《储能材料与器件智能制造技术》课件-1.1.2 储能方式及其原理

《储能材料与器件智能制造技术》储能方式及其原理在全球能源结构向绿色低碳转型的浪潮中，储能技术是关键“能源调节器”。从手机续航、新能源汽车行驶，到风电光伏并网、医院应急供电，都依赖其对能量的精准储存与按需释放。如今储能已形成电化学、机械、电磁、热、化学五大类体系，每类技术原理、优势与场景各异。储能技术电化学储能锰锌干电池锂离子电池……机械储能抽水蓄能压缩空气储能……电磁储能超导磁储能超级电容器……化学储能氢甲烷……热储能熔盐储能相变储能……通过介质或设备储能量，按需释放以解决能源供需错配问题。电解液正极隔膜负极电化学储能依托电极反应储释能量，核心是电池储能。电池作为化学能直接转电能的装置，基本结构含正极、负极、电解液、隔膜与外壳——正负极是电化学反应核心，电解液供离子导电，隔膜防正负极短路结构如图所示按使用特性仅单次使用，电极活性物质不可充电复原（如锰锌干电池）；一次电池持续注入外部燃料（如氢气），实现化学能连续转电能（如氢燃料电池）。燃料电池电极反应可逆，放电后充电能恢复活性物质（如锂离子电池），应用最广；二次电池（可充电）优势：能量与功率密度高、响应快、操作简，单体可微型化（适配手机），也可串并联成大型模组（用于新能源电站），覆盖生活、工业、新能源领域。机械储能借机械装置实现物理储释能，含五类抽水蓄能抽水蓄能如图所示是最成熟的大规模储能技术：电网低谷时，用富余电力将下水库水抽至上水库储重力势能；高峰时放水推动水轮机发电。综合效率70%~85%，占全球大规模电网储能90%，可调峰填谷、调频、作事故备用，但受地形（需高低水库）与选址（近新能源电站）限制。1机械储能借机械装置实现物理储释能，含五类压缩空气储能低谷期用富余电力压缩空气，储于废弃矿井、储气罐等；高峰时释放高压空气推动汽轮机发电如图所示。系统含传统型、带储热型等，容量大、工作久、成本低、效率高。2025年1月，湖北应城1500兆瓦时/300兆瓦盐穴项目并网，转换效率约70%。2机械储能借机械装置实现物理储释能，含五类飞轮储能靠电动/发电机系统：储能时电动机带飞轮高速转储动能，释能时飞轮带发电机发电。充放电效率超90%，寿命长、响应快、功率密度超5kW/Kg且无污染，但能量密度低、自放电高（数小时至数十小时耗尽），不适大规模长时间储能，综合效率85%~90%，如图所示3机械储能借机械装置实现物理储释能，含五类重力储能借高度差储释能：低谷期提“重物”至高处储能，高峰时放下驱动发电，如图所示。成本低于抽水蓄能、压缩空气储能及多数电化学储能，安全、选址灵、对环境破坏小，寿命30~35年，效率约85%，无自放电。4机械储能借机械装置实现物理储释能，含五类弹性储能靠弹簧形变储能，结构简但能量密度极低（低于1Wh/kg，仅为电池1/100以上），仅适玩具飞机（橡皮筋）、机械手表（发条）等小型场景。5电磁储能超导磁储能低温下用零电阻超导线圈储磁场能，环流可无损耗长期存能。功率大、体积小、质量轻、损耗低、响应快，综合效率90%~95%，但低温维护难、成本高，难规模化，如图所示。借电场或磁场储能量，含两类：电磁储能超级电容器介于传统电容器与充电电池间，靠电极-电解质界面双电层储能量：通电后正极吸负离子、负极吸正离子，形成稳定电荷层，如图所示。按电极材料分碳电极型、金属氧化物电极型等，优势有：功率密度极高（10²~10⁴kW/kg，超蓄电池）；循环寿命长（50万～100万次充放电后容量降10%~20%）；工作温限宽（-40℃~+80℃）、免维护、环保。但能量密度低（5~10Wh/kg）、自放电高（室温每天1%~5%），适新能源汽车制动回收、轨道交通瞬时负荷平衡等场景，也可与其他技术组合。借电场或磁场储能量，含两类：热储能1、太阳能光热电站塔式光热电站如图所示：定日反射镜聚光至集热塔加热熔盐储存，发电时熔盐产蒸汽驱发电机，冷却后回流。我国敦煌100兆瓦电站（亚洲最大）年发电3.9亿度，可24小时连续发电。热储能1、太阳能光热电站槽式光热电站如图所示：槽式聚光镜聚光至管状集热器，加热工质产蒸汽发电。热储能可消除太阳能间歇性，容量大、配置灵、能热电气联供、安全高。热储能2、相变储能借材料物态变化（如固-液）的焓变储能。如水0℃结冰放334kJ/kg热量，约等于水从0℃加热至80℃所需热量——相变焓变远大于温度变化焓变，故密度高、体积小，适余热回收、建筑供暖。化学储能将低能物质转高能物质储能量，典型方式是用新能源富余电能电解水制氢，或转甲烷、甲醇等燃料，如图所示。这些高能物质可通过燃料电池发电或作热机燃料，储时久、损耗小、可大规模长时间储能。当前风电、光伏电解水制氢是研究热点，综合效率35%~40%（电解效率70%×燃料电池效率50%）。从日常供电到全球能源转型，各类储能技术各展所长，构建稳定高效的能源体系。电化学储能灵活、机械储能适配大规模、电磁储能响应快、热储