东华大学《储能原理与技术》2025-2026学年期末试卷(A卷)

东华大学《储能原理与技术》2025-2026学年期末试卷(A卷)适用专业：能源与动力工程、新能源科学与工程、功能材料考试时间：120分钟满分：100分一、名词解释（每题3分，共18分）库仑效率长时储能相变储热过冷度液流电池功率-能量解耦特性飞轮储能转子极限线速度储能系统荷电状态（SOC）均衡管理二、填空题（每空1分，共15分）截至2024年底，我国商业化应用占比最高的储能电池正极材料是_，其理论比容量约为_mAh/g，实际应用中方形电芯的能量密度可达140~180Wh/kg。常规可逆式抽水蓄能电站的综合循环效率通常在_%~_%之间，是当前全球累计装机规模最大的电网侧储能技术。钠硫电池以金属钠为负极、单质硫为正极，工作温度需维持在_℃区间，其核心电解质材料为_固态电解质，具有极高的钠离子选择性。超级电容器根据储能机理可分为_电容器和赝电容电容器两类，后者的储能主要依赖电极表面发生的_反应，能量密度显著高于双电层电容器。高压气态储氢是当前商业化应用最广泛的车载储氢技术，其中重型商用车常用储氢瓶的压力等级为_MPa，乘用车70MPaIV型储氢瓶的内胆通常采用_材料以提升氢气阻隔性能。全钒液流电池的正极电解液活性物质为_价钒离子，负极电解液活性物质为_价钒离子，充放电过程中仅发生钒离子价态变化，无电极活性物质的溶解与沉积。压缩空气储能系统中，____的功率等级决定了系统的额定输出功率，____的容积决定了系统的额定储能容量，因此具备功率与能量解耦的特性。相变储热材料中，石蜡类有机相变材料的核心缺点是____较低，通常需添加石墨烯、金属泡沫、碳化硅等材料进行改性以提升储放热速率。三、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有1个正确答案，多选、错选、不选均不得分）下列储能技术中，符合国际能源署（IEA）定义的长时储能（放电时长≥10小时，且全周期成本具备竞争力）的是（）A.磷酸铁锂电池储能B.飞轮储能C.抽水蓄能储能D.超级电容储能某款储能用磷酸铁锂电芯的额定容量为300Ah，若以0.5C倍率进行恒流放电，其放电电流为（）A.150AB.300AC.600AD.30A下列固态电解质材料中，室温离子电导率最高的是（）A.聚环氧乙烷（PEO）基聚合物电解质B.硫化物锂银磷（Li₆PS₅Cl）电解质C.石榴石型氧化物（LLZO）电解质D.卤化物（Li₃YCl₆）电解质全钒液流电池的额定功率主要由下列哪个参数决定（）A.电解液的总体积B.电解液的钒离子浓度C.电堆的有效电极面积D.储液罐的总数量下列储热技术中，单位质量储热密度（按可利用热量计算）最高的是（）A.水基显热储热B.陶瓷基显热储热C.氯化熔盐相变储热D.金属氢化物热化学储热关于抽水蓄能电站的技术特性与应用场景，下列说法错误的是（）A.可承担电网调峰填谷任务，平抑日级负荷波动B.响应速度快于燃煤发电机组，可参与电网一次调频C.无需依赖地形条件，可直接建设在城市负荷中心区域D.具备黑启动能力，可作为电网重大故障后的应急启动电源储能系统并网运行时，下列哪项不属于其需满足的电能质量考核指标（）A.电压偏差B.频率偏差C.谐波电流含量D.循环寿命某锂离子电池的额定容量为100Ah，在25℃、1C充放电条件下，实际放电容量为92Ah，其放电容量效率为（）A.92%B.100%C.46%D.8%

9.飞轮储能系统最适合应用于下列哪个场景（）A.电网跨季节长时调峰填谷B.电网一次调频辅助服务C.用户侧长时峰谷价差套利D.离网光伏连续供电根据2025年我国发布的《新型储能电站安全管理规范》，下列哪项不属于锂离子电池储能电站的必备安全设施（）A.火灾自动报警与联动控制系统B.预制舱级自动灭火系统C.热失控特征气体在线监测系统D.氢燃料应急备用发电系统四、简答题（每题6分，共30分。回答需条理清晰，要点明确）以磷酸铁锂正极、石墨负极的锂离子电池为例，简述其充放电工作原理，并写出正负极的电极反应式。与传统锂离子电池储能相比，全钒液流电池储能具备哪些核心技术优势？请至少列举6项并简要说明。什么是相变储热的过冷现象？简述过冷现象产生的主要原因及3种常用的改善措施。简述储能系统参与电力系统调频的基本原理，对比说明电化学储能与抽水蓄能参与调频的技术差异。锂离子电池热失控的链式发展过程分为哪三个阶段？简述每个阶段的核心特征与主要产热来源。五、综合分析与计算题（共17分。要求写出必要的计算过程、分析逻辑和结论）（8分）某分布式光伏电站装机容量为50MW，配套建设储能系统用于平抑出力波动与峰谷套利，要求储能系统的额定功率为光伏装机容量的20%，放电时长为4小时。已知采用磷酸铁锂储能电芯，单电芯额定电压为3.2V，额定容量为300Ah，储能系统直流侧额定电压为1500V，电芯成组时的容量冗余系数为1.05（即实际配置容量为需求容量的1.05倍）。请计算：（1）储能系统的额定功率与额定放电容量（MWh）；（2）单串电芯的串联数量（取整数）；（3）所需电芯的总数量（取整数）。（9分）某沿海城市的工业园区拟建设一套复合储能系统，主要满足三类需求：一是平抑园区内2MW分布式光伏的出力波动（波动幅度最大为装机容量的50%，波动周期为秒级至分钟级）；二是参与电网一次调频辅助服务（调频容量1MW，响应时间要求≤100ms，年循环次数约10万次）；三是作为应急备用电源（备用容量2MW，放电时长≥2小时，年启用次数≤5次）。现有三种可选储能技术路线：磷酸铁锂电池储能、碳纤维飞轮储能、全钒液流电池储能。请从技术特性、经济成本、运行安全性三个维度，分别评估三种技术路线对三类需求的适用性，并给出一套最优的复合储能配置方案（需说明各技术的配置容量与承担的核心功能）。参考答案及评分标准一、名词解释（每题3分，共18分）库仑效率：又称充放电效率，指电池放电过程中释放的电荷量与充电过程中输入的电荷量的比值（2分），是衡量电池电化学可逆性的核心指标，通常用百分比表示（1分）。长时储能：国际能源署定义为放电时长≥10小时、可实现长周期能量转移、全生命周期成本具备竞争力的储能技术（2分），主要用于电网跨天、跨季节调峰，高比例可再生能源消纳等场景（1分）。相变储热过冷度：指相变材料冷却至理论相变温度以下仍不发生凝固相变的现象（2分），通常用理论相变温度与实际凝固温度的差值表示，会降低储热系统的有效放热温度与能量利用率（1分）。液流电池功率-能量解耦特性：指液流电池的额定功率由电堆的数量与规格决定，额定储能容量由电解液的体积与浓度决定（2分），二者可独立配置，可灵活适配不同功率、不同时长的储能需求（1分）。飞轮储能转子极限线速度：指飞轮转子在旋转过程中，材料所受离心应力达到抗拉强度极限时的转子边缘线速度（2分），是决定飞轮储能密度的核心参数，与转子材料的比强度正相关（1分）。储能系统SOC均衡管理：指通过电力电子电路控制电池组内各单体电池的荷电状态保持一致的管理策略（2分），可避免部分单体过充过放，提升电池组的可用容量与循环寿命（1分）。二、填空题（每空1分，共15分）磷酸铁锂（或LiFePO₄）、17070、80（顺序可互换）300~350、β-氧化铝（或β-Al₂O₃）双电层、法拉第氧化还原（或氧化还原）35、高密度聚乙烯（或HDPE）五（或V⁵⁺）、二（或V²⁺）透平与压缩机机组（或透平发电机组）、储气装置（或储气洞穴/储气罐）导热系数三、单项选择题（每题2分，共20分）C2.A3.B4.C5.D6.C7.D8.A9.B10.D四、简答题（每题6分，共30分）工作原理：锂离子电池是一种嵌脱式储能电池，充放电过程中锂离子在正负极材料的层状/隧道结构中可逆嵌入与脱出，电子通过外电路转移实现能量存储与释放（2分）。正极反应：充电时磷酸铁锂脱锂生成磷酸铁，放电时逆向进行，反应式为$\ce{LiFePO_{4}<=>[充电][放电]FePO_{4}+Li^{+}+e^{-}}$（2分，未标注充放电方向扣1分，化学式错误不得分）。

负极反应：充电时锂离子嵌入石墨生成锂碳化合物，放电时逆向进行，反应式为$\ce{6C+Li^{+}+e^{-}<=>[充电][放电]LiC_{6}}$（2分，未标注充放电方向扣1分，化学式错误不得分）。

2.核心优势：（每点1分，答满6点得满分，表述合理可酌情给分）（1）功率-能量解耦：功率由电堆规格决定，容量由电解液体积与浓度决定，可灵活适配长时储能需求，扩容成本低；（2）安全性高：电解液为水溶液，无易燃有机溶剂，无热失控燃烧风险，适合对安全性要求高的场景；（3）循环寿命长：充放电仅发生钒离子价态变化，无电极结构破坏，循环寿命可达15000次以上，全生命周期成本低；（4）深放电能力强：可实现100%深度放电，不会对电池性能造成不可逆损伤，容量利用率高；

（5）电解液可回收利用：钒电解液可反复再生提纯，无电极材料报废问题，环境友好度高；（6）选址灵活性高：无需上下水库等特殊地形条件，可模块化部署在负荷中心、光伏电站等场景；（7）功率响应快：电堆可在毫秒级完成功率调节，响应速度优于抽水蓄能，可参与电网快速调频。过冷现象定义：相变材料冷却至理论凝固温度以下时，仍保持液态未发生凝固的现象（1分）。产生原因：液态相变材料凝固时需要先形成晶核，均质形核的能垒较高，导致材料在低于理论相变温度时才开始形核并发生凝固（2分）。改善措施：（每点1分，答满3点得满分，合理即可）（1）添加成核剂：在相变材料中加入与晶体结构匹配的成核剂（如纳米二氧化硅、金属粉末），提供非均质形核位点，降低形核能垒；（2）施加外力扰动：冷却过程中进行机械搅拌或超声波处理，打破液态分子的稳定结构，促进晶核形成；（3）优化储热单元结构：在储热单元内壁设置凹凸纹理或金属翅片，增加形核界面数量，同时提升导热性能；（4）微胶囊封装：将相变材料封装为微米级微胶囊，大幅增加单位体积内的形核界面，抑制过冷现象。调频基本原理：电力系统频率由有功功率供需平衡决定，当负荷或电源出力波动导致频率偏离额定值时，储能系统通过快速充放电调整有功功率输出，使系统频率恢复至允许范围（2分）。技术差异：（每点2分，答满2点得4分，合理即可）（1）响应速度：电化学储能响应速度为毫秒级，可实时跟踪调频指令，适合快速调频；抽水蓄能需启动水轮机组，响应速度为秒级至分钟级，滞后性强，仅能参与慢调频。（2）调节精度：电化学储能功率调节精度可达额定功率的1%，可满足小幅度精细调频需求；抽水蓄能机组调节步长较大，调节精度低，难以适配高频小幅调频指令。

（3）循环适应性：调频场景下循环次数频繁，电化学储能循环寿命可达数千至数万次，适配性较强；抽水蓄能机组频繁启停会加速转轮磨损，缩短设备寿命。（4）选址限制：电化学储能可模块化部署在变电站、负荷中心，传输损耗小；抽水蓄能需依赖山地地形建设上下水库，选址灵活性差，传输距离远、损耗大。三个阶段及特征：（每点2分，共6分）（1）热失控诱导阶段：电池温度范围为60~120℃，核心特征是SEI膜逐渐分解，产热主要来自SEI膜的分解反应与负极表面锂化副反应，产热速率较慢，属于可人工干预的可逆阶段，若及时降温可避免热失控发生。（2）热失控发展阶段：电池温度范围为120~200℃，核心特征是负极与电解液发生反应、正极材料开始分解释氧，产热速率快速提升，电池内压持续升高，安全阀可能开启释放可燃气体，属于不可逆发展阶段，无法通过常规降温措施终止热失控进程。（3）热失控爆发阶段：电池温度升至200℃以上，核心特征是电解液剧烈氧化分解、正极结构完全坍塌，产热速率呈指数级上升，电池内部发生短路，温度快速升至800℃以上，伴随燃烧甚至爆炸，属于完全失控阶段。五、综合分析与计算题（共17分）（8分）解：（1）储能系统额定功率：P=P光伏E=P×N串=UE串=NE总=N并=EN总=N串解：（1）三种技术路线适用性评估（每类技术2分，共6分，需覆盖技术特性、经济成本、安全性三个维度，缺一个维度扣0.5分）①碳纤维飞轮储能：技术上响应速度极快（≤1ms）、循环寿命可达100万次、功率密度高，但能量密度极低，仅能支撑秒级至分钟级放电；经济上初始单位功率投资高，但长循环场景下单位循环成本极低，寿命周期内无需更换核心部件；运行安全性高，无电解液燃烧风险，维护简单。对光伏出力高频波动平抑、电网一次调频两类短时高功率需求适配性极强，对应急备用2小时长时需求完全不适用。②磷酸铁锂电池储能：技术上能量密度较高、响应速度≤100ms、循环寿命约6000~10000次，可兼顾功率与能量需求，但高频率循环会加速容量衰减；经济上初始投资适中，长时放电场景下单位容量成本低，高循环场景下全生命周期成本偏高；运行安全性一般，存在热失控风险，需配套消防设施。对光伏分钟级波动平抑、应急备用长时需求适配性较好，参与高频调频时寿命衰减快，经济性较差。③全钒液流电池储能：技术上循环寿命长（≥15000次）、安全性高、放电时长灵活，但响应速度为秒级，难以满足毫秒级调频需求，能量密度低、占地面积大；经济上初始单位容量投资高于锂离子电池，长时放电场景下单位容量成本更具优势，短时间高功率场景下投资浪费严重；运行安全性高，水系电解液无燃烧风险，维护成本低。对应急备用长时需求适配性较好，对秒级调