儲(chǔ)能技術(shù) 習(xí)題答案匯總 （梅生偉）第1--9章

1、儲(chǔ)能技術(shù)第1章習(xí)題答案1-1簡述廣義的儲(chǔ)能方式與狹義的儲(chǔ)能方式的聯(lián)系與區(qū)別。解：聯(lián)系：廣義的儲(chǔ)能方式包含狹義的儲(chǔ)能方式。區(qū)別：廣義的儲(chǔ)能方式包括基礎(chǔ)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(chǔ)；而狹義的儲(chǔ)能方式通常指儲(chǔ)電和儲(chǔ) 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(zhì)量或體積的儲(chǔ)能系統(tǒng)所具有的有效儲(chǔ)存能量，又稱比能量，包括質(zhì) 量能量密度（質(zhì)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(zhì)量或體積的儲(chǔ)能系統(tǒng)所能輸出的最大功率，又稱比功率, 包括質(zhì)量功率密度（質(zhì)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(chǔ)能技術(shù)在三個(gè)歷史時(shí)期的發(fā)展特點(diǎn)。解：根據(jù)各歷史階段儲(chǔ)能使用的不同特點(diǎn)，可以把整個(gè)儲(chǔ)能發(fā)展歷史大致分為三個(gè)時(shí)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(chǔ)能技術(shù)為代表的多種儲(chǔ)能技術(shù)逐漸登上了歷史舞臺(tái)。其中，電化 學(xué)儲(chǔ)能和抽水蓄能的發(fā)展相對(duì)較快，并得到了一定程度的應(yīng)用；氫儲(chǔ)能也得到了初步的探索, 并在少數(shù)領(lǐng)域中得到了使用。多元發(fā)展期：電化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能等多種儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，一些新的儲(chǔ) 能技術(shù)，如壓縮空氣儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能逐漸登上了儲(chǔ)能的歷史舞臺(tái)。高速發(fā)展期：新能源的推廣使用和科學(xué)技術(shù)的

3、發(fā)展大大推動(dòng)了儲(chǔ)能技術(shù)的推廣與應(yīng)用。 其中，抽水蓄能儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展較為成熟，裝機(jī)容量大幅提升；電化學(xué)儲(chǔ)能逐步實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn) 業(yè)化，具有廣泛的應(yīng)用前景；超級(jí)電容儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)展迅 速，并得到了一定的應(yīng)用；熱儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能也展示了良好的發(fā)展態(tài)勢和應(yīng)用前景。1-4簡要對(duì)比分析抽水蓄能與壓縮空氣儲(chǔ)能的工作特性。解：抽水蓄能電站具有上、下游兩個(gè)水庫。負(fù)荷低谷時(shí)段抽水蓄能設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài), 將下游水庫的水抽到上游水庫保存；負(fù)荷高峰時(shí)抽水蓄能設(shè)備工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，利用儲(chǔ)存 在上游水庫中的水發(fā)電。3-7關(guān)于復(fù)合式壓縮空氣儲(chǔ)能，以下說法錯(cuò)誤的是(B)A、可以與光熱、地?zé)岷凸I(yè)余熱相結(jié)合

4、B、需要化石燃料補(bǔ)燃C、具備多能聯(lián)儲(chǔ)、多能聯(lián)供能力 D、電站容量可達(dá)百兆瓦級(jí)別3-8補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)原理是什么？其與傳統(tǒng)燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)有什么聯(lián)系和區(qū)別？ 補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)和局限性又是什么？答:傳統(tǒng)的燃?xì)鈩?dòng)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?xì)?輪機(jī)進(jìn)氣溫度。通過借鑒燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)，在壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)膨脹機(jī)前設(shè)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(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲(chǔ)能的技術(shù)路線稱為補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)存在較多相似之處,但兩者結(jié)構(gòu)上最顯著 的

5、區(qū)別在于，燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)中空氣壓縮機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)同軸，燃?xì)廨啓C(jī)輸出的部分軸功用來驅(qū) 動(dòng)空氣壓縮機(jī)，而補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)獨(dú)立。補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟度高、設(shè)備運(yùn)行可靠、投資成本低，具有較長 的使用壽命，具備與燃?xì)怆娬绢愃频目焖夙憫?yīng)特性。然而，在當(dāng)前大力發(fā)展綠色能源、控制 碳排放量的大背景下，補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能的碳排放已成為其最大弊端之一。3-9非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能主要有幾種技術(shù)路線？分別闡述其優(yōu)點(diǎn)及局限性。答：非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能主要包括絕熱式、等溫式和復(fù)合式，其中，絕熱式壓縮空氣儲(chǔ) 能又分為高溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能和中溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能。高溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系

6、統(tǒng)效率較高，然而，高溫壓縮機(jī)內(nèi)部的密封結(jié)構(gòu)和潤滑結(jié)構(gòu)目 前均存在重大技術(shù)瓶頸，固體式填充床易存在溫度梯度和換熱不均。因此，在當(dāng)前的設(shè)備技 術(shù)和工藝水平條件下，高溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。中溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ) 能關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)成熟、成本合理，可基于當(dāng)前成熟的關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)和工藝水平開展設(shè)計(jì)和制 造；系統(tǒng)穩(wěn)定性、可控性較強(qiáng)，具備多能聯(lián)儲(chǔ)、多能聯(lián)供的能力，易于實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，但 其效率還需要進(jìn)一步提升。等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行參數(shù)低，但其裝機(jī)功率一般較小, 儲(chǔ)能效率較低，等溫的壓縮過程和膨脹過程也難以實(shí)現(xiàn)，僅適用于小容量的儲(chǔ)能場景，例如 分布式儲(chǔ)能、家庭儲(chǔ)能。復(fù)合式壓縮

7、空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)形式較多,可在理論研究或工程應(yīng)用中根據(jù)需求進(jìn)行多樣化的 設(shè)計(jì)和調(diào)整。復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較強(qiáng)的多能聯(lián)儲(chǔ)、多能聯(lián)供的能力，可以實(shí)現(xiàn)多種 能量形式的儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)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(duì)于中溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的描述中錯(cuò)誤的是(A)A、一般采用固體填充床進(jìn)行蓄熱B、關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)成熟、成本合理C、系統(tǒng)穩(wěn)定、可控性強(qiáng)D、具備多能聯(lián)供能力3-11簡述常用的壓縮空氣儲(chǔ)能空氣存儲(chǔ)設(shè)備及其優(yōu)缺點(diǎn)。答：壓縮空氣儲(chǔ)存設(shè)備主要分為等容型和等壓型。等容型儲(chǔ)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(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，然

8、而，當(dāng) 應(yīng)用于中等容量以上的儲(chǔ)能場景時(shí)，普通鋼制壓力容器儲(chǔ)氣庫的成本將成為限制其應(yīng)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(jìn)行儲(chǔ)氣時(shí)，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(jí)的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng) 中，采用管線鋼鋼管陣列進(jìn)行儲(chǔ)氣成為最佳選擇之一，但在大規(guī)模壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中，其 儲(chǔ)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(chǔ)氣庫容量大、占地少， 是目前建造大容量壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的有利支撐條件。等壓儲(chǔ)氣裝置主要包括水下承壓氣囊和重力恒壓儲(chǔ)氣裝置等。恒壓儲(chǔ)氣裝置受限于材料 技術(shù)、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(chǔ)能系統(tǒng)或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)。3-12目前可用于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮機(jī)有哪幾種？它們各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？應(yīng)用于壓縮 空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，壓縮機(jī)應(yīng)該按照什么方法進(jìn)行選型？答：目前適用于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的壓縮機(jī)類型主要為往復(fù)式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)和 軸流式壓縮機(jī)。往復(fù)式空氣壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)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(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多、日常維修量大；周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致動(dòng)平衡性差，運(yùn)轉(zhuǎn) 時(shí)有振動(dòng)。離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)，離心式壓縮機(jī)易損件和維修量較少，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和大型化，非常適合 應(yīng)用于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。

10、但離心式壓縮機(jī)氣流速度大，流道內(nèi)的零部件有較大的摩擦損失; 存在喘振現(xiàn)象，危害壓縮機(jī)本身和系統(tǒng)的運(yùn)行安全。軸流式壓縮機(jī)具有通流能力大、流量大、阻力損失小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡單、 運(yùn)行維護(hù)方便、占地面積小。但軸流式壓縮機(jī)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(diào)節(jié)的范圍比較小。軸流式壓縮機(jī)在用于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，一般需要 和離心壓縮機(jī)串聯(lián)使用。3-13關(guān)于軸流式膨脹機(jī)，以下描述錯(cuò)誤的是（C）A、通流能力大B、流量大C、結(jié)構(gòu)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(diǎn)和缺點(diǎn)？其是否可應(yīng)用于壓縮空氣儲(chǔ) 能系統(tǒng)？答：板式換熱器具有

11、換熱效率高、熱損失小、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、占地面積小、安裝清洗方 便、應(yīng)用廣泛、使用壽命長等特點(diǎn)。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(duì)于高溫 過程和帶壓的換熱過程，實(shí)施過程中還是應(yīng)該主要考慮采用管殼式換熱結(jié)構(gòu)。3-15已知某壓縮機(jī)進(jìn)口空氣的焰值歷為298.45 kJ/kg,流速s為55 m/s；壓縮機(jī)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(jì)。試求1 kg空 氣流經(jīng)壓縮機(jī)時(shí)壓縮機(jī)對(duì)其做功的量。若空氣流量為120 t/h,試求壓縮機(jī)的功率。解：由式(3-11)可知壓縮

12、機(jī)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(shù)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(jī)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(jí)壓縮后空氣壓力達(dá)到12.5 MPa。各級(jí) 壓縮均為等嫡壓縮且等嫡效率均為90%,壓縮機(jī)的質(zhì)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(shè)各級(jí)壓縮機(jī)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(jī)壓縮達(dá)到12.5 MPa,則壓縮機(jī)的功率和排氣溫 度分別為多少？解：壓縮機(jī)功耗最小時(shí)各級(jí)壓縮比相等，即3 P3 _ 3 12.5 MPa _Jpo - J 0.1 MPa - 5則第一級(jí)壓縮機(jī)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(jí)壓縮機(jī)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(jí)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(jí)的排氣溫度為七2 = J = 210.16 則該壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)壓縮機(jī)的總功耗為w = 3 Wi = 1910.19 kWx 3 = 5730.57 kW若采用單級(jí)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(jī)排氣溫度為/ k-lI /?41。1 + F-壓縮機(jī)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(chǔ)能系統(tǒng)膨脹部分采用三級(jí)膨脹、級(jí)間再熱的方式。一級(jí)空氣透平進(jìn)氣壓 力0=6.4MPa

16、、/I=180 ,三級(jí)膨脹完畢后的壓力為環(huán)境壓力0.1 MPa。各級(jí)透平均為等蟒 膨脹，三級(jí)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(zhì)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(shè)各級(jí)空氣透平的入口 溫度相同且不考慮換熱器的流動(dòng)阻力損失，試求透平的輸出功率及各級(jí)透平排氣溫度。解：一級(jí)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(jí)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(jí)、三級(jí)透平的溫度分別為33.01 口和38.02 口；二級(jí)、三級(jí)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(chǔ)能系統(tǒng)，采用兩級(jí)壓縮、兩級(jí)膨脹的布置方式，其儲(chǔ)能時(shí)間和釋能時(shí)間均為6小時(shí)。除了輸出電

18、力外，該系統(tǒng)還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)供熱和制冷應(yīng)用。儲(chǔ)能階段，一、 二級(jí)壓縮機(jī)的功率分別為10.32MW和9.75MW,釋能階段，一、二級(jí)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(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)采用四級(jí)壓縮、三級(jí)膨脹的技術(shù)方案，采用加壓水作為傳 熱和儲(chǔ)熱工質(zhì)，其方案如下圖所示。圖中，各物流節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了標(biāo)注，A代表空氣，W代表 水，各節(jié)點(diǎn)的壓力、溫度、流量、比如如下表所示。該方案中，壓縮時(shí)間為8小時(shí)，膨脹時(shí) 間為4小時(shí)。1-4級(jí)壓縮機(jī)的功率分別為3.607 MW、3.907 MW、3.907 MW和3.914 MW, 1-3級(jí)透平的功率分別為5.564MW、5.591MW和5.552MW。試求：（1）該壓縮空氣儲(chǔ)能的 循環(huán)效率；（2）各壓縮機(jī)、透平和換熱器的煙損失。習(xí)題3-19附圖某非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能流程圖習(xí)題31

20、9附表某非補(bǔ)燃?jí)嚎s空氣儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)參數(shù)表節(jié)點(diǎn)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(chǔ)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(jí)壓縮機(jī)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(jì)算方法可得，二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)壓縮機(jī)的煽損失分別為0.459MW、0.461MW、0.458MWo一級(jí)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(jì)算方法可得，二級(jí)、三級(jí)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(jì)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(xí)題答案4-1鉛酸電池的原理是什么？請(qǐng)寫出它的反應(yīng)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(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。放電時(shí)，正極的二氧化鉛與硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛和水，負(fù)極的鉛與硫酸反應(yīng)生成硫 酸鉛；充電時(shí)，正極的硫酸鉛轉(zhuǎn)化為二氧化鉛，負(fù)極的硫酸鉛轉(zhuǎn)化為鉛。鉛酸電池反應(yīng)如下。正極：PbCh+3H+HSO；+26- *PbSO4+2H2O負(fù)極：Pb+HSO；討 PbSO4+H+ +2e-總反應(yīng)：PbCh+Pb+2H2s* 2PbSO4+2H2O4-2請(qǐng)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(jìn)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(fù)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(dòng)型鉛酸電池組。例如，汽車摩托車啟動(dòng)用鉛酸電 池組、鉛酸電池車輛用鉛酸電池組等，當(dāng)有兩組相同型號(hào)的固定型鉛酸電池組，一組工作, 而另一組備用時(shí)，一般也采用這種工作方式。定期浮充制就是整流設(shè)備與鉛酸電池組并聯(lián)并定期輪流向負(fù)載供電的一種工作方式。也 就是說，由整流設(shè)備和鉛酸電池組所構(gòu)成的直流電源，部分時(shí)間由鉛酸電池向負(fù)載供電；其 他時(shí)間由整流設(shè)備浮充鉛酸電池組供電，即整流設(shè)備在直接向負(fù)載供電的同時(shí)，還要向鉛酸 電池充電(浮充)，以補(bǔ)充鉛酸電池放電時(shí)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(nèi)部反應(yīng)如下：481216光電時(shí)間(h)2 2 2 2 (身整裂沃A Ji A 30403020圖4-17習(xí)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(dāng)電流的端電壓上升至穩(wěn)壓點(diǎn)附近時(shí)，由于充電歷程已到中后期，此時(shí)正極板上 PbSO4數(shù)量已不多，使交換電流密度隨反應(yīng)面積的變小而增大，所以電化學(xué)極化作用已經(jīng) 變小，而電池內(nèi)阻也明顯減少。但是，充電的真實(shí)表面積已經(jīng)變小了，故弓I起了電極真實(shí)電 流密度的增大。繼而使電極表面附近電解液濃度增高，導(dǎo)致濃差極化影響嚴(yán)重，

28、造成電池內(nèi) 電流迅速衰減。(3)當(dāng)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(xué)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(nèi)氧循環(huán)，僅極小的電流用于維持 活性物質(zhì)的恢復(fù)，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(nèi)部反應(yīng)如下：圖4-18習(xí)題4-3不意圖(1)在放電初期，端電壓U下降很快，這是因?yàn)樵诜烹姵跗冢钚晕镔|(zhì)微孔內(nèi)的電解液 濃度下降很快，使電動(dòng)勢E明顯減小，同時(shí)內(nèi)電阻r的明顯減小也使內(nèi)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(zhì)微孔內(nèi)的電解液逐漸擴(kuò)散，其

29、濃度趨于平衡，使電動(dòng)勢 E和內(nèi)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(shí)，正負(fù)極板表 面上的活性物質(zhì)二氧化鉛(PbO2)和海綿狀金屬鉛(Pb)已經(jīng)大部分轉(zhuǎn)換成硫酸鉛(PbS04)。(3)放電后期，極板上活性物質(zhì)轉(zhuǎn)換成硫酸鉛的轉(zhuǎn)換作用已經(jīng)很微弱，這時(shí)，端電壓的 下降將變快，當(dāng)放電電壓下降到終了電壓(1.8V)時(shí)，蓄電池應(yīng)立即停止放電，這時(shí)，端電壓 將很快恢復(fù)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(shí)對(duì)蓄電 池的使用壽命也將產(chǎn)生不利影響。4-4請(qǐng)簡述鉛炭電池的特點(diǎn)。解：在負(fù)極引入活性炭，使電池兼具鉛酸電池和超級(jí)電容器的優(yōu)勢，能夠顯著提高鉛酸電池 的壽命，

30、同時(shí)可有效抑制普通鉛蓄電池負(fù)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?zé)o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(shí)；(2)需防止 不可逆硫酸鹽化；(3)循環(huán)壽命短，重復(fù)深度充放減少電池壽命；(4)回收困難，對(duì)環(huán)境有 害。4-5鋰離子電池的原理是什么？請(qǐng)寫出它的反應(yīng)方程式。電池充電時(shí)，正極上的電子通過外部電路跑到負(fù)極上，而鋰離子從正極脫嵌，穿過電解 質(zhì)和隔膜嵌入負(fù)極，與從正極跑過來的電子結(jié)合，使得負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰

31、態(tài), 同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡；放電時(shí)則相反，電子從負(fù) 極經(jīng)過外部電力電子器件跑到正極，鋰離子從負(fù)極脫嵌，穿過電解質(zhì)和隔膜重新嵌入正極， 正極，與從負(fù)極跑過來的電子結(jié)合。因此鋰離子電池實(shí)質(zhì)為一種鋰離子濃差電池，依靠鋰離 子和電子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來完成充放電工作。鋰離子電池的化學(xué)反應(yīng)式：LiMO + nC QLi XMO? +Li CnL、I -八ZA 11正極反應(yīng)：LiMO? LiXMO? + xLi+ +xeZ 、I - A乙負(fù)極反應(yīng):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(shí)間逐步

32、減少，恒流可充入容量和能量也 逐步減少。在實(shí)際電池組應(yīng)用中，可以以鋰離子電池允許的最大充電電流充電,達(dá)到限壓后， 再進(jìn)行恒壓充電，這樣在減少充電時(shí)間的基礎(chǔ)上，也保證了充電的安全性；另外，應(yīng)綜合考 慮充電時(shí)間和效率，選擇適中的充電電流，以減少內(nèi)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(jìn)入一個(gè)緩慢變化的階段，這段時(shí)間稱為電池的平臺(tái)區(qū)，放電倍率越小，平臺(tái)區(qū)持 續(xù)的時(shí)間越長，平臺(tái)電壓越高，電壓下降越緩慢；在電池電量接近放完時(shí)，電池負(fù)載電壓 開始急劇下降直至達(dá)到放電截止電壓。4-7請(qǐng)簡述鋰離子電池的特點(diǎn)。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(zhuǎn)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(jī)電解液，存在較大安全隱患；(2)循環(huán)壽命和成本 等指標(biāo)尚不能滿足電力系統(tǒng)儲(chǔ)能應(yīng)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(dá)20年；響應(yīng)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(xué)儲(chǔ)能技術(shù)較低，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。4-9全鋼液流電池的原理是什么？請(qǐng)寫出它的反應(yīng)方程式。解：全鈿液流電池中，正極電解液為含有五價(jià)鈿和四價(jià)鈿離子的硫酸溶液，負(fù)極電解液為含 有三價(jià)鋼和二價(jià)鈿離子的硫

34、酸溶液，二者由離子交換膜隔開。在對(duì)全鋼液流電池進(jìn)行充放電 過程中，正負(fù)極電解液在各自電極區(qū)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，鈿電池中的電能以化學(xué)能的方式存儲(chǔ)在 不同價(jià)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(nèi)，在機(jī)械動(dòng)力作用下, 使其在不同的儲(chǔ)液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)，采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜, 電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過雙極板收集和傳導(dǎo)電流，從而使得存 儲(chǔ)在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。全鋼液流電池反應(yīng)如下：正極電對(duì)：V(V)/V(IV)VOH2O-eVO：+2H壓縮空氣儲(chǔ)能是利用壓縮空氣作為載體來實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和利用的一種能源系統(tǒng)。儲(chǔ)能時(shí), 電能或機(jī)械能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)由環(huán)

35、境中吸取空氣將其壓縮至高壓狀態(tài)并存入儲(chǔ)氣裝置，電能或機(jī) 械能在該過程中轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的內(nèi)能和勢能；釋能時(shí)，儲(chǔ)氣裝置中存儲(chǔ)的壓縮空氣進(jìn)入空 氣透平中膨脹做功發(fā)電，壓縮空氣中蘊(yùn)含的內(nèi)能和勢能在該過程中重新轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械 能。1-5簡要對(duì)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(fù)極主要成分為鉛；在放電狀態(tài)下，正負(fù)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(fù)極板活性物質(zhì)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(duì)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(fù)極）、電解液、隔膜、導(dǎo)電劑、粘結(jié)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(fù)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(zhì)由溶解在有機(jī)碳酸鹽中的鋰鹽組成。充電時(shí)，鋰原子變成的鋰離子通過 電解質(zhì)向碳極遷移，在碳極與外部電子結(jié)合后作為鋰原子儲(chǔ)存；放電時(shí)為充電時(shí)的逆反應(yīng)。

37、 與其他化學(xué)電池相比，鋰電池具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，主要有：高能量密度、長壽命、低自放電率、 無記憶效應(yīng)、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(zhuǎn)換器以及熱交換 器構(gòu)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(zhì)是具有流動(dòng)性的電解質(zhì)溶 液。液流電池的輸出功率與電池容量互相獨(dú)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(dá)到增加電池容量的目的。由于電 解液分別存儲(chǔ)于兩個(gè)儲(chǔ)液罐中，一般不存在電池自放電和電解液變質(zhì)問題。鈉硫電池由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、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(zhì)組成，負(fù)極的活性物質(zhì)為熔融金屬鈉，正極活性物質(zhì)為液態(tài)硫和多 硫化鈉熔鹽。鈉與硫通過化學(xué)反應(yīng)，將電能儲(chǔ)存起來；當(dāng)電網(wǎng)需要電能時(shí)，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)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(diǎn)。此外，鈉硫電 池的“蓄洪”性能突出，即可使輸入的電流突然達(dá)到額定功率5-10倍，它也能穩(wěn)定地進(jìn)行能 量存儲(chǔ)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(duì)較差。V+e 蘭a4-10請(qǐng)簡述全鋼液流電池、鐵路液流電池和鋅濱液流電池的特點(diǎn)。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(duì) 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(qǐng)寫出它的反應(yīng)方程式。解：鈉硫電池采用加熱系統(tǒng)把不導(dǎo)電的固態(tài)鹽類電解質(zhì)加熱熔融，使電解質(zhì)呈離子型導(dǎo)體而 進(jìn)入工作狀態(tài)。作為固體電解質(zhì)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(jié)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(fù)極） 到陰極（正極），而Na.則通過固體電解質(zhì)B-AI2O3與S?-結(jié)合形成多硫化鈉產(chǎn)物，在充電時(shí) 電極反應(yīng)與放電相反。鈉與硫之間的反應(yīng)劇烈，因此兩種反應(yīng)物之間必須用固體電解質(zhì)隔開, 同時(shí)固體電解質(zhì)又必須是鈉離子導(dǎo)體。鈉硫電池反應(yīng)如下。正極：負(fù)極:夯由2NK2NaN 陷2Na + xS4-12請(qǐng)簡述鈉

40、硫電池的特點(diǎn)。解：鈉硫電池單位質(zhì)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(jìn)行大電流、高功率放電，其放電 電流密度一般可達(dá)200-300mA/cm2,并瞬時(shí)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(zhì)，沒有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的自放電及副反應(yīng)，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(shí)需要適時(shí)加熱保溫；鈉硫 電池系統(tǒng)規(guī)模可根據(jù)應(yīng)用需求通過鈉硫電池模塊集成靈活擴(kuò)展，達(dá)到MW級(jí)別；此外還具 有無放電污染、無振動(dòng)、低噪聲、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。第5章習(xí)題答案5-1.試

41、根據(jù)氫原子的基態(tài)能級(jí)，計(jì)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(diǎn)。答：氫能可以通過燃燒、催化產(chǎn)熱、化學(xué)產(chǎn)熱、電化學(xué)產(chǎn)電等不同的轉(zhuǎn)化方式進(jìn)行應(yīng)用， 具有多轉(zhuǎn)換性的特點(diǎn)。5-3.簡述氫儲(chǔ)能的作用。答：由于氫能具有多轉(zhuǎn)化性的特點(diǎn)，和其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，氫儲(chǔ)能不僅具有調(diào)節(jié)電網(wǎng)波 動(dòng)性的作用，還具有代替部分化石能源、充當(dāng)化工原料的作用。5-4,簡述氫儲(chǔ)能的主要環(huán)節(jié)及其特點(diǎn)。答：氫儲(chǔ)能作為一個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈，可分為上游制備，中游儲(chǔ)運(yùn)，下游應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù) 應(yīng)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(shù)三類，其特點(diǎn)各 不相同。2)中游儲(chǔ)運(yùn)氫能的中游儲(chǔ)運(yùn)方式可分為氫的高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)及固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)三類。3)下游應(yīng)用氫能應(yīng)用具有多轉(zhuǎn)換性的特點(diǎn)。其主要的應(yīng)用方式有：(1)直接燃燒，即利用氫和氧發(fā)生反應(yīng)放出的熱能；(2)通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能，即利用氫和氧在催化劑作用下的電化學(xué)反應(yīng)直接獲取電 能；(3)化學(xué)反應(yīng)，即在化工等行業(yè)中利用氫的還原性質(zhì)。5-5.試問興登堡和挑戰(zhàn)者號(hào)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(hào)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(hào)航天飛機(jī)使用的 氫為液態(tài)，是作為

43、液態(tài)燃料給航天飛機(jī)提供動(dòng)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(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行。(不同溫度下標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)為：CH4+H20T3H2+C0 由式GJ = AGCCO) + 3AG/)(H2) - AG(CH4) - AG(H2O)可知，在400、800、1200K時(shí)反應(yīng)前后標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)在1200K時(shí)能自發(fā)進(jìn)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(diào)控半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)的有效途徑。摻雜過渡金屬離子可以在半導(dǎo)體禁帶內(nèi)引入雜 質(zhì)能級(jí)，從而擴(kuò)寬其吸收限。此外，陰離子摻雜可調(diào)節(jié)半導(dǎo)體導(dǎo)帶位置，擴(kuò)大材料的光響應(yīng) 范圍。5-8.在變壓吸附純化氫氣的過程中，假設(shè)吸附劑的熱導(dǎo)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(shè)計(jì)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(xué)吸附與物理吸附之間的區(qū)別。化學(xué)吸附與物理吸附對(duì)比1、原理：化學(xué)吸附依靠的是比較強(qiáng)的化學(xué)鍵，物理吸附依靠的是比較弱的范德華力2、層數(shù)：化學(xué)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(xué)吸附不可逆，物理吸附可逆4、吸附溫度：化學(xué)吸附的吸附溫度更高(反應(yīng)熱)，物理吸附的溫度低(反應(yīng)熱)5、吸附速率：化學(xué)吸附比物理吸附速率慢6、吸附選擇物性：化學(xué)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(chǔ)氫中，若儲(chǔ)氫罐的瓶壓是20MPa,體積為50L,試計(jì)算其在3

46、00K時(shí)， 可以儲(chǔ)存的氫氣的質(zhì)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(duì)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(duì)氫氣降溫。5-12,根

47、據(jù)固態(tài)材料儲(chǔ)氫的原理，可分為物理吸附儲(chǔ)氫材料和化學(xué)吸附儲(chǔ)氫材料，試問每 類中的固態(tài)儲(chǔ)氫材料都有哪些。答：根據(jù)固態(tài)材料的儲(chǔ)氫原理可分為物理吸附儲(chǔ)氫材料和化學(xué)吸附儲(chǔ)氫材料。其中物理吸附儲(chǔ)氫材料有儲(chǔ)氫碳材料、儲(chǔ)氫金屬-有機(jī)骨架材料?；瘜W(xué)儲(chǔ)氫材料有金屬單質(zhì)、合金。第6章習(xí)題答案6-1根據(jù)物理原理的不同，儲(chǔ)熱技術(shù)可以分為哪幾類？答：根據(jù)物理原理的不同，儲(chǔ)熱技術(shù)可分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱三種。6-2與顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)相比，潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)最大的優(yōu)勢是什么？答：相較于顯熱儲(chǔ)熱，潛熱儲(chǔ)熱的主要優(yōu)勢有兩點(diǎn)，一是儲(chǔ)熱密度高于顯熱儲(chǔ)熱，二是 可提供恒溫的熱能。6-3當(dāng)液體顯熱儲(chǔ)熱材料靜置于儲(chǔ)罐中時(shí)，會(huì)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(chǔ)熱系統(tǒng)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。答：以水為例，在實(shí)際工程中，當(dāng)水靜置于水箱中時(shí)，由于散熱會(huì)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(nèi)的溫度分層有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是避免了冷熱流體的摻混，當(dāng)負(fù)載工質(zhì)從水箱上層吸收熱 能時(shí)提高了熱能利用的品位；二是由于集熱器進(jìn)口溫度和效率呈負(fù)相關(guān)，所以集熱器進(jìn)口與 水箱下層低溫處相連可提高整個(gè)系統(tǒng)效率。6-4晶體生長率低、過冷度大會(huì)使得儲(chǔ)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(diǎn)而沒有凝固的現(xiàn)象。由于勻相核化結(jié)晶活化能的存在，純液 體的結(jié)晶一般會(huì)

49、在略低于熔點(diǎn)時(shí)開始。晶核形成的同時(shí)，新相和液體之間的相界面也會(huì)形成, 此過程會(huì)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(huì)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(huì)開始凝固。因此，晶體生長率低、過冷度大，會(huì)導(dǎo)致相變材料無法在理論的凝 固點(diǎn)附近凝固，不僅造成潛熱難以充分利用，且導(dǎo)致放熱過程難以保持在恒溫工況，因此對(duì) 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(diǎn)接近于熔點(diǎn)。6-5在相變材料的封裝過程中，要求氣隙空間產(chǎn)生于遠(yuǎn)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(dǎo)致材料在固相時(shí)會(huì)形成一

50、個(gè)氣隙空間，如果封裝技術(shù) 設(shè)計(jì)不當(dāng)，這個(gè)氣隙空間將會(huì)大大阻礙傳熱速率，由于空氣的導(dǎo)熱率比任何相變材料都要低 幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此當(dāng)氣隙空間產(chǎn)生于不合適的位置時(shí)，將成為相變材料吸熱熔化時(shí)巨大的熱 阻。因此，封裝技術(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使氣隙空間產(chǎn)生于遠(yuǎn)離熱源的位置。比如在某個(gè)重力不可忽 略的封裝容器內(nèi)，應(yīng)避免熱源位于封裝容器的頂部。因?yàn)橐坏┤绱?，容器頂部將形成氣隙?間，在下一次充熱時(shí)，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(huì)對(duì)相變材料起到強(qiáng)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(qiáng)化換熱手段主要原因是可以擴(kuò)展換熱面積。由于自然 對(duì)流對(duì)

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(huì)影響到自然對(duì)流過程, 因此相變材料強(qiáng)化換熱中一個(gè)重要的研究領(lǐng)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(guān)鍵參數(shù)，使得肋板對(duì)自然對(duì)流的抑制程度最低、換熱面積最大, 從而優(yōu)化強(qiáng)化換熱效果。相較于熔化過程，凝固過程主要以熱傳導(dǎo)為主，自然對(duì)流作用微弱， 甚至可以忽略，因此肋板對(duì)強(qiáng)化傳熱的作用更加明顯。6-7請(qǐng)分別寫出金屬氧化物儲(chǔ)熱體系、金屬氫化物體系、氫氧化物儲(chǔ)熱體系的反應(yīng)通式。答：金屬氧化物儲(chǔ)熱體系的反應(yīng)通式為：MxOy+z(s) O MxOy(s) +|o2(g)金屬氫化物儲(chǔ)熱體系的反應(yīng)通式為：MHn(s)+AHr =

52、 M(s)+2(g)氫氧化物儲(chǔ)熱體系的反應(yīng)通式為：MHn(s)+AHrM(s)+yH2(g)6-8某冷卻系統(tǒng)中的工質(zhì)泵以50%的效率耗電2kW使得工質(zhì)在管路中流動(dòng)，假設(shè)工質(zhì)為水, 流入泵時(shí)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(shè)工質(zhì)質(zhì)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(zhì)量、相同初始溫度的相變儲(chǔ)熱材料，計(jì)算相同太陽輻 照、有效輻照時(shí)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(chǔ)熱升溫到30后再開始潛熱儲(chǔ)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