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储能科学与工程专业的入门教材，在内容方面尽可能全面覆盖储能科学与工程应用的基础知识，帮助读者全方位地认识储能学科。《储能科学与工程概论》共8章：第1章为绪论，总体介绍储能学科的基本概念以及课程的主要内容与学习方法；第2～7章分别介绍现有主流储能技术的原理、应用及发展，依次介绍机械储能、热储能、电气储能、热化学储能、电化学储能及氢能；第8章介绍储能技术在新型电力系统中的应用。此外，每章都配备习题，以便帮助读者巩固所学知识，深化对内容的理解。
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目录第1章 绪论 11.1 能源转换和储存 11.2 能源的类型 41.3 储能的形式 71.4 储能技术的发展现状与发展趋势 151.5 课程主要内容与学习方法 18习题 19第2章 机械储能 202.1 抽水蓄能 212.2 压缩空气储能 262.3 飞轮储能 30习题 36第3章 热储能 373.1 热能/冷能资源 373.2 热储能的基本方式 403.3 储热技术的工程应用 433.4 储冷技术的工程应用 57习题 62第4章 电气储能 644.1 超导储能 644.2 介电储能 694.3 超级电容器储能 76习题 83第5章 热化学储能 845.1 金属基储能体系 855.2 碳酸盐储能体系 885.3 氢氧化物储能体系 895.4 气态物质储能体系 905.5 有机介质储能体系 925.6 热化学储能的应用 94习题 96第6章 电化学储能 976.1 电化学储能原理 976.2 电化学储能技术 996.3 电化学储能技术的应用 1176.4 电化学储能的发展前景 120习题 122第7章 氢能 1247.1 氢气的基本性质 1247.2 制氢技术 1267.3 储氢技术 1317.4 运氢技术 1377.5 氢能利用 1387.6 氢能技术的工程应用 147习题 151第8章 储能技术在新型电力系统中的应用 1528.1 调峰过程中的储能技术 1528.2 调频过程中的储能技术 1548.3 黑启动过程中的储能技术 1568.4 微电网中的储能技术 1578.5 储能系统的盈利方式 158习题 160参考文献 161
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绪论 能源对人类的发展至关重要，不仅是推动人类文明进步的动力，也是解决诸多全球性挑战的关键，更是现代社会运作的基石。储能科学与技术在现代能源体系中扮演着不可或缺的角色，它不仅是平衡电力供需、提高电网稳定性的重要手段，更是推动可再生能源大规模应用、应对全球气候变化的关键支撑。通过有效地储存电能、热能或其他形式的能量，储能技术能够克服风能、太阳能等清洁能源间歇性和波动性的固有缺陷，确保能源供应的连续性和可靠性。此外，储能系统还能优化能源利用率，减少对传统化石燃料的依赖，从而降低温室气体排放和环境污染。在交通、工业、建筑等多个领域，储能的应用促进了电气化转型和节能减排，为实现可持续发展目标提供了坚实的技术基础。随着新材料、新工艺的不断涌现，储能技术正朝着更高能量密度、更长寿命、更低成本的方向快速发展。 本章简要介绍能源、能源转换、储能的基本定义，以及储能技术的分类与特点，进而结合实际使用案例，分析储能技术在社会生产中的重要意义；重点介绍包括机械储能、热储能、电气储能、热化学储能、电化学储能、氢能等各种储能技术及其在新能源背景下的若干应用实例，并分析储能技术的发展现状和发展趋势。 1.1 能源转换和储存 1.1.1 能源 能源作为人类社会发展的基石，其重要性不言而喻。从广义上讲，能源指的是能够提供能量或做功的物质或资源。能源结构通常指的是一个国家或地区所使用的各种能源的比例关系，而能源消费则是指这些能源被转化为有用功的过程。 能源可以按照不同的方式进行分类。按照来源划分，能源可以分为一次能源和二次能源。一次能源是指从自然界直接获取的能源，如煤炭、石油、天然气、核能、水能、风能、太阳能、生物质能等；二次能源是指通过一次能源的加工、转换得到的能源，如电力、热力、燃气、石油制品等。此外，能源还可以按照使用方式分为传统能源和新能源。传统能源是指在人类历史中长期使用的能源形式，主要包括煤炭、石油、天然气等化石能源，但它们的储量有限，环境污染问题也日益严重。新能源是指那些具有广阔前景、清洁环保的能源，如太阳能、风能、水能、生物质能等，这些能源正在逐步替代传统能源，成为人类未来发展的重要方向。 1.1.2 能源转换 能源转换是指将一种形式的能源转化为另一种形式的能源。常见的能源转换形式为将一次能源(如煤炭、石油、天然气、核能、水能、风能、太阳能、生物质能)等加工、转换为可用于直接生产利用的能源(如电力、热力、燃气、石油制品等)。图1-1为一种简单但清晰的能源转换流程。植物吸收太阳能而转换为生物质能和化学能并以蔬果形式储存，人体摄入蔬果后而获得化学能并在运动过程中将化学能转换为机械能，机械能带动转子在发电机中通过切割磁力线而实现机械能至电能的转换，在电阻丝炉中通过电阻丝加热而将电能转换为热能，电阻丝炉上热水炉中的介质水吸收热量而增加自身内能并在沸点时产生大量水蒸气，通过水蒸气的膨胀可将内能转换为水蒸气动能，故在本实例中，存在“太阳能—化学能/生物质能—机械能—电能—热能—动能”的能源转换关系。 图1-1 一种简单但清晰的能源转换流程示意图 能源转换技术的突破，使得我们可以从各种自然资源中提取能源，并将其转化为人类所需要的各种形式。太阳能、风能、水能等可再生能源的利用，正在逐步取代传统的化石能源，为地球环境的保护做出了巨大贡献。为了供应适合消费者需要的能源，必须转换成容易运输、分配并在各种设备中使用的形态，这就趋向于形成能源供应与储存网络，电力、燃气和区域储存与供热网更是如此。能源转换技术在工业、交通等领域发挥着重要作用，为现代社会的繁荣稳定提供了有力支持。而储能技术的发展，让能源转换变得更加高效和灵活。目前，风力和光伏发电在我国能源消费中的占比越来越高，而由于天气等因素的影响，以上能源的采集存在不稳定性。储能技术可将这些暂时无法使用的能源储存起来并合理分配，等到需要时再进行释放，从而保证了能源的稳定供应。此外，储能技术还可以帮助平衡电网负荷，提高电力系统的稳定性，提升能源利用率。 1.1.3 能源储存 为了弥补能量供需数量上、形态上和时间上的差异，有效地利用能源，常对能量储存和释放过程进行人为调控，相关的调控过程和技术手段称为储能技术。在能源的实际应用中，热能和电能形式的能量占了能源相当大的比例。一般能源利用过程均为先转换为热能或电能后再加以利用。常规能源具有良好的储存性，但在转换利用过程中，需要储能技术，例如，矿物燃料和核燃料本身性质稳定，它们用于发电时，电能却是不易储存的能量。太阳能、风能等新能源受制于间断性和不稳定性，不能持续稳定地产生热量或电量。例如，太阳能只能在白天得到利用，风能的输出变化不定。因此，新能源的进一步发展，也需要储能技术。 通过储能技术可一定程度上解决能量供求之间在时间上的不匹配问题，因而也将其视作一种能源调峰技术。利用各种储能技术，可以在能源用户侧建立储能系统，将丰富的谷期能源以多种形式或方法储存起来，弥补用能高峰期的能源不足，从而达到以分散的形式调节能源负荷的目的。其中，热能的储存和电能的储存，一般也分别称为蓄热和蓄电。 根据储能过程是否发生化学反应以及储能介质的不同，可将储能技术分为机械储能、热储能、电气储能、热化学储能、电化学储能、氢储能。相关储能技术的定义和特点将在后续章节讨论。 1.1.4 能源发展与储能 开发新型绿色能源技术和降低碳排放已成为未来能源发展的一个重要方向。为了保护环境并实现能源的可持续发展，我国将采取以下措施：①全面推进风电、太阳能发电大规模开发和高质量发展，坚持集中式与分布式并举，创新“光伏+”模式并推动风电协调快速发展；②构建新能源占比逐渐提高的新型电力系统，推动清洁电力资源大范围优化配置，积极发展“新能源+储能”、源网荷储一体化和多能互补，支持分布式新能源合理配置储能系统；③制定新一轮抽水蓄能电站中长期发展规划，完善促进抽水蓄能发展的政策机制。通过以上措施，实现2030年风电、太阳能发电总装机容量达到12亿kW以上，非化石能源消费比重达到25%左右，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降65%以上；而在储能技术端，实现2025年新型储能装机容量达到3000万kW以上，2030年抽水蓄能电站装机容量达到1.2亿kW左右，省级电网基本具备5%以上的尖峰负荷响应能力。 由此可见，风力发电与光伏发电在我国实现清洁能源结构的目标中起到越来越重要的作用，我国将积极推进“风光水火储”多能互补的创新能源供应模式(图1-2)建设，完善新型大规模储能技术的研发，构建大规模储能设施以应对风力发电和光伏发电等一次能源的间歇性和不稳定性，并通过“削峰填谷”手段(图1-3)解决电网供需平衡问题。 图1-2 “风光水火储”多能互补的创新能源供应模式示意图 图1-3 配置储能系统后对电网供电负荷的影响示意图 1.2 能源的类型 按照能源是否具有再生性，可分为可再生能源和非再生能源。可再生能源是指可以不断得到补充或可以在短期内再生的能源。非再生能源是指在自然界中经过亿万年形成，短期内无法恢复的能源。为了维持人类社会的可持续发展，大力发展可再生能源技术成为一条必然要经历的技术路径。 1.2.1 非再生能源 在现实生活中，非再生能源主要包括煤、石油、天然气以及核能等。除了核能之外，其他几种能源都属于化石能源范畴。这些化石能源在燃烧过程中会释放大量的温室气体，进而加剧全球变暖现象。因此，减少对化石能源的依赖是我国实现工业领域节能减排及可持续发展目标的重要途径之一。 (1)煤。煤是古代的植物体因为地壳运动而埋没地下，在适宜的地质环境中经过漫长年代的物理与化学转变，含碳量一般为46%～97%的有机岩。根据煤化程度不同，煤主要分为三大类：褐煤、烟煤和无烟煤。在煤中，除了碳和氢作为主要元素外，还包括铝、铁、钙、钠等金属元素以及磷、硫、氮等非金属元素。由此可见，煤的燃烧过程除了产生大量二氧化碳温室气体，还将产生氧化氮、氧化硫等对环境有害的气体以及大量燃烧残留物，从而对环境产生不利影响。 (2)石油。石油是一种黏稠的、深褐色液体，被称为“工业的血液”。地壳上层部分地区有石油储存。石油的主要成分是各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物。石油的成油机理有生物沉积变油和石化油两种学说，前者较广为接受，认为石油是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的，属于生物沉积变油，不可再生；后者认为石油是由地壳内本身的碳生成，与生物无关，可再生但形成时间可长于万年。石油主要是由碳和氢元素组成的碳氢化合物，占石油总质量的95%～99%，其余1%～5%包括硫、氮、氧等元素及微量金属元素如镍、钒、铁等。因此，与煤燃烧类似，石油燃烧也将产生大量温室气体和氮化物、硫化物等对环境有害的气体。 (3)天然气。天然气指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物，是古生物遗骸长期沉积地下，经慢慢转化、变质及裂解而产生的气态碳氢化合物，多在油田开采原油时伴随而出或存在于纯天然气气田，也有少量出于煤层，由此可见天然气具有不可再生性。天然气主要由甲烷(85%)、乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮气(2%)和丁烷(1%)组成，因此天然气燃烧相对于石油和煤燃烧更加彻底并可释放出相对较少的二氧化碳、氮化物、硫化物等气体。 (4)核能。核能又称原子能，是通过核反应从原子核释放的能量，符合爱因斯坦的质能方程。核能可通过三种核反应之一释放：①核裂变，较重的原子核分裂释放结合能；②核聚变，较轻的原子核聚合在一起释放结合能；③核衰变，原子核自发衰变过程中释放能量。虽然天然放射性元素有限，但受益于裂变重水堆中放射性元素自增殖机制，地球陆地上的裂变燃料若承担人类的全部能耗，可以使用数百年到数千年。在核聚变方面，受益于自然氘元素的丰富以及氚元素的易制备性，基于可控氘氚聚变反应可为人类社会提供数千年持续能量供应。 1.2.2 可再生能源 当前，已被开发利用的可再生能源包括水能、太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能等。使用以上能源可减少温室气体排放，是我国实现工业节能减排可持续发展的重要手段(图1-4)。根据国家能源局发布的数据，截至2023年底，中国可再生能源装机在全国发电总装机中的比重已突破50%，历史性超过火电装机。可再生能源发电量约占全社会用电量的1/3，风电光伏发电量保持两位数增长。 图1-4 风能、水能、太阳能、生物质能的利用示意图 (1)水能。水能是一种可再生能源，广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源，狭义的水能资源指河流的水能资源，其主要用于水力发电。水力发电将水的势能和动能转换成电能。水力发电的优点是成本低、可连续再生、无污染。缺点是分布受水文、气候、地貌等自然条件的限制大，容易被地形、气候等多方面的因素影响。当前，水力发电的能量转换效率为80%～90%。 (2)太阳能。太阳能作为一种清洁、可再生的能源，近年来在全球范围内得到了快速发展。太阳能的利用方式包括热利用和光利用两种类型。太阳能的热利用是太阳能利用的重要形式，主要包括太阳能热水器、太阳能热发电系统、太阳能海水淡化装置、太阳灶、太阳能温室等。就当前的技术而言，光热发电技术与太阳能热水器的应用已相对成熟。太阳能的光利用是通过太阳能电池板将太阳能转化为电能，不仅可以为家庭、企业等提供稳定的电力供应，还可以为电动汽车、航空航天等领域提供动力支持。此外，太阳能发电过程中不产生温室气体排放，对环境几乎没有任何污染。当前，商品化光伏电池以单晶硅光伏电池为主，其在AMl.5光照的条件下，单晶硅太阳能电池的理论光电转换效率的上限值约为29.4%，而商用的高效单晶硅太阳能电池的光电转换效率为18%～20%。由此可见，开发新型制备技术而提升商品化光伏电池性能成为提升其应用的关键。同时，如何克服光伏发
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