儲能技術第1章習題答案

1-1簡述廣義的儲能方式與狹義的儲能方式的聯系與區別。

解：

聯系：廣義的儲能方式包含狹義的儲能方式。

區別：廣義的儲能方式包括基礎燃料（煤、石油和天然氣等）、二次燃料（氫、煤氣和

太陽能燃料等）、電能和熱能等各種形式的能量的存儲；而狹義的儲能方式通常指儲電和儲

熱。

1-2簡述能量密度與功率密度的區別。

解：

能量密度是指單位質量或體積的儲能系統所具有的有效儲存能量，又稱比能量，包括質

量能量密度（質量比能量）與體積能量密度（體積比能量），常用單位分別為Wh/kg或Wh/Lo

功率密度功率密度是指單位質量或體積的儲能系統所能輸出的最大功率，又稱比功率,

包括質量功率密度（質量比功率）與體積功率密度（體積比功率），常用單位分別為W/kg或

W/L。

1-3簡述儲能技術在三個歷史時期的發展特點。

解：

根據各歷史階段儲能使用的不同特點，可以把整個儲能發展歷史大致分為三個時期，即

初步探索期、多元發展期和高速發展期。

初步探索期：以電力儲能技術為代表的多種儲能技術逐漸登上了歷史舞臺。其中，電化

學儲能和抽水蓄能的發展相對較快,并得到了一定程度的應用；氫儲能也得到了初步的探索,

并在少數領域中得到了使用。

多元發展期：電化學儲能、抽水蓄能等多種儲能技術進入了新的發展階段，一些新的儲

能技術，如壓縮空氣儲能、超導磁儲能和熱儲能逐漸登上了儲能的歷史舞臺。

高速發展期：新能源的推廣使用和科學技術的發展大大推動了儲能技術的推廣與應用。

其中，抽水蓄能儲能技術發展較為成熟，裝機容量大幅提升；電化學儲能逐步實現大規模產

業化，具有廣泛的應用前景；超級電容儲能、超導磁儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能發展迅

速，并得到了一定的應用；熱儲能和氫儲能也展示了良好的發展態勢和應用前景。

1-4簡要對比分析抽水蓄能與壓縮空氣儲能的工作特性。

解：

抽水蓄能電站具有上、下游兩個水庫。負荷低谷時段抽水蓄能設備工作在電動機狀態,

將下游水庫的水抽到上游水庫保存；負荷高峰時抽水蓄能設備工作于發電機狀態，利用儲存

在上游水庫中的水發電。

壓縮空氣儲能是利用壓縮空氣作為載體來實現能量存儲和利用的一種能源系統。儲能時,

電能或機械能驅動壓縮機由環境中吸取空氣將其壓縮至高壓狀態并存入儲氣裝置，電能或機

械能在該過程中轉化為壓縮空氣的內能和勢能；釋能時，儲氣裝置中存儲的壓縮空氣進入空

氣透平中膨脹做功發電，壓縮空氣中蘊含的內能和勢能在該過程中重新轉化為電能或機械

能。

1-5簡要對比分析鉛炭電池與傳統鉛酸電池的特性。

解：

傳統鉛蓄電池的電極由鉛及其氧化物制成，電解液為硫酸溶液。在充電狀態下，鉛蓄電

池的正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；在放電狀態下，正負極的主要成分均為

硫酸鉛。

鉛炭電池將活性炭按一定比例混入鉛負極板活性物質中，有效改善了鉛蓄電池的倍率放

電性能、脈沖放電壽命和接收電荷的能力。鉛炭電池繼承了傳統鉛酸電池的安全優勢，本身

沒有易燃材料，不燃不爆。但是，鉛炭電池較傳統鉛酸電池的析氫量有所增加，需要注意電

池排氣的問題及其帶來的安全隱患。

1-6簡要對比分析鋰離子電池、液流電池和鈉流電池的特性。

解：

鋰離子電池主要由電極材料（正極、負極）、電解液、隔膜、導電劑、粘結劑和極耳等

組成。鋰離子電池以含鋰的化合物作正極，如鉆酸鋰（LiC002）、鋸酸鋰（LiMn2O4）和磷

酸鐵鋰（LiFeP04）等二元或三元材料；負極采用鋰-碳層間化合物，包括石墨、軟碳、硬碳

和鈦酸鋰等；電解質由溶解在有機碳酸鹽中的鋰鹽組成。充電時，鋰原子變成的鋰離子通過

電解質向碳極遷移，在碳極與外部電子結合后作為鋰原子儲存；放電時為充電時的逆反應。

與其他化學電池相比，鋰電池具有顯著的優點，主要有：高能量密度、長壽命、低自放電率、

無記憶效應、易快充快放等。

液流電池全稱為氧化還原液流電池，由電解液罐、電堆、泵體、功率轉換器以及熱交換

器構成。與以固體作為電極的一般電池不同，液流電池的活性物質是具有流動性的電解質溶

液。液流電池的輸出功率與電池容量互相獨立（功率大小取決于電堆，而容量大小取決于電

解液容量），因此可通過增加電解液量或提高電解液濃度達到增加電池容量的目的。由于電

解液分別存儲于兩個儲液罐中，一般不存在電池自放電和電解液變質問題。

鈉硫電池由正極、負極、電解質、隔膜和外殼組成。與一般二次電池不同，鈉硫電池是

由熔融電極和固體電解質組成，負極的活性物質為熔融金屬鈉，正極活性物質為液態硫和多

硫化鈉熔鹽。鈉與硫通過化學反應，將電能儲存起來；當電網需要電能時，再將化學能轉化

成電能并釋放出去。鈉硫電池具有體積小、容量大、壽命長和效率高等優點。此外，鈉硫電

池的“蓄洪”性能突出，即可使輸入的電流突然達到額定功率5-10倍，它也能穩定地進行能

量存儲與釋放。但是，鈉硫電池需要在300-350口的高溫下工作，其安全性能相對較差。

1-7為什么說儲能是促進規?；履茉磻玫那疤?？

解：

由于風能、太陽能等新能源的波動性、隨機性以及反調峰、極熱無風、晚峰無光等特性，

新能源的規模化并網消納極為困難，輕則產生“棄風、棄光”現象，重則誘發大規模連鎖脫網

事故，給安全運行帶來嚴重威脅。儲能技術是支撐高比例新能源并網的關鍵技術。一方面,

通過引入儲能系統，可以實現太陽能、風能等新能源發電功率的平滑輸出，降低新能源并網

給系統帶來的沖擊，提高并網消納率。另一方面，通過引入儲能系統，還可有效調控新能源

發電所引起的電網電壓、頻率及相位變化，提高新能源電力系統的安全性及電能質量，從根

本上促進新能源的開發利用。

1-8為什么說儲能是構建能源互聯網的支撐技術？

解：

能源互聯網通過電能、熱能和化學能等多種能源的相互轉換和互補,使能量可以在電網、

氣網、熱力網和交通網等能源網絡之間流動，提升能源的綜合利用率。儲能包括電化學儲能、

壓縮空氣儲能、儲熱和儲氫等不同形式的能源儲存方式，可以建立多種能源之間的耦合關系,

發揮能量中轉、匹配和優化等作用，是構建能源互聯網的關鍵支撐技術。

第2章習題答案

2-1試闡述抽水蓄能電站的定義。

答：抽水蓄能電站是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放

水至下水庫發電的水電站，又稱蓄能式水電站。

2-2試闡述抽水蓄能電站的基本結構。

答：抽水蓄能電站，一般由上水庫、輸水系統、廠房和下水庫等組成。

2-3試從能量轉換的角度闡述抽水蓄能電站的工作原理及其本質。

答：抽水蓄能電站的工作原理是利用電力系統負荷低谷時過剩的電能，通過電動機水泵

將低處的下水庫的水抽到高處的上水庫中，從而將過剩的電能轉換為水的勢能并加以儲存,

待電力系統負荷轉為高峰時，再將這部分水從上水庫放到下水庫，推動水輪發電機發電。本

質是采用水作為能量載體，實現能量存儲、跨時空轉移和利用的一種儲能技術。

2-4試闡述抽水蓄能電站在電力系統中所承擔的功能，以及這些功能對維持電力系統運行

起到的作用。

答：抽水蓄能電站集儲能與發電兩大功能于一體，可有效調節電力系統的供需，使其達

到動態平衡，大幅度提高電網的運行安全和供電質量。具體功能包括削峰填谷、調頻（快速

跟蹤負荷）、調相（調壓）、事故備用和黑啟動等。

2-5試闡述抽水蓄能電站的主要分類方式，以及各分類方式對應的具體抽水蓄能電站類型。

答：抽水蓄能電站主要有7種分類方式：按開發方式分類、按天然徑流條件分類、按水

庫座數分類、按發電廠房形式分類、按水頭高度分類、按機組型式分類和按水庫調節周期分

類。

(1)按開發方式分類，抽水蓄能電站可分為引水式抽水蓄能電站和抬水式抽水蓄能電站

兩類。

(2)按天然徑流條件分類，抽水蓄能電站可分為純抽水蓄能電站和混合式抽水蓄能電站

兩類。

(3)按水庫座數及位置分類，抽水蓄能電站可分為兩庫式抽水蓄能電站和三庫式抽水蓄

能電站。

(4)按發電廠房形式分類，抽水蓄能電站可分為地面式、地下式和半地下式抽水蓄能電

站三種。

(5)按水頭高低分類，抽水蓄能電站可分為低水頭抽水蓄能電站、中水頭抽水蓄能電站

和高水頭抽水蓄能電站。

(6)按機組型式分類，抽水蓄能電站可分為分置式(四機式)抽水蓄能電站、串聯式(三

機式)抽水蓄能電站和可逆式(兩機式)抽水蓄能電站。

(7)按水庫調節周期分類，抽水蓄能電站可分為日調節、周調節、季調節和年調節等類

型。

2-6試解釋以下抽水蓄能電站專有名詞：(1)正常蓄水位；(2)死水位；(3)水頭特性；(4)

能量特性。

答：

(1)正常蓄水位和死水位是水庫的特征水位。正常蓄水位指抽水蓄能電站正常運行情況

下，水庫蓄水能達到的最高水位。

(2)死水位指抽水蓄能電站正常運行情況下，水庫蓄水的最低工作水位。

(3)抽水蓄能電站的水頭特性是指電站的水頭值與上水庫的放水量間的關系。

(4)蓄能水庫的能量特性是指抽水蓄能電站的發電量與上水庫蓄能庫容的放水量之間

的關系。

2-7已知某抽水蓄能電站上水庫正常蓄水位ZUN=800m,上水庫死水位ZUD=780m,下水

庫正常蓄水位ZLN=300m,下水庫死水位ZLD=260m。求此抽水蓄能電站的最大水頭”max、

最小水頭Hmin值。

解：

由公式(2-1)和(2-2)可得

此抽水蓄能電站的最大水頭"max=ZUN-ZLD=800-260=540m

此抽水蓄能電站的最小水頭Hmin=ZUD-=780-300=480m

2-8某抽水蓄能電站的蓄能庫容為2.3x10］。n?,按最大的容量進行削峰填谷。在抽水工

況下，變壓器、電動機、水泵和輸水系統的運行效率分別為99%、97%、92%和98%；在發

電工況下，輸水系統、水輪機、發電機和變壓器的運行效率分別為97%、90%、97%和99%；

水庫表面蒸發、水庫滲漏和事故庫容等因素引起的損失系數為1.2；發電運行5個小時。假

定運行時段的平均水頭為600m。試求：

(1)抽水蓄能電站的抽水工況運行效率、發電工況運行效率、綜合效率；

(2)發電運行狀態下的調峰容量(功率)和調峰電量(能量)。

解：

(1)由公式(2-8)和式(2-9)可知：

抽水工況運行效率為次=0.99x0.97X0.92X0.98X100%=86.6%

發電工況運行效率為r］P=0.97X0.90X0.97x0.99x100%=83.8%

由公式(2-7)可知：

綜合效率為7/=行x%=0.866x0.838x100%=72.6%

(2)由公式(2-3)可知:

調峰容量為N=%義/％=-66X6。。**io］。=5,4277X109(kW)

3600/lK>3600X5X1.223

調峰電量為ET=—Vs=-66X600x2.3xIO10=2.71362x1010(kWh

367K367x1.2

2-9試闡述抽水蓄能機組調相基本原理。

答：電機的空載電勢與勵磁電流正相關。假設初始時機組輸出電流為零。

(1)在此基礎上增加勵磁電流，此時空載電勢增加，由相量圖可知機組此時輸出滯后的

無功電流，機組輸出感性無功功率。

(2)在此基礎上減少勵磁電流，此時空載電勢減少，由相量圖可知機組此時輸出超前的

無功電流，機組消耗感性無功功率。

2-10試闡述抽水蓄能機組發電調相和抽水調相在運行時的區別。

答：抽水蓄能機組的發電調相工況和抽水調相工況主要存在以下三點區別

(1)轉子不同。對于可逆式機組來說，發電調相工況和抽水調相工況下轉子轉向相反。

(2)繼電保護配置不同。由于可逆式機組的轉向不同，一些與相位相序有關的雙向配置

的保護就會設置得不一樣，如負序過流保護、相序保護、失磁保護和失步保護等。

(3)使用頻率不同。抽水調相工況是機組由靜止工況切換至抽水工況的一個過渡狀態,

而發電調相工況只有在電網遇到緊急情況時才會使用，因此抽水調相工況的使用頻率要遠高

于發電調相工況。

2-11試列舉常見的抽水蓄能機組的基本工況及切換方式。

答：

(1)抽水蓄能機組有靜止、抽水、發電、抽水方向調相和發電方向調相五種基本工況。

(或：抽水蓄能機組有靜止、抽水、發電、調相四種基本工況)

(2)常見的工況切換共有12種，包括：1)靜止至發電；2)發電至靜止；3)靜止至發

電方向調相；4)發電方向調相至靜止；5)靜止至抽水；6)抽水至靜止；7)靜止至抽水方

向調相；8)抽水方向調相至靜止；9)發電至發電方向調相；10)發電方向調相至發電；11)

抽水至抽水方向調相；12)抽水方向調相至抽水。

2-12試列舉二機可逆式機組的起動方式，并進一步細分異步起動方式和同步起動方式的區

別。

答：二機可逆式機組的起動方式包括起動電動機起動、異步起動、同步起動和半同步起

動共四種。異步起動方式包括全壓起動、降壓起動和部分定子繞組起動三種。同步起動包括

背靠背同步起動和靜止變頻器起動兩種。

2-13試闡述抽蓄機組制動時轉子所受的制動力及其與轉速的對應關系。

答：制動時機組受到的制動力有水流制動力、空氣阻力、軸承阻力、銅損等效阻力和外

接電阻等效阻力五種。阻力與轉速關系如下表所示：

阻力與轉速n關系

水流制動力8九2

空氣阻力

軸承阻力8九0.5

銅損等效阻力8九-1

外接電阻等效阻力871T

2-14試闡述機組運行可用率指標和起動成功率指標之間的內在關系。

答：主要體現在可用率和起動成功率這兩個指標。兩個指標之間的聯系是：

(1)追求高可用率會減少機組停運檢修的時間，當機組本身存在隱患而無法排除時，會

造成機組起動成功率降低。當隱患進一步擴大，機組將會損壞而反作用于可用率，導致其下

降。

(2)隨著技術的不斷發展，帶有一定盲目性的計劃檢修會逐步減少，取而代之的是更為

先進的在線維護和狀態檢修。在這種情況下，在保障高可用率的同時也可以維持機組的可靠

運行，提高起動成功率。

2-15今有一抽水蓄能機組運行調相工況，定子繞組Y接。初始時機組的勵磁電流1小=

1000A,輸出感性無功功率為200MVar。現接到調度指令需要增發50MVar感性無功功率。

假定其空載電勢與勵磁電流成正比，電網線電壓U,=18kV保持不變，機組每相同步電抗Xs=

0.5。，不計電阻壓降。試求此時的勵磁電流。

解：由線電壓可求解得到相電壓

U=a/6=18/g=10.4(kV)

調相狀態下機組與電網無有功功率交換，因此&,=詼=?！?，91=92=90°。故電樞電

流可由無功功率求解得到

1「了J=」^=7.4(kA)

即2GX]8X也

2

/.=^-=^^=9.2(kA)

■阿爾外6x18x3

2

進而可求解得到空載電勢

E()]=U+&X,=10.4+7.4*0.5=14.1(kV)

=U+Ia2Xs=10.4+9.2*0.5=15(kV)

由空載電壓與勵磁電流成正比可得

_%，。1000*15

r=1063.8(A)

/2="^r14.1

2-16今有一抽水蓄能機組，其故障率4=巳，修復率為〃=點試求其故障密度函數，修復密

度函數和可用率。

解：

依題意，機組的故障率;I和修復率〃均為常數，由2.3.3節中關于故障率的相關推導可

知機組的故障密度函數為：

1--t

修復密度函數為：

1-1

r(t)=—e9

9

故障率A為：

A=-^-=—2―=—=0.4375

A+uQI16

--------1-------

79

_1

2-17抽水蓄能電站中有機組1和機組2兩臺抽水蓄能機組，其中機組1的故障率入1-2

修復率%=；；機組2的故障率入2=；，修復率必=；，忽略其他因素的影響。試求:

463

(1)當機組1和機組2串聯組合時，抽水蓄能電站的可用率；

(2)當兩臺機組并聯組合時，抽水蓄能電站的可用率。

解:

根據定義求得機組1的可用率A1，機組2的可用率A?分別為

]_

A=———=4=1?0.33

4+“1+13

24

當機組1和機組2串聯組合時，根據定義可求解得到抽水蓄能電站的可用率為:

A=A4=0.33*0.67x0.22

當兩機組并聯組合時，根據定義可求解得到抽水蓄能電站的可用率為：

A=1—(1-4)(1一4)=1-0.67*0.33。0.78

第3章習題答案

3-1簡述壓縮空氣儲能的工作原理及系統組成。

答：壓縮空氣儲能就是采用壓縮空氣作為能量載體，實現能量存儲和跨時間、空間轉移

和利用的一種能源系統，其主要包括空氣壓縮機和空氣透平膨脹機兩大能量轉化設備及高壓

空氣儲氣裝置。壓縮空氣儲能系統主要可以分為儲能和釋能兩個基本工作過程：儲能時，電

動機驅動壓縮機由環境中吸取空氣將其壓縮至高壓狀態并存入儲氣裝置，電能在該過程中轉

化為壓縮空氣的內能；釋能時，儲氣裝置中存儲的壓縮空氣進入空氣透平中膨脹做功發電,

壓縮空氣中蘊含的內能和勢能在該過程中重新轉化為電能。當然，也可以直接采用外部機械

能驅動空氣壓縮機，或使空氣膨脹機直接對外輸出機械能。

3-2簡述壓縮空氣儲能和抽水蓄能在工作原理上的相似之處。

答：和抽水蓄能一樣，壓縮空氣儲能也是一種采用機械設備實現能量存儲和轉移的物理

儲能技術。根據工作流程，壓縮空氣儲能系統通常包括空氣壓縮機和空氣透平膨脹機兩大能

量轉化設備，其功能分別和抽水蓄能中的水泵和水輪機相類似。此外，類似于抽水蓄能具有

的低位水庫和高位水庫，壓縮空氣儲能系統還包括由大氣環境和儲氣裝置形成的開放式低壓

氣庫和封閉式高壓氣庫。

3-3下列壓縮空氣儲能電站不是采用鹽穴儲氣方式的是(C)

A、Huntorf電站B、McIntosh電站C、TICC-500電站D、江蘇金壇電站

3-4德國ADELE項目屬于哪種壓縮空氣儲能技術路線？簡述該項目終止的主要原因。

答：德國ADELE項目屬于高溫絕熱壓縮空氣儲能技術路線，由于超高溫壓縮和超大容

量的高溫高壓固體填充式蓄熱技術難以實現，受限于上述技術瓶頸和超預算的設備研發制造

成本，該項目最終終止。

3-5下列壓縮空氣儲能技術路線中，不適宜建設大容量儲能電站技術的是(C)

A、傳統補燃式壓縮空氣儲能B、中溫絕熱壓縮空氣儲能

C、等溫壓縮空氣儲能D、復合式壓縮空氣儲能

3-6簡述深冷液化空氣儲能的技術原理及其優缺點。

答：深冷液化空氣儲能又稱作液態空氣儲能技術，其在壓縮、膨脹和儲熱方面與絕熱式

壓縮空氣儲能是類似的。所不同的是，其在傳統壓縮空氣儲能技術的基礎上引入了低溫過程

和蓄冷裝置，將高壓空氣液化后常壓存儲液態空氣，其增加了儲能過程中空氣的冷卻、液化、

分離、儲存和釋能過程中空氣的氣化過程。因此，液態空氣儲能技術更為復雜。

和壓縮空氣儲能技術相比，液態空氣儲能技術最大的優點是空氣以常壓液態形式儲存,

儲能密度高，可大大減少儲氣系統的容積，減少電站對地形條件的依賴。但由于增加蓄冷系

統，導致系統結構更為復雜。同時，由于蓄冷系統在儲能和釋能過程中動態損失較大，導致

系統的儲能效率偏低。

3-7關于復合式壓縮空氣儲能，以下說法錯誤的是(B)

A、可以與光熱、地熱和工業余熱相結合B、需要化石燃料補燃

C、具備多能聯儲、多能聯供能力D、電站容量可達百兆瓦級別

3-8補燃式壓縮空氣儲能的技術原理是什么？其與傳統燃氣動力循環有什么聯系和區別？

補燃式壓縮空氣儲能的優點和局限性又是什么？

答:傳統的燃氣動力循環在吸熱過程中采用天然氣與壓縮空氣混合燃燒的方式提升燃氣

輪機進氣溫度。通過借鑒燃氣動力循環，在壓縮空氣儲能系統膨脹機前設置燃燒器，利用天

然氣等燃料與壓縮空氣混合燃燒，以提升空氣透平膨脹機進氣溫度。這種采用化石燃料與壓

縮空氣混合燃燒的方式來實現壓縮空氣儲能的技術路線稱為補燃式壓縮空氣儲能系統。

補燃式壓縮空氣儲能系統與傳統燃氣動力循環存在較多相似之處,但兩者結構上最顯著

的區別在于，燃氣動力循環中空氣壓縮機與燃氣輪機同軸，燃氣輪機輸出的部分軸功用來驅

動空氣壓縮機，而補燃式壓縮空氣儲能系統中的空氣壓縮機與燃氣輪機相對獨立。

補燃式壓縮空氣儲能結構簡單，技術成熟度高、設備運行可靠、投資成本低，具有較長

的使用壽命，具備與燃氣電站類似的快速響應特性。然而，在當前大力發展綠色能源、控制

碳排放量的大背景下，補燃式壓縮空氣儲能的碳排放已成為其最大弊端之一。

3-9非補燃壓縮空氣儲能主要有幾種技術路線？分別闡述其優點及局限性。

答：非補燃壓縮空氣儲能主要包括絕熱式、等溫式和復合式，其中，絕熱式壓縮空氣儲

能又分為高溫絕熱壓縮空氣儲能和中溫絕熱壓縮空氣儲能。

高溫絕熱壓縮空氣儲能系統效率較高，然而，高溫壓縮機內部的密封結構和潤滑結構目

前均存在重大技術瓶頸，固體式填充床易存在溫度梯度和換熱不均。因此，在當前的設備技

術和工藝水平條件下，高溫絕熱壓縮空氣儲能系統難以實現工程應用。中溫絕熱壓縮空氣儲

能關鍵設備技術成熟、成本合理，可基于當前成熟的關鍵設備技術和工藝水平開展設計和制

造；系統穩定性、可控性較強，具備多能聯儲、多能聯供的能力，易于實現工程化應用，但

其效率還需要進一步提升。

等溫壓縮空氣儲能系統的優點是系統結構簡單、運行參數低，但其裝機功率一般較小,

儲能效率較低，等溫的壓縮過程和膨脹過程也難以實現，僅適用于小容量的儲能場景，例如

分布式儲能、家庭儲能。

復合式壓縮空氣儲能系統形式較多，可在理論研究或工程應用中根據需求進行多樣化的

設計和調整。復合壓縮空氣儲能系統具有較強的多能聯儲、多能聯供的能力，可以實現多種

能量形式的儲存、轉換和利用，滿足不同形式的用能需求，提升系統能量綜合利用效率。

3-10下列對于中溫絕熱壓縮空氣儲能系統的描述中錯誤的是(A)

A、一般采用固體填充床進行蓄熱B、關鍵設備技術成熟、成本合理

C、系統穩定、可控性強D、具備多能聯供能力

3-11簡述常用的壓縮空氣儲能空氣存儲設備及其優缺點。

答：壓縮空氣儲存設備主要分為等容型和等壓型。等容型儲氣裝置主要包括鋼制壓力容

器、管線鋼鋼管和深地空間。普通鋼制壓力容器在壓縮氣體領域的應用非常廣泛，然而，當

應用于中等容量以上的儲能場景時，普通鋼制壓力容器儲氣庫的成本將成為限制其應用的主

要因素。管線鋼鋼管最初的用途是輸送石油或天然氣，采用管線鋼鋼管進行儲氣時，可以將

其陣列化布置于地上，或淺埋于地下以節省地面空間。在中小容量等級的壓縮空氣儲能系統

中，采用管線鋼鋼管陣列進行儲氣成為最佳選擇之一，但在大規模壓縮空氣儲能系統中，其

儲氣成本仍然偏高。以地下鹽穴、煤礦巷道等地下洞穴為代表的地下儲氣庫容量大、占地少，

是目前建造大容量壓縮空氣儲能系統的有利支撐條件。

等壓儲氣裝置主要包括水下承壓氣囊和重力恒壓儲氣裝置等。恒壓儲氣裝置受限于材料

技術、加工工藝和成本等條件，目前只適用于小容量壓縮空氣儲能系統或實驗系統。

3-12目前可用于壓縮空氣儲能系統的壓縮機有哪兒種？它們各有什么優缺點？應用于壓縮

空氣儲能系統時，壓縮機應該按照什么方法進行選型？

答：目前適用于壓縮空氣儲能系統的壓縮機類型主要為往復式壓縮機、離心式壓縮機和

軸流式壓縮機。

往復式空氣壓縮機的優點是機械效率高，排氣穩定,排氣壓力覆蓋范圍廣，排氣壓力高。

但其轉速低、結構復雜、易損件多、日常維修量大；周期性往復運動導致動平衡性差，運轉

時有振動。

離心式壓縮機轉速高、排氣量大、排氣均勻，密封良好、泄漏量少，性能曲線平坦、操

作范圍寬。同時，離心式壓縮機易損件和維修量較少，易于實現自動化和大型化，非常適合

應用于壓縮空氣儲能系統。但離心式壓縮機氣流速度大，流道內的零部件有較大的摩擦損失;

存在喘振現象，危害壓縮機本身和系統的運行安全。

軸流式壓縮機具有通流能力大、流量大、阻力損失小、效率高等優點，同時其結構簡單、

運行維護方便、占地面積小。但軸流式壓縮機一般壓比較小，制造工藝要求較高，穩定工況

區比較窄，流量可調節的范圍比較小。軸流式壓縮機在用于壓縮空氣儲能系統時，一般需要

和離心壓縮機串聯使用。

3-13關于軸流式膨脹機，以下描述錯誤的是(C)

A、通流能力大B、流量大C、結構簡單、制造工藝要求低D、損失小、效率高

3-14和管殼式換熱器相比，板式換熱器具有什么優點和缺點？其是否可應用于壓縮空氣儲

能系統？

答：板式換熱器具有換熱效率高、熱損失小、結構緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方

便、應用廣泛、使用壽命長等特點。但板式換熱器無法承受高溫高壓，密封難度高，使用過

程中容易出現泄漏問題。盡管在換熱能力和體積上板式換熱器有一定的優勢，但是對于高溫

過程和帶壓的換熱過程，實施過程中還是應該主要考慮采用管殼式換熱結構。

3-15已知某壓縮機進口空氣的焰值加為298.45kJ/kg,流速cn為55m/s；壓縮機出口空氣

焰值hi為621.28kJ/kg,流速cc為22m/s；散熱損失和勢能差可以忽略不計。試求1kg空

氣流經壓縮機時壓縮機對其做功的量。若空氣流量為120t/h,試求壓縮機的功率。

解：由式(3-11)可知壓縮機的能量方程為

q=(無2-b)+1(t/22-c/i2)+9(Z2-zj-Wc

根據題意可知，q=0,g(Z2-z?=0,于是壓縮1kg空氣所需要的技術功為

1

%=(電-九1)+2?2?-CfJ)

1

=(621.28kj/kg-298.45kj/kg)+-[(22m/s)2-(55m/s)2]xIO-3

=322.83kj/kg-1.27kj/kg=321.56kj/kg

壓縮機的功率為

3

mwc120x10kg/sx321.56kj/kg

3600=3600=10718.7kW

3-16空氣的初始狀態為po=O.lMPa、ri=20Q,經三級壓縮后空氣壓力達到12.5MPa。各級

壓縮均為等燃壓縮且等端效率均為90%,壓縮機的質量流量為10kg/s,空氣的絕熱系數為

1.4,氣體常數為0.287kJ/(kg-K)。假設各級壓縮機的入口溫度均相同，試求壓縮系統的最小

功率和排氣溫度分別是多少？如果采用單機壓縮達到12.5MPa,則壓縮機的功率和排氣溫

度分別為多少？

解：壓縮機功耗最小時各級壓縮比相等，即

則第一級壓縮機的功耗為

1k(B\

WL丐—RgT鄧卜-1)

10kg/s1.4,、(L4—i

=F茨，xT-p-rx0.287kj/(kg-K)x(273.15+20)Kx5k-1

yu%1.4—i\

=1910.19kW

第一級壓縮機的出口溫度為

k-l\/1.4-1\

(1+—1-273.15=293.15Kx(1+——I-273.15K=210.16C

由于一、二、三級入口溫度相等，則可以求得其功耗分別為

卬2=卬3=%=1910.19kW

第二、三級的排氣溫度為

t2==ti=210.16℃

則該壓縮空氣儲能系統壓縮機的總功耗為

w=y3=1910.19kWx3=5730.57kW

若采用單級壓縮，則其壓縮比￡為125,其功耗為

1kfc-i

%口/?--1

10kg/s1.4

------Xx0.287kj/(kg-K)x(273.15+20)K

90%----1.4-1

1.4-1)=9727.3kW

X125TF-1

壓縮機排氣溫度為

1.4-1

125HLT-1

一?！?273.15=293.15Kx1+~90%~-273.15K

=988.37℃

3-17某壓縮空氣儲能系統膨脹部分采用三級膨脹、級間再熱的方式。一級空氣透平進氣壓

力pi=6.4MPa、n=180□,三級膨脹完畢后的壓力為環境壓力0.1MPa。各級透平均為等嫡

膨脹，三級透平的等嫡膨脹效率分別為90%、88%和85%,膨脹比均為5,透平的質量流量

為2.5kg/s,空氣的絕熱系數為1.4,氣體常數為0.287kJ/(kg-K)。假設各級空氣透平的入口

溫度相同且不考慮換熱器的流動阻力損失，試求透平的輸出功率及各級透平排氣溫度。

解：一級透平的排氣溫度為

T=Tj[1-(1-J=(180+273.15)Kx1-90%x(1—5^TH=

2302.82K

t2=T2-273.15=29.67C°

一級透平的輸出功率為

k/

=mT

%^TK―—7JL

1.4

=2.5kg/sx(180+273.15)Kx——-x0.287kj/(kg-K)x90%

1.4—1

377.53kW

類似可求得，二級、三級透平的溫度分別為33.01□和38.02門；二級、三級透平的輸出

功率為369.14kW和356.55kW,透平的總輸出功率為

iv=\3Wj=377.53kW+369.14kW+356.55kW=1103.22kW

3-18某深冷液化空氣儲能系統，采用兩級壓縮、兩級膨脹的布置方式，其儲能時間和釋能

時間均為6小時。除了輸出電力外，該系統還可同時實現供熱和制冷應用。儲能階段，一、

二級壓縮機的功率分別為10.32MW和9.75MW,釋能階段，一、二級空氣透平的輸出功率

分別為5.42MW和4.98MW,其供熱和制冷功率分別為1.84MW和870kW。試求該系統

的電-電效率和循環效率。

解：該系統的電-電效率為

wT(5.42+4.98)MWx6h

tdis51.82%

“ESE=正就=(10.32+9.75)MWx6h義100%=

循環效率為

_(%+Qn+Qc)"is_(542+4.98+1.84+0.87)MWx6h_

“RTE=(Wc+qmH。=(10.32+9.75)MWx6h義1°%=65.32%

3-19某非補燃壓縮空氣儲能系統采用四級壓縮、三級膨脹的技術方案，采用加壓水作為傳

熱和儲熱工質，其方案如下圖所示。圖中，各物流節點都進行了標注，A代表空氣，W代表

水，各節點的壓力、溫度、流量、比媚如下表所示。該方案中，壓縮時間為8小時，膨脹時

間為4小時。14級壓縮機的功率分別為3.607MW、3.907MW、3.907MW和3.914MW,

1-3級透平的功率分別為5.564MW、5.591MW和5.552MW。試求：（1）該壓縮空氣儲能的

循環效率；（2）各壓縮機、透平和換熱器的蟒損失。

-二級步總機三短壓箱機再蝮代維機tin*

習題3-19附圖某非補燃壓縮空氣儲能流程圖

習題3-19附表某非補燃壓縮空氣儲能節點參數表

節點P/MPaz/om/(kg/s)ex/(kJ/kg)

A10.1012027.780.0632

A20.30149.6727.78113.54

A30.304027.7893.20

A40.90179.8627.78217.3

A50.904027.78186.94

A62.70180.227.78311

A72.704027.78280.1

A88.10180.727.78404.5

A98.104027.78372

A104.302555.56318.8

All4.3011055.56329.6

A121.2256.62555.56213.4

A131.22511055.56223.2

A140.358.13955.56106.5

A150.3511055.56116.3

A160.1019.50655.560.434

W10.1013039.010.179

W20.630.0339.010.769

W30.630.0310.830.769

W40.312010.8355.11

W50.630.0310.280.769

W60.312010.2855.11

W70.630.0310.070.769

W80.312010.0755.11

W90.630.037.830.769

W100.31207.8355.11

W110.312044.5055.11

W120.311544.5049.84

W130.611544.5050.23

WI40.611515.3150.23

W150.33015.310.645

W160.611515.7350.23

W170.33015.730.645

W180.611513.4650.23

W190.33013.460.645

W200.33044.500.645

解：

(1)該壓縮空氣儲能系統無其他熱量輸入也沒有供熱、制冷輸出，其電-電效率和循環效

率相等，即

wtTdis(5.564+5.591+5.552)MWx4h__

(X10%

“ESE=W＜：TCH=3.607+3.907+3.907+3.914)MWx8h°=54.47%

(2)一級壓縮機的煙損失為

,、(113.54-0.0632)kj/kg

4Ex,ci=Wd-mcl(exA2-exA1)=3.607MW-27.78kg/sx-----------------------------------

=0.455MW

按相同的計算方法可得，二級、三級、四級壓縮機的爆損失分別為0.459MW、0.461MW、

0.458MW,

一級透平的煙損失為

/、(329.6-213.4)kj/kg

-eXiA12)-wtl=55.56kg/sx------------布而----------5.564MW

=0.89MW

按相同的計算方法可得，二級、三級透平的燒損失分別為0.893MW、0.886MW。

換熱器1的爆損失為

=mA2(ex,42—ex,A3)—mW,9(ex,IV10—ex,W9)

27.78kg/sx(113.54-93.20)kj/kg-7.83kg/sx(55.11-0.769)kj/kg

=1000

=0.139MW

按相同的計算方法可得，換熱器2~換熱器7的期］損失分別為0.296MW、0.299MW,

0.314MW、0.067MW、0.235MW、0.214MW。

第4章習題答案

4-1鉛酸電池的原理是什么？請寫出它的反應方程式。

解：

傳統鉛酸電池的電極由鉛及其氧化物制成，電解液采用硫酸溶液。在充電狀態下，鉛酸

電池的正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態下，正負極的主要成分均為

硫酸鉛。放電時，正極的二氧化鉛與硫酸反應生成硫酸鉛和水，負極的鉛與硫酸反應生成硫

酸鉛；充電時，正極的硫酸鉛轉化為二氧化鉛，負極的硫酸鉛轉化為鉛。

鉛酸電池反應如下。

正極：

PbCh+3H*+HSO；+2e-=PbSCh+2Hq

負極：

Pb+HSO”mPbSCh+H*+2e「

總反應：

PbO2+Pb+2H2SO4=2Pbsch+2H?

4-2請簡述鉛酸電池的工作方式。

解：

鉛酸電池主要有充電放電制和定期浮充制兩種充電方式。

充電放電制是指鉛酸電池組充電過程與放電過程分別進行的一種工作方式，即先用整流

裝置給鉛酸電池組充滿電后，再由鉛酸電池的負載供電(放電)，然后再充電、再放電的一

種循環工作方式。充電放電制主要用于移動型鉛酸電池組。例如，汽車摩托車啟動用鉛酸電

池組、鉛酸電池車輛用鉛酸電池組等，當有兩組相同型號的固定型鉛酸電池組，一組工作,

而另一組備用時，一般也采用這種工作方式。

定期浮充制就是整流設備與鉛酸電池組并聯并定期輪流向負載供電的一種工作方式。也

就是說，由整流設備和鉛酸電池組所構成的直流電源，部分時間由鉛酸電池向負載供電；其

他時間由整流設備浮充鉛酸電池組供電，即整流設備在直接向負載供電的同時，還要向鉛酸

電池充電(浮充)，以補充鉛酸電池放電時所消耗的能量以及因局部放電所引起的容量損失。

4-3簡述鉛酸電池的充放電特性。

解：

鉛酸蓄電池充電曲線如下圖所示，其內部反應如下：

電任變化函埼

電?攵化?彼

M

A

a

0

畬

0

克電時

圖4-17習題4-3不意圖

(1)在電池充入電量至70%~80%之前，利用整流器的限流特性維持充電電流不變，此過

程電池端電壓幾乎呈直線上升；

(2)當電流的端電壓上升至穩壓點附近時，由于充電歷程已到中后期，此時正極板上

PbSO4數量已不多，使交換電流密度隨反應面積的變小而增大，所以電化學極化作用已經

變小，而電池內阻也明顯減少。但是，充電的真實表面積已經變小了，故引起了電極真實電

流密度的增大。繼而使電極表面附近電解液濃度增高，導致濃差極化影響嚴重，造成電池內

電流迅速衰減。

(3)當充電至后期，電池電流已明顯變小，所以濃差極化作用隨之減小。而電化學極化

作用影響又增加，所以電池電流繼續衰減，只是衰減速度變慢。

(4)充電末期，充入電池的電流大部分用于維持電池內氧循環，僅極小的電流用于維持

活性物質的恢復，因而電池電流穩定不變。

鉛酸蓄電池放電曲線如下圖所示，其內部反應如下：

10

ISOI-------1----------------------------------------------------------------------------L.

01234s678910n12

川“Mi

圖4-18習題4-3示意圖

(1)在放電初期，端電壓u下降很快，這是因為在放電初期，活性物質微孔內的電解液

濃度下降很快，使電動勢E明顯減小，同時內電阻r的明顯減小也使內電阻電壓降lr有較大

減小，端電壓U也將快速減小。

(2)在放電中期，由于活性物質微孔內的電解液逐漸擴散，其濃度趨于平衡，使電動勢

E和內電阻r的減小變得緩慢，也使端電壓U緩慢減小。臨近放電中期末尾時，正負極板表

面上的活性物質［二氧化鉛(PbO2)和海綿狀金屬鉛(Pb)］已經大部分轉換成硫酸鉛(PbS04)。

(3)放電后期，極板上活性物質轉換成硫酸鉛的轉換作用已經很微弱，這時，端電壓的

下降將變快，當放電電壓下降到終了電壓(1.8V)時，蓄電池應立即停止放電，這時，端電壓

將很快恢復到2.0V左右，如果不立即停止放電，蓄電池的端電壓將急劇下降，同時對蓄電

池的使用壽命也將產生不利影響。

4-4請簡述鉛炭電池的特點。

解：

在負極引入活性炭，使電池兼具鉛酸電池和超級電容器的優勢，能夠顯著提高鉛酸電池

的壽命，同時可有效抑制普通鉛蓄電池負極不可逆硫酸鹽化的問題，使其大電流充放電性能

和循環壽命得到顯著提升。

其優勢在于：(1)成本低廉、制造工藝簡便；(2)能量成本低；(3)工作溫度范圍寬

泛，低溫性能好于鋰電池無需單體BMS。

其劣勢在于：(1)比功率、比能量偏低充電速率低，滿充需要14-16小時；(2)需防止

不可逆硫酸鹽化；(3)循環壽命短，重復深度充放減少電池壽命；(4)回收困難，對環境有

害。

4-5鋰離子電池的原理是什么？請寫出它的反應方程式。

電池充電時，正極上的電子通過外部電路跑到負極上，而鋰離子從正極脫嵌，穿過電解

質和隔膜嵌入負極，與從正極跑過來的電子結合，使得負極處于富鋰態，正極處于貧鋰態,

同時電子的補償電荷從外電路供給到負極，保證負極的電荷平衡；放電時則相反，電子從負

極經過外部電力電子器件跑到正極，鋰離子從負極脫嵌，穿過電解質和隔膜重新嵌入正極，

正極，與從負極跑過來的電子結合。因此鋰離子電池實質為一種鋰離子濃差電池，依靠鋰離

子和電子在正負極之間的轉移來完成充放電工作。

鋰離子電池的化學反應式：

LiMO2+/7C^Li,.xMO2+LixCn

正極反應：

+

LiMO20Li..xMO,+xLi+xe

負極反應：

+-

xLi4-xe+=LiCn

4-6簡述鋰離子電池的充放電特性。

答：

充電過程：隨著鋰離子充電電流的增加，恒流時間逐步減少，恒流可充入容量和能量也

逐步戒少。在實際電池組應用中，可以以鋰離子電池允許的最大充電電流充電,達到限壓后，

再進行恒壓充電，這樣在減少充電時間的基礎上，也保證了充電的安全性；另外，應綜合考

慮充電時間和效率，選擇適中的充電電流，以咸少內阻能耗。

放電過程：電池在初始階段端電壓快速下降，放電倍率越大，電壓下降的越快；隨后，

電池電壓進入一個緩慢變化的階段，這段時間稱為電池的平臺區，放電倍率越小，平臺區持

續的時間越長，平臺電壓越高，電壓下降越緩慢；在電池電量接近放完時，