電能儲(chǔ)能方式課件

1、電能儲(chǔ)能方式一、飛輪儲(chǔ)能含義原理特點(diǎn)運(yùn)用一、飛輪儲(chǔ)能含義 指利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候再用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的儲(chǔ)能方式。 一、飛輪儲(chǔ)能原理 基本原理：由電能驅(qū)動(dòng)飛輪到高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)需要電能時(shí)，飛輪減速，電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。飛輪的升速和降速，實(shí)現(xiàn)了電能的存入和釋放。 一、飛輪儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能器中沒(méi)有任何化學(xué)活性物質(zhì),也沒(méi)有任何化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。旋轉(zhuǎn)時(shí)的飛輪是純粹的機(jī)械運(yùn)動(dòng),飛輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能為: E =1/2J2 式中: J為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度. 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比。而飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又正比于飛輪的直徑和飛輪

2、的質(zhì)量,過(guò)于龐大、沉重的飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)受到極大的離心力作用,往往超過(guò)飛輪材料的極限強(qiáng)度,很不安全。因此,用增大飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法來(lái)增加飛輪的動(dòng)能是有限的。 一、飛輪儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能裝置中有一個(gè)內(nèi)置電機(jī),它既是電動(dòng)機(jī)也是發(fā)電機(jī)。在充電時(shí),它作為電動(dòng)機(jī)給飛輪加速;當(dāng)放電時(shí),它又作為發(fā)電機(jī)給外設(shè)供電,此時(shí)飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降;而當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),整個(gè)裝置則以最小損耗運(yùn)行。一、飛輪儲(chǔ)能特點(diǎn)飛輪儲(chǔ)能具有效率高、建設(shè)周期短、壽命長(zhǎng)、高儲(chǔ)能、充放電快捷、充放電次數(shù)無(wú)限以及無(wú)污染等有點(diǎn)。適用于電網(wǎng)調(diào)頻和電能質(zhì)量保障 。優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)能高，功率大，效率高，壽命長(zhǎng)，無(wú)污染等。缺點(diǎn)：一、飛輪儲(chǔ)能運(yùn)用飛輪儲(chǔ)能根據(jù)不同方式有

3、很多應(yīng)用，應(yīng)用最廣泛的是直接儲(chǔ)存動(dòng)能并應(yīng)用動(dòng)能，比如單沖程柴油機(jī)的飛輪。 目前尖端研究的方向是飛輪儲(chǔ)存功能并轉(zhuǎn)化為電能應(yīng)用。 一、飛輪儲(chǔ)能運(yùn)用 飛輪儲(chǔ)能裝置與超級(jí)電容，電池等儲(chǔ)能裝置比較，其能量密度最大，但是功率密度比介于二者之間。超級(jí)電容的能量密度最小，功率密度最大。電池的能量密度二者之間，功率密度最小。同時(shí)，飛輪是純物理儲(chǔ)能，穩(wěn)定可靠，對(duì)使用環(huán)境（溫度，壓力等）的要求低。最后，他是三者中最昂貴的儲(chǔ)能方式。 根據(jù)這個(gè)比較，他比較適合于惡劣環(huán)境，價(jià)格不敏感，功率需求一般，同時(shí)輕量化儲(chǔ)能裝置的需要。 一、飛輪儲(chǔ)能運(yùn)用 國(guó)外廣泛運(yùn)用于：電力系統(tǒng)調(diào)峰、風(fēng)力發(fā)電、汽車(chē)供能、不間斷電源、衛(wèi)星儲(chǔ)能控制、通

4、訊系統(tǒng)信號(hào)傳輸、大功率機(jī)車(chē)、電磁炮、魚(yú)雷等。 目前這種應(yīng)用主要在太空飛行器上，比容國(guó)際空間站的飛輪電池，我國(guó)有儲(chǔ)能，陀螺定位二用飛輪。 二、鉛酸電池 原理：電解鉛酸電池（VRLA），是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池充電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；放電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。二、鉛酸電池鉛酸電池已有100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的起動(dòng)動(dòng)力源，它也是成熟的電動(dòng)汽車(chē)蓄電池。鉛酸電池正負(fù)電極分別為二氧化鉛和鉛，電解液為硫酸。鉛酸電池又可以分為兩類(lèi)，即注水式鉛酸電池和閥控式鉛酸電池。 注水式鉛酸電池：價(jià)廉，但需要經(jīng)常維護(hù)，補(bǔ)充電

5、解液；閥控式鉛酸電池：通過(guò)安全控制閥自動(dòng)調(diào)節(jié)密封電池體內(nèi)在充電或 工作異常時(shí)產(chǎn)生的多余氣體，免維護(hù)，更符合電 動(dòng)汽車(chē)的要求。二、鉛酸電池優(yōu)點(diǎn)：總體上說(shuō)，鉛酸電池具有可靠性好、原材料易 得、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，比功率也基本上能滿足電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性要求。缺點(diǎn)：一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個(gè)是使用壽命短，使用成本過(guò)高。二、鉛酸電池由于鉛酸電池的技術(shù)比較成熟，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)后的鉛酸電池仍將是近期電動(dòng)汽車(chē)的主要電源。正在開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)用先進(jìn)鉛酸電池主要有以下幾種： 水平鉛酸電池、雙極密封鉛酸電池、卷式電極鉛酸電池等。三、其他1、鎳金屬電池 2、鋰離子蓄電池 3、高溫鈉電池

6、 4、鋅空氣電池（Zinc-air） 5、超級(jí)電容 三、其他6、飛輪電池 7、燃料電池 8、太陽(yáng)能電池 1、鎳金屬電池目前在電動(dòng)汽車(chē)上使用的鎳金屬電池主要有鎘鎳電池和氫鎳電池兩種。鎘鎳電池和鉛酸電池相比，能夠達(dá)到比能量55Wh/kg，比功率200W/kg，循環(huán)壽命2000次，而且可以快速充電，雖說(shuō)其價(jià)格為鉛酸蓄電池的45倍，但由于其在比能量和使用壽命方面的優(yōu)勢(shì)，因此其長(zhǎng)期的實(shí)際使用成本并不高。但由于其含有重金屬鎘，在使用中不注意回收的話，就會(huì)形成環(huán)境污染，目前許多發(fā)達(dá)國(guó)家都已限制發(fā)展和使用鎘鎳電池。而氫鎳電池則是一種綠色鎳金屬電池，它的正負(fù)極分別為鎳氫氧化物和儲(chǔ)氫合金材料，不存在重金屬污染問(wèn)題

7、，且其在工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)電解液增減現(xiàn)象，電池可以實(shí)現(xiàn)密封設(shè)計(jì)。鎳氫電池在比能量、比功率及循環(huán)壽命等方面都比鎘鎳電池有所提高，使用氫鎳電池的電動(dòng)汽車(chē)一次充電后的續(xù)駛里程曾經(jīng)達(dá)到過(guò)600公里，目前在歐美已實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)和使用。氫鎳電池就其工作原理和特點(diǎn)是適合電動(dòng)汽車(chē)使用的，它已被列為近期和中期電動(dòng)汽車(chē)用首選動(dòng)力電池，但其還存在價(jià)格太高，均勻性較差（特別是在高速率、深放電下電池之間的容量和電壓差較大），自放電率較高，性能水平和現(xiàn)實(shí)要求還有差距等問(wèn)題，這些問(wèn)題都影響著氫鎳電池在電動(dòng)汽車(chē)上的廣泛使用。 2、鋰離子蓄電池鋰離子蓄電池是90年代發(fā)展起來(lái)的高容量可充電電池，能夠比氫鎳電池存儲(chǔ)更多的能量，比能

8、量大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率小，無(wú)記憶效應(yīng)和環(huán)境污染，是當(dāng)今各國(guó)能量存儲(chǔ)技術(shù)研究的熱點(diǎn)，主要集中在大容量、長(zhǎng)壽命和安全性三個(gè)方面的研究。鋰離子蓄電池中，鋰離子在正負(fù)極材料晶格中可以自由擴(kuò)散，當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫出，嵌入到負(fù)極中，反之為放電狀態(tài)，即在電池充放電循環(huán)過(guò)程中，借助于電解液，鋰離子在電池的兩極間往復(fù)運(yùn)動(dòng)以傳遞電能。鋰離子蓄電池的電極為鋰金屬氧化物和儲(chǔ)鋰碳材料。根據(jù)電解質(zhì)的不同，鋰離子蓄電池一般可分為鋰離子電池和鋰聚合物電池兩種。 3、高溫鈉電池高溫鈉電池主要包括鈉氯化鎳電池（NaNiCl2）和鈉硫蓄電池兩種。鈉氯化鎳電池是1978年發(fā)明的，其正極是固態(tài)NiCl2，負(fù)極為液態(tài)Na

9、，電解質(zhì)為固態(tài)-Al2O2陶瓷，充放電時(shí)鈉離子通過(guò)陶瓷電解質(zhì)在正負(fù)電極之間漂移。鈉氯化鎳電池是一種新型高能電池，它具有比能量高（超過(guò)100Wh/kg），無(wú)自放電效應(yīng)，耐過(guò)充、過(guò)放電，可快速充電，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是其工作溫度高（250-350），而且內(nèi)阻與工作溫度、電流和充電狀態(tài)有關(guān)，因此需要有加熱和冷卻管理系統(tǒng)。鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動(dòng)汽車(chē)蓄電池，它已被美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體(USABC)列為中期發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)蓄電池，鈉硫蓄電池具有高的比能量，但它的峰值功率較低，而且這種電池的工作溫度近似300，熔融的鈉和硫有潛在的毒性，腐蝕也限制了電池的可靠性和壽命。 4、鋅空氣電池（Zinc-air

10、）鋅空氣電池是一種機(jī)械更換離車(chē)充電方式的高能電池，正極為Zinc，負(fù)極為Carbon（吸收空氣中的氧氣），電解液為KOH。優(yōu)點(diǎn)：鋅空氣電池具有高比能量（200Wh/kg），免維護(hù)、耐惡劣工作環(huán)境，清潔安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：比功率較?。?0W/kg），不能存儲(chǔ)再生制動(dòng)的能量，壽命較短，不能輸出大電流及難以充電等缺點(diǎn)。一般為了彌補(bǔ)它的不足，使用鋅空氣電池的電動(dòng)汽車(chē)還會(huì)裝有其它電池（如鎳鎘蓄電池）以幫助起動(dòng)和加速。 5、超級(jí)電容超級(jí)電容是為了滿足混合電動(dòng)汽車(chē)能量和功率實(shí)時(shí)變化要求而提出的一種能量存儲(chǔ)裝置，它是一種電化學(xué)電容，兼具電池和傳統(tǒng)物理電容的優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容往往和其它蓄電池聯(lián)合應(yīng)用作為電動(dòng)汽車(chē)的

11、動(dòng)力電源，可以滿足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)功率的要求而不降低蓄電池的性能，超級(jí)電容的使用，將減少汽車(chē)對(duì)蓄電池大電流放電的要求，達(dá)到減少蓄電池體積和延長(zhǎng)蓄電池壽命的目的。開(kāi)發(fā)高比能量、高比功率、長(zhǎng)壽命、高效率和低成本的超級(jí)電容，可以提高商業(yè)化電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性（特別是加速能力）、經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程。根據(jù)電極材料的不同，超級(jí)電容可分為碳類(lèi)超級(jí)電容（雙電層電化學(xué)電容）和金屬氧化物超級(jí)電容兩類(lèi)。 6、飛輪電池飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。飛輪電池是一種以動(dòng)能方式存儲(chǔ)能量的機(jī)械電池。它由電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換、電子控制、飛輪、磁浮軸承和真空殼體等部分組成，具有高功率比、高

12、能量比、高效率、長(zhǎng)壽命和環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。飛輪電池中的電機(jī)，在充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)（可達(dá)到200000rpm），即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速?gòu)亩龃笃鋭?dòng)能；放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能(動(dòng)能)到電能的轉(zhuǎn)換。要開(kāi)發(fā)適合電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)用性飛輪。7、燃料電池 燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，它的基本化學(xué)原理是水電解反應(yīng)的逆過(guò)程，即氫氧反應(yīng)產(chǎn)生電、水和熱。它不需要燃燒、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、可靠性高、維護(hù)性能好，實(shí)際效率能達(dá)到普通內(nèi)燃機(jī)的2至

13、3倍，加之其最終產(chǎn)物又是水，真正達(dá)到清潔、可再生、無(wú)排放的要求，是21世紀(jì)的首選能源。燃料電池也不需要像其它電池那樣進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的充電，它只需要像給汽車(chē)加油一樣補(bǔ)充燃料即可。據(jù)美國(guó)ABI調(diào)查公司預(yù)測(cè)，2011年全球燃料電池汽車(chē)的產(chǎn)量將達(dá)到240萬(wàn)輛，占世界汽車(chē)總產(chǎn)量的4.3，日本政府也計(jì)劃在十年內(nèi)普及燃料電池。2002年12月，日本豐田公司已向日本政府交付了第一批商用燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。7、燃料電池燃料電池由正負(fù)電極、催化層和電解質(zhì)構(gòu)成。根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為磷酸型、質(zhì)子交換膜型、堿性型、熔融碳酸鹽型和固體氧化物型等幾種。目前只有質(zhì)子交換膜型燃料電池最適合電動(dòng)汽車(chē)使用，我國(guó)研制成功的“中國(guó)氫動(dòng)力首號(hào)車(chē)”使用的就是質(zhì)子交換膜型燃料電池。一套較完整的燃料電池系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成： 燃料處理部分、燃料電池、直流交流轉(zhuǎn)換