耗非常小。原理飞轮储能功率密度大于5kW/kg,能量密度超过20Wh/kg,效率在90%以上,循环使用寿命长达20a,工作温区-40~50℃,无噪音、无污染、维护简单,主要用于不间断电源(UPS)/应急电源(EPS)、电网调峰和频率控制。应用随着对飞轮转子设计、轴承支撑系统和电能转化系统的深入研究,高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术极大地促进了储能飞轮的发展。磁浮轴承的应用、飞轮的大型化以及高速旋转化合轴承载荷密度的进一步提高,将使飞轮储能的应用更加广泛。发展方向1飞轮储能物理储能材料科学与工程专业飞轮储能1999年欧洲UrencPower公司利用高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料制作飞轮,转速为42000rad/min,2001年1月系统投入运行,充当UPS,储能量达到18MJ物理储能材料科学与工程专业飞轮储能研发机构基本参数技术特点作用日本四个综合研究所8MWh,储能放电各4h,待机16h高温超导磁浮立时轴承,储效84%平滑负荷日本原子力研究所215MW/8GJ输出电压18kV,输出电流6896A,储效85%UPS美国Vista公司277kWh引入风力发电系统全程调峰美国马里兰大学(1991)24kWh,11610~46345rad/min电磁悬浮轴承,输出恒压110V/240V,储效81%电力调峰美国波音公司100kW/5kWh高温超导磁浮轴承电力调峰德国(1996)5MW/100MWh,2250~4500rad/min超导磁浮轴承,储效96%储能电站欧洲UrencPower公司(2001)转速42000rad/min高强度碳纤维和玻璃纤维复合材料UPS巴西(2004)额定转速3000rad/min超导与永磁悬浮轴承电压补偿材料科学与工程专业化学储能铅酸电池镍系电池锂系电池液流电池钠硫电池氢能…化学储能——铅酸电池材料科学与工程专业构成铅蓄电池之主要成份如下:阳极板(过氧化铅.PbO2)---活性物质阴极板(海绵状铅.Pb)---活性物质电解液(稀硫酸)---硫酸(H2SO4)+水(H2O)电池外壳隔离板其它(液口栓.盖子等)化学储能——铅酸电池材料科学与工程专业铅蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中,两极间会产生2V的电力。放电状态,阴阳极及电解液即会发生如下的变化:(阳极)(电解液)(阴极)PbO2+2H2SO4+Pb---PbSO4+2H2O+PbSO4(放电反应)(过氧化铅)(硫酸)(海绵状铅)蓄电池连接外部电路放电时,稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应,生成新化合物『硫酸铅』。化学储能——铅酸电池材料科学与工程专业充电,则阴阳极及电解液即会发生如下的变化:(阳极)(电解液)(阴极)PbSO4+2H2O+PbSO4---PbO2+2H2SO4+Pb(充电反应)(硫酸铅)(水)(硫酸铅)由于放电时在阳极板,阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸,铅及过氧化铅。充电到最后阶段时,电流几乎都用在水的电解,而阴极板就产生氢,阳极板则产生氧。化学储能——铅酸电池材料科学与工程专业化学储能——铅酸电池材料科学与工程专业化学储能——铅酸电池材料科学与工程专业优点:1寿命长2价格低3可以大电流放电缺点:1铅的污染2能量密度低,也就是说过于笨重化学储能——镍系电池材料科学与工程专业优点:1良好的大电流放电特性2耐过充放电能力强3维护简单缺点:1镉是有毒的,环境污染2在充放电过程中如果处理不当,会出现严重的“记忆效应”,使得服务寿命大大缩短镍镉电池镍镉电池(Ni-Cd,Nickel-CadmiunBatteries,Ni-CdRechargeableBattery)是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类。Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2化学储能——镍系电池材料科学与工程专业镍氢电池化学储能——镍系电池材料科学与工程专业优点:具有能量密度高、充放电速度快、重量轻、寿命长、无环境污染等优点镍氢电池能量密度比镍镉电池大二倍缺点:1轻微记忆效应2镍氢电池串连电池组的管理问题比较多,一旦发生过充电以后,就会形成单体电池隔板熔化的问题,导致整组电池迅速失效。镍氢电池化学储能——镍系电池材料科学与工程专业锂电池所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的,独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”,俗称“锂电”。化学储能——锂离子电池材料科学与工程专业优点:具有能量密度高、充放电速度快、重量轻、寿命长、无环境污染等优点循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以缺点:锂离子电池主要的问题是在过充电和过放电状态电池会发生爆炸,手机电池都是使用的单体电池,再经过良好的保护电路来配合使用,基本上杜绝了电池爆炸的问题。锂电池化学储能——锂离子电池材料科学与工程专业化学储能——锂离子电池材料科学与工程专业化学储能——锂离子电池材料科学与工程专业化学储能——锂系电池材料科学与工程专业锂电池青山电动车化学储能——锂系电池材料科学与工程专业锂电池青山电动车化学储能——液流电池材料科学与工程专业化学储能——液流电池材料科学与工程专业液流储能电池是一类适合于固定式大规模储能(蓄电)的装置,相比于目前常用的铅酸蓄电池、镍镉电池等二次蓄电池,具有功率和储能容量可独立设计(储能介质存储在电池外部)、效率高、寿命长、可深度放电、环境友好等优点,是规模储能技术的首选技术之一。化学储能——液流电池材料科学与工程专业化学储能——钠硫电池材料科学与工程专业钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的钠硫电池,是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。在一定的工作度下,钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应,形成能量的释放和储存。钠硫电池的理论比能量高达760Wh/kg,且没有自放电现象。放电效率几乎可达100%。钠硫电池的基本单元为单体电池,用于储能的单体电池最大容量达到650安时,功率120W以上。将多个单体电池组合后形成模块。模块的功率通常为数十kW,可直接用于储能。钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池。其寿命可以达到使用10~15年。基本的电池反应是:2Na+xS=Na2Sx缺点:高温350ºC熔解硫和钠电磁储能材料科学与工程专业超导磁储能系统(superconductingmagneticenergystorage,SMES)利用超导体制成的线圈储存磁场能量,功率输送时无需能源形式的转换,具有响应速度快(ms级),转换效率高(96%)、比容量(1~10Wh/kg)/比功率(104~105kW/kg)大等优点,可以实现与电力系统的实时大容量能量交换和功率补偿。超级电容材料科学与工程专业超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件,也称为电化学电容。它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力,单体的容量目前已经做到万法拉级。同时,超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。超级电容材料科学与工程专业材料科学与工程专业电力储能技术发展太阳能氢气氢气-热能电能氢(气)储能材料科学与工程专业日常生活中的应用:储能厨具储能节能冰箱相变蓄热电热水器暖手袋储能技术的其他应用材料科学与工程专业储能技术的其他应用材料科学与工程专业在交通运输中的应用:汽车蓄冷箱汽车动力:斯特林发动机储能技术的其他应用材料科学与工程专业在新能源中的的应用:相变蓄能稳压发电方法材料科学与工程专业
本文标题:储能技术及应用
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