1、儲能技術及應用材料科學與工程材料科學與工程專業(yè)儲能技術l 發(fā)展創(chuàng)新性儲能技術對加快發(fā)展我國新能源產業(yè)有發(fā)展創(chuàng)新性儲能技術對加快發(fā)展我國新能源產業(yè)有決定性意義決定性意義 l 近幾十年來，儲能技術的研究和發(fā)展一直受到各國近幾十年來，儲能技術的研究和發(fā)展一直受到各國能源、交通、電力、電訊等部門的能源、交通、電力、電訊等部門的高度高度重視重視儲能（電力）技術設備類型設備類型用戶類型用戶類型功率等級功率等級能量等級能量等級便攜式設備便攜式設備-1100WWh運輸工具運輸工具汽車25100KW100KWh火車、輕軌列車100500KW500KWh潛艇120MW10MWh靜止設備靜止設備家庭1KW5KWh小

2、型工業(yè)和商業(yè)設施10100KW25KWh配電網(wǎng)MWMWh輸電網(wǎng)10MW10MWh發(fā)電站10100MW10100MWh不同應用場合對能量和功率密度的要求是不同的電能可以轉換為化學能、勢能、動能、電磁能等形態(tài)存儲，按照其具體方式可分為物理、電磁、電化學和相變儲能四大類型物理儲能抽水蓄能壓縮空氣儲能飛輪儲能電磁儲能電化學儲能相變儲能超導儲能超級電容儲能高能密度電容儲能鉛酸、鎳氫、鎳鎘、鋰離子、鈉硫和液流等電池儲能冰蓄冷儲能1儲能技術的分類物理儲能l 彈性儲能彈性儲能l 液壓儲能液壓儲能l 抽水儲能抽水儲能l 壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能l 飛輪儲能飛輪儲能物理儲能彈彈性性儲儲能能物理儲能材料科學與工程專

3、業(yè)液液壓壓儲儲能能物理儲能材料科學與工程專業(yè)抽抽水水儲儲能能物理儲能材料科學與工程專業(yè)抽抽水水儲儲能能日、美、西歐等國家和地區(qū)在日、美、西歐等國家和地區(qū)在 20 世紀世紀 6070 年代進入抽水蓄年代進入抽水蓄能電站建設的高峰期，到目前為止，美國和西歐經(jīng)濟發(fā)達國家能電站建設的高峰期，到目前為止，美國和西歐經(jīng)濟發(fā)達國家抽水儲能機組容量占世界抽水蓄能電站總裝機容量抽水儲能機組容量占世界抽水蓄能電站總裝機容量 55%以上以上壓縮空氣儲能電站（compressed air energy storage, CAES）是一種調峰用燃氣輪機發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在典型壓

4、力 7.5 MPa 的高壓密封設施內，在用電高峰釋放出來驅動燃氣輪機發(fā)電。原理 在燃氣輪機發(fā)電過程中，燃料的 2/3 用于空氣壓縮，其燃料消耗可以減少 1/3，所消耗的燃氣要比常規(guī)燃氣輪機少 40%，同時可以降低投資費用、減少排放。 CAES 建設投資和發(fā)電成本均低于抽水蓄能電站，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制。 地下儲氣站有多種模式，其中最理想的是水封恒壓儲氣站，能保持輸出恒壓氣體，保障燃氣輪機穩(wěn)定運行。CAES 儲氣庫漏氣開裂可能性極小，安全系數(shù)高，壽命長，可以冷啟動、黑啟動，響應速度快，主要用于峰谷電能回收調節(jié)、平衡負荷、頻率調制、分布式儲能和發(fā)電系統(tǒng)備用。100 MW 級燃氣

5、輪機技術成熟，利用渠氏超導熱管技術可使系統(tǒng)換能效率達到 90%。大容量化和復合發(fā)電化將進一步降低成本。隨著分布式能量系統(tǒng)的發(fā)展以及減小儲氣庫容積和提高儲氣壓力至 1014 MPa 的需要，812 MW 微型壓縮空氣蓄能系統(tǒng)（micro-CAES）已成為人們關注的熱點。應用發(fā) 展 方 向壓縮空氣儲能壓縮空氣儲能飛輪儲能裝置主要包括3個核心部分：飛輪、電機和電力電子裝置。他將外界輸入的電能通過電動機轉化為飛輪轉動的動能儲存起來，當外界需要電能的時候，又通過發(fā)電機將飛輪的動能轉化為電能，輸出到外部負載，要求空閑運轉時候損耗非常小。原理飛輪儲能功率密度大于 5kW/kg，能量密度超過 20Wh/kg，

6、效率在 90%以上，循環(huán)使用壽命長達 20a，工作溫區(qū)-4050，無噪音、無污染、維護簡單，主要用于不間斷電源(UPS)/應急電源(EPS)、電網(wǎng)調峰和頻率控制。應用隨著對飛輪轉子設計、軸承支撐系統(tǒng)和電能轉化系統(tǒng)的深入研究，高強度碳素纖維和玻璃纖維材料、大功率電力電子變流技術、電磁和超導磁懸浮軸承技術極大地促進了儲能飛輪的發(fā)展。磁浮軸承的應用、飛輪的大型化以及高速旋轉化合軸承載荷密度的進一步提高，將使飛輪儲能的應用更加廣泛。發(fā)展方向1飛輪儲能飛輪儲能物理儲能材料科學與工程專業(yè)飛飛輪輪儲儲能能1999 年歐洲年歐洲 Urenc Power 公司利用高強度公司利用高強度 碳纖維和玻璃纖維復合碳纖維

7、和玻璃纖維復合材料制作飛輪，轉速為材料制作飛輪，轉速為 42 000 rad/min，2001 年年 1 月系統(tǒng)投入運行，月系統(tǒng)投入運行，充當充當UPS，儲能量達到，儲能量達到 18 MJ物理儲能材料科學與工程專業(yè)飛飛輪輪儲儲能能研發(fā)機構研發(fā)機構基本參數(shù)基本參數(shù)技術特點作用作用日本四個綜合研日本四個綜合研究所究所8MWh，儲能放電各，儲能放電各4h，待機，待機16h高溫超導磁浮立時軸承，高溫超導磁浮立時軸承，儲效儲效84%平滑負荷平滑負荷日本原子力研究日本原子力研究所所215 MW / 8 GJ輸出電壓輸出電壓18kV, 輸出電流輸出電流6896A，儲效，儲效85%UPS美國Vista公司27

8、7kWh引入風力發(fā)電系統(tǒng)引入風力發(fā)電系統(tǒng)全程調峰全程調峰美國馬里蘭大學美國馬里蘭大學(1991)24kWh,1161046345 rad/min電磁懸浮軸承，輸出恒壓電磁懸浮軸承，輸出恒壓 110V/ 240V，儲效，儲效81%電力調峰電力調峰美國波音公司美國波音公司100 kW/ 5 kWh高溫超導磁浮軸承高溫超導磁浮軸承電力調峰電力調峰德國德國(1996)5MW/100MWh,22504500 rad/min超導磁浮軸承，超導磁浮軸承，儲效儲效96%儲能電站儲能電站歐洲歐洲 Urenc Power 公司公司(2001)轉速轉速 42 000 rad/min高強度碳纖維和玻璃纖維高強度碳纖維

9、和玻璃纖維復合材料復合材料UPS巴西巴西(2004)額定轉速額定轉速 3000 rad/min超導與永磁懸浮軸承超導與永磁懸浮軸承電壓補償電壓補償材料科學與工程專業(yè)化學儲能l 鉛酸電池鉛酸電池l 鎳系電池鎳系電池l 鋰系電池鋰系電池l 液流電池液流電池l 鈉硫電池鈉硫電池氫能氫能化學儲能鉛酸電池材料科學與工程專業(yè)構成鉛蓄電池之主要成份如下：構成鉛蓄電池之主要成份如下： l 陽極板陽極板 ( 過氧化鉛過氧化鉛 .PbO2 )- 活性物質活性物質 l 陰極板陰極板 ( 海綿狀鉛海綿狀鉛 .Pb) - 活性物質活性物質l 電解液電解液 ( 稀硫酸稀硫酸 ) - 硫酸硫酸 ( H2SO4) + 水水

10、( H2O)l 電池外殼電池外殼 l 隔離板隔離板 l 其它其它 ( 液口栓液口栓 . 蓋子等蓋子等 ) 化學儲能鉛酸電池材料科學與工程專業(yè) 鉛蓄電池內的陽極鉛蓄電池內的陽極 (PbO2) 及陰極及陰極 (Pb) 浸到電解液浸到電解液 ( 稀硫酸稀硫酸 ) 中，兩極間中，兩極間會產生會產生 2V 的電力。的電力。放電狀態(tài)，陰陽極及電解液即會發(fā)生如下的變化：放電狀態(tài)，陰陽極及電解液即會發(fā)生如下的變化： ( 陽極陽極 ) ( 電解液電解液 ) ( 陰極陰極 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb - PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ( 放電反應放電反應 ) ( 過氧化鉛過氧化鉛 ) (

11、 硫酸硫酸 ) ( 海綿狀鉛海綿狀鉛 ) 蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應反應 , 生成新化合物生成新化合物硫酸鉛硫酸鉛。 化學儲能鉛酸電池材料科學與工程專業(yè) 充電，則陰陽極及電解液即會發(fā)生如下的變化：充電，則陰陽極及電解液即會發(fā)生如下的變化： ( 陽極陽極 ) ( 電解液電解液 ) ( 陰極陰極 ) PbSO4 + 2 H2O + PbSO4 - PbO2 + 2 H2SO4 + Pb ( 充電反應充電反應 ) ( 硫酸鉛硫酸鉛 ) ( 水水 ) ( 硫酸鉛硫酸鉛 ) 由于放電時在陽極板，陰極

12、板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成由于放電時在陽極板，陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸硫酸 , 鉛及過氧化鉛鉛及過氧化鉛 。 充電到最后階段時，電流幾乎都用在水的電解充電到最后階段時，電流幾乎都用在水的電解 ，而陰極板就產生氫，陽極，而陰極板就產生氫，陽極板則產生氧。板則產生氧。化學儲能鉛酸電池材料科學與工程專業(yè)化學儲能鉛酸電池材料科學與工程專業(yè)化學儲能鉛酸電池材料科學與工程專業(yè)優(yōu)點：優(yōu)點： 1 1 壽命長壽命長 2 2 價格低價格低 3 3 可以大電流放電可以大電流放電 缺點：缺點： 1 1 鉛的污染鉛的污染 2 2 能量密度低，也就是說過于笨重能量密度低，也就是說過于

13、笨重 化學儲能鎳系電池材料科學與工程專業(yè)優(yōu)點：優(yōu)點： 1 1 良好的大電流放電特性良好的大電流放電特性 2 2 耐過充放電能力強耐過充放電能力強 3 3 維護簡單維護簡單 缺點：缺點： 1 1 鎘是有毒的，環(huán)境污染鎘是有毒的，環(huán)境污染 2 2 在充放電過程中如果處理不當，會出現(xiàn)在充放電過程中如果處理不當，會出現(xiàn)嚴重的嚴重的“記憶效應記憶效應”，使得服務壽命大大縮短，使得服務壽命大大縮短 鎳鎘電池鎳鎘電池 鎳鎘電池（鎳鎘電池（Ni-Cd，Nickel-Cadmiun Batteries, Ni-Cd Rechargeable Battery）是最早應用于手機、筆）是最早應用于手機、筆記本電腦等設

14、備的電池種類記本電腦等設備的電池種類 。Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2化學儲能鎳系電池材料科學與工程專業(yè)鎳氫電池鎳氫電池化學儲能鎳系電池材料科學與工程專業(yè)優(yōu)點：優(yōu)點： 具有能量密度高、充放電速度快、重量輕、具有能量密度高、充放電速度快、重量輕、壽命長、無環(huán)境污染等優(yōu)點壽命長、無環(huán)境污染等優(yōu)點 鎳氫電池能量密度比鎳鎘電池大二倍鎳氫電池能量密度比鎳鎘電池大二倍 缺點：缺點： 1 1 輕微記憶效應輕微記憶效應 2 2 鎳氫電池串連電池組的管理問題比較多，鎳氫電池串連電池組的管理問題比較多，一旦發(fā)生過充電以后，就會形成單體電池隔板熔一旦發(fā)生過充電以后，就會形成單體電

15、池隔板熔化的問題，導致整組電池迅速失效。化的問題，導致整組電池迅速失效。 鎳氫電池鎳氫電池化學儲能鎳系電池材料科學與工程專業(yè)鋰電池鋰電池 所謂鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物所謂鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉移來作為正負極構成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉移來完成電池充放電工作的，獨特機理的鋰離子電池形象地稱為完成電池充放電工作的，獨特機理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電搖椅式電池池”，俗稱，俗稱“鋰電鋰電”。 化學儲能鋰離子電池材料科學與工程專業(yè)優(yōu)點：優(yōu)點： 具有能量

16、密度高、充放電速度快、重量輕、具有能量密度高、充放電速度快、重量輕、壽命長、無環(huán)境污染等優(yōu)點壽命長、無環(huán)境污染等優(yōu)點 循環(huán)壽命長循環(huán)壽命長, ,一般均可達到一般均可達到500500次以上次以上, ,甚至甚至10001000次以次以 缺點：缺點： 鋰離子電池主要的問題是在過充電和過放鋰離子電池主要的問題是在過充電和過放電狀態(tài)電池會發(fā)生爆炸，手機電池都是使用的單電狀態(tài)電池會發(fā)生爆炸，手機電池都是使用的單體電池，再經(jīng)過良好的保護電路來配合使用，基體電池，再經(jīng)過良好的保護電路來配合使用，基本上杜絕了電池爆炸的問題。本上杜絕了電池爆炸的問題。鋰電池鋰電池化學儲能鋰離子電池材料科學與工程專業(yè)化學儲能鋰離子

17、電池材料科學與工程專業(yè)化學儲能鋰離子電池材料科學與工程專業(yè)化學儲能鋰系電池材料科學與工程專業(yè)鋰電池鋰電池青青山山電電動動車車化學儲能鋰系電池材料科學與工程專業(yè)鋰電池鋰電池青青山山電電動動車車化學儲能液流電池材料科學與工程專業(yè)化學儲能液流電池材料科學與工程專業(yè) 液流儲能電池是一類適合于固定式液流儲能電池是一類適合于固定式大規(guī)模大規(guī)模儲能（蓄電）儲能（蓄電）的裝置，相比于目前常用的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池等二次的裝置，相比于目前常用的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池等二次蓄電池，具有功率和儲能容量可獨立設計（儲能介質存儲蓄電池，具有功率和儲能容量可獨立設計（儲能介質存儲在電池外部）、效率高、壽命長、可深度放電、環(huán)

18、境友好在電池外部）、效率高、壽命長、可深度放電、環(huán)境友好等優(yōu)點，是規(guī)模儲能技術的首選技術之一。等優(yōu)點，是規(guī)模儲能技術的首選技術之一。 化學儲能液流電池材料科學與工程專業(yè)化學儲能鈉硫電池材料科學與工程專業(yè) 鈉硫電池是美國福特（鈉硫電池是美國福特（Ford）公司于）公司于1967年首先發(fā)明公布的年首先發(fā)明公布的 鈉硫電池，是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二鈉硫電池，是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應，次電池。在一定的工作度下，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應，形成能量的釋放和儲存。

19、形成能量的釋放和儲存。l鈉硫電池的理論比能量高達鈉硫電池的理論比能量高達760Whkg，且沒有自放電現(xiàn)象。放電效，且沒有自放電現(xiàn)象。放電效率幾乎可達率幾乎可達100。l鈉硫電池的基本單元為單體電池，用于儲能的單體電池最大容量達到鈉硫電池的基本單元為單體電池，用于儲能的單體電池最大容量達到650安時，功率安時，功率120W 以上。將多個單體電池組合后形成模塊。模塊的功以上。將多個單體電池組合后形成模塊。模塊的功率通常為數(shù)十率通常為數(shù)十kW，可直接用于儲能。，可直接用于儲能。l 鈉硫電池在國外已是發(fā)展相對成熟的儲能電池。其壽命可以達到使用鈉硫電池在國外已是發(fā)展相對成熟的儲能電池。其壽命可以達到使用1015年。年。基本的電池反應是：基本的電池反應是：2N a + xS= Na2Sx 缺點：高溫缺點：高溫350C熔解硫和鈉熔解硫和鈉 電磁儲能材料科學與工程專業(yè)超導磁儲能系統(tǒng)超導磁儲能系統(tǒng)(superconducting magnetic energy storage，SMES) 利用超導體制成的線圈儲存磁場能量，功率利用超導體制成的線圈儲存磁場能量，功率輸送時無需能源形式的轉換，具有響應速度快輸送時