2018版储能原理与技术作业参考答案

《储能原理与技术》参考答案

第一章储能的基本概念和意义

一.名词解释：一次能源，二次能源，储能

答：

一次能源：指早就“自然”存在着的化石能源，只需要支付采掘费用；

二次能源：指人造的能源，不但需要支付采掘费用，还需支付存储费用；

储能:又称蓄能，是指使能量转化为在自然条件下比较稳定的存在形态的过程。

二.简答题

1、人均用电量的意义及我国目前人均用电量在全世界所处的位置？

答：

人均用电量这个指标可以在一定程度上反映一个国家或地区经济发展水平和人民生活水平。

从全球看，人均用电量可以分为这样四个档次：

第一个档次是年人均用电量在1万千瓦时以上的，主要是北美、北欧及澳大利亚等少数发达国家;

第二个档次是5000-10000千瓦时，大部分发达国家都在此列;

第三个档次是2000-5000千瓦时，主要包括金砖国家等新兴市场;

第四个档次是不足2000千瓦时，主要是一些发展中国家和欠发达地区。

我国人均年用电量不足4000千瓦时，约是日本的1/2、美国的1/3，中国人均生活用电量仍处于发展中阶段，处于第三档次。

2、发展电力储能技术的根本动力是什么？

答：

将谷期（深夜和周末）的电能储存起来供峰期使用，可大大改善电力供需矛盾，提高发电设备利用率。这是发展储能技术的根本动力。

3、储能技术的应用场合？

答：

（1）削峰填谷，负荷调节；

（2）紧急事故备用，系统安全；

（3）节约投资，提高设备利用率；

（4）方便使用：汽车——蓄电池；

（5）降低污染、环保：氢能；

（6）克服新能源利用中先天不稳定的缺陷：太阳能、风能

4、如何正确看待引入储能系统的作用？

答：

储能系统本身并不能节约能源，其引入主要是可以提高能源利用体系的效率，促进新能源如太阳能、风能的发展以及废热的利用。结合自然能源，节约常规能源。

5、储能在电力系统中的作用？

答：

（1）电力调峰

（2）计划内的暂时电能支撑；

（3）改善电能质量，包括电流、电压和频率；

（4）在电网运行状态恶化时支持电网运行；

（5）可再生能源发电高渗透率接入下的电网平衡调节；

（6）提高电力资产利用率。

6、请列出影响储能技术选择的几个关键技术性能和经济性指标。

答：

（1）投资费用

（2）能量和功率密度

（3）循环寿命

（4）对环境的影响

三．论述题：请描述有哪些典型的储能技术，及其这些储能技术对应的性能指标？

答：根据以下两个表进行描述。

第二章抽水蓄能电站

一．简答题

1、请配图说明抽水蓄能电站的工作原理？

答：工作原理：利用可以兼具水泵和水轮机两种工作方式的蓄能机组，在电力负荷出现低谷时（夜间）做水泵运行，用基荷火电机组发出的多余电能将上水库的水抽到上水库存储起来，在电力负荷出现高峰（下午及晚间）做水轮机运行，将水放下来发电。

2、抽水蓄能电站的类型？

答：

按与常规电站的结合情况分：纯抽水蓄能、混合式抽水蓄能

按调节性能分：日调节、周调节、季调节

按水头分：<600m单级可逆式；>600m多级或三机式

按布置特点分：地面式、地下式

按机组类型分：四机式、三机式、两机式

3、抽水蓄能电站的功能？

答：

（1）调峰填谷

（2）调频调相

（3）事故备用

（4）提高水（火、核）电站的综合利用率

（5）降低系统的能耗

（6）提高电力系统的灵活性和可靠性

4、影响抽水蓄能电站综合效率的因素有哪些？

答：

发电工况下蓄能电站输水系统、水轮机、发电机和主变压器的工作效率；

抽水工况下蓄能电站主变压器、电动机、水泵和输水系统的工作效率。

5、抽水蓄能的价格机制（发改委2014版）？

答：抽水蓄能电站的价格机制：

电力市场形成前，抽水蓄能电站实行两部制电价。电价按照合理成本加准许收益的原则核定。其中，成本包括建设成本和运行成本；准许收益按无风险收益率（长期国债利率）加1%-3%的风险收益率核定。

（一）两部制电价中，容量电价主要体现抽水蓄能电站提供备用、调频、调相和黑启动等辅助服务价值，按照弥补抽水蓄能电站固定成本及准许收益的原则核定。逐步对新投产抽水蓄能电站实行标杆容量电价。

（二）电量电价主要体现抽水蓄能电站通过抽发电量实现的调峰填谷效益。主要弥补抽水蓄能电站抽发电损耗等变动成本。电价水平按当地燃煤机组标杆上网电价（含脱硫、脱硝、除尘等环保电价，下同）执行。

（三）电网企业向抽水蓄能电站提供的抽水电量，电价按燃煤机组标杆上网电价的75%执行。

6、抽水蓄能的综合评价？

答：

规模：可达数百兆瓦

效率：大于70%（按照新的价格机制，低于75%会出现电价倒挂）

建设成本：3500-4000元/KW

优点：技术最成熟，应用最广泛，规模大，寿命长，运行费用低

缺点：需要地理资源条件配合（在站址选择上要水平距离小，上下水库高度差大，岩石强度高，防渗漏性能好，有充足的水源），上下水库的库区淹没问题，水质变化，库区土壤盐碱化，以及区部气候生态的改变等。

二．论述题：请描述不同负荷要求下抽水蓄能电站的可能的运行方式？

答：典型运行方式：

一般：“两发一抽”

电力供需矛盾突出：“三发一抽”

供电特别紧张（包括夏季用电高峰期）：“三发两抽”、“两发两抽”、“两抽一发”

?早峰时段：8:00-12:00

?晚峰时段：17:00-22:00

?低谷时段：23:00-次日6:00

?腰荷时段：12:00-17:00

?两发一抽：早晚高峰期发电，低谷抽水

?三发一抽：早晚高峰期大负荷发电，腰荷小负荷发电、低谷抽水

?三发两抽：低谷抽水，早晚峰发电，腰荷发电，但在腰荷如中午或晚峰之前负荷较低时增加抽水。

?两发两抽：低谷抽水，中午或晚峰之前负荷较低时抽水，早晚峰时发电

?两抽一发：低谷抽水，上午高峰不发电，在腰荷时段增加一段抽水，确保晚峰发电

第三章压缩空气蓄能

1、压缩空气储能的原理？

答：

利用电力系统低容负荷时的多余电能将空气压缩储存在地下洞穴中，需要时再放出，经加热后通过燃气轮机发电机组发电，以供尖峰负荷的需要。

2、压缩空气蓄能电站优点？

答：

（1）改进电网负荷率，提高了经济性，使系统中大型发电机组的负荷波动减小，提高了它们的可靠性。

（2）和抽水蓄能电站相比，站址选择灵活。它不需建造地面水库，地形条件容易满足；

（3）压缩机由电网供电的电动机驱动，因此汽轮机的输出功率全部用于发电,

其发电功率是常规燃汽轮机电站的3倍。同时由于大量能量储存在空气和燃料中，与抽水蓄能电站相比，有很高的能量密度；

（4）提高了系统的灵活性。压缩空气蓄能电站在压缩空气瞬间即可使用，在无照明的条件下也可以启动而且启动快,3分钟即可从空载达到额定出力，适于作

旋转备用；

（5）可以实现模块化。压缩空气蓄能电站可以积木式地组装。一座 220MW的电站可用25～50MW的小型压缩空气蓄能电站积木式地逐年扩建发展。

3、压缩空气储能的分类？

答：

（1）工作介质为空气，储存介质为空气

绝热时可分为先进绝热压缩空气储能和非冷却压缩空气储能；

非绝热时为传统压缩空气储能。

（2）工作介质为空气、液体，储存介质为空气

等温情况下可分为封闭式液气压缩空气储能和开放式液气压缩空气储能。

4、CAES的核心内容及关键技术是什么？

答：

CAES的核心内容是提高能量效率，减少能量损失，关键是热力过程的能量损失。关键技术可分为：

（1）高温蓄热技术及高效换热技术

（2）高温、高压压缩机、膨胀机技术

（3）系统优化和综合管理技术

二．论述题

1.配图说明冷热电联产PCAES的工作过程?

答：

简单PCAES工作过程会产生大量的热能和冷能，采用换热器收集压缩过程中产生的热能和膨胀过程产生的冷能，供给冷能用户和热能用户，这就是冷热电联产PCAES的工作原理。

第四章飞轮储能简化版本

一．简答题

1、飞轮储能的工作原理？

答：

工作原理:电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能），当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。

2、飞轮储能的系统结构组成？

由飞轮、轴承、电机、变频\逆变控制器、辅助系统等部分组成。

3、飞轮储能的优点？

答：

(1)能量密度高：储能密度可达100～200 w.h/kg，功率密度可达5 000～10 000 w/kg，比镍氢电池大2－3倍。

(2)能量转换效率高：工作效率高达百分之90。

(3)体积小、重量轻：飞轮直径约二十多厘米，总重在十几千克左右。

(4)工作温度范围宽：对环境温度没有严格要求。

(5)低损耗、低维护、使用寿命长：磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统维护周期长；不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿命20年以上。

(6) 环保：飞轮为纯机械结构，不会像内燃机产生排气污染

4、飞轮储能系统的关键技术是什么？

答：

(1)飞轮转子的设计：转子动力学，转子材料强度与密度的优化；

(2)磁轴承和真空设计：低功耗，动力设计，高转速，长寿命；

(3)机械备份轴承：磁悬浮轴承失效时，支撑转子。

(4)功率电子电路：高效率，高可靠性，低功耗的电动机/发电机系统；

(5)安全及保护特性：不可预期的动量传递，防止转子爆炸可能性，安全

轻型保护壳设计；

5、飞轮转子的设计的关键，需要考虑的因素及评价指标分别是什么？

需要考虑的因素:

答：

(1)飞轮本身的强度问题：它限定了飞轮的最大储能量；

(2)飞轮材料的选择：要求材料具有较高的比强度；

(3)飞轮的结构形式：好的结构形式能形成更大的储能电池。

评价指标:质量能量密度,体积能量密度,价格能量密度

二．论述题：

1、多层异构式飞轮转子的结构优点及设计时的注意事项？

答：

(1)每个单独飞轮环比较容易用连续纤维缠绕工艺理想制造；

(2)由于各飞轮环使用不同的材料,可以降低复合材料飞轮储能系统的整体造价,节约制造成本,同时充分发挥复合材料特有的可设计性。

(3)内层环强度低的材料比外层环强度高的材料沿径向膨胀要快，产生径向压应力，调节装配过盈量，从而可有效地改善各层圆环径向应力与环向应力的分布。设计时的注意事项

(1).选择最佳的分层径向厚度与半径比；

(2).选择合适的材料，从内层到外层材料的模质比满足：E1

ρ1

ρ2

ρ3

<···

(3).不同圆环间用一层柔软树脂分割开来, 以阻止拉伸应力的传递（有待研究）；

2、配图说明混合轴承系统的工作原理。

答：

如上图所示，混合轴承系统由上下两组永磁轴承、一组电磁轴承和上下两组辅助轴承组成，其中永磁轴承对转轴的径向起到约束作用，此时在上下两对永磁轴承的作用下，转轴在径向方向是稳定的，而在轴向方向上是不稳定的，故在转轴中部采用轴向电磁轴承来主动控制飞轮转子的轴向位置。这里的电磁轴承主要是承受部分转子重量，属于静态载荷，动态载荷相对较小；由于永磁轴承的卸载作用，电磁轴承的轴向承载力较小，其功耗很低。上下的辅助轴承，是向心推力轴承，系统工作时，辅助轴承不与飞轮转轴接触。系统不工作(如突然断电或磁悬浮失控)时，转轴支承在辅助轴承上，避免磁轴承转子与定子间的固体接触造成损坏。

第五章电化学储能

一、名词解释：

一次电池：只能将存储的化学能转化为电能，不具备重复放电的能力。

二次电池：电能和化学能的相互转换，称为储能电池。

比容量：是指单位质量或者体积的电池的放电容量，单位为mA ·h/g或者mA ·h/L。比能量：指单位体积或者质量的电池所输出的能量，称为质量比能量或者体积比能量，一般用W ·h/kg或者W ·h/L表示。分为理论值W0’和实际值W’ 。

循环寿命：是衡量二次电池的重要参数。对蓄电池来讲，通常用循环寿命表示，指在一定的放电制度下，二次电池的容量降至某一规定值之前，电池所能耐受的循环次数。

电池自放电率：通常用自放电速率来衡量，表示电池容量下降的快慢。

自放电率=C a-C b/C a T*100%

C a，C b，存储前后电池的容量；T存储时间，常用天、月、年计算。

二、简答题：

1、电化学电池的共同特点？

涉及化学反应和电，且能够存储能量；通常指各类二次电池。通常涉及四种化学物质之间的两两相互转化。

2、蓄电池的选择的准则？

安全可靠、容量大、性质相同

3、车用动力蓄电池的性能要求？

安全可靠、容量大、瞬间放电电流密度大

4、铅蓄电池结构中极栅都起到了哪些作用？

答：

（1）作为活性物质的载体起着骨架支撑和粘附活性物质的作用。

（2）作为电流的传导体起着集流、汇流和输流的作用。

（3）作为极板的均流起着使电流均匀分布到活性物质中作用。

5、镍镉电池发生过充和过放时正负极的电化学反应？

6、镍氢电池发生过充和过放时正负极的电化学反应，并解释耐过充放能力的原理？

答：

过充时，

全部转换为NiOOH,反应变为析氧过程，负极原理：过充电时，正极上的Ni(OH)

2

上除了电解水析氢外还有与氧气的复合反应，具有消氧的功能。事实上，正极的

析氧一直存在，但是当绝大多数用来产生氧气的时候，充电电压不在升高而出现

充电平台。

过放时：

,电极反应变成水生原理：过放电时，正极上电化学活泼的NiOOH转化为Ni(OH)

2

成H

反应，负极储氢合金的部分原始发生溶解，正极产生的氢气可以非常容易2

的在负极复合。

7.全钒液流电池的温度范围是多少？为什么?

答：

温度范围5-40℃。温度高于45℃时，全钒液流电池中会有V2O5的析出，而电堆

在长时间运行过程中电解液温度容易超过45℃，进而导致流道的堵塞，碳毡纤

维的包覆，电池性能的恶化。而温度较低时，会有V2+/V3+沉淀。

8.钠硫电池的原理及优缺点？

答：

原理：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

次电池。在一定的工作温度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，

形成能量的释放和储存。

优点：

(1)能量密度大：大功率钠硫电池先进的结构设计使其理论比能量高达760Wh/kg，实际大于150Wh/kg。

(2)功率密度大：放电电流密度高达200-300mA/cm2。

(3)使用寿命长：大功率钠硫电池连续充放电近两万次，使用寿命可达到10-15年。

(4)原材料钠硫容易获得。

(5)无自放电，自记忆效应。

(6)体积小：重量轻，便于模块化制造安装，建设周期短。

缺点：安全问题，易燃。

9.影响锂硫电池的循环性能的因素有哪些？

答：

（1）硫正极结构失效（2）不可逆硫化锂的形成（3）聚硫离子与锂负极的副反应。

10.影响锌空电池性能的主要因素有哪些？

防水透气膜的厚度孔隙率空气扩散电极结构环境的总压力

11 锂空电池正极常用的催化剂有哪些？

（1）多孔碳材料包括炭黑，纳米结构碳，多功能碳，类金刚石结构碳和石墨烯，

（2）贵金属。

（3）过渡金属氧化物，主要是猛击氧化物和复合材料及钴氧化物。

12锂离子电池中隔膜起到的作用是？

将电池的正负极隔离开，阻隔电子在电池内部的传导，避免电池内部短路，同时又能使离子自由通过。

13锂离子电池有哪些安全问题？

来源于两方面：

1）热量的产生：

电解质与负极的反应、电解质的热分解、电解质与正极的反应、负极的热分解

正极的热分解、内阻产生热

2）循环过程：

负极或征集在两端发生脱落、负极片发生脱落、内部短路

14 锂离子电池安全测试有哪些？

（1）电测试：过充，过放，外部短路，强制放电，交流充放电

（2）机械测试：落体，冲击，针刺，振动，挤压，加速

（3）热测试：着火，沙浴，热板，热冲击，油浴

（4）环境测试：降压，高度，浸泡，耐菌性，高低温。

15你认为锂电池和锂离子电池未来的发展趋势是什么？

围绕性能、安全、价格展开：

提高锂离子电池的均匀性

安全性方面，可开发性能优异的固态电解质，极大降低安全隐患降低价格开发新的电极材料

16你认为所有电池中最具发展前景的电池是哪个？为什么？

锂空电池，尽管难度最大，但是，能量密度最高，是终极电池。

第五章燃料电池

1、（简答题）燃料电池原理及最大特点？

燃料电池是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的能量转换装置。最大的特点是：能量转化效率高。

2、（简答题）燃料电池的优势？

燃料电池在反应中不涉及燃烧，因此能量转换效率不受卡诺循环的限制，具有污染少、高效节能、可靠性好、比能量和比功率高。

3、（简答题）除了常见的五种燃料电池，其他类燃料电池有哪些，分别什么特点？

如微生物燃料电池，这是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，是一种生物发生器。

又如金属燃料电池，这与普通燃料电池不同的是，它以活泼固体金属（如铝、锌、铁、钙、镁、锂等）为燃料，以碱性溶液或中性盐溶液为电解质。

4、（简答题）燃料电池的电池单体的组成？

阳极、电解质和阴极。

5、（简答题）固体氧化物燃料电池电解质具有的性质？

（1）具有高的离子电导率，低的电子电导率。

（2）在高温氧化、还原气氛中，要求结构、尺寸、形貌等稳定。

（3）在制备和操作条件下与电池其它组件具有化学相容性，界面不扩散。（4）从室温到操作温度下与其他组件热膨胀系数匹配。

（5）具有高致密度和足够的机械强度，从室温到电池的运行温度，保证燃料气体和氧化气体不串气、电解质不开裂。

6、（简答题）固体氧化物燃料电池燃料电池为例，说明导致电池性能降低的主要原因？

（1）不同部件材料发生元素的互扩散。

（2）阳极在运行过程中，极化电阻不断增大。

（3）阴极的催化活性的降低。

（4）各部件界面的结合越来越差。

（5）在含碳燃料的使用中，碳沉积的问题。

（6）元素的毒化。

7、（论述题）燃料电池电化学性能表征的三种方法。

EIS 电池极化测试

I-V电池放电性能测试

PVI电池寿命测试

8、（论述题）设计一款新型的燃料电池，包括电解质、阴极和阳极上的化学反应。

熔融碳酸盐燃料电池与固体氧化物燃料电池结合的一种燃料电池，电极反应与固体氧化物燃料电池类似，电解质传导离子由一种变成两种。这个电池的好处在于，既能够保持燃料的选择范围宽的优点，同时又能够降低操作问题，降低衰减率和成本。

9、（论述题）设计一款适合偏远农村的燃料电池热电联产系统，以供家庭所有对热和电的需求。

关键点：

1、农村的燃料电池系统的独特性描述

2、典型农村家庭用热和用电的四季模型或估算

3、针对“太阳能热-沼气-燃料电池/电解池联合系统”描述系统的组成、关键参数、以及四季运行过程描述。

第七章氢能的储存-氢能经济

1、（简答题）请给出储氢的几种方式？

答：

(1)压力储氢，(2)低温储氢，(3)固态储氢（包括物理储氢和化学储氢），(3)其他储氢模式（包括硼酸盐，硼酸盐和氢化物的混合物，混合储氢）

2、（简答题）物理储氢的原理？

答：

多孔材料（如“活性炭”）因其巨大的表面积，可以依据范德华力原理吸附分子态或原子态的气体

3、（论述题）请给出金属氢化物的分类及其在储氢上优缺点？

答：

分为LaNi

、FeTi及其衍生物、具有Laves 相结构的化合物、BCC 结构即基于体

5

心立方结构的合金，

优点：价格低、可回收、具有生物兼容性，而且适于工业化批量生产。

缺点：离解温度较高，当反应平衡压为1bar 时，离解温度分别为250 ℃ 和320 ℃ 左右。这意味着，对于MgH

储氢来说，大约25%的储能能量被用来为氢化物生

2

成反应提供热和热动力。

第八章超级电容储能

简答题

1、超级电容器的结构组成？

答：

结构组成：两个电极+电解液+隔膜

其中：

电极：由多孔材料在金属薄膜（常用铝）上沉积而成，而炭（活性炭）则是常用的多孔材料。充电时，电荷存储于多孔材料和电解质之间的界面上。

电解液：确保内部离子向电极的迁移率。阴离子向正极迁移，阳离子向负极迁移。隔膜：通常是纸，起绝缘作用，可以防止电极之间任何的导电接触。必须能够浸泡在电解质中，并且不影响电解质的离子导电性。

2、超级电容器的工作原理？

答：

超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常3V 以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。

3、超级电容器组能量配置需要考虑的因素？

答：

以能量作为依据时，单只超级电容器无法满足能量需求，通过储能量需求确定所需器件的数量是很有必要的。同事还需考虑放电系数d、有效能量。

以功率为选择依据―兼顾效率，超级电容器内部含有一个串联电阻，这意味着在充放电过程中会发生内部损耗。如果计入这些损耗，就可得到超级电容器的

效率，这在进行超级电容器组单体数量计算时必须考虑。

4、超级电容器功率接口的作用？

答：

超级电容器可以看成是一个直流电压源，但其输出电压不恒定，而是取决于荷电状态。另外，充放电电流必须得到控制以将效率维持在特定值。由此可见，超级电容器组一般不能直接与负载连接，而是需要配置一个固态变换器作为与负载之间的功率接口，提升储能系统的电流值或电压值，以满足应用需求。

论述题：

1、请画出超级电容的等效电路模型，并给出主要电子原器件的用途？

答：

①R

f

决定了超级电容器的漏电流，这个漏电流比蓄电池的漏电流要大一些。

②并联的RC 单元（r

1c

1

,…，…，r

n

c

n

），反映了电荷的再分配现象或者介电弛

豫过程，其时间常数通常是几秒至几个小时，甚至更长

③R

s

是超级电容器的串联电阻，其值大小影响的主要因素是电解质的离子导电性，影响次要因素：电极中沉积在金属板上的多孔材料的性能

④可以把超级电容器看成两个串联的电容器C

0、C

u

，而这两个电容器分别代表了

两个电极上的电层。其等效电容值与两个电极的有效表面积（由于采用了多孔材料的而得到增加）以及阴、阳离子的尺寸有关，可高达千法拉级。

2、请举例说明超级电容器作为主电源和混合电源系统的应用？

答：

①超级电容器作为主电源的应用：

第一类应用案例与内燃机的起动有关。在这种应用中，能量需求并不重要，超级电容器主要用于提供起动所需的瞬时大功率。此外，超级电容器循环次数多的特