1、1,第四章 储能技术,储能技术的应用领域,物理储能技术,化学储能技术,储能的背景与意义,4.1,4.2,4.3,4.4,2,储能技术的应用领域,物理储能技术,化学储能技术,储能的背景与意义,4.1,4.2,4.3,4.4,主要内容,何为储能？,储能是指能量的存储，即通过一种介质或者设备，把当前剩余的能量以其本身的形式，或者换成另一种能量形式存储起来，根据未来使用的需要以特定能量形式释放出来的一个过程。储能是针对电能的存储，利用物理或化学方法将电能存储起来的技术。,狭义上,广义上,3,4.1.1 应用背景,要使具有间歇、随机、低密度特点的可再生能源得到广泛有效的利用，并逐步成长为替代能源，最终成
2、为主导能源，大规模储能技术是其中必不可少的关键环节。也只有大规模储能技术的应用，才能突破电力工业自诞生以来受即发、即送、即用方式的困扰和束缚，让电能真正做到以人为本，为人类的需要服务，实现电与人的和谐发展。,国家能源专家咨询委员会副主任徐锭明,4,4.1.1 应用背景,2011年3月，十一届全国人大四次会议审议通过中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要。在“十二五”期间，国家将培育发展与新能源相关的战略性新兴产业，包括：新一代核能，太阳能热利用和光伏光热发电、风电技术装备、智能电网、生物质能、插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车技术、同时，国家将推广分布式能源系统的应用，
3、推动海上风电、太阳能发电规模化示范工程以及插电式混合动力汽车、纯电动汽车商业化示范工程的实施。储能作为其不可或缺的技术，无论是为新能源大规模并网或是为新能源汽车提供动力，都将获得更多的示范机会。,4.1.1.1 国家政策扶持,5,2011年3月，国家发改委修订并发布了新的产业结构调整指导目录。“大容量电能存储技术”在电力类鼓励条目中出现，表明国家层面已经意识到该技术能够解决“分布式供电及并网技术推广应用”、“智能电网建设”等项目中面临的一些大问题。,2011年12月，国家能源局发布国家能源科技“十二五”规划。规划中强调，突破间歇式电源并网和储能技术与装备称为“十二五”期间重点任务之一。其中大容
4、量快速储能装置的研究，将给储能行业带来新一轮的发展机会。,6,4.1.1.2 国家发展需要,化石能源日益短缺 化石能源过渡消耗带来严重的污染问题 能源和环境问题恶化将严重制约我国经济发展,规模化利用可再生能源实现能源多样化,开展节能减排 提高化石能源利用效率,解决可再生能源发电不稳定性,平衡用电负荷，提高发电效率,发展规模化储能（蓄电）技术是国家能源安全、经济可持续发展，实现节能减排重大国策的重大需求,7,4.1.1.3 技术发展需求,1）具有随机性、波动性的大规模新能源接入电网给传统电网造成接入难题！2）新能源接入带来电网电源结构的变化加大了对于电网调峰调频的应用需求！3）分布式电源接入及微
5、电网的发展对于储能系统提出了刚性需求！4）基于减小碳排放的电动汽车的发展对于配套储能系统的需求不断增加！5）军用、工业及民用用户基于提高供电可靠性的要求对于储能提出了新的需求,8,4.1.2 储能的意义,9,4.1.2.1 大规模高效储能技术是实现太阳能、风能等可再生能源普及应用的关键技术,风能、太阳能和海洋能等可再生能源发电受季节、气象和地域条件的影响，具有明显的不连续、不稳定性。发出的电力波动较大，可调节性差。当电网接入的风电发电容量过多时，电网的稳定性将受到影响。目前，可再生能源发电的大规模电网接入是制约其发展的瓶颈。配套大规模高效储能装置，可以解决发电与用电的时差矛盾及间歇式可再生能源
6、发电直接并网对电网冲击，调节电能品质。同时，储能技术在离网的太阳能、风能等可再生能源发电应用中具有不可或缺的重要作用。,4.1.2 储能的意义,10,4.1.2.2 大规模高效储能技术是构建坚强智能电网的关键,电力工业是国民经济的基础产业，为经济发展和社会进步提供了重要保障。智能电网技术是提高电力系统安全性、稳定性、可靠性和电力质量的重要技术。储能技术作为提高智能电网对可再生能源发电兼容量的重要手段和实现智能电网能量双向互动的中枢和纽带，是智能电网建设中的关键技术之一。,11,4.1.2 储能的意义,4.1.2.3 高效储能系统是用于高耗能企业和国家重要部门的备用电源,电解、电镀及冶金等行业，
7、电车、轻轨和地铁等交通部门，都是集中用电大户。使用储能电池用“谷电”对储能系统充电，在高峰期应用于生产、运营，电能的利用效率高，不仅可以减轻电网负担，还可以降低运营成本。高效储能系统的另外一个重要应用是用作政府、医院、军事指挥部等重要部门的备用电站。在非常时期保证稳定、及时的应急电力供应。,12,储能技术的应用领域,物理储能技术,化学储能技术,储能的背景与意义,4.1,4.2,4.3,4.4,主要内容,4.2 储能技术的应用领域,a. 备用电站,南方电网深圳宝清电池储能电站,13,b. 智能电网储能,14,c. 太阳能发电储能,日本光伏电池联合储能电站,15,c. 风能发电储能,16,d. 电
8、动汽车储能,17,e. 太阳能路灯,18,f. 电动汽车充电站,19,g. 家庭微电网,20,h. 平稳可再生能源输出,21,i. 电力系统“削峰填谷”,22,j. 维持电力供需平衡,23,24,储能技术的应用领域,物理储能技术,化学储能技术,储能的背景与意义,4.1,4.2,4.3,4.4,主要内容,现有的各种储能技术,25,化学储能,电池储能,超级电容储能,按有无化学反应分类,26,各种储能技术规模与适用范围,27,各种储能技术的发展情况,28,各种储能技术性能对比,29,4.3.1 抽水蓄能,储电：在电力负荷低谷期，利用电站提供的剩余电量驱动水泵，将低水位库中的水抽至高水位库，电能转为势
9、能。,发电：在用电负荷高峰期，释放高位水库的水，驱动水轮机发电机组发电，将势能转换为电能。,30,工作原理,4.3.1 抽水蓄能,抽水蓄能电站示意图,31,4.3.1 抽水蓄能,抽水蓄能技术是目前最成熟、应用最广泛的大规模储能技术，具有容量大，寿命长（经济寿命50年）、运行费用低的特点。可为电网提供调峰、填谷、调频、事故备用等服务，其良好的调节性能和快速负荷变化响应能力，对于有效减少新能源发电输入电网时引起的不稳定性具有重要意义。,电站选择上需要有水平间距小，上下水库高度差大的地形条件，岩石强度高、防渗水性能好的地质条件，以及充足的水源保证发电用水的需求。另外还需要考虑上下水库的库区淹没问题，
10、水质的变化以及库区土壤碱化等一系列环保问题。,32,优点,缺点,4.3.1 抽水蓄能,抽水储能的释放时间可以从几个小时到几天不等，综合效率在70%到85%之间；主要用于电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。,33,效率与应用范围,4.3.1 抽水蓄能,世界第二大抽水蓄能水电站天荒坪电站,天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省安吉县境内。电站装机容量180万kW，上水库蓄能能力1046万kWh，其中日循环蓄能量866万kWh，年发电量316亿kWh，年抽水用电量4286亿kWh，承担系统峰谷差360万kW任务。,34,4.3.1 抽水蓄能,广州抽水蓄能电站,广州抽水蓄能电站位于广州市从化区吕田镇
11、深山大谷中。总装机容量240万千瓦，装备8台30万千瓦具有水泵和发电双向调节能力的机组。,35,4.3.1 抽水蓄能,北京十三陵抽水蓄能电站,十三陵抽水蓄能电站位于北京十三陵风景区，电站装机发电容量800 MW，年发电量12亿kWh；抽水容量816 MW，年抽水用电量16.5亿kWh。为京津唐地区提供可靠的调峰、调频填谷和紧急事故备用电源。,36,4.3.1 抽水蓄能,泰山抽水蓄能电站,泰山抽水蓄能电站隶属国网新源控股有限公司,是全国第四座大型抽水蓄能电站，山东省第一座大型水电站，装机总容量为100万千瓦，总投资43.26 亿元。,37,我国抽水蓄能发展状况,4.3.1 抽水蓄能,我国抽水蓄能
12、的发展呈现以下特点：（1）我国的抽水蓄能电站近20年得到了快速发展。截止2010年底，投产装机容量达到16345MW，跃居世界第三；在建装机容量达到12040MW，居世界第一。虽然如此，但抽水蓄能电站装机容量占我国总装机容量的比例还较低。（2）施工技术达到世界先进水平，大型机电设备原来依赖进口，但经过近几年的技术引进、消化和吸收，已经基本配备了生产能力。（3）按照目前国家政策，抽水蓄能电站原则上由电网企业建设和管理。“十二五”期间，政府对水电的开发十分重视，来自中国电力企业联合会的相关数据显示，抽水蓄能的规划目标是到2015年达到41000MW,2020年达到60000MW。意味着在为了十年内
13、，新增抽水蓄能装机将超过40000MW，我国抽水蓄能正在经历新一轮的发展高潮。,38,4.3.2 压缩空气储能,储电：在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气，将空气高压密封在报废矿井、沉降的海底储气罐、山洞、过期油气井或新建储气井中。,发电：在电网负荷高峰期，释放压缩空气，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧后，驱动汽轮机做功发电。,39,工作原理,4.3.2 压缩空气储能,压缩空气储能原理图,40,4.3.2 压缩空气储能,压缩空气储能电站,41,4.3.2 压缩空气储能,压缩空气储能电站,42,4.3.2 压缩空气储能,43,优点： 储能容量大：数十MWGW，世界范围内已建成440MW 运行维护成
14、本低,缺点： 需要大的岩洞以存储压缩空气，受地理条件限制，适合地点非常有限 需耗燃料，且有二氧化碳排放 建设周期长。初次投资大,世界首座压缩空气储能电站德国亨托夫电站,44,4.3.2 压缩空气储能,压缩空气储能发展现状, 至今, 只有德国、美国和日本具有大规模的压缩空气储能电站。 德国的Huntorf电站建于1978年, 压缩功率60MW,发电功率290MW, 压缩时间/发电时间=4，启动过上万次，可靠率达97%； 美国的Mcintosh电站建于1991年, 压缩功率110MW,压缩时间/发电时间=1.6，如连续输出100MW 可维持26小时； 日本的Sunagawa电站建于1997年, 压
15、缩功率35MW,压缩时间/发电时间=1.17； 近来此类技术的研究和开发的热度在不断上升,国家电网公司已立项研究，项目负责人清华大学卢强院士，中国电科院参加，电科院周孝信院士负责建模和分析研究（500kW压缩空气储能发电原型系统开发-储气罐式，10MW压缩空气储能发电系统建设方案研究）,45,4.3.3 飞轮储能,现代意义上的飞轮储能概念最早在20世纪50年代才被提出，其后到20世纪70年代，美国能量研究发展署和美国能源部开始资助飞轮系统的开发，日本和欧洲也陆续开展了相关技术的产品的研究。进入20世纪90年代后，由于磁悬浮、碳素纤维合成材料和电力电子技术的成熟，飞轮储能才真正进入高速发展期。,
16、46,4.3.3 飞轮储能,储电：在用电低谷期，利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来。,发电：在用电高峰期，用飞轮带动发电机发电。,47,工作原理,4.3.3 飞轮储能,飞轮储能系统结构图,48,4.3.3 飞轮储能,1.工作寿命长 20年5万次 2.动态响应快 20ms 3.循环效率高 85%-98% 4.环境友好无污染、维护成本低 5.深度放电、能量可预测,适合于配合配电系统运行以进行频率调节, 可用作一个不带蓄电池的UPS，提高电能质量(供电中断、电压波动等)。,49,特点,效率与适用范围,4.3.3 飞轮储能,Beacon 电力公司的飞轮单体,50,4.3.3 飞轮储能
17、,Beacon电力20MW飞轮储能项目现场,51,4.3.3 飞轮储能,飞轮储能发展现状,近10 年来,一大批新型复合材料和新技术的诞生和发展,如高强度的碳素纤维复合材料 、磁悬浮技术和高温超导技术、高速电机/ 发电机技术以及电力电子技术等,使得飞轮能够储存大量的能量,给飞轮的应用带来了新的活力。美国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。日本已经制造出界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24kwh的电磁悬浮飞轮系统。欧洲的法国国家物理高技术研究所、意大利的SISE均正开展高温超导磁悬浮轴承的飞轮储能系统研究。目前国内从事与飞轮研究相关的单位
18、有:华北电力大学、飞轮储能柔性研究所中国科大、中科院力学所等。我国对飞轮储能的研究起步较晚，与世界先进水平差距仍然很大。,52,4.3.4 超导储能,20世纪70年代国际上首次提出超导储能的概念。起初着重的是其储能能力，期望可以作为一种平衡电力系统日负荷曲线的储能装置。随着技术的发展，超导储能已不仅仅是一个储能装置，而是一个可以参与电力系统运行和控制的有功、无功功率源，它可以主动参与电力系统的功率补偿，从而提高电力系统的稳定性和功率传输能力，改善电能质量。,53,4.3.4 超导储能,超导储能通过流过超导线圈的直流电建立磁场，将电能以电磁能形式储存于磁场中；是利用了超导体的电阻为零特性制成的储
19、存电能的装置。主要分为低温超导和高温超导两种。,54,工作原理：,4.3.4 超导储能,超导磁储能系统应用示意图,55,4.3.4 超导储能,运行在超导状态下无直流热损耗 能量效率高达95% 充放电速度快（几毫秒到几十毫秒） 不受地点限制，维护简单，污染小,超导线圈需要液氮使超导体维持在临界温度以下，投入昂贵。,56,优点：,缺点：,4.3.4 超导储能,适合用于调节电力系统的蜂谷，而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性；此外，它还可用于无功和功率因数的调节以改善系统的稳定性。,57,适用范围：,4.3.4 超导储能,中科院100KJ超导限流储能系统,58,4.3
20、.4 超导储能,中科院100MJ超导储能系统,59,60,储能技术的应用领域,物理储能技术,化学储能技术,储能的背景与意义,4.1,4.2,4.3,4.4,主要内容,上节介绍的各种储能方式，均具有容量大，运行寿命长、功率密度高的特点，但也存在一些不可回避的问题。抽水蓄能选址受地理位置、地质、水源等条件的限制，其运行会造成水质变化，生态环境改变等问题。压缩空气能量转换率低，对化石燃料高度依赖，对地理条件要求非常高。飞轮储能自放电现象使得飞轮储能在能量型应用时价格过于昂贵。超导储能高温超导线材技术还不成熟，日常维护成本高，交流损耗大，安全稳定性低，成本还需要进一步降低。与物理储能技术相比，化学储能
21、技术因工作原理，材料和制造工艺的不同，在使用规模、便利程度、研发及发展潜力方面都具有相对的优势。,61,电池的基本知识,可规模储能电池体系,4.4 化学储能技术,4.4.1,4.4.2,62,4.4.1 电池基本知识,电池的发展历史,63,1748年 美国科学家本杰明富兰克林发现了“电”； 1800年 意大利物理学家亚历桑德罗伏特（发明世界上第一个电池； 1859年 法国物理学家加斯顿普兰特发明可充电的铅酸电池 1881年 J. A. Thiebaut 取得干电池专利 1890年 托马斯爱迪生发明可充电的铁镍电池 1899年 Waldmar Jungner 发明镍镉电池 1910年 可充电的铁
22、镍电池商业化生产 1911年 我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂） 1914年 托马斯爱迪生发明碱性电池,4.4.1 电池基本知识,电池的发展历史,64,1954年 Gerald Pearson, Calvin Fuller 和Daryl Chapin 开发出太阳能电池 1956年 我国建设第一个镍镉电池工厂（风云器材厂（755厂） 1976年 荷兰飞利浦研究中心（Philips Research）发明镍氢电池 1990前后镍氢电池商业化生产 1991年 日本索尼（Sony）可充电锂离子电池商业化生产 1995年 我国镍氢电池商业化生产初具规模 1999年 可充电锂聚合物电池商业
23、化生产 2000年 我国锂离子电池商业化生产 2000后 动力离子电池，燃料电池，太阳能电池成为全世界瞩目的新能源发展问题的焦点,4.4.1 电池基本知识,化学电源：把氧化还原反应的能量转化成电能的装置,化学电源实现条件： 必须有两种电极，其上分别发生氧化(负极)和还原反应(正极)； 两种电极之间必须有离子导体而非电子导体分隔； 化学变化的电子传递须通过外电路。,二次电池：正负电极均在物理化学上可逆,65,1）化学电源原理,4.4.1 电池基本知识,a.按电解质种类分类,碱性电池电解质以KOH溶液为主，如碱性锌锰电池、镍镉电池和镍氢电池等 酸性电池电解质以硫酸水溶液为主，如铅酸电池 中性电池电
24、解质为盐溶液，如锌锰电池和海水电池 有机电解质电池电解质为有机溶液，如锂电池、锂离子电池,66,2）电池的分类依据,b.以电池所用正负极材料分类,锌系列电池锌锰电池和锌银电池等 镍系列电池镍镉电池和镍氢电池等 铅系列电池铅酸电池等 锂系列电池锂离子电池和锂锰电池等 二氧化锰系列电池锌锰电池和碱锰电池 空气（氧气）系列电池锌空气电池,67,2）电池的分类依据,4.4.1 电池基本知识,4.4.1 电池基本知识,c.以工作特性和储存方式分类,一次电池又称原电池，即不能再次充电的电池，如锌锰电池等 二次电池又称蓄电池，即可充电电池，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等 燃料电池正、负极本身不
25、包含活性物质，活性材料连续不断从外部加入的电池 储备电池电池储备时不直接接触电解质，直到电池使用时，才加入电解液，如镁氯化银（海水电池）。,68,2）电池的分类依据,一次电池,69,70,二次电池,下面将详细介绍,贮备电池,镁氯化亚铜电池用海水激活； 锌银电池用KOH水溶液激活； 锂二硫化亚铁电池用高温熔融盐激活(俗称热电池)。 贮备电池用来满足贮存时间极长的要求，主要用于在短时间内需要提供高功率的场合，如导弹、鱼雷以及其他武器系统 。,71,72,燃料电池,金属/氧气(空气)电池现在也有称作金属燃料电池的。,73,燃料电池,燃料电池是一种不受热机卡诺循环限制将化学能直接转换成电能的原电池，它
26、的工作原理和电池一致，只是活性材料不是构成电池的一部分，而是按功率要求从外部供给。只要反应物质能够从外部源源不断供应和内部电极及其他成分不发生变化，电池就能连续供电。燃料电池可以分成两类：1.直接燃料电池 如燃料氢气、甲醇等直接参与反应。 2.间接燃料电池首先通过重整将天然气或其他化石燃料转换为富氢气体，然后提供给燃料电池。,4.4.1 电池基本知识,电动势：两电极电势之差（平衡电极电法） 内阻R：是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。 开路电压、工作电压开路电压：是指电池在非工作状态下，即电路中无电流流过时，电池正负极之间的电势差。工作电压：又称端电压，是指电池的工作状态下，即电路
27、中有电流，流过时电池正负极之间的电势差。V = V开 - IR 额定容量（C额）：设计和制造电池时，规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的容量。 内压：指电池的内部气压，是密封电池在充放电过程中，产生的气体所致，主要受电池材料制造工艺、电池结构等因素影响。,74,3）电池专业术语,贮存性能和循环寿命：贮存性能（自放电）：电池的贮存性能是衡量电池综合性能稳定程度的一个重要参数，电池经过一定时间的贮存后，允许电池的容量及内阻有一定程度的变化。电池自放电与活性物质本身、电极结构、制造工艺、电池工作条件等因素相关。循环寿命:充、放电循环的数目。 充放电效率和充放电倍率充电效率：指电池在充电
28、过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程序的量度。放电效率：指电池在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比。充放电倍率：是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数，通常的字母是用C表示。时率：又称小时率，是指电池以一定的电流放完其额定容量所需要的小时数。,75,4）电池制造工艺流程（锂离子电池）,76,4.4.1 电池基本知识,4）电池制造工艺流程（锂离子电池）（续）,77,4.4.1 电池基本知识,模块,成品,4）电池制造工艺流程（锂离子电池）,78,4.4.1 电池基本知识,79,4）电池的制作工艺流程（锂离子电
29、池）化成：电池制造后，通过一定的充放电方式将内部正负极活性物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、贮存等综合性能的过程称为化成。注：电池经过化成后才能体现其真实性能。分容： 电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电制度检测，并将电池按容量分容的过程称为分容。,79,4.4.1 电池基本知识,电池的基本知识,可规模储能电池体系,4.4 化学储能技术,4.4.1,4.4.2,80,81,4.4.2 可规模储能电池体系,1.铅酸电池 2.燃料电池 3.锂离子电池 4.钠硫电池 5.超级电容器 6.双液流电池 7.单液流电池,81,82,4.4.2 可规模储能电池
30、体系,4.4.2.1 铅酸电池,铅酸蓄电池是1859年由普兰特(P1ante)发明的二次电池，是化学电源中产量大应用范围广的产品。,负极：,正极：,反应机理：,82,83,铅酸蓄电池的发展历史,1859,普兰特发明铅酸蓄电池,1900,开口式蓄电池 开始应用,1960-1975,Gates 公司发明： Pb-Ca 合金 Gates 公司获得：D型密封铅酸电池专利,1979,GNB发明MFX正极板栅专利合金 GNB购买Gates专利 GNB开始大量生产吸液式密封免维护铅酸蓄电池,1984-1996,小范围应用 迅速推广 VRLA正式取代免维护概念 全面被认可并大规模取代传统富液式电池,铅酸电池发
31、展里程碑事件,83,84,4.4.2.1 铅酸电池,铅酸蓄电池分类,a.按用途分类,84,85,4.4.2.1 铅酸电池,b.按电极结构分类,c. 按排气形式分类,85,86,4.4.2.1 铅酸电池,铅酸蓄电池的结构：单体铅酸蓄电池由正极、负极、硫酸、隔板和槽组成，正负极分别焊成极群,86,87,4.4.2.1 铅酸电池,阀控式密封铅酸蓄电池单体（12V7AH）,87,88,4.4.2.1 铅酸电池,开路电压与荷电状态关系曲线,开路电压与硫酸密度关系曲线,89,充放电性能,4.4.2.1 铅酸电池,不同放电倍率电池放电曲线,不同温度下电池放电曲线,90,4.4.2.1 铅酸电池,超级电池：是
32、铅蓄电池的最新改进技术之一。将电容器用炭电极与铅酸电池铅负极在壳体内并联，即超级电容-电池内部组合，极片内部并联一般称超级电池。,铅酸电池的新技术：超级电池,12V8.5AH超级电池,90,91,4.4.2.1 铅酸电池,双极性铅蓄电池：是一种用双极板制作的铅蓄电池，指在一块导电基体上，一面是负极活性物质，另一面是正极活性物质，然后由这些双极板加上隔板组装而成。,铅酸电池的新技术：双极性铅蓄电池,91,92,铅酸电池主要特点,1.安全密封 在正常操作中，电解液不会从电池的端子或外壳中泄露出，没有自由酸液； 特殊的吸液隔板将酸保持在内，电池内部没有自由酸液，因此电池可放置在任意位置 2.泄气系统
33、 电池内压超出正常水平后，VRLA电池会放出多余气体并自动重新密封，保证电池内没有多余气体。 3.维护简单 由于独一无二的气体复合系统使产生的气体转化成水，在使用VRLA电池的过程中不需要加水。 4.质量稳定，可靠性高 采用先进的生产工艺和严格的质量控制系统，VRLA电池的质量稳定，性能可靠。电压、容量和密封在线上进行100%检验。 5. 使用寿命不长，密度低，面积大。,92,93,铅酸电池产品应用,备用电源 电信 太阳能系统 电子开关系统 通讯设备：基站，PBX，CATV,WLL,ONU,STB,无绳电话等 后备电源：UPS,ECR,电脑后备系统，Sequence，ETC等 紧急设备：应急灯
34、，火警盗警，防火闸 主电源 通讯设备：收发器 电力控制机车：采集车，自动运输车，电动轮椅，清洁机器人，电动车等 机械工具启动器：剪草机，hedge trimmers，无绳电钻，电动起子，电动雪橇，等等 工业设备/仪器 摄像：闪光灯，VTR/VCR，电影灯等 其它便携式设备等,93,4.4.2.2 燃料电池,燃料电池是1839年由英国Grove发明的，是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。当从外部不断地向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。,燃料电池结构示意图,Cathode：阴极,Electrolyte：电解质,Anode：阳极,94,95,4.4.2.2 燃料电池
35、,燃料电池分类,95,96,4.4.2.2 燃料电池,（1）质子交换膜燃料电池,质子交换膜燃料电池是目前最受研发机构和商业应用领域关注的燃料电池。在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。,反应机理：,96,97,4.4.2.2 燃料电池,（1）质子交换膜燃料电池,优点：发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高发电时不产生污染发电单元模块化，可靠性高工作时也没有噪音清洁、高效的绿色环保 缺点：成本高，需要造价昂贵的质子交换膜电解质，以
36、及资源非常稀缺的铂电极作为电催化剂。,97,98,4.4.2.2 燃料电池,（2）直接甲醇燃料电池,直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳，质子和电子，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，质子透过质子交换膜在阴极与氧反应，电子通过外电路到达阴极，并做功。,反应机理：,98,99,4.4.2.2 燃料电池,（3）固体氧化物燃料电池,99,100,4.4.2.2 燃料电池,燃料电池的应用,采用燃料电池供电的电子产品,100,101,4.4.2.2 燃料电池,燃料电池的应用,燃料电池汽车,101,102,4.4.2.2 燃料电池,燃料电池
37、的应用,英国伦敦，一辆以氢燃料电池为动力的公共汽车,102,锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池。锂离子电池研究始于20世纪80年代，90年代进入产业化阶段，并飞速发展。锂离子电池由于比能量高、体积小、无维护、环境友好而受到各行业的青睐，正逐步从手机、笔记本电脑的应用走向电动自行车、电动汽车等。随着技术进步和新能源产业的发展，大容量锂离子电池技术和产业发展非常迅猛已经成为国际上大容量电池的主流。,4.4.2.3 锂离子电池,103,4.4.2.3 锂离子电池,锂离子电池实际上就是一种锂离子浓差电池；当对电池充电时，锂离子从电池的正极脱出，经过电解液迁移到负极，并嵌入负极材料。同样，当电池
38、对外放电时，嵌在负极材料中的锂离子脱出，又重新嵌入正极。,104,反应机理：,各种不同材料的锂离子电池,4.4.2.3 锂离子电池,105,各种锂离子电池组合体系,4.4.2.3 锂离子电池,106,4.4.2.3 锂离子电池,体积及质量的能量密度高；其能量密度大于300Wh/L，比能量达110120Wh/kg， 分别是Ni/Cd、Ni/MeH电池的2.5和1.5倍； 寿命长（大于1200次充、放电）； 单电池的输出电压较高，为2-4 V； 自放电率小，可实现快速充放电，也可做成大容量的电池组； 在60左右的高温下也可以使用； 无记忆效应； 不含有毒物质等。,107,锂离子蓄电池的一般特性：,
39、锂离子电池现状,863 锂离子动力电池现有水平(LiFePO4 和 LiMn2O4),4.4.2.3 锂离子电池,108,磷酸铁锂电池指用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料的锂离子电池。即：左边是电池正极，由橄榄石结构的LiFePO4构成，用铝箔与正极相接；中间是聚合物隔膜，它把正、负极隔开，可以让锂离子Li+通过，而电子e-不能通过；右边是电池负极，由石墨组成，用铜箔与负极相连；电池上下端之间是电解质，并由金属外壳密闭封装。,4.4.2.3 锂离子电池,109,工作原理：充电时，正极中的Li+通过聚合物隔膜向负极移动；放电时，负极中的Li+通过隔膜向正极移动。,充放电反应机理如下：,充电
40、过程：,放电过程：,由充放电反应过程可以看出，其实质是在磷酸铁锂和磷酸铁两相之间进行。由于充放电过程中铁氧配位关系变化很小，所以在脱嵌锂过程中虽然存在物相变化，但并没有影响其电化学性能的体积效应产生。,4.4.2.3 锂离子电池,磷酸铁锂电池,110,180AH磷酸铁锂电池单体,正极,负极,4.4.2.3 锂离子电池,磷酸铁锂电池,111,广西大学 24180Ah*3.2V 磷酸铁锂电池组,4.4.2.3 锂离子电池,112,180Ah磷酸铁锂电池部分参数,4.4.2.3 锂离子电池,113,180Ah磷酸铁锂电池充放电规则,磷酸铁锂电池采用恒流/恒压方式进行充放电操作，充放电电流小于90A。
41、,充电截止电压3.8V，充电保护上限4.0V,充电容量180-198Ah；放电截止电压2.5V,放电保护下限2.0V,工作温度：-4070以内,4.4.2.3 锂离子电池,114,磷酸铁锂电池特点,1.安全性能高；在高温或过充时也不会发生结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，拥有良好的安全性。2.寿命长；循环寿命达到2000次以上3.高温性能好；磷酸铁锂电热峰值可达350-500；工作温度范围-20-+754.容量大；单体容量达5AH1000AH5.无记忆效应6.绿色环保，无毒，无污染,4.4.2.3 锂离子电池,115,锂电池应用,116,锂电池应用,配备锂离子电池的快速充电纯电动公交巴士在重庆
42、实地运营,117,随着移动通讯、数码产品、笔记本电脑等的飞速发展和大量锂离子电池作为能源使锂离子电池市场急剧扩张。,锂电池应用,118,锂电池应用,笔记本用锂电池,119,4.4.2.4 钠硫电池,钠硫电池是一种以金属钠为负极，硫为正极，陶瓷管为电解质隔膜的二次熔融盐电池。在一定的工作温度下，钠离子透过电解质隔膜与硫发生可逆反应，形成能量的释放和储存。,负极：,正极：,电池反应：,120,4.4.2.4 钠硫电池,121,电池示范模块,NGK50kW模块,NGK500kW/4MWh,上海重新研制 650Ah电池,4.4.2.4 钠硫电池,122,电池示范模块,4.4.2.4 钠硫电池,上海钠硫
43、电池储能示范电站,123,储能用钠硫电池是各种先进二次电池中较为成熟的一种，也是最具有潜力的一种先进储能电池。主要为移动应用和固定应用。移动应用主要应用于航天和军事方面（如卫星，潜艇和坦克电动车等）；固定应用主要用于削峰填谷，应急电源，风力发电等可再生能源的稳定输出及提高电能质量方面,钠硫电池的应用,124,4.4.2.5 超级电容,根据电化学双电层理论研制而成的，又称双电层电容器，两电荷层的距离非常小（一般0.5mm以下），采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。,目前已实现电容量0.5-1000F、工作电压12-400V、最大放电电流400-2000A的超级电容器
44、系列产品,125,工作原理：,分类及其材料举例,4.4.2.5 超级电容,126,“双碳型”超级电容器的典型充放电曲线,4.4.2.5 超级电容,127,4.4.2.5 超级电容,128,优点：,1. 充电速度快，充电 10 秒 10 分钟可达到其额定容量的 95 %以上；,2. 循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达 150 万次；,3. 能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率 90% ；,4. 功率密度高，可达 300W/KG5000W/KG ，相当于电池的 510 倍；,5. 产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；,6. 超低温特性好，
45、可工作于摄氏零下 30 的环境中；,使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，内阻较大，因而不可以用于交流电路；价格较高；,适合用于改善电能质量，由于容量仍然较小，适合与其他储能手段联合使用（如用于电动汽车，和蓄电池联合使用）,4.4.2.5 超级电容,129,缺点：,适用范围：,Maxwell公司生产的16.2V 500F超级电容模块,130,4.4.2.5 超级电容,超级电容的应用,1.智能表、仪器仪表、数码相机、掌上电脑、电子门锁、无绳电话等的时钟芯片、静态随机存贮器、数据传输系统等微小电流供电的后备电源。 2、太阳能警示灯，航标灯等太阳能产品中代替充电电池。 3、手摇发电手电
46、筒等小型充电产品中代替充电电池。 4、电动玩具电动机、语音IC、LED发光器等小功率电器的驱动电源。 5.电动汽车 快速启动 6.电力系统 电网改造 户外开关 7.风力发电 海上风机,131,超级电容的应用,超级电容电动公交车在天津成功运行。,132,超级电容的应用,世界第一列超级电容轻轨列车在湖南省株洲市下线。这种新型电力机车不再“背”着一副巨大的受电弓，不再需要沿途架设高压线，停站30秒钟就能快速充满电。,133,液流电池 是氧化还原液流（redox flow battery）电池的简称。最早可追溯到1884年法国科学家使用锌/氯电池作为飞艇的动力电池。但在几十年的时间内，液流电池几乎没有
47、进一步发展。直到1954年，德国科学家申请了钛/氯电池的专利。此后，美国航空航天局（NASA）资助开发了铁铬液流电池，并由美国科学家Thaller于1974年提出并申请专利。经过40年的不断研究探索，不断有新体系的液流电池被提出来，并形成了全钒液流电池、锌溴液流电池，铁铬液流电池等已经商业化应用的电池体系。,4.4.2.6 双液流电池,134,电池的活性物质分别溶解于装在正负储液罐的溶液中，通过正极泵和负极泵推动溶液流经液流电池对中隔膜（或离子交换膜）的两侧，在正负电极上发生还原和氧化反应，由此实现电池的充放电过程。,+,泵,泵,典型双液流电池单体结构,4.4.2.6 双液流电池,135,工作
48、原理,双液流电池的种类,136,最早的液流电池体系铁/铬双液流电池,正极： Fe 2+ - e- Fe 3+ 负极： Cr 3+ e- Cr 2+ 开路电压约1.1V,充电,充电,放电,放电,4.4.2.6 双液流电池,137,正极：2Br-2e- Br2(油状沉于正极罐底) 负极：Zn2+ + 2e- Zn (沉积在负极炭上),充电,充电,放电,放电,锌溴双液流电池,开路电压1.6V,4.4.2.6 双液流电池,138,正极：2NaBr2e- Br2 + 2Na+ 负极：2Na+ + xNa2Sx+1 + 2e- (x+1)Na2Sx x=14,充电,充电,放电,放电,开路电压1.541.61V,多硫化钠溴双液流电池,4.4.2.6 双液流电池,139,+,_,泵,泵,
