储能技术-储能材料-新能源材料-锂电池储能102页PPT

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。
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4.1.2 储能的意义
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。
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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，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。
谐发展。
4
4.1.1 应用背景
4.1.1.1 国家政策扶持
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，

很明显，近20年来 ，CO2的浓度上升迅速 非常迅速，2010年将接 近550ppm。
而且，主要分布在 美国和中国所在的北半 球高纬度60-80度处。
表3 全球各国CO2排放量比较排行
在北京、上海等大城市，空气污染的 60%来自汽车排放
二氧化碳的全球排放量中，中国居第 二
1.2 新能源
新能源 广义上来说，有 别于传统依靠矿 物质原料燃烧的 能源都称之为新
飞轮储能的主要优点有：
• 1)储能密度高：比超导磁储能、超级电容器储能 和一般的蓄电池都要高。以目前的最好的碳素纤 维复合材料来说，这种材料的飞轮转子可以承受 的最大线速度达到 1000m/s 以上，储能密度可达 到 230Wh/kg。
• 2)充放电时间短，且无过充放电问题：飞轮储能 充电只需要几分钟，而不像化学电池需要几个小 时的充电时间。
铅蓄电池内的阳极 (PbO2) 及阴极 (Pb) 浸到电解液 ( 稀硫酸 ) 中，两极 间会产生 2V 的电力。
放电状态，阴阳极及电解液即会发生如下的变化：
( 阳极 ) ( 电解液 ) ( 阴极 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ( 放电反应 ) ( 过氧化铅 ) ( 硫酸 ) ( 海绵状铅 )
• 能量是物质运动的量 化转换，简称“能” 。
能量的存在形式：
• 机械能（风能、潮汐能） • 内能（地热等） • 电能 • 化学能 • 原子能 • 电磁能
• 宏观物体的机械运动——机械能 • （动能、位能和压力能）； • 分子运动——热能； • 原子运动——化学能； • 带电粒子的定向运动——电能； • 光子运动——光能
2.2.1 机械储能

碳sp2 杂化形成的碳质材料的
储能材料
扩充储电空间——高的能量密度 控制微观结构和宏观织构——高的功率特性 提高石墨烯片层结构完整性——低内阻和高导电特性 机械劈裂法(mechanical cleavage)获得单层和薄层石墨烯
2630m2/g
超大表面积
光速1/300m/s
石墨烯电子运动速度
130GPa
PbO2+2H2SO4+Pb -->PbSO4+2H2O+PbSO4 阴阳极在电解液中放电，硫酸铅
放电反应
PbSO4+2H2O+PbSO4 -->PbO2+2H2SO4+Pb 外界充电过程
充电反应
热储能技术
在一个热储能系统中，热能被储存在隔热容器的媒介 中，以后需要时可以被转化回电能，也可以直接利用
优
石墨烯
1 sp2杂化碳质材料：重要的储能材料
2 sp2碳质材料的基元材料 ——石墨烯 ：诞生和奇特性质
3 具有理想二维结构的石墨烯:新型储能材料
碳是自然界广泛存在的一种元素， 具有多样性、特异性和 广泛性的特点。碳元素可以 sp、sp2 、sp3 三种杂化方式 形成固体单质。而 基元结构是二维石墨烯片层。
储能技术与原理
王小霞
目录
01 储能技术分类 02 储能材料 03 储能方法 04 生活中的储能例子
01
储能技术分类
能源的分类
化石 燃料
固、液、气体燃料
一次能源
核能
核裂变、核聚变 水能、太阳能、风能、地 热能、海洋能、生物质能 最重要、应用最广
可再生 能源
电能
二次能源
热能
地热、水热 二甲醚（CH3OCH3）、 氢能

优点：
1、充放电速度快、重量轻、寿命长、无环境污染
2、镍氢电池能量密度比镍镉电池大二倍
缺点：
1 轻微记忆效应 2 镍氢电池串连电池组的管理问题比较多，一旦 发生过充电以后，就会形成单体电池隔板熔化的 问题，导致整组电池迅速失效。
锂离子电池
所谓锂离子电池是指分别用
二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离
子的化合物作为正负极构成的 二次电池。
人们将这种靠锂离子在正负
极之间的转移来完成电池充放 电工作的，独特机理的锂离子 电池形象地称为“摇椅式电池 ”，俗称“锂电”。
锂离子电池优缺点
优点： 具有能量密度高、充放电速度快、重量轻、寿命长、无环
境污染等优点
循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以 缺点：
锂离子电池主要的问题是在过充电和过放电状态电池会发 生爆炸，手机电池都是使用的单体电池，再经过良好的保 护电路来配合使用，基本上杜绝了电池爆炸的问题。
（1）太阳能

太阳能的转换和利用方式： 光——热转换 接收或聚集太阳能使之转换为热能，然后用于生产和生 活的一些方面，是光一热转换即太阳能光热利用的基本方式。 光——电转换 利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池，可将太阳的光 能直接转换成为电能，称为光一电转换，即太阳能光电利用。 光——化学转换 光一化学转换目前尚处于研究开发阶段，这种转换技术包 括半导体电极产生电面电解水产生包、利用氢氧化钙或金属 氢化物热分解储能等内容
储能技术与应用
• 一、能源概况
一. 能源概况
1.1
化石能源现状
1.2 新能源 1.3 储能的基本概念
1.1 化石能源现状
1.可再生清洁能源如风能、太阳 能等所占比例不到3% 2.石油、煤和天然气占初级 能源消耗的85%左右 3.其余主要是火电和水电

量；无须特别的充电电路和控制放电电 路；和电池相比过充、过放都不对其寿 命构成负面影响；从环保的角度考虑， 它是一种绿色能源；超级电容器可焊接， 因而不存在像电池接触不牢固等问题； 缺点
如果使用不当会造成电解质泄漏等 现象；和铝电解电容器相比，它内阻较 大，因而不可以用于交流电路；
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8
飞轮储能
理工 作 原
飞轮储能系统主要包括转子系 统、轴承系统和转换能量系统 三个部分构成。另外还有一些 支持系统， 如真空、深冷、外 壳和控制系统。基本结构如图 所示。
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飞轮储能
点使 用 特
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飞轮储能的技术优势是技术成熟度高、高功 率密度、长寿命、充放电次数无限以及无污 染等特性。飞轮储能的能量密度不够高、自 放电率高，如停止充电，能量在几到几十个 小时内就会自行耗尽。 几万转高速飞轮系统损耗在100瓦左右，1千 瓦时的系统只能维持10小时的自放电。因此， 飞轮储能最适合高功率、短时间放电或频繁 充放电的储能需求。 由于放电时间有限，飞轮储能不一定是调节 太阳能发电波动的最佳选择。
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3
新的储能技术
除蓄电池和抽水储能电站这些储能方式， 新发展起来的有超导储能、飞轮储能、超 级电容器储能、氢储能等。
a.超导储能 b.飞轮储能 c.超级电容器储能
超导储能 飞轮储能
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超导储能
概 述
将一个超导体圆环置于磁场中，降温至圆环材料 的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中 便有感生电流产生，只要温度保持在临界温度以下， 电流便会持续下去。试验表明，这种电流的衰减时间 不低于10万年。显然这是一种理想的储能装置，称为 超导储能。

大容量、高密度、 成本高 高效率
各种应用
大容量、高密度、 成本高，安全 各种应用 高效率 隐患 大容量、长寿命 长寿命、高效率 大容量 能量密度低 能量密度低 成本高 电能质量、可靠性、频率控制、 削峰填谷、能量管理 输配电系统稳定性、脉冲功率 电能质量、输配电系统稳定性
液流电池 电容器 超导电磁
02
其他 燃料
为什么要用到储能技术？
重要的原因是不稳定的能源会随环境流失，得不到有效的利用，需要
先使用储能技术将这些可用的
的利用。利用化学或者物理方法将产生的能量存储起来并在需要的时 释放的一系列技术与措施。
能源
保存起来，然后得到有效
有哪些储能技术呢？
机械类
电气类
超级电容器储能、超导储 能
抽水储能、压缩空气储能、飞轮 储能
01
储能技术
05
电化学类
各种二次电池
02 03
化学类
合成天然气、电解水
04
热储能
储热、储冷、采用想变材 料和热化学材料储能
电容器储能
电容器储能
根据电化学双电层理论研制而成，又称双层电 层电容器，两电荷层距离非常小（0.5mm）， 采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍增加， 从而产生极大的
电容量。
基本原理
04
生活中的储能例子
THANK
YOU
电感器储能
超导储能
超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置其 不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以通过电 力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电 力系统稳定性、改善供电品质。将一个超导体圆环置于磁场中， 降温至圆环材料的临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆 环中便有感应电流产生，只要温度保持在临界温度以下，电流便 会持续下去。试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年。显 然这是一种理想的储能装置，称为超导储能。超导储能的优点很 多，主要是功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应快等等，因 此应用很广。如大功率激光器，需要在瞬时提出数千乃至上万焦 耳的能量，这就可有超导储能装置来承担。超导储能还可以用于 电网。当大电网中负荷小时，把多余的电能储存起来，负荷大时 又把电能送回电网，这样就可以避免用电高峰和低谷时的供求矛 盾。

超级电容器储能
工 作 原 理
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（通常为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。
飞轮储能
飞轮储能系统主要包括转子系
工 统、轴承系统和转换能量系统
作 原
三个部分构成。另外还有一些 支持系统， 如真空、深冷、外 壳和控制系统。基本结构如图
理 所示。
飞轮储能
飞轮储能的技术优势是技术成熟度高、高功
使
率密度、长寿命、充放电次数无限以及无污 染等特性。飞轮储能的能量密度不够高、自
用
放电率高，如停止充电，能量在几到几十个 小时内就会自行耗尽。
特
几万转高速飞轮系统损耗在100瓦左右，1千
点
瓦时的系统只能维持10小时的自放电。因此， 飞轮储能最适合高功率、短时间放电或频繁
充放电的储能需求。
由于放电时间有限，飞轮储能不一定是调节
太阳能发电波动的最佳选择。
飞轮储能
我 国
我国的飞轮储能研究始于上世纪80 年代，30多年来，飞轮储能只获得
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新能源储能技术
储能技术的重要性
由于风能、太阳能、海洋能等多种新能源发电受 到气候和天气影响，发电功率难以保证平稳，而 我们知道电力系统要求是供需一致，电能消耗和 发电量相等，一旦这平衡遭到破坏，轻则电能质 量恶化，造成频率和电压不稳，重则引发停电事 故，为了解决这一问题，在风力发电、太阳能光 伏发电或者太阳能热发电等新能源发电设备中都 配备有储能装置，在电力充沛时，多余电力可以 储存起来，在晚上、弱风或者超大风力发电机组 停运或者停运机组过多，发电量不足的时候释放 出来以满足负荷需求。

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飞轮储能
飞轮储能是指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，
概
在需要的时候再用飞轮带动发电机发电
述
的储能方式。飞轮储能的研究主要着力 于研发提高能量密度的复合材料技术和
超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降
低损耗的主要方法，而复合材料能够提
高储能密度，降低系统体积和重量。
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5Байду номын сангаас
超导储能
优 点
超导储能的优点很多，主要是功率大、 质量轻、体积小、损耗小、反应快等等，因 此应用很广。如大 功率激光器，需要在瞬时 提出数千乃至上万焦耳的能量，这就可由超 导储能装置来承担。超导储能还可以用于电 网。当大电网中负荷小时，把多余的电能储 存起来， 负荷大时又把电能送回电网，这样 就可以避免用电高峰和低谷时的供求矛盾。 这就是超导储能。
述 是一种电化学元件，但在其储能的 过程并不发生化学反应，这种储能 过程是可逆的，也正因为此超级电 容器可以反复充放电数十万次。
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超级电容器储能
理工 作 原
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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（通常为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。

储能技术与原理
王小霞
目录
01 储能技术分类 02 储能材料 03 储能方法 04 生活中的储能例子
01
储能技术分类
一次能源 二次能源
化石 燃料
核能
可再生 能源
电能
能源的分类
热能
其他 燃料
固、液、气体燃料
核裂变、核聚变
水能、太阳能、风能、地 热能、海洋能、生物质能
最重要、应用最广
地热、水热 二甲醚（CH3OCH3）、
碳是自然界广泛存在的一种元素， 具有多样性、特异性和 广泛性的特点。碳元素可以 sp、sp2 、sp3 三种杂化方式形
碳sp2 成固体单质。而
杂化形成的碳质材料的基元
结构是二维石墨烯片层。
储能材料
扩充储电空间——高的能量密度 控制微观结构和宏观织构——高的功率特性 提高石墨烯片层结构完整性——低内阻和高导电特性 机械劈裂法(mechanical cleavage)获得单层和薄层石墨烯
基本原理 应用
铅酸电池
铅酸电池储能
铅酸电池是世界上应用最广泛的电池之一。铅酸电 池内的阳极（PbO2）及阴极（Pb）浸到电解液中， 两极会产生2V的电势，这就是其原理，经由充放电， 则阴阳极及电解液即会发生以下变化。
PbO2+2H2SO4+Pb -->PbSO4+2H2O+PbSO4 阴阳极在电解液中放电，硫酸铅
储能材料分类
智能电网
锂离子电池
新能源电动车（石墨烯）
分类依据有很多，这里我们按储存能量的媒体介质原材 料划分，也可以按应用领域划分，分为热能材料，电能 材料、和储氢或储光的高复合型材料。
什么是智能电网？
以物理电网为基础，将现代先进的传感、通讯、计算机技术紧密 结合形成的新型电网，是运输电力，保证相比于传统电力的安全 可靠，是载输电力的主要材料，结合了多种学科知识。

–电池管理系统自检信息 –单体电池电压 –电池温度 –电池组端电压 –电池组工作电流 –电池组绝缘状态 –最高/低单体电池电压及位置 –最高/低温度及位置 –电池SOC –电池组容量 –电池的最大允许充放电电流
锂离子电池管理系统
– 电池故障报警 – 电池过压1/2级报警
– 电池欠压1/2级报警
– 电池过温1/2级报警 – 电池低温1/2级报警 – 电池SOC过高1/2级报警 – 电池SOC过低1/2级报警 – 电池绝缘电阻低1/2级报
• SOH估算方法
–在线估算 –在线测试 –离线测试
锂离子电池管理系统
• SOF估算——最大允许充放电电流
–低温运行 –高温运行 –高SOC运行 –低SOC运行
锂离子电池管理系统
• 储能系统用电池管理系统架构
输出接口
PCS
监控调度系统
CAN1
CAN2
严重报警信号（触点）
严重报警信号（触点）
电 池
过高
过放电 （1）电压超低，负极铜基板溶解，嵌入电池 过放电单只电池电压 基于电池组端电压的控制模式失
正极，导致内部短路
低
效，需要严格控制单只电池电压
过低
高 温 充 放 （1）电池内部电解液分解，产生大量热，并 电池温度超高
电池温度场管理和极限温度控制
电
析出氧气
低温 电安全
（1）充电时电池负极嵌入锂离子能力下降， 电池温度低充电
配电侧
用户侧
削峰填谷 无功支撑 电能质量 可靠供电
电能质量 可靠供电 电压支撑
发电侧
频率控制 旋转备用 负荷均衡 出力优化
应 用 范 围 广 ， 贯 穿 发 输 变 配 用 电
• 储能的手段有哪些？

飞轮储能
飞轮储能是指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，
概 在需要的时候再用飞轮带动发电机发电 述 的储能方式。飞轮储能的研究主要着力
于研发提高能量密度的复合材料技术和 超导磁悬浮技术。其中超导磁悬浮是降 低损耗的主要方法，而复合材料能够提 高储能密度，降低系统体积和重量。
飞轮储能
这样就可以避免用电高峰和低谷时的供求矛 盾。这就是超导储能。
设 备
超导储能
超导线圈通常是环形和螺管形。小型及 数十MW的中型储能磁体比较适合采用漏磁场 小的环形线圈。螺管形的漏磁场较大，但其 结构简单，实用于大型的超导储能及需要现 场绕制的超导储能。
环形超导线圈使用环形线圈的优点是磁 场完全约束在线圈内；因此，不存在漏磁问 题和屏蔽要求。环形线圈的制造有两种方式： 一种为连续的螺旋圆环绕组；另一种为由数 个短螺线管线圈组成圆环。
电流便会持续下去。试验表明，这种电流的衰减时间
不低于10万年。显然这是一种理想的储能装置，称为
超导储能。
超导储能
优 点
超导储能的优点很多，主要是功率大、
质量轻、体积小、损耗小、反应快等等，因 此应用很广。如大 功率激光器，需要在瞬
时提出数千乃至上万焦耳的能量，这就可由 超导储能装置来承担。超导储能还可以用于 电网。当大电网中负荷小时，把多余的电能 储存起来， 负荷大时又把电能送回电网，
五”攻关项目的支持，除国防领域 另一种为由数个短螺线管线圈组成圆环。
发 因此，飞轮储能最适合高功率、短时间放电或频繁充放电的储能需求。 现 外万，元公 。开的总共投入经费不足500 试验表明，这种电流的衰减时间不低于10万年。
状
超级电容器储能
超级电容器，又叫双电层电容器、 电化学电容器， 黄金电容、法拉

低
效，需要严格控制单只电池电压
过低
高 温 充 放 （1）电池内部电解液分解，产生大量热，并 电池温度超高
电池温度场管理和极限温度控制
电
析出氧气
低温 电安全
（1）充电时电池负极嵌入锂离子能力下降， 电池温度低充电
电池0度以下严禁充电，0-10度降
致使锂以原子态沉积在电池负极表面，导致
电流充电
内短路
为了达到一定的电压等级，电池大量串联， 电池与地或机壳之间 检测动力电池与地或机壳之间的
• 储能系统
配电系统
CAN总线
PCS-1(250kW)
CAN总线
监控调度PC机
以太网
2MW监控 主机服务器
故障报警触发干节点
DC/DC1-1 （25kW）
DC/DC1-2 （25kW）
频率控制 旋转备用 负荷均衡 出力优化
广 ， 贯
电能质量
穿
配电侧
发
削峰填谷 无功支撑 电能质量 可靠供电
输
用户侧
变
电能质量 可靠供电
配
电压支撑
用
电
系
统
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储能系统
• 储能的手段有哪些？ • 电化学储能 • 铅酸电池 • 液流电池 • 钠硫电池 • 镍氢电池 • 镍镉电池 • 锂离子电池
2.0 0
第16页/共34页
10
20
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30
40
50
60
70
Capacity (Ah)
锂离子电池简介
• 锂离子电池的性能 • 充电上限电压与电池充电容量及循环寿命的关系
第17页/共34页
锂离子电池简介