2017版储能原理与技术作业及标准答案

《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、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

2、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。

3、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

第二章抽水蓄能电站

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。

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：

CACES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

论述题

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

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

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：

E1ρ1

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）；

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、铅酸蓄电池的原理及优缺点？

铅酸蓄电池是由正极板(PbO2)及负极板(海绵状Pb)浸到电解液(稀硫酸)中组成的。

(正极) (电解液) (负极) 放电

PbO2 + 2H2SO4 + Pb --------> PbSO4 + 2H2O + PbSO4

(正极) (电解液) (负极) 充电

PbSO4+ 2H2O + PbSO4 ------->PbO2 + 2H2SO4 + Pb

优点：成本低

缺点：环境污染

5、镍镉电池的原理及优缺点？

1、负极反应：

负极的镉(Cd)失去电子和氢氧化钠(KOH)中的氢氧根离子(OH-)化合成氢

氧化镉，并附著在阳极上，同时也放出电子。

Cd+2OH-→Cd(OH)2 +2e-

2、正极反应：

电子沿著电线至阴极，和阴极的NiO(OH)和氢氧化钠溶液中的水反应形

成氢氧化镍和氢氧根离子，氢氧化镍会附著在正极上，氢氧根离子则又

回到氢氧化钠溶液中，故氢氧化钠溶液浓度不会随著时间而下降。

NiO(OH)+e-+H2O→Ni(OH)2+OH-

优点：1. 镍镉电池的比能量高为55 W ·h/kg，而比功率可达100~135 W/kg。

2. 镍镉电池可进行多次全放电而不会损坏，具有良好的环境温度适应

性，能够工作在寒冷的环境中。

3. 与铅酸蓄电池相比，镍镉电池在构造上更加牢固，质量更轻，耐过

充或过放的能力更强，因此，镍镉电池的寿命更长，而且维护量少。

缺点：1. 成本大约是铅酸蓄电池的5 倍!!!

2. 循环充放电的效率较低（法拉第效率为70 % ) ，自放电率也比铅

酸蓄电池高（＞15％）。

3. 镍镉电池具有记忆效应，这与镉负极有关（因此在镍镉电池重新充

电之前，最好是先进行全放电）。

4. 镉会造成环境污染。

6、镍氢电池的原理及优缺点？

原理：镍氢电池采用与镍镉电池相同的Ni氧化物作为正极，储氢金属作为负极，碱液（主要为KOH）作为电解液。

优点：在室温环境下的性能良好（单体镍氢电池的额定电压为1.2V ，其比能量比镍镉电池大40%，具备较高的容量,可大电流放电,允许再充电次数高达500～1000次）。

与铅酸蓄电池、镍镉电池相比没有污染。其工作方式与镍镉电池类似。

记忆效应很小，可认为无记忆效应。

镍氢电池充电结束的特征是充电电压会发生一个非常小的降低，高性能的自动充电器可以将这个特点作为停止充电的依据。

缺点：成本高、自放电率高

7、液流电池的原理及优缺点？

液流电池通过两种活性材料之间的氧化还原反应来储存化学能和发电。

而在液流电池中，活性材料不像传统的电池那样永久密封在电池主体区域内，而是单独储存并由泵控制其在电池中的流动。典型的液流电池包括存储在两个分离罐中的两种液体电解质，他们泵入电池中，发生氧化还原反应并在外电路产生电子，同时离子交换膜发生离子交换以保持两侧液体的电中性。

优点：发生反应场所与存放电解液的储罐分开，从根本上克服了电池的自放电现象；

充放电性能好，可以进行大功率的充放电，也可以允许浮充与深度放电；

充放电次数极大，充放电时间比为1:1，而铅酸电池是4:1；

能量效率高，直流对直流能量效率可达80%以上。

缺点：腐蚀严重、环境污染（有毒）、活性物质利用率低

8、钠硫电池的原理及优缺点？

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：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；

功率密度大，放电电流密度高可达200-300mA/cm2；

使用寿命长：大功率钠硫电池连续充放电近2万次，使用寿命可达10到15年；原材料钠硫易得；

无自放电、记忆效应；

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：S易燃。

9、锂硫电池的工作原理及优缺点？

锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池。

优点：相比于钠硫电池，能量密度更高

缺点：安全性更差。

10、锌空电池的工作原理及优缺点？

以锌为负极活性物质，空气为正极活性物质的电池。

优点：比能量高；且可以产生驱动电动汽车功率需求的大电流密度；具有快速的再充电能力；价格低；电池稳定。

缺点：负极锌氧化问题；当电极与空气接触，或电解液中的氧气存在，是的锌发生氧化，从而降低了活性；

存在锌枝晶，破坏隔膜，引起短路；

空气极催化问题；

电池的电解液污染问题。

11、锂空电池的工作原理及优缺点？

以锂为负极活性物质，空气为正极活性物质的电池。

优点：能量密度最高

缺点：锂的利用率差；安全性差。

12、锂离子电池的工作原理及优缺点？

相当于锂浓差电池，负极用低嵌锂电位的层间化合物，正极高嵌锂电位的嵌锂化合物。

优点：能量密度较高，相比于锂空一定程度上解决了枝晶问题；自放电率低；无

污染。

缺点：对大电池来说安全性仍有待提高。

13、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。

14、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

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。

第六章燃料电池

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( VdeW ）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

5

于体心立方结构的合金，

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

性与内燃机的寿命相符，这与蓄电池相比是个很明显的优势，尤其是还要考虑到电池的维护费用。

第二类应用案例与设备的供电可靠性有关。也就是说，在短时停电时由超级电容器为系统提供能量支撑。最典型的应用就是计算机，超级电容器提供的能量至少应能确保正常关机，通常需要支撑几分钟到几十分钟。与蓄电池相比，使用超级电容器的主要优势在于寿命、免维护，以及电网恢复供电后的快速充电。

②超级电容器作为混合电源系统的应用：

在混合电源系统中，使用超级电容器的原因就是其高功率密度与长循环寿命，作为辅助电源可以很好地满足实际应用中的高功率需求，或者平抑功率波动的需求。系统的主电源可以是主电网、蓄电池、内燃机或燃料电池等。这些应用案例都有一个共同点，即主电源用于满足系统的能量需求，超级电容器用于满足功率需求。

在低功耗应用中，比如在照相机或摄像机中，将超级电容器与电池配合使用，以减小对电池的诸多不利影响，延长其寿命。

第九章热能的储存

1.简答题：热能储存的常用方式有哪几种？

答：

热能储存的常用方式有：显热储热、潜热储热、化学储热

2.简答题：举例说明太阳能热能储存的几种常用方式？

答：

①显热储热，就是利用储热介质的热容量进行蓄热，把已经过高温或低温变换的热能贮存起来加以利用.例如储热罐，优化大小规模热电联产电厂的生产，实现热电短时间解耦和电力压负荷调峰，满足日常早晚洗澡热水的尖峰负荷，维持压力，满足应急补水的需求，在极冷天气里提供尖峰热负荷。

②潜热储热，就是利用相变材料(PCM)相变时单位质量（体积）的潜热蓄热量非常大的特点，把热量贮存起来加以利用。例如相变储能技术，采用相变储热方式，利用特定的装置，将暂时不用或多余的热能通过相变材料储存起来，需要时再利用。

③化学储热，实际上就是利用储热材料相接触时发生化学反应，而通过化学能与热能的转换把热能贮藏起来。无机氢氧化物的脱水反应可用来储存热量。