太陽能轉(zhuǎn)化、利用與存儲技術(shù) 課件 第四章 儲能系統(tǒng)

第4章儲能系統(tǒng)CONTENTS目錄儲能的目的與基本原理PART

01光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)PART

02儲能的目的與基本原理Part.01儲能的目的1.1隨著人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，人們對能源的需求越來越大，能源問題也越來越突出，主要表現(xiàn)為以下兩方面：能源危機：目前的煤炭、石油、天然氣等主流能源都是不可再生能源。環(huán)境問題：化石燃料的開發(fā)利用過程帶來了嚴重的大氣污染、水污染、溫室效應(yīng)、酸雨等環(huán)境問題。能源問題儲能的目的能源問題的應(yīng)對方案許多國家都在加速發(fā)展新能源技術(shù)，以此來應(yīng)對能源問題。我國更是順應(yīng)潮流，提出了二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標。1.1儲能的目的我國新能源發(fā)展現(xiàn)狀在努力實現(xiàn)“雙碳”目標的背景下，光伏、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生新能源的建設(shè)規(guī)模和速度逐漸加快，其發(fā)電接入電網(wǎng)的比例也日益增加。截至2022年底，可再生能源裝機突破12億千瓦，達12.13億千瓦，占全國發(fā)電總裝機47.3%。預(yù)計到2050年，新能源發(fā)電并網(wǎng)裝機容量將達20億kW以上，屆時將成中國第二大主力電源。1.1我國新增累計光伏裝機容量（萬千瓦）

全國光伏發(fā)電新增裝機容量預(yù)測儲能的目的我國新能源發(fā)展現(xiàn)狀我國的經(jīng)濟發(fā)展及用電量狀況又與一次能源的分布呈現(xiàn)負相關(guān)，即經(jīng)濟發(fā)達、用電量高的地區(qū)一次能源少，經(jīng)濟欠發(fā)達、用電量低的地區(qū)一次能源多。資源與需求的不平衡性決定了我國新能源發(fā)電的接入電網(wǎng)的方式，多為集中式大規(guī)模接入電網(wǎng)。1.1儲能的目的我國新能源發(fā)展中的問題大規(guī)模的新能源發(fā)電接入電網(wǎng)固然可以提升能源的整體清潔程度，但是同時存在兩個不可忽略的重要問題：

第一：新能源存在的波動性和間歇性。如果不經(jīng)處理直接將新能源發(fā)電接入電網(wǎng)，會給電網(wǎng)帶來巨大的不穩(wěn)定性。

以光伏發(fā)電為例，夏季秋季發(fā)電多、春季冬季發(fā)電少；白天發(fā)電多、傍晚和晚上不發(fā)電。1.1典型光伏發(fā)電曲線與用電負荷曲線對比光伏（左）、風(fēng)電（右）日平均出力曲線圖儲能的目的我國新能源發(fā)展中的問題大規(guī)模的新能源發(fā)電接入電網(wǎng)固然可以提升能源的整體清潔程度，但是同時存在兩個不可忽略的重要問題：

第二：可再生能源的消納問題。1.1可再生能源消納問題嚴重省份棄電率

資源與需求的不平衡性決定了我國新能源發(fā)電接入電網(wǎng)的方式多為集中式大規(guī)模接入電網(wǎng)，即大規(guī)模集中開發(fā)的風(fēng)能、光伏發(fā)電需要輸送到其他地區(qū)的區(qū)域電網(wǎng)或跨省電網(wǎng)進行消納。但目前集中開發(fā)光伏和風(fēng)電地區(qū)的電網(wǎng)調(diào)峰能力不足，可再生能源消納就成了一大問題，以至于為此不得不在特定時間段使許多風(fēng)電、光伏發(fā)電機組停止運行，以維持電網(wǎng)穩(wěn)定。這使得部分地區(qū)的棄風(fēng)率、棄光率驚人，造成了巨大的經(jīng)濟損失。儲能的目的儲能的概念為了解決上述問題，儲能的概念即被引入新能源的開發(fā)之中。由于獲得的能量和需求的能量往往不一致，為了保證能量的利用過程能夠連續(xù)進行，就需要對某種形式的能量進行儲存，即儲能或蓄能。儲能的目的：克服能量供應(yīng)和需求在時間、空間上的差別。1.1儲能的目的儲能在新能源利用中的作用其一，儲能可以保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定。光伏電站系統(tǒng)中，光伏發(fā)電的輸出功率曲線與負荷曲線之間存在較大差異，并且兩者均存在某些不可預(yù)料的波動。通過儲能系統(tǒng)的能量存儲，可以起到很好的緩沖作用，從而使得電力系統(tǒng)即使在輸入及負荷發(fā)生不可預(yù)料波動的情況下，仍然能夠相對平穩(wěn)的運行。1.1儲能系統(tǒng)平滑風(fēng)力出力的基本流程電源側(cè)，儲能吸收過剩電力，減少棄電，增加并網(wǎng)儲能的目的儲能在新能源利用中的作用其二，儲能可將能量儲存起來以備他用。在光伏發(fā)電無法正常運行的情況下（夜間、陰雨天）調(diào)用儲能系統(tǒng)中儲存的電能以滿足負荷的需求，起到備用和過渡的作用。其三，儲能還有助于提高電力的品質(zhì)和可靠性。儲能系統(tǒng)的存在可有效降低負載中電壓低谷、電壓尖峰、突發(fā)干擾等引起的電網(wǎng)波動對電力系統(tǒng)的影響，從而保證電力輸出的品質(zhì)與可靠性。1.1儲能的基本原理1.2能量能量是一切物質(zhì)運動、變化、相互作用的度量。能量的存在形式：機械能（風(fēng)能、潮汐能等）內(nèi)能（地?zé)崮艿龋╇娔芑瘜W(xué)能光能原子能（又稱核能）儲能的基本原理1.2能量的基本性質(zhì)狀態(tài)性：能量總是處于一定的形式。可加性：同種能量可相互疊加。傳遞性：能量可以從一個物體傳遞到另一個物體。轉(zhuǎn)換性：能量可以從一種形態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種形態(tài)。能量利用的過程實質(zhì)上就是能量的轉(zhuǎn)換與傳遞。儲能的基本原理1.2儲能的基本原理能量的傳遞性與轉(zhuǎn)換性是儲能之所以能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。利用不同形式能量之間的相互轉(zhuǎn)化，即可將某種形式的能量轉(zhuǎn)化成另一種可儲存的形式，從而實現(xiàn)能量的儲存。更具體地：通過一定的介質(zhì)或裝置，將某種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種在自然條件下比較穩(wěn)定的存在形式，并可根據(jù)應(yīng)用的需求以特定的形式釋放能量，這就是儲能的基本原理。光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)而言，其原理就是將光伏發(fā)電獲得的電能通過特定的裝置或介質(zhì)轉(zhuǎn)換為機械能或化學(xué)能等穩(wěn)定存在的形式，并在需要的時間釋放能量、重新轉(zhuǎn)換獲得電能。光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)Part.02光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)概述2.1光伏發(fā)電儲能類型按照儲能時電能轉(zhuǎn)化并儲存的能量形式的不同，儲能可分為機械儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能、熱儲能、化學(xué)儲能等儲能方式，分別對應(yīng)著不同的場景，如右圖所示。光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)概述2.1各類儲能技術(shù)裝機規(guī)模全球電力儲能市場累計裝機規(guī)模（MW%，2000~2022）中國電力儲能市場累計裝機規(guī)模（MW%，2000~2022）光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)概述2.1各類儲能技術(shù)性能特征儲能類型儲能技術(shù)儲能時長響應(yīng)時間釋能時長綜合效率壽命技術(shù)成熟度機械儲能抽水蓄能長時s~min級1~24h75~85%60~70年成熟壓縮空氣儲能長時min級1~24h70~80%30~40年成熟飛輪儲能短時ms~min級ms~min級93~95%20年以上商業(yè)化早期電化學(xué)儲能鋰離子電池長時ms~min級min~h級90~95%5~15年商業(yè)化鈉離子電池長時ms~min級min~h級90~95%5~15年商業(yè)化早期鉛蓄電池中長時ms~min級min~h級75~90%5~10年商業(yè)化液流電池長時ms級h級60~85%10~15年商業(yè)化早期鈉硫電池中長時ms級h級80~90%10~15年商業(yè)化早期熱儲能顯熱儲能相變儲能熱化學(xué)儲能短時長時超長時min級s~min級min級h級h級h級20~30%30~50%20~40%20年以上10~15年10~20年成熟商業(yè)化早期開發(fā)階段電磁儲能超級電容器短時ms級ms~min級90~95%20年以上開發(fā)階段超導(dǎo)儲能長時ms級s級95~98%20年以上開發(fā)階段化學(xué)儲能電解水制氫超長時ms~min級h級30~40%10~20年開發(fā)階段合成天然氣超長時ms~min級h級25~30%10~20年開發(fā)階段光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)概述2.1光伏發(fā)電儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀目前，除了抽水蓄能較成熟之外，其它的儲能方式均處于新興階段，屬于新型儲能技術(shù)，仍有進步空間。抽水蓄能與其它新型儲能方式各有優(yōu)缺點，在當前形勢下，兩者可互補發(fā)展。從長遠可持續(xù)性來看，抽水蓄能電站容量大，壽命期長，運行成本低，安全可靠性高，仍應(yīng)作為電力系統(tǒng)最主要的儲能手段和調(diào)節(jié)電源；抽水蓄能以外的新型儲能技術(shù)，具有精準控制、快速響應(yīng)、靈活配置和四象限靈活調(diào)節(jié)功率等特點，能為電力系統(tǒng)提供多時間尺度、全過程的平衡能力、支撐能力和調(diào)控能力，是構(gòu)建以新能源為主體新型電力系統(tǒng)的重要支撐。抽水蓄能2.2抽水蓄能概述1909年，瑞士建成世界第一座抽水蓄能電站Schaffhausen電站。當時，抽水蓄能電站的主要目的為蓄水，用以調(diào)節(jié)電站水量的季節(jié)性不均勻。上世紀60年代后，抽水蓄能電站開始迅速發(fā)展。抽水蓄能電站的主要功能變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻。我國六十年代后期才開始研究抽水蓄能電站的開發(fā)，1968年和1973年先后在華北地區(qū)建成崗南和密云兩座小型混合式抽水蓄能電站。我國抽水蓄能電站建設(shè)雖然起步比較晚，但由于后發(fā)效應(yīng)，起點卻較高，已經(jīng)建設(shè)的大型抽水蓄能電站技術(shù)已處于世界先進水平。2.22021年12月30日，服務(wù)北京綠色冬奧的國家電網(wǎng)豐寧抽水蓄能電站投產(chǎn)發(fā)電，是目前世界規(guī)模最大的抽水蓄能電站。豐寧電站建設(shè)創(chuàng)造了抽水蓄能電站四項“世界第一”：裝機容量世界第一，儲能能力世界第一，地下廠房規(guī)模世界第一，地下洞室群規(guī)模世界第一。抽水蓄能抽水蓄能概述2.2抽水蓄能的工作原理抽水蓄能蓄能：在電力負荷低谷期，利用電站提供的剩余電量驅(qū)動水泵，將低水位庫中的水抽至高水位庫，電能轉(zhuǎn)為水的重力勢能。2.2抽水蓄能釋能：在電力負荷高峰期，釋放高位水庫的水，驅(qū)動水輪機發(fā)電機組發(fā)電，將水的重力勢能轉(zhuǎn)換為電能。抽水蓄能的工作原理抽水蓄能電站的構(gòu)造2.2抽水蓄能電站的構(gòu)造抽水蓄能2.2抽水蓄能電站的分類抽水蓄能按調(diào)節(jié)性能分：日調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)。按水頭高低分：100m以下的低水頭、100-700m的中水頭、700m以上的高水頭。按布置特點分：地面式、地下式。按機組類型分：四機式、三機式、兩機式。按天然徑流條件分：純抽水蓄能、混合式抽水蓄能。2.2抽水蓄能電站的分類抽水蓄能（1）純抽水蓄能電站上水庫無水源或水源很小，上下庫庫容相當，同體積的水體在上下庫中循環(huán)，靠下庫入流來補充蒸發(fā)和滲漏損失。廠房內(nèi)機組全部是可逆式的抽水蓄能機組，主要功能是調(diào)峰填谷、系統(tǒng)事故備用等任務(wù)，而不承擔(dān)常規(guī)發(fā)電任務(wù)。（2）混合式抽水蓄能電站上水庫有水源，一般建在河川上，或利用天然湖泊。廠房內(nèi)裝有水輪機常規(guī)機組和可逆式蓄能機組，前者利用天然徑流發(fā)電，后者則按需使用。既用于調(diào)峰填谷、系統(tǒng)事故備用等任務(wù)，又承擔(dān)常規(guī)發(fā)電任務(wù)。2.2抽水蓄能的技術(shù)特點抽水蓄能優(yōu)點：抽水蓄能技術(shù)是目前最成熟、應(yīng)用最廣泛的大規(guī)模儲能技術(shù)，具有容量大，壽命長（經(jīng)濟壽命80年以上）、效率高（65%-80%）、運行費用低的特點。可為電網(wǎng)提供調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、事故備用等服務(wù)，其良好的調(diào)節(jié)性能和快速負荷變化響應(yīng)能力，對于有效減少新能源發(fā)電輸入電網(wǎng)時引起的不穩(wěn)定性具有重要意義。不足：電站選擇上需要有水平間距小，上下水庫高度差大的地形條件，巖石強度高、防滲水性能好的地質(zhì)條件，以及充足的水源保證發(fā)電用水的需求。另外還需要考慮上下水庫的庫區(qū)淹沒問題，水質(zhì)的變化以及庫區(qū)土壤堿化等一系列環(huán)保問題。電化學(xué)儲能2.3電化學(xué)儲能概述電化學(xué)儲能:利用介質(zhì)將電能儲存起來并在需要時釋放的儲能技術(shù)及措施，這個儲能的介質(zhì)就是電池。電池又可分為一次電池和二次電池。一次電池就是我們?nèi)粘Ｉ钪械母呻姵?，它只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，放電后不能再充電使其復(fù)原，不可重復(fù)使用。二次電池又稱為充電電池或者蓄電池，可以實現(xiàn)化學(xué)能和電能之間的多次轉(zhuǎn)化，可以重復(fù)使用。用于電化學(xué)儲能的介質(zhì)便是可以重復(fù)使用的二次電池。電化學(xué)儲能2.3電化學(xué)儲能概述電化學(xué)儲能電站主要由電池組、電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，簡稱BMS）、能量管理系統(tǒng)（EnergyManagementSystem，簡稱EMS）、儲能變流器（PowerConversionSystem，簡稱PCS）以及其他電氣設(shè)備構(gòu)成。電化學(xué)儲能2.3電化學(xué)儲能概述電化學(xué)儲能電站的電池組一般采用電池艙的方式構(gòu)建，電池艙采用標準集裝箱進行安裝，其中包含若干電池簇。電池簇由多個電池模組組成，電池模組又由若干單體電池采用串并聯(lián)的方式組織而成。電化學(xué)儲能2.3電化學(xué)儲能概述依據(jù)所用單體電池的不同，電化學(xué)儲能系統(tǒng)可分為鋰離子電池、鈉離子電池、鉛蓄電池（鉛酸電池及鉛炭電池的總稱）、液流電池、鈉硫電池等。雖然各類二次電池的工作方式不同，但是其儲能原理都類似，都是基于某種可逆的化學(xué)反應(yīng)，在充電時，通過電壓驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)進行，實現(xiàn)電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換；用電時，逆反應(yīng)的發(fā)生則可驅(qū)動電子在外界電路中流動，即實現(xiàn)儲存的化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)換。不同的電池類型都有各自特點，為大規(guī)模儲能應(yīng)用的不同需求提供了多樣化的選擇。其中，鋰離子電池是目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的電化學(xué)儲能技術(shù)路線，其他電池系統(tǒng)也在逐漸發(fā)展成熟。電化學(xué)儲能2.3鋰離子電池鋰離子電池以碳材料為負極，以含鋰的化合物（如磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等）為正極，以鋰鹽的有機溶液為電解液。鋰離子電池的充放電過程主要依靠鋰離子在正極和負極之間往返嵌入和脫嵌。充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，使負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。鋰離子嵌入和脫嵌過程中，會同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌，由此即可實現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換。電化學(xué)儲能2.3鋰離子電池

電化學(xué)儲能2.3鋰離子電池負極材料Anode（如：石墨）正極材料Cathode（如：LiCoO2）負極集流體（如：銅）Currentcollector正極集流體（如：鋁）Currentcollector隔膜電解液-+電化學(xué)儲能2.3鋰離子電池鋰離子電池主要有以下優(yōu)點：①高的能量密度。高水平的商品化鋰離子電池重量比能量能達到200瓦小時/千克，是鉛酸電池的五倍。②高的工作電壓。單體電池工作電壓可以達到3.6伏，是鉛酸電池的兩倍；③寬的工作溫度范圍。-20～60℃。④高的能量轉(zhuǎn)化效率。鋰離子電池在每一周的能量效率能達到96%以上。⑤高的充放電速率。通常1庫充電容量能達到標稱容量的80%以上，放電倍率能到達3庫或更高。⑥長的循環(huán)壽命。經(jīng)過2000次以上循環(huán)后容量仍然能達到初始容量的80%以上。⑦低的自放電速率。每月5%以下。電化學(xué)儲能2.3鋰離子電池鋰離子電池的缺點在于：①耐過充/放電性能差，組合及保護電路復(fù)雜。②成本相對于鉛酸電池等傳統(tǒng)蓄電池偏高。③大多數(shù)金屬氧化物正極材料存在熱不穩(wěn)定性，在高溫下會分解，釋放出氧氣，可能導(dǎo)致熱擊穿。為了盡量降低這種風(fēng)險，鋰離子電池配備了一個監(jiān)控部件，以避免過度充電和過度放電。通常還會安裝一個電壓平衡電路，以監(jiān)控每個電池的電壓值，防止各電池間出現(xiàn)電壓偏差。鋰離子電池技術(shù)仍然在不斷發(fā)展，未來還有很大的提升空間。電化學(xué)儲能2.3鋰離子電池鋰離子電池技術(shù)術(shù)語：(1)電池容量:電池的容量由電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定,通常用毫安時(mA·h)或者(A·h)表示。例如1000mA·h就是能以1A的電流放電1h,換算為所含電荷量大約為3600C。(2)標稱電壓:電池正負極之間的電勢差稱為電池的標稱電壓。標稱電壓由極板材料的電極電位和內(nèi)部電解液的濃度決定。一般情況下,單元鋰離子電池標稱電壓為3.6V、磷酸鐵鋰電池為3.2V。(3)充電終止電壓:可充電電池充足電時,極板上的活性物質(zhì)已達到飽和狀態(tài),再繼續(xù)充電,蓄電池的電壓也不會上升,此時電壓稱為充電終止電壓。鋰離子電池為4.2V、磷酸鐵鋰電池為3.55~3.60V。電化學(xué)儲能2.3鋰離子電池鋰離子電池技術(shù)術(shù)語(4)放電終止電壓:放電終止電壓是指蓄電池放電時允許的最低電壓。放電終止電壓和放電率有關(guān),一般來講,單元鋰離子電池放電終止電壓為2.7V、磷酸鐵鋰電池放電終止電壓為2.0~2.5V。(5)電池內(nèi)阻:電池內(nèi)阻由極板電阻和離子流阻抗決定,在充放電過程中,極板電阻不變,離子流阻抗隨電解液濃度和帶電離子的增減而變化。一般來講,單元鋰離子電池內(nèi)阻為80~100mΩ、磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻<20mΩ。(6)自放電率:自放電率是指在一段時間內(nèi),電池在沒有使用的情況下,自動損失的電量占總?cè)萘康陌俜直?。一般在常溫?鋰離子電池自放電率為每月只有5%~8%。電化學(xué)儲能2.3鈉離子電池元素原子量g/mol密度g/cm離子半徑pm比容量mAh/g標準電勢V地殼豐度價格元/kgLi6.940.534683862-3.040.006%~40Na22.990.968971166-2.72.64%~2鈉和鋰屬同一主族元素，在電池工作中均表現(xiàn)出相似的電化學(xué)充放電行為，據(jù)此，采用同體系材料的鈉離子電池被開發(fā)出來。電化學(xué)儲能2.3鈉離子電池鈉離子電池是一種依靠鈉離子在正、負極間移動來完成充放電工作的二次電池。鈉離子電池在充電過程中，鈉離子從正極脫出并嵌入負極活性物質(zhì)中；放電時，則發(fā)生相反過程，鈉離子從負極脫出重新回到正極活性物質(zhì)中，同時為了保持電中性，等摩爾量的電子通過外部電路，起到驅(qū)動負荷的作用。電化學(xué)儲能2.3鈉離子電池鈉離子電池特點：擴散速率：鈉離子比鋰離子的相對原子質(zhì)量及離子半徑更大，因而其擴散速率更低。電池性能：鈉離子電池的理論容量及反應(yīng)動力學(xué)特征較鋰離子電池更為遜色。電池成本：鈉儲量比鋰豐富得多，不存在獲取壁壘，鈉離子電池成本比鋰離子電池低得多。安全性：鈉離子電池的內(nèi)阻比鋰離子電池高，在短路時發(fā)熱量更少，溫升較低；熱失控過程中容易鈍化失活，熱穩(wěn)定性較高，在安全性方面具備先天優(yōu)勢。快充性能：鈉離子電池在快充方面具備優(yōu)勢，能夠適應(yīng)快速響應(yīng)型的儲能和規(guī)模供電。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池鉛蓄電池是鉛酸電池與鉛炭電池的總稱，是最早被開發(fā)并廣泛應(yīng)用的二次電池。鉛酸電池是指正負極活性物質(zhì)分別是二氧化鉛和鉛、由硫酸水溶液做電解液的二次電池。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池鉛酸電池放電時，正極的二氧化鉛與硫酸發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸鉛和水；負極的金屬鉛，與硫酸進行反應(yīng)，生成硫酸鉛和氫離子。電池放電后兩極物質(zhì)都轉(zhuǎn)化為硫酸鉛，稱為“雙極硫酸鹽化”。充電時，正、負極的硫酸鉛則又反應(yīng)分別生成二氧化鉛與鉛，回到原始狀態(tài)，從而實現(xiàn)反復(fù)充放電，由此實現(xiàn)儲能與釋能。鉛酸電池的反應(yīng)方程式為：

鉛酸電池主要由正極板、隔板、負極板、電池槽（盛裝有電解液）、電池蓋、安全閥、正接線柱、負接線柱等部分組成。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池為了提高鉛酸電池的循環(huán)使用壽命并改善其充電特性，人們在鉛酸電池的基礎(chǔ)上發(fā)展出了新型鉛蓄電池—鉛炭電池。通過在普通鉛酸電池的負極中加入一定量高比表面積碳材料（如活性碳、活性碳纖維、碳氣凝膠或碳納米管等），形成了碳電極和海綿鉛負極的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池鉛負極仍發(fā)揮鉛酸電池的作用，碳電極則與正極構(gòu)成一個電容器。這樣，將鉛酸電池和超級電容器合二為一成為鉛炭電池。鉛炭電池既繼承了鉛酸電池的比能量以及優(yōu)良充放電性能的優(yōu)勢，又繼承了超級電容器高比功率的優(yōu)點。而且高比表面積碳材料的高導(dǎo)電性和對鉛基活性物質(zhì)的分散性，提高了鉛活性物質(zhì)的利用率，有效阻止了負極的硫酸鹽化現(xiàn)象，可以有效地保護負極板，大大提高了電池使用壽命。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池由于使用了鉛炭技術(shù)，鉛炭電池的性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸電池，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中有著更強的競爭力。在各應(yīng)用領(lǐng)域中，鉛炭電池目前已取代了鉛酸電池的地位。因其成本低、安全性高等突出優(yōu)勢，大容量鉛炭儲能電池可廣泛用于太陽能、風(fēng)能、風(fēng)光互補等各種新能源儲能系統(tǒng)，智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)系統(tǒng)、無市電、惡劣電網(wǎng)地區(qū)的供電儲能系統(tǒng)，電力調(diào)頻及負荷跟蹤系統(tǒng)、電力削峰填谷系統(tǒng)以及生活小區(qū)儲能充電系統(tǒng)等，是主流儲能電池之一。尤其在對安全性要求較高的領(lǐng)域，鉛炭電池的優(yōu)勢比鋰離子電池更明顯。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池鉛酸蓄電池的相關(guān)概念(1)蓄電池充電：指通過外電路給鉛酸電池供電。(2)過充電：對已經(jīng)充滿電的鉛酸電池或鉛酸電池組繼續(xù)充電。(3)放電：指在規(guī)定的條件下,鉛酸電池向外電路輸出電能。(4)自放電：鉛酸電池的能量未通過外電路放電而自行減少。(5)活性物質(zhì)：放電時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的物質(zhì),或說是正極和負極存儲電能的物質(zhì)。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池鉛酸蓄電池的相關(guān)概念(6)放電深度:鉛酸電池在某一放電速率下,電池放電到終止電壓時實際放出的有效容量與電池在該放電速率額定容量的百分比。放電深度越大、循環(huán)使用次數(shù)越少；經(jīng)常深度放電會縮短電池壽命。(7)極板硫化：電池放電后要及時充電，鉛酸電池長期處于虧電狀態(tài),極板就會形成PbSO4晶體,這種大塊晶體很難溶解,無法恢復(fù)原來的狀態(tài),將會導(dǎo)致極板硫化無法充電。(8)相對密度：指電解液與水密度的比值。相對密度與溫度變化有關(guān),25℃時,充滿電的電池電解液相對密度值為1.265g/cm3,完全放電后降至1.120g/cm3。每個電池的電解液密度都不相同,同一個電池在不同的季節(jié),電解液密度也不一樣。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池5.鉛酸蓄電池常用技術(shù)術(shù)語(1)電池的容量：處于完全充電狀態(tài)下的鉛酸電池在一定的放電條件下,放電到規(guī)定的終止電壓時所能給出的電量稱為電池容量，以符號C表，常用單位是安時(Ah)，通常在C的下角處標明放電時率,如C10表明是10小時率的放電容量,C60表明是60小時率的放電容量。(2)放電率：指電池放電時電流的大小,常用時率和倍率兩種方法表征。時率是指以一定放電電流放完額定容量所需要的小時數(shù)，即放電時率=額定容量/放電電流，放電倍率=放電電流/額定容量。根據(jù)蓄電池放電電流的大小，放電率分為時間率和電流率。根據(jù)IEC標準，放電的時間率有20小時率，10小時率，5小時率，3小時率，1小時率，0.5小時率，分別標示為20h、10h、5h、3h、1h、0.5h等。電池的放電倍率越高，放電電流越大，放電時間就越短，放出的相應(yīng)容量越少。(3)終止電壓：終止電壓是指蓄電池放電過程中，電壓下降到不宜再放電時（非損傷放電）的最低工作電壓。(4)電池電動勢：蓄電池的電動勢在數(shù)值上等于蓄電池達到穩(wěn)定時的開路電壓。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池5.鉛酸蓄電池常用技術(shù)術(shù)語(5)浮充壽命：蓄電池的浮充壽命是指蓄電池在規(guī)定的浮充電壓和環(huán)境溫度下，蓄電池壽命終止時浮充運行的總時間。(6)循環(huán)壽命：蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一個循環(huán)（一個周期）。(7)過充電壽命：指采用一定的充電電流對蓄電池進行連續(xù)過充電，一直到蓄電池壽命終止時所能承受的過充電時間。(8)自放電率：由于自放電而引起活性物質(zhì)損耗。(9)電池內(nèi)阻：內(nèi)阻不是常數(shù),而是一個變化的(10)比能量：比能量是指電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出的電能，單位分別是Wh/kg或Wh/L。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池6.鉛酸蓄電池型號識別JB/T2599—2012規(guī)定了鉛酸電池名稱、型號編制與命名辦法:(1)蓄電池型號字母及數(shù)字:型號采用漢語拼音或英語字母的大寫字母及阿拉伯數(shù)字表示;型號優(yōu)先采用漢語拼音,當漢語拼音無法表述時方可用英語字頭,英語字頭為國際電工委員會(IEC)所提及的英文鉛酸蓄電池詞組。(2)型號組成:蓄電池型號由三部分組成,第一部分為串聯(lián)的單體蓄電池數(shù);第二部分為蓄電池用途、結(jié)構(gòu)特征代號;第三部分為標準規(guī)定的額定容量。以6-QA-100蓄電池為例,該蓄電池為6個單體串聯(lián)的額定容量為100A·h的干式荷電起動型蓄電池,6表示6個單體、-表示連接線(可省略)、Q表示起動型、A表示干式荷電、100表示額定容量。電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池6.鉛酸蓄電池型號識別JB/T2599—2012規(guī)定了鉛酸電池名稱、型號編制與命名辦法:蓄電池按其用途劃分電化學(xué)儲能2.3鉛蓄電池6.鉛酸蓄電池型號識別JB/T2599—2012規(guī)定了鉛酸電池名稱、型號編制與命名辦法:蓄電池按其結(jié)構(gòu)特征劃分電化學(xué)儲能2.3液流電池液流電池:全稱氧化還原液流電池，是一種新的蓄電池。液流電池的正負極活性物質(zhì)都為液態(tài)流體氧化還原電對。液流電池通過存在于溶液中正、負極電解質(zhì)活性物質(zhì)各自發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，實現(xiàn)電能與化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化。充電時，正極電解液中的活性物質(zhì)價態(tài)升高、發(fā)生氧化反應(yīng)，負極電解液中的活性物質(zhì)則價態(tài)降低、發(fā)生還原反應(yīng)，從而將電能轉(zhuǎn)化為正、負極活性物質(zhì)的化學(xué)能儲存起來；放電過程則與之相反。電化學(xué)儲能2.3液流電池與一般電池不同，液流電池的正負極的活性物質(zhì)為含氧化還原電對的電解質(zhì)溶液，電解質(zhì)溶液（儲能介質(zhì)）存儲在電池外部的電解液儲罐中，電池內(nèi)部則由具有選擇透過性的離子交換膜分隔成彼此相對獨立的兩室（正極側(cè)與負極側(cè)），電池工作時正、負極電解液在各自專用的循環(huán)泵的驅(qū)動下實現(xiàn)循環(huán)流動，以通過各自的反應(yīng)室參與各自的電化學(xué)反應(yīng)。電化學(xué)儲能2.3液流電池實際使用時，液流電池多采取多體疊加的方式組成電池堆，實現(xiàn)電解液的高效輸送。電化學(xué)儲能2.3液流電池優(yōu)點：（1）輸出功率—體積，儲能容量—儲量和濃度：設(shè)計靈活；（2）活性物質(zhì)—液體，無固相變化、形貌改變，理論壽命長；（3）材料來源豐富，加工技術(shù)成熟，易于回收。（4）可超深度放電（100％）而不對電池造成傷害；（5）自放電低，關(guān)閉時，儲罐中的電解液無自放電；（6）能量效率高，可達75～80％，操作成本低，性價比高；（7）啟動快，充放電切換—0.02秒。（8）系統(tǒng)封閉運行無污染。缺點：氧化還原液流電池功率密度較低，電解液管理困難。電化學(xué)儲能2.3液流電池液流電池的分類：根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)中活性物質(zhì)的不同，液流電池有全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、鋅鐵液流電池、鋅鎳液流電池、全鐵液流電池、多硫化鈉-溴液流電池、釩-多鹵化物液流電池、有機液流電池等20多種類型。全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池是最常見的液流電池類型，又以全釩液流電池的技術(shù)成熟最為成熟、綜合性能最好。電化學(xué)儲能2.3液流電池全釩液流電池以釩不同價態(tài)之間的轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。正極為V5+/V4+電對負極為V3+/V2+電對V4+放電充電V5+

+e-V2+放電充電V3++e-正極負極

電化學(xué)儲能2.3鈉硫電池鈉硫電池：采用硫作為正極，金屬鈉作為負極，以鈉和硫的化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換的一類電池體系。反應(yīng)方程式為：鈉硫電池工作時，正負極材料都處于熔融狀態(tài)。

放電時的反應(yīng)過程：（1）Na離解成Na+和電子；（2）Na+穿過β-Al2O3向正極移動；（3）Na+與S及電子反應(yīng)生成多硫化鈉；（4）電解質(zhì)β-Al2O3只有在高溫下才能讓鈉離子通過。電化學(xué)儲能2.3鈉硫電池優(yōu)點：（1）能量密度大：大功率鈉硫電池先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計使其理論比能量高達760Wh/kg，實際大于100Wh/kg，功率密度大。（2）使用壽命長：大功率鈉硫電池連續(xù)充放電近2萬次，使用壽命可達10到15年。（3）原材料鈉、硫易得。（4）無自放電、記憶效應(yīng)。（5）體積小、重量輕、便于模塊化制造安裝，建設(shè)周期短。不足：（1）工作溫度在300-350℃，電池工作時需要一定的加熱保溫。（2）容量衰減：多硫化合物。（3）安全問題：S易燃。壓縮空氣儲能2.4壓縮空氣儲能原理：利用多余的電能驅(qū)動空壓機壓縮空氣，將電能轉(zhuǎn)化為空氣的勢能與內(nèi)能儲存起來。在需要時，釋放空氣的勢能與內(nèi)能，轉(zhuǎn)化為電能。壓縮空氣儲能工作原理壓縮空氣儲能2.4壓縮空氣儲能系統(tǒng)的構(gòu)造：由壓縮機、冷卻器、壓力容器、回?zé)崞鳌u輪機以及發(fā)電機組成。（1）壓縮機：將空氣壓縮，將電能轉(zhuǎn)化為空氣的勢能及內(nèi)能。壓縮后，空氣壓力可達7-10MPa，溫度可達1000°C。（2）冷卻器：熱交換設(shè)備，用于存入壓力容器前的冷卻，防止空氣在壓力容器或洞穴中壓力減少。（3）壓力容器：存儲冷卻后的空氣，若采用洞穴存儲，則需滿足耐壓程度高、密封性好的地質(zhì)條件。壓縮空氣儲能2.4壓縮空氣儲能系統(tǒng)的構(gòu)造：由壓縮機、冷卻器、壓力容器、回?zé)崞鳌u輪機以及發(fā)電機組成。（4）回?zé)崞鳎簾峤粨Q設(shè)備或燃燒室，將空氣溫度提高至1000℃左右，使渦輪機持續(xù)長時間穩(wěn)定運行，以便于提高渦輪機效率。（5）渦輪機：空氣通過渦輪機降壓，內(nèi)能及勢能轉(zhuǎn)化為動能。（6）發(fā)電機：在渦輪機帶動下，將動能轉(zhuǎn)化為電能。壓縮空氣儲能2.4壓縮空氣儲能的類型氣體壓縮時產(chǎn)生熱量，因此壓縮后的空氣溫度較高。相反地，氣體膨脹會吸收熱。根據(jù)儲能過程中控制熱量的方式不同，壓縮空氣儲能可分為非絕熱式、絕熱式兩種。（1）非絕熱式：不干預(yù)空氣壓縮過程的產(chǎn)熱及膨脹過程的吸熱。壓縮空氣時很大一部分能量，在壓縮空氣過程中轉(zhuǎn)化為熱能，非絕熱式壓縮空氣儲能對這部分熱能沒能有效利用，導(dǎo)致這種方式儲能效率低下。

壓縮機→儲氣裝置→渦輪機①無熱源型：無任何控制。②

燃料燃燒式：儲氣過程無控制，但利用過程中，額外加入燃料作為熱源，輔助動能的轉(zhuǎn)化。

壓縮機→儲氣裝置→渦輪機（2）絕熱式：將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量通過儲熱器存儲起來，待發(fā)電過程中用這部分熱量預(yù)熱壓縮空氣，達到回收熱量的目的。即絕熱式壓縮空氣儲能?？商岣邏嚎s空氣儲能系統(tǒng)的效率。燃料→壓縮空氣儲能2.4壓縮空氣儲能的優(yōu)點與不足優(yōu)點：啟動快、能量密度和功率密度較高、運營成本低、自放電率低、設(shè)備的使用壽命長、損耗低絕熱式效率較高、不需要借助傳統(tǒng)化石能源加熱壓縮空氣。不足：建設(shè)周期長、初次投資大、需要大的巖洞以存儲壓縮空氣、受地理條件限制、適合的地點非常有限，對于絕熱系統(tǒng)，蓄熱器自放電率高，對于非絕熱系統(tǒng)效率又比較低。壓縮空氣儲能2.42022年5月15日，世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站——江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗示范項目整套設(shè)備實現(xiàn)連續(xù)4天滿負荷、滿時長“儲能—發(fā)電”試運行，各項指標優(yōu)良，標志著大規(guī)模壓縮空氣儲能技術(shù)全流程驗證成功，該項目已具備投入商業(yè)運行的條件。熱儲能2.5熱能(或冷能)儲存的主要方式：顯熱儲能、潛熱儲能。顯熱儲能：每一種物質(zhì)均具有一定的熱容，在物質(zhì)形態(tài)不變的情況下隨著溫度的變化，它會吸收或放出熱量，顯熱儲能技術(shù)就是利用物質(zhì)的這一特性。其儲熱效果和材料的比熱容、密度等因素關(guān)系密切。熱儲能的類型最常見的顯熱儲能：利用價格低廉、來源方便、比熱容大的水作為儲能介質(zhì)來儲存熱量。顯熱儲能的特點：原理簡單、材料來源豐富、成本低廉、運行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便；儲能密度小、儲能裝置體積大、難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。熱儲能2.5熱能(或冷能)儲存的主要方式：顯熱儲能、潛熱儲能。潛熱儲能：利用材料在發(fā)生物相變化時吸收或釋放大量的潛熱來進行熱量的儲存。故而，又稱為相變儲能。相變潛熱：物質(zhì)從一種相態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種相態(tài)（即相變）的過程中，伴有能量的吸收或釋放，這部分能量稱為相變潛熱。相變潛熱的大小取決于材料的種類及其相變的狀態(tài)。熱儲能的類型熱儲能2.5潛熱儲能（1）潛熱儲能的優(yōu)點：儲能密度極高、所用裝置簡單、體積小、設(shè)計靈活、使用方便且易于管理；在相變儲能過程中，材料近似恒溫，便于控制體系的溫度。（2）潛熱儲能的應(yīng)用：熱機、廢熱回收、太陽能儲存以及供暖和空調(diào)系統(tǒng)等。熱儲能技術(shù)對比（1）儲能密度：潛熱儲能>顯熱儲能；如標準大氣壓下，水的液化潛熱為355kJ/kg；而比熱為4.2kJ/(kg℃)，若將水從25℃加熱至50℃，其顯熱為105kJ/kg.（2）使用便利度：潛熱儲能>顯熱儲能；相變過程溫度不變，顯熱過程溫度不斷變化；相較于顯熱儲能，相變儲能優(yōu)勢明顯，是更好的熱量儲存方式。熱儲能2.5相變材料相變儲能材料，簡稱相變材料（phasechangematerial,PCM）：廣義上：指能被利用其在物態(tài)變化時所吸收或釋放的大量熱能用于能量儲存的材料。狹義上：指在固—液相變時，儲能密度高、性能穩(wěn)定、相變溫度合適，能夠應(yīng)用于相變儲能技術(shù)的材料。只有能夠經(jīng)受足夠長次數(shù)的熔化-凝固循環(huán)，而保持其物理化學(xué)性質(zhì)不變的材料，才能成為相變材料。儲能密度高儲放能恒溫可循環(huán)使用

按照相變溫度的范圍來分類：高溫相變材料（250℃以上）、中溫相變材料（100~250℃）、低溫相變材料（100℃以下）熱儲能2.5相變材料儲能密度高儲放能恒溫可循環(huán)使用按照材料的組成成分分類：熱儲能2.5相變材料的類型有機、無機相變材料對比：有機相變材料無機相變材料優(yōu)點相變溫度分布范圍廣，選擇面廣無過冷和相分離現(xiàn)象化學(xué)性能、熱性能穩(wěn)定與傳統(tǒng)材料兼容性好單位體積的相變潛熱高熱傳導(dǎo)性好相變時體積變化小不易燃燒缺點單位體積的相變潛熱低固態(tài)時的熱傳導(dǎo)性差密度小、易燃燒過冷、相分離問題嚴重?zé)嵝阅懿环€(wěn)定，具有一定的腐蝕性熱儲能2.5潛熱儲能的類型(1)固氣升華凝華(2)液氣汽化液化(3)固液熔化固化(4)固固再結(jié)晶相變過程體積變化太大，很少實際利用相變過程體積變化小，可用于實際應(yīng)用相變潛熱太小，應(yīng)用不廣泛相變潛熱較大，最具實用價值SolidLiquidGas熱儲能2.5熔融鹽熔融鹽的分類：鹵化鹽：熱導(dǎo)率高、比熱容大；腐蝕性較強。

碳酸鹽：密度大；穩(wěn)定性稍弱。

硝酸鹽：價格低；熱導(dǎo)率較低、安全性不高。熔融鹽實際應(yīng)用：：單一組分的熔鹽劣勢明顯，實際應(yīng)用中通常將不同種類的熔鹽混合形成多元混合熔鹽，以提高優(yōu)勢、彌補劣勢。熔融鹽是最常用的相變材料，熔鹽屬于中高溫相變材料，溫度為幾百至上千攝氏度。常用熔鹽：堿金屬及堿土金屬的鹵化鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等。儲能機理：固液相變的潛熱。熔鹽相變材料的普遍特點：溫度范圍廣、價格低廉、單位體積儲熱密度大、熱穩(wěn)定性強、蒸汽壓低、安全性好。熱儲能2.5相變儲能的應(yīng)用熱儲能2.5相變儲能的應(yīng)用右圖為我國目前建成規(guī)模最大、吸熱塔最高、可24小時連續(xù)發(fā)電的100兆瓦級熔鹽塔式光熱電站——甘肅敦煌100兆瓦熔鹽塔式光熱電站。我國已掌握建設(shè)大規(guī)模熔鹽塔式光熱電站的核心技術(shù)，并立足國內(nèi)、邁向國際新能源市場。同類型的工程還有正在建設(shè)中的阿聯(lián)酋迪拜950兆瓦光熱光伏電廠項目，該項目是目前世界上投資規(guī)模最大、裝機容量最大、熔鹽罐儲熱量最大的“光熱+光伏”混合發(fā)電項目，也是“一帶一路”建設(shè)的典型工程。其他儲能方式2.6飛輪儲能飛輪儲能(FlywheelEnergyStorage,FES)：將能量以動能的形式儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中。其他儲能方式2.6飛輪儲能儲能時，電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪的動能。釋能時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電，動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。E：動能J：轉(zhuǎn)動慣量ω：角速度

飛輪儲能系統(tǒng)的組成：轉(zhuǎn)子、高速軸承、雙饋電機、電力轉(zhuǎn)換器和真空安全罩。其他儲能方式2.6飛輪儲能飛輪儲能系統(tǒng)的特點：(1)能量密度高：儲能密度可達100-200Wh/kg，功率密度可達5000-10000W/kg。

(2)能量轉(zhuǎn)換效率高：工作效率高達百分之90。

(3)體積小、重量輕：飛輪直徑約二十多厘米，總重在十幾千克左右。

(4)工作溫度范圍寬：對環(huán)境溫度沒有嚴格要求。

(5)使用壽命長：不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運行，預(yù)期壽命20年以上。

(6)成本高，技術(shù)復(fù)雜。其他儲能方式2.6超級電容器儲能超級電容器(supercapacitor)，是相對于傳統(tǒng)電容器而言、具有更高容量的一種電容器，通過極化電解質(zhì)來存儲能量。超級電容器是介于電容器和電池之間的儲能器件：它既具有電容器可以快速充放電的特點，又具有電池儲能特性。其他儲能方式2.6超級電容器儲能超級電容通過外加電場極化電解質(zhì)，使電解質(zhì)中荷電離子分別在帶有相反電荷的電極表面形成雙電層，從而實現(xiàn)儲能。其儲能過程是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)，且過程完全可逆，這與蓄電池電化學(xué)儲能過程不同。其他儲能方式2.6超級電容器儲能超級電容儲