22新能源与分布式发电-储能材料及系统

1EnergyStorageEnergyStorage储能材料及系统储能材料及系统陈刚电力设备电气绝缘国家重点实验室Tel：82668493Email：[e-mail]供电稳定电源管理电站调峰清洁能源存储储能技术化学储能机械储能超导磁储能氧化还原液流电池Introduction2储能技术的用途和分类IntroductionEnergyStorageEnergyStorage相变储能相变储能3相变相变名称相变点实例固→液固→气液→固液→气气→液气→固熔化升华凝固蒸发冷凝、液化冷凝、沉积熔点升华点凝固点沸点液化点冷凝点冰的熔化干冰(固态CO2)的气化水的凝固水的蒸发二氧化碳的液化雪的形成相变(phasechange)是指物质从一相转变成另一相的过程。PhaseChangeMaterials相与相变AZ)tt(QaaAZ)tt(2121QPhaseChangeMaterials材料的热工性质导热性导热系数λ0.23W/(m.K)为绝热材料.如泡沫塑料λ=0.035,大理石λ=3.48,钢λ=55比热)tt(mQ2121C)tt(cmQ热容量4PhaseChangeMaterialsproperty十八烷六水氯化钙磷酸氢二钠月桂酸水Tmelt(℃)28.127.036.040-440.0DensitySolid(Kg/m^3)7791710152010071000Liquid(Kg/m^3)1530HeatoffusionHf(KJ/Kg)244192200167-178334SpecificHeatSolid(J/kg.K)1920140017002150Liquid(J/kg.K)2306220019504182PhaseChangeMaterials5月桂酸相變溫度變化圖PhaseChangeMaterials調節溫度!儲、放熱能!PhaseChangeMaterials6在一个直径较大的圆管中，穿过一条直径较小的管。小管（内管）是通过热水的水管。在小管的外壁与大管的内壁之间填充了可蓄热的相变材料。管的两端各装有一个支撑物使内管固定在中央位置，同时还起到密封的作用，防止相变材料漏出。PhaseChangeMaterialsPhaseChangeMaterials7PhaseChangeMaterialsEnergyStorageEnergyStorage化学电源化学电源8充放电过程（Charge-Dischargeprocess）環境污染（Environmentalpollution）有毒（Toxic）Battery化学电源一次电池二次电池碱性锌锰电池铅蓄电池锂离子电池镍氢电池普通锌锰干电池银锌钮扣电池负极：ZnZn2++2e-正极：Cu2++2e-Cu总反应：Zn+Cu2+Zn2++Cu表示为：ZnZnSO4CuSO4Cu原电池－－一次电池Battery9(-)Zn|ZnCl2,NH4Cl(糊状)|MnO2|C(+)锌锰干电池酸性电池：Battery(-)ZnKOH,K2[Zn(OH)4]MnO2(C)(+)碱性电池：银锌扣式电池负极：Zn+2OH-ZnO+H2O+2e-正极：Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-总反应：Ag2O+ZnZnO+2Ag特点电子手表、液晶显示的计算器、助听器。有优越的大电流放电性能，放电电压平稳等。但价格昂贵。ZnKOHAgOBattery10又称蓄电池，两极均以铅板为骨架，正极铅板上是二氧化铅，负极铅板上是海绵状铅。内部构造铅酸电池Battery(-)Pb|H2SO4(1.25~1.30g·cm-3)|PbO2(+)镍氢电池（高压镍氢电池）正极：Ni电极NiO（OH）+H2O+e-Ni(OH)2+OH-负极：氢电极1/2H2+OH-H2O+e-总反应：1/2H2+NiO(OH)Ni(OH)2电解质：KOH电池内氢气的压力：0.3-4MPaBattery(-)C|H2|KOH|NiOOH(+)11(-)Na|β—Al2O3|S+Na2Sx|C(+)Battery‧β-鋁氧之耐用性不理想。‧正極之腐蝕。‧包裝設計上之困難。‧安全因素。钠硫电池锂电池分为一次电池和二次电池两类。锂电池Battery正极：LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-+H2O负极：C+xLi++xe-CLix总反应：LiCoO2+CLi1-xCoO2+CLix充电时发生如下反应12结构特征就是主体材料要有一定程度的结构开放性，能允许外来的原子或离子易于扩散进或逸出晶体。嵌入、脱出量以及主体的可逆嵌脱循环性能Battery-LiionBattery-Liion负极碳石墨材料石墨、焦炭、炭纤维、MCMB金属氧化物氧化锡、氧化亚锡纳米金属及金属间化合物Si,SnAl,In,Zn,Ge正极13电解液危险的液体，它是强碱性的，遇水分解。制备过程对环境要求极高,需在高纯氮气或高纯氩气的气氛保护下进行。溶剂为剧毒的HF等。LiPF61吨纯LiPF6稀释成8吨Battery-LiionBattery14BatteryEnergyStorageEnergyStorage超级电容超级电容15电容器是以物理方法存储电能的一种装置。电容器以干净的方式存储电能，避免了蓄电池从生产、使用到废弃过程中的环境污染问题。电容器的寿命至少是蓄电池的10倍。电容器的能量消耗特别的低。电池•Lowpowerdensityandaddweight•Increasethecostofthecar•Lose20%oftheenergyputintothem电容器CapacitorCapacitor16EnergyflowsincapacitorEnergyflowsoutofcapacitorCapacitor体积小，容量大，比同体积电容大30~40倍充电速度快，10秒内达到额定容量的95%充放电能力强，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，真正免维护电压类型：2.7v---12.0v容量范围：0.1F--1000FSuper-capacitor超级电容的特性缺点：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与电池相比，它的储电量/体积要小。按目前的技术，它仍然不能作为电动力的主要储电器，因为它的电量只能驱动车辆行驶几公里。170.010.1110100100010100100010000EnergyStorageDevicesSuper-capacitor18Super-capacitorSuper-capacitor19Super-capacitor超级电容车在上海磁悬浮列车的终点站服务请注意，每个车站上方有充电设施，车辆进站后，可以在30秒内给车辆充足电能。Super-capacitor20980电容器重量（kg）0.22内阻(mΩ)200最高电流（A）6400存储能量（wh）200静态电容，F610最高充电电压,V360～600正常工作电压，V●可以回收刹车能量●能量消耗:每公里0.88KWH，比传统的有轨电车节省60%的能量。●爬坡能力:可在7.8%坡度上起动●最高车速:44.8km/h。●0→40km/h加速时间,16.5秒●站间充电时间：30秒总站充电时间：90秒●每次充电后可以用22公里的时速，连续行驶7.9公里，输出的功率为5KW以夏是以电容器为驱动和空调能源的公交车，在运营中得到的统计数据：Super-capacitor连续行驶距离：10km(@100%充电后以20km/h的速度,电流为20A)100%充放次数:≥50000次100%充电时间:≤10分钟基本工作条件：尺寸：82×65×265mm工作电压:60V-35V工称电压:60V组建:UCT-50000，80件(2件为以单元，共40个单元)电容器:充电器:70A/60V电机功率:2.2kW此车在上海崇明生态岛上使用Super-capacitor21连续行驶里程:20km(@100%充电后，以30km/h的速度,电流为30A)100%充放次数≥50000次100%充电时间:≤10分钟,之后在恒充5分钟基本工作条件:尺寸：82×65×260mm工作电压:90V-55V公称电压:90V组件：UCT-50000,180件.每60件为以单元,共有3个单元电容器:充电器:150A/90V电机功率:5.0kW此车在上海张江高科技园区使用。Super-capacitorEnergyStorageEnergyStorage氢能存储氢能存储22氢能开发，大势所趋氢能开发，大势所趋•氢是自然界中最普遍的元素，资源无穷无尽－不存在枯竭问题•氢的热值高，燃烧产物是水－零排放，无污染，可循环利用•氢能的利用途径多－燃烧放热或电化学发电•氢的储运方式多－气体、液体、固体或化合物HydrogenEnergyH2（气）十1/2O2（气）→H2O（液）＋285.5kJ廉价而又高效的制氢技术安全高效的储氢技术－开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急HydrogenEnergy氢能经济的关键技术尚未解决问题：氢气的廉价制取、氢气的贮存和运输、氢气燃机的热换效率、氢燃料电池的能量转换效率23氫的制备利用重組反應自甲烷中產生水電解法煤炭氣化結合水-氣轉化反應(WGS)利用太陽能來製造氫與氧生物质製造氫HydrogenProducingCH4+H2O=3H2+CO这个反应是吸热反应，需要外部输入热量，反应温度大约700～850℃，反应压力为3×105Pa～2.5×105Pa。甲烷重整制氢:反应产物合成气被输入到下一级水气置换反应器，经过水气置换反应，将CO转化为H2，提高了氢的产量。CO+H2O=H2+CO2重整制氢的能量转换效率可以达到75%～80%，经济有效，如果将余热回收利用，效率可达85%以上HydrogenProducing24电解水制氢2H2O→2H2↑+02↑目前应用较广且比较成熟的方法之一。水为原料制氢工程是氢与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的能量，则可使水分解成氢气和氧气。提供电能使水分解制得的氢气的效率一般在75％－85优点：其中工艺过程简单，无污染，转化率高缺点：消耗电量大。目前电解水的工艺、设备均在不断的改进，但电解水制氢能耗仍然很高。HydrogenProducing将碳水化合物(煤、石油、天然气、生物质等)输入高温化学反应器，生成由H2、CO、CO2和CH4等组成的合成气体，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量，最后将氢气分离提纯得到可以用做交通燃料的氢气。热化学工艺制氢CnH2n+2+nH2O→nCO↑+(2n+2)H2↑缺点：强吸热反应，热效率较低，反应温度较高，反应过程中水大量过量，能耗较高。HydrogenProducing25生物质制氢耗能低、效率高；清洁、节能和可再生；原料成本低，制氢过程不污染环境；一些生物制氢过程具有较好的环境效益HydrogenProducing现况无奈：目前光合微生物制氢离实用化还有相当距离，光能转化率低，要大量制氢，就需要很大的受光面积，还没有满意的产氢藻。HydrogenProducing26光合作用的核心是由太阳光驱动将水分子裂解为氧气、氢离子和电子。植物通过还原碳元素的形式将太阳能固定下来，能否不要将太阳能固定在碳元素中得到利用呢？太阳光催化制氢HydrogenProducing植物进行光合作用离不开叶绿素，而叶绿素的催化核心由4个锰离子、1个钙离子、4个氧原子和至少2个水分子组成的，MEMDepartmentNSYSU•HydrogenFuelStations–Worldwideaccumulated,sortedbyregion(1995-2004)Germany36%Japan12%North-America16%RegionalOrganiz