儲能技術 習題答案匯總 （梅生偉）第1--9章

1、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(lián)系與區(qū)別。解：聯(lián)系：廣義的儲能方式包含狹義的儲能方式。區(qū)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(qū)別。解：能量密度是指單位質量或體積的儲能系統(tǒng)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(tǒng)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）

2、與體積功率密度（體積比功率），常用單位分別為W/kg或 W/Lo1-3簡述儲能技術在三個歷史時期的發(fā)展特點。解：根據(jù)各歷史階段儲能使用的不同特點，可以把整個儲能發(fā)展歷史大致分為三個時期，即 初步探索期、多元發(fā)展期和高速發(fā)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(fā)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(shù)領域中得到了使用。多元發(fā)展期：電化學儲能、抽水蓄能等多種儲能技術進入了新的發(fā)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(fā)展期：新能源的推廣使用和科學技術的

3、發(fā)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(fā)展較為成熟，裝機容量大幅提升；電化學儲能逐步實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn) 業(yè)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(fā)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(fā)展態(tài)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(tài), 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(fā)電機狀態(tài)，利用儲存 在上游水庫中的水發(fā)電。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(yè)余熱相結合

4、B、需要化石燃料補燃C、具備多能聯(lián)儲、多能聯(lián)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(tǒng)燃氣動力循環(huán)有什么聯(lián)系和區(qū)別？ 補燃式壓縮空氣儲能的優(yōu)點和局限性又是什么？答:傳統(tǒng)的燃氣動力循環(huán)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(huán)，在壓縮空氣儲能系統(tǒng)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(xiàn)壓縮空氣儲能的技術路線稱為補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)。補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃氣動力循環(huán)存在較多相似之處,但兩者結構上最顯著 的

5、區(qū)別在于，燃氣動力循環(huán)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(tǒng)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(fā)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(yōu)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

6、統(tǒng)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(tǒng)難以實現(xiàn)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(tǒng)穩(wěn)定性、可控性較強，具備多能聯(lián)儲、多能聯(lián)供的能力，易于實現(xiàn)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(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)結構簡單、運行參數(shù)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(xiàn)，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

7、空氣儲能系統(tǒng)形式較多,可在理論研究或工程應用中根據(jù)需求進行多樣化的 設計和調整。復合壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有較強的多能聯(lián)儲、多能聯(lián)供的能力，可以實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定、可控性強D、具備多能聯(lián)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(yōu)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

8、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(jié)省地面空間。在中小容量等級的壓縮空氣儲能系統(tǒng) 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(guī)模壓縮空氣儲能系統(tǒng)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(tǒng)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

9、儲能系統(tǒng)或實驗系統(tǒng)。3-12目前可用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓縮機有哪幾種？它們各有什么優(yōu)缺點？應用于壓縮 空氣儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)點是機械效率高，排氣穩(wěn)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(xiàn)自動化和大型化，非常適合 應用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)。

10、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(xiàn)象，危害壓縮機本身和系統(tǒng)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(yōu)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(wěn)定工況 區(qū)比較窄，流量可調節(jié)的范圍比較小。軸流式壓縮機在用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)時，一般需要 和離心壓縮機串聯(lián)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(yōu)點和缺點？其是否可應用于壓縮空氣儲 能系統(tǒng)？答：板式換熱器具有

11、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(xiàn)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(yōu)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歷為298.45 kJ/kg,流速s為55 m/s；壓縮機出口空氣 焙值為621.28 kJ/kg,流速呃為22 m/s；散熱損失和勢能差可以忽略不計。試求1 kg空 氣流經(jīng)壓縮機時壓縮機對其做功的量。若空氣流量為120 t/h,試求壓縮機的功率。解：由式(3-11)可知壓縮

12、機的能量方程為1q = & - /ii) + - (c/22 - cfl2) + g(z2 - zi) wc根據(jù)題意可知，q=0, g(z2-zi尸0,于是壓縮1 kg空氣所需要的技術功為1Wc =(八2 一 九1) + 5 (C/22 一 912)1=(621.28 kj/kg - 298.45 kj/kg) + - (22 m/s)2 - (55 m/s)2 x 10-3乙=322.83 kj/kg - 1.27 kj/kg = 321.56 kj/kg壓縮機的功率為mwc3600mwc3600=10718.7 kW3600120 x 103 kg/s x 321.56 kj/kg3-16

13、空氣的初始狀態(tài)為po=OMPa、Zi=20 ,經(jīng)三級壓縮后空氣壓力達到12.5 MPa。各級 壓縮均為等嫡壓縮且等嫡效率均為90%,壓縮機的質量流量為10 kg/s,空氣的絕熱系數(shù)為 1.4,氣體常數(shù)為0.287kJ/(kgK)。假設各級壓縮機的入口溫度均相同，試求壓縮系統(tǒng)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12.5 MPa,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3 P3 _ 3 12.5 MPa _Jpo - J 0.1 MPa - 5則第一級壓縮機的功耗為10 kg/s _ 1.490% X 1.4-110 kg/s _ 1.490%

14、 X 1.4-1/ 1.41x 0.287 kj/(kg K) x (273.15 + 20) Kx - 1=1910.19 kW第一級壓縮機的出口溫度為k-l /1.4-10 k _ I 5 1-4 - 1 1 + - 273.15 = 293.15 Kx 1+ - 273.15 K = 210.16 C790%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 = Wi = 1910.19 kW第二、三級的排氣溫度為七2 = J = 210.16 則該壓縮空氣儲能系統(tǒng)壓縮機的總功耗為w = 3 Wi = 1910.19 kWx 3 = 5730.57 kW若采用單級壓縮，則其

15、壓縮比夕為125,其功耗為1 k%=m-T k 11 k%=m-T k 1/ k-lRgT0(0丁一 110 kg/s 1.4=90% X YJTY X 0.287 kj/(kg . K) x (273.15 + 20) K/1.4-1壓縮機排氣溫度為/ k-lI /?41。1 + F-壓縮機排氣溫度為/ k-lI /?41。1 + F-x 125F- - 1 = 9727.3 kW/1.4-1/125-1-273.15 = 293.15 Kx 1+ - 273.15 K90%=988.37 3-17某壓縮空氣儲能系統(tǒng)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0=6.4MPa

16、、/I=180 ,三級膨脹完畢后的壓力為環(huán)境壓力0.1 MPa。各級透平均為等蟒 膨脹，三級透平的等燧膨脹效率分別為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(shù)為1.4,氣體常數(shù)為0.287 kJ/(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/ l-kT2 = T1 1一 1一丁/ l-kT2 = T1 1一 1一丁rj = (180 + 273,15) Kx 1 - 90% x 1 - 54302.82 Kt2 = T2 - 273.15 = 29.67 C

17、一級透平的輸出功率為 k /Wi =k Jr1.4=2.5 kg/s x (180 + 273,15) K x - x 0.287 kj/(kg K) x 90%1.4 1/1-1.4x 1 - 5T4- = 377.53 kW類似可求得，二級、三級透平的溫度分別為33.01 口和38.02 口；二級、三級透平的輸出 功率為369.14 kW和356.55 kW,透平的總輸出功率為W = 3 叼=377.53 kW + 369.14 kW + 356.55 kW = 1103.22 kW3-18某深冷液化空氣儲能系統(tǒng)，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

18、力外，該系統(tǒng)還可同時實現(xiàn)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5.42 MW和4.98 MW,其供熱和制冷功率分別為1.84 MW和870 kW。試求該系統(tǒng)的電-電效率和循環(huán)效率。解：該系統(tǒng)的電-電效率為ESE =ESE =x 100% = 51.82%(5.42 + 4.98)MWx 6h(10.32 + 9.75)MWx6h循環(huán)效率為Drte =Drte =(卬t+。九+ qc)s(Wc + Qin)ch.(5.42 + 4.98 + 1.84 + 0.87)MW x 6h(10.32 + 9.75)

19、MWx6hx 100% = 65.32%3-19某非補燃壓縮空氣儲能系統(tǒng)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(jié)點都進行了標注，A代表空氣，W代表 水，各節(jié)點的壓力、溫度、流量、比如如下表所示。該方案中，壓縮時間為8小時，膨脹時 間為4小時。1-4級壓縮機的功率分別為3.607 MW、3.907 MW、3.907 MW和3.914 MW, 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(huán)效率；（2）各壓縮機、透平和換熱器的煙損失。習題3-19附圖某非補燃壓縮空氣儲能流程圖習題31

20、9附表某非補燃壓縮空氣儲能節(jié)點參數(shù)表節(jié)點P/MPa/m /(kg/s)ex /(kJ/kg)A10.1012027.780.0632A20.30149.6727.78113.54A30.304027.7893.20A40.90179.8627.78217.3A50.904027.78186.94A62.70180.227.78311A72.704027.78280.1A88.10180.727.78404.5A98.104027.78372A104.302555.56318.8All4.3011055.56329.6A121.2256.62555.56213.4A131.22511055.56

21、223.2A140.358.13955.56106.5A150.3511055.56116.3A160.1019.50655.560.434W10.1013039.010.179W20.630.0339.010.769W30.630.0310.830.769W40.312010.8355.11W50.630.0310.280.769W60.312010.2S55.11W70.630.0310.070.769W80.312010.0755.11W90.630.037.830.769W100.31207.8355.11W110.312044.5055.11W120.311544.5049.84W1

22、30.611544.5050.23W140.611515.3150.23W150.33015.310.645W160.611515.7350.23W170.33015.730.645W180.611513.4650.23W190.33013.460.645W200.33044.500.645解:(1)該壓縮空氣儲能系統(tǒng)無其他熱量輸入也沒有供熱、制冷輸出，其電-電效率和循環(huán)效 率相等，即wtTdis (5.564 + 5.591 + 5.552)MW x 4htjkf =x 100% = 54.47%wcTch (3.607 + 3.907 + 3.907 + 3.914)MW x 8h(2)一

23、級壓縮機的煙損失為/、(113.54- 0.0632) kj/kg4E%,ci = Wd - mcl(ex)A2 - exA1) = 3.607 MW - 27.78 kg/s x=0.455 MW按相同的計算方法可得，二級、三級、四級壓縮機的煽損失分別為0.459MW、0.461MW、0.458MWo一級透平的煙損失為/“門=mtlex)A11 -。/12)-= 55.56 kg/s x/“門=mtlex)A11 -。/12)-= 55.56 kg/s x(329.6- 213.4) kj/kg1000-5.564 MW=0.89 MW按相同的計算方法可得，二級、三級透平的煙損失分別為0.8

24、93MW、0.886MWo 換熱器1的煙損失為4%,九 el = mA2ex,A2 一 ml4/9(ex,IV10 ex,W9)27.78 kg/s x (113.54- 93.20) kj/kg - 7.83 kg/s x (55.11 - 0.769) kj/kg1000=0.139 MW按相同的計算方法可得，換熱器2換熱器7的煙損失分別為0.296MW、0.299MW、0.314 MW 0.067 MW 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(tǒng)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(tài)下，鉛酸 電池的正

25、極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態(tài)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；+26- *PbSO4+2H2O負極：Pb+HSO；討 PbSO4+H+ +2e-總反應：PbCh+Pb+2H2s* 2PbSO4+2H2O4-2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

26、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(huán)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(lián)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

27、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：481216光電時間(h)2 2 2 2 (身整裂沃A Ji A 30403020圖4-17習題4-3不息圖(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(wěn)壓點附近時，由于充電歷程已到中后期，此時正極板上 PbSO4數(shù)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(jīng) 變小，而電池內阻也明顯減少。但是，充電的真實表面積已經(jīng)變小了，故弓I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，

28、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(xù)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(huán)，僅極小的電流用于維持 活性物質的恢復，因而電池電流穩(wěn)定不變。鉛酸蓄電池放電曲線如下圖所示，其內部反應如下：圖4-18習題4-3不意圖(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

29、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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(yōu)勢，能夠顯著提高鉛酸電池 的壽命，

30、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(huán)壽命得到顯著提升。其優(yōu)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(huán)壽命短，重復深度充放減少電池壽命；(4)回收困難，對環(huán)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(tài)，正極處于貧鋰

31、態(tài), 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(jīng)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：LiMO + nC QLi XMO? +Li CnL、I -八ZA 11正極反應：LiMO? LiXMO? + xLi+ +xeZ 、I - A乙負極反應:xLi+ +xe + nC Q LiC4-6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

32、減少，恒流可充入容量和能量也 逐步減少。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，以減少內阻能耗。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(qū)，放電倍率越小，平臺區(qū)持 續(xù)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，電池負載電壓 開始急劇下降直至達到放電截止電壓。4-7請簡述鋰離子電池的特點。解：鋰離子電池優(yōu)勢在于：(1)高能量密度，高功

33、率密度；(2)能量轉換效率高，95%以上； (3)長循環(huán)壽命；(4)可快充快放，充電倍率一般在0.53C。鋰離子電池劣勢在于：(1)采用有機電解液，存在較大安全隱患；(2)循環(huán)壽命和成本 等指標尚不能滿足電力系統(tǒng)儲能應用的需求；(3)不耐受過充和過放；(4)使用循環(huán)中不可 避免自然緩慢衰退；(5)低溫下( 10000 次，日歷壽命可達20年；響應速度快、自放電率低且環(huán)境友好。但液流電池能量密度相比 其他電化學儲能技術較低，系統(tǒng)相對復雜。4-9全鋼液流電池的原理是什么？請寫出它的反應方程式。解：全鈿液流電池中，正極電解液為含有五價鈿和四價鈿離子的硫酸溶液，負極電解液為含 有三價鋼和二價鈿離子的硫

34、酸溶液，二者由離子交換膜隔開。在對全鋼液流電池進行充放電 過程中，正負極電解液在各自電極區(qū)進行化學反應，鈿電池中的電能以化學能的方式存儲在 不同價態(tài)鈿離子的硫酸電解液中，通過循環(huán)泵把電解液壓入電池堆內，在機械動力作用下, 使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動，采用質子交換膜作為電池組的隔膜, 電解質溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學反應，通過雙極板收集和傳導電流，從而使得存 儲在溶液中的化學能轉換為電能。全鋼液流電池反應如下：正極電對：V(V)/V(IV)VOH2O-eVO：+2H壓縮空氣儲能是利用壓縮空氣作為載體來實現(xiàn)能量存儲和利用的一種能源系統(tǒng)。儲能時, 電能或機械能驅動壓縮機由環(huán)

35、境中吸取空氣將其壓縮至高壓狀態(tài)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(fā)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(tǒng)鉛酸電池的特性。解：傳統(tǒng)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(tài)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(tài)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(tǒng)鉛酸電池的安全優(yōu)勢，本身

36、 沒有易燃材料，不燃不爆。但是，鉛炭電池較傳統(tǒng)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）、缽酸鋰（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。

37、 與其他化學電池相比，鋰電池具有顯著的優(yōu)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

38、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(tài)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(wǎng)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(yōu)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(wěn)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。V+e 蘭a4-10請簡述全鋼液流電池、鐵路液流電池和鋅濱液流電池的特點。解：全鈿液流電池能量密度較低，成本過高；鋅浸液流電池能量密度高、材料成本較低且對 環(huán)境友好；鐵路液流電池電池成本較低且無污染，制備

39、較為容易。4-11鈉硫電池的原理是什么？請寫出它的反應方程式。解：鈉硫電池采用加熱系統(tǒng)把不導電的固態(tài)鹽類電解質加熱熔融，使電解質呈離子型導體而 進入工作狀態(tài)。作為固體電解質兼隔膜，固態(tài)氧化鋁陶瓷管只允許帶正電荷的鈉離子通 過并在正極和硫結合形成硫化物。鈉硫電池在放電過程中，電子通過外電路由陽極（負極） 到陰極（正極），而Na.則通過固體電解質B-AI2O3與S?-結合形成多硫化鈉產(chǎn)物，在充電時 電極反應與放電相反。鈉與硫之間的反應劇烈，因此兩種反應物之間必須用固體電解質隔開, 同時固體電解質又必須是鈉離子導體。鈉硫電池反應如下。正極：負極:夯由2NK2NaN 陷2Na + xS4-12請簡述鈉

40、硫電池的特點。解：鈉硫電池單位質量或單位體積所具有的有效電能量較高，也稱其比能量較高。其理論比 能量為760wh/kg,是鉛酸電池的3-4倍；此類電池能夠進行大電流、高功率放電，其放電 電流密度一般可達200-300mA/cm2,并瞬時間可放出其3倍的固有能量；由于鈉硫電池采 用固體電解質，沒有通常采用液體電解質二次電池的自放電及副反應，使得其充放電效率很 高，但其僅能在300-350C。的溫度下工作，所以在鈉硫電池工作時需要適時加熱保溫；鈉硫 電池系統(tǒng)規(guī)?？筛鶕?jù)應用需求通過鈉硫電池模塊集成靈活擴展，達到MW級別；此外還具 有無放電污染、無振動、低噪聲、環(huán)境友好等優(yōu)點。第5章習題答案5-1.試

41、根據(jù)氫原子的基態(tài)能級，計算每摩爾氫原子的電離能。解：每摩爾氫原子的電離能二 13.6x1. 6x10-9x0022x1（）23=1310 kj/mol 5-2.簡述氫能的特點。答：氫能可以通過燃燒、催化產(chǎn)熱、化學產(chǎn)熱、電化學產(chǎn)電等不同的轉化方式進行應用， 具有多轉換性的特點。5-3.簡述氫儲能的作用。答：由于氫能具有多轉化性的特點，和其他儲能技術相比，氫儲能不僅具有調節(jié)電網(wǎng)波 動性的作用，還具有代替部分化石能源、充當化工原料的作用。5-4,簡述氫儲能的主要環(huán)節(jié)及其特點。答：氫儲能作為一個全產(chǎn)業(yè)鏈，可分為上游制備，中游儲運，下游應用三個環(huán)節(jié)，根據(jù) 應用場景及需求的不同，產(chǎn)業(yè)鏈可由三環(huán)節(jié)中的元素搭

42、配組成。1)上游制取上游制取氫氣的方式可分為化石能源重整制氫、電解水制氫、新型制氫技術三類，其特點各 不相同。2)中游儲運氫能的中游儲運方式可分為氫的高壓氣態(tài)儲運、低溫液態(tài)儲運及固態(tài)儲運三類。3)下游應用氫能應用具有多轉換性的特點。其主要的應用方式有：(1)直接燃燒，即利用氫和氧發(fā)生反應放出的熱能；(2)通過燃料電池轉化為電能，即利用氫和氧在催化劑作用下的電化學反應直接獲取電 能；(3)化學反應，即在化工等行業(yè)中利用氫的還原性質。5-5.試問興登堡和挑戰(zhàn)者號上使用氫的物理狀態(tài)，并簡述該狀態(tài)起什么作用。答：興登堡號飛艇使用的氫為氣態(tài)，作用是給飛艇提供浮力。挑戰(zhàn)者號航天飛機使用的 氫為液態(tài)，是作為

43、液態(tài)燃料給航天飛機提供動力。5-6.在天然氣水蒸氣重整制氫中，在400K、800K、1200K溫度下，試分別判斷制備合成氣 的反應能否自發(fā)進行。(不同溫度下標準吉布斯自由能如下表所示)解：類別G/(400K)(kJ/mol)G，(800K)(kJ/mol)G，CL200K)(kJ/mol)co-146.4-182.5-217.8h2o-224.0-203.6-181.6ch4-42-2.141.6合成氣反應為：CH4+H20T3H2+C0 由式GJ = AGCCO) + 3AG/)(H2) - AG(CH4) - AG(H2O)可知，在400、800、1200K時反應前后標準吉布斯自由能的變化

44、為1斯.6、23.2、-77.8 kJ/moL所以該反應在1200K時能自發(fā)進行。5-7. Tid是常用的光催化制氫材料，已知TiO2的帶隙為3.2eV,試求太陽光譜中TiO2的光波 長吸收限，并提出一種可以拓寬其吸收限的方法。h c解：由E = /ru可得，4 =388.4 nmE故其光波長的吸收限是388.4 nmo摻雜是調控半導體電子結構的有效途徑。摻雜過渡金屬離子可以在半導體禁帶內引入雜 質能級，從而擴寬其吸收限。此外，陰離子摻雜可調節(jié)半導體導帶位置，擴大材料的光響應 范圍。5-8.在變壓吸附純化氫氣的過程中，假設吸附劑的熱導率較小，吸附熱和解吸熱引起的床 層溫度的變化不大，可以將其看

45、成是等溫過程。試設計至少2種的吸附-解吸工藝。答：(1)常壓下吸附，真空下解吸； 加壓下吸附，常壓下解吸。5-9.試問化學吸附與物理吸附之間的區(qū)別?；瘜W吸附與物理吸附對比1、原理：化學吸附依靠的是比較強的化學鍵，物理吸附依靠的是比較弱的范德華力2、層數(shù)：化學吸附只能是單層吸附，物理吸附可以是多層吸附3、可逆性：化學吸附不可逆，物理吸附可逆4、吸附溫度：化學吸附的吸附溫度更高(反應熱)，物理吸附的溫度低(反應熱)5、吸附速率：化學吸附比物理吸附速率慢6、吸附選擇物性：化學吸附具有吸附選擇性，物理吸附不存在吸附選擇性5-10.在高壓氣態(tài)儲氫中，若儲氫罐的瓶壓是20MPa,體積為50L,試計算其在3

46、00K時， 可以儲存的氫氣的質量為多少kg。解：由p，= /RT可得，m20.8 kg5-11.不同氣體的Joule-Thompson系數(shù)如下圖所示，試問在多少溫度下，可以通過節(jié)流膨脹對氫氣降溫，并分析原因。0.50.40.30.20.10-0.10100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Temperature (K)ueqzc06 Ou U0SE0UH答：節(jié)流膨脹使氣體降溫的前提是Joule-Thomson系數(shù)0。由圖可知，氫氣的 Joule-Thomson系數(shù)在溫度約為200K大于0,因此在200K溫度以下，可以通過節(jié)流膨脹 對氫氣降溫。5-12,根

47、據(jù)固態(tài)材料儲氫的原理，可分為物理吸附儲氫材料和化學吸附儲氫材料，試問每 類中的固態(tài)儲氫材料都有哪些。答：根據(jù)固態(tài)材料的儲氫原理可分為物理吸附儲氫材料和化學吸附儲氫材料。其中物理吸附儲氫材料有儲氫碳材料、儲氫金屬-有機骨架材料。化學儲氫材料有金屬單質、合金。第6章習題答案6-1根據(jù)物理原理的不同，儲熱技術可以分為哪幾類？答：根據(jù)物理原理的不同，儲熱技術可分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和熱化學儲熱三種。6-2與顯熱儲熱技術相比，潛熱儲熱技術最大的優(yōu)勢是什么？答：相較于顯熱儲熱，潛熱儲熱的主要優(yōu)勢有兩點，一是儲熱密度高于顯熱儲熱，二是 可提供恒溫的熱能。6-3當液體顯熱儲熱材料靜置于儲罐中時，會出現(xiàn)溫度分層

48、現(xiàn)象，試簡要說明溫度分層產(chǎn)生 的原因及其用于儲熱系統(tǒng)時的優(yōu)點。答：以水為例，在實際工程中，當水靜置于水箱中時，由于散熱會使得密度大的冷流體 在重力作用下居于水箱底層，而密度小的高溫流體居于水箱上層。從提高系統(tǒng)性能的角度, 水箱內的溫度分層有兩個優(yōu)點：一是避免了冷熱流體的摻混，當負載工質從水箱上層吸收熱 能時提高了熱能利用的品位；二是由于集熱器進口溫度和效率呈負相關，所以集熱器進口與 水箱下層低溫處相連可提高整個系統(tǒng)效率。6-4晶體生長率低、過冷度大會使得儲存于相變材料的潛熱難以充分利用，簡要說明其原理。答：過冷是指液體低于熔點而沒有凝固的現(xiàn)象。由于勻相核化結晶活化能的存在，純液 體的結晶一般會

49、在略低于熔點時開始。晶核形成的同時，新相和液體之間的相界面也會形成, 此過程會消耗能量，所消耗能量的大小依其表面能而定。假如要形成的晶核太小，形成晶核 產(chǎn)生的能量無法形成界面，就不會開始成核。因此必須要溫度夠低，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的晶核, 相變材料才會開始凝固。因此，晶體生長率低、過冷度大，會導致相變材料無法在理論的凝 固點附近凝固，不僅造成潛熱難以充分利用，且導致放熱過程難以保持在恒溫工況，因此對 于某些過冷度大的相變材料，如、水合鹽，可使用成核劑使其過冷點接近于熔點。6-5在相變材料的封裝過程中，要求氣隙空間產(chǎn)生于遠離熱源的位置，試分析其原因。答：相變前后顯著的密度差異將導致材料在固相時會形成一

50、個氣隙空間，如果封裝技術 設計不當，這個氣隙空間將會大大阻礙傳熱速率，由于空氣的導熱率比任何相變材料都要低 幾個數(shù)量級，因此當氣隙空間產(chǎn)生于不合適的位置時，將成為相變材料吸熱熔化時巨大的熱 阻。因此，封裝技術的設計應當使氣隙空間產(chǎn)生于遠離熱源的位置。比如在某個重力不可忽 略的封裝容器內，應避免熱源位于封裝容器的頂部。因為一旦如此，容器頂部將形成氣隙空 間，在下一次充熱時，這一氣隙空間將成為相變材料和熱源之間的絕熱層。6-6加入肋板為何會對相變材料起到強化換熱的作用？在熔化過程和凝固過程中，肋板的作 用有何差異？答：肋板之所以成為一種主流的強化換熱手段主要原因是可以擴展換熱面積。由于自然 對流對

51、熔化過程中的換熱效果影響顯著，而肋板的加入不可避免地會影響到自然對流過程, 因此相變材料強化換熱中一個重要的研究領域是分析如何通過改變肋板間距、數(shù)目、厚度、 肋板插入相變材料的深度等關鍵參數(shù)，使得肋板對自然對流的抑制程度最低、換熱面積最大, 從而優(yōu)化強化換熱效果。相較于熔化過程，凝固過程主要以熱傳導為主，自然對流作用微弱， 甚至可以忽略，因此肋板對強化傳熱的作用更加明顯。6-7請分別寫出金屬氧化物儲熱體系、金屬氫化物體系、氫氧化物儲熱體系的反應通式。答：金屬氧化物儲熱體系的反應通式為：MxOy+z(s) O MxOy(s) +|o2(g)金屬氫化物儲熱體系的反應通式為：MHn(s)+AHr =

52、 M(s)+2(g)氫氧化物儲熱體系的反應通式為：MHn(s)+AHrM(s)+yH2(g)6-8某冷卻系統(tǒng)中的工質泵以50%的效率耗電2kW使得工質在管路中流動，假設工質為水, 流入泵時的溫度為10且流量保持在L5kg/s,管道及泵與外界環(huán)境無熱交換，試求：泵的 出口溫度。解：假設工質質量流量為抗，焰為心 泵功為0譏，根據(jù)開口系能量守恒，可列出：0 = 0.5的譏 + mhin - mhout即：0.50勿=mc(T0Ut - Tin)可得出0.5 x 2000T0nt = + 10 = 10.16out 1.5 x 41806-9將例63中的巖石材料換為相同質量、相同初始溫度的相變儲熱材料，計算相同太陽輻 照、有效輻照時常和面積條件下，相變材料的終溫。其中相變材料的熔化溫度為30,相變 潛熱為200kJ/kg,比熱為2kJ/(kgK)。解：由于相變材料的初始溫度A溫皿為15,而相變溫度Tpc為30,因此材料首先通 過顯熱儲熱升溫到30后再開始潛熱儲熱，又由于mc(TPC - Tinitiat) + mh=200 x 2(30 - 15) + 200 x 200 = 46000k/而04Qsos) x (24 x 3600) = 0.4(0.15 x 5) x (24 x 3600) = 25920 /3xl