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第七章物理儲能原理電磁能量存儲原理7.27.17.37.47.5熱能存儲原理抽水蓄能壓縮空氣儲能飛輪儲能1.電磁能量存儲原理7.1電磁能量存儲原理7.1.1電磁能量概述一、發(fā)展歷史1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)；1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了磁生電現(xiàn)象。電和磁是緊密聯(lián)系在一起的，不僅磁可生電，電也能生磁。場與電和磁類似，電磁場被視為電場和磁場的綜合體，電場、磁場之間同樣也可以相互轉(zhuǎn)化，相互生成。電流回路在恒定磁場中受到作用力而運(yùn)動，說明在磁場中蘊(yùn)藏著能量。因此可以利用線圈通過電流時產(chǎn)生的磁場來儲存磁能，此為電磁儲能。能量形式包括靜態(tài)電場儲能、靜態(tài)磁場儲能、時變電場儲能、時變電磁儲能以及電磁場中的能量損耗。磁場儲能元件主要是電抗器，電場儲能元件主要是電容器。7.1電磁能量存儲原理

7.1電磁能量存儲原理磁路：磁路是磁感應(yīng)線或磁通管經(jīng)過的路徑，形成的總是閉合回路。磁場分布在空間各處，對于制成的電磁器件和裝置，磁體主體部分經(jīng)過的路徑成為主磁路，其余的部分成為漏磁路。通常人們可以設(shè)計(jì)磁路走向，將磁場約束在特定包圍的封閉空間內(nèi)，減少漏磁路。在磁路中，利用高磁導(dǎo)率的磁性材料如鐵芯，可以產(chǎn)生強(qiáng)磁場而需要的電流不大。與電路不同的一點(diǎn)是，電路存在消耗電功率，磁路可以存儲磁場能量，一旦建立穩(wěn)定的磁場，磁場能量就存儲在磁路中保持不變。自感與互感：電抗器主要由線圈和鐵芯組成，主要參數(shù)是電感。在電磁系統(tǒng)中，通電回路的電流變化會引起內(nèi)部磁通的變化，磁通的變化有會在閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，阻礙電流的變化。這種因自身電流變化而引起感應(yīng)電動勢與電流回路的幾何結(jié)構(gòu)和周圍介磁特性相關(guān)聯(lián)，用自感表示。自感包括導(dǎo)體內(nèi)部磁通鏈引起的內(nèi)磁感和導(dǎo)體外部磁通鏈引起的外磁感兩部分。當(dāng)同一鐵芯上有多個導(dǎo)體線圈時，除了線圈自身的自感，線圈之間的磁通鏈相互作用也會產(chǎn)生耦合電感。當(dāng)兩個線圈構(gòu)成的平面相互垂直時，此時磁鏈為零，互感為零。當(dāng)通電時，這兩個線圈各自的自感不變，但是線圈相對的位置角變化而引起互感和耦合能量變化，同時產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。7.1電磁能量存儲原理7.1.2磁能和磁共能磁能是一個狀態(tài)函數(shù)，它僅與系統(tǒng)的即時狀態(tài)有關(guān)。以最簡單的單邊電磁式裝置為例引出磁能和磁共能。如圖1的電磁鐵所示，固定鐵芯

S、可動銜鐵

R以及兩者的氣隙

δ組成的一個閉合磁路。假設(shè)：(1)鐵芯各段的截面積均為A，平均長度為lFe，氣隙長為δ，磁路的計(jì)算長度為l=lFe+δ；(2)銜鐵R與固定鐵芯S之間的接觸面為無隙理想滑動面；(3)激磁線圈的電阻等效為無電阻的理想線圈外串一個電阻R。圖1電磁鐵S：固定鐵芯；R：可動銜鐵；δ：兩者的氣隙由于氣隙不同，磁化曲線(即ψ-i曲線)也不同，系統(tǒng)的磁鏈ψ與線圈電流i和銜鐵的位移x有關(guān)，可表達(dá)為ψ=ψ(i,x)，其中，i，x，ψ三個變量中只有兩個是獨(dú)立變量。（位移x為矢量，將取銜鐵初位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)，位移即銜鐵位置的坐標(biāo)）7.1電磁能量存儲原理

圖2電磁鐵不同氣隙的磁化曲線族(7-2)(7-3)7.1電磁能量存儲原理

圖2電磁鐵不同氣隙的磁化曲線族(7-4)(7-3)7.1電磁能量存儲原理ψ隨i從零開始增大的過程中，式(7-4)中的idψ在圖3對應(yīng)小矩形abcd的面積。因此，當(dāng)t=t1、x=x1、i=i1，ψ=ψ1時，電磁鐵的磁能就等于圖3中水平陰影線部分的面積。通過分部積分法將式(7-4)簡化得到式(7-4)右邊第二項(xiàng)Wm'=0i1ψdi,定義為磁共能。用圖解表示磁共能時為圖4中垂直陰影部分面積。它與磁能Wm的關(guān)系是和磁能類似，磁共能也是一個狀態(tài)函數(shù)。但是，它沒有特定的物理意義，只是在某些情況下引用磁共能可以簡化數(shù)學(xué)運(yùn)算。當(dāng)磁路是線性時，圖4中的磁化曲線為直線，此時系統(tǒng)的磁能與磁共能正好相等，即圖3磁場儲能圖4磁能和磁共能(7-5)(7-6)(7-7)(7-4)7.1電磁能量存儲原理7.1.3超導(dǎo)電磁儲能一、超導(dǎo)磁體超導(dǎo)磁體指由超導(dǎo)體制成的線圈，是超導(dǎo)儲能系統(tǒng)中的儲能元件。1、超導(dǎo)磁體的發(fā)展與超導(dǎo)理論的創(chuàng)立1911年，由荷蘭低溫物理學(xué)家卡莫林·昂納斯（H.K.Onnes）發(fā)現(xiàn)了低溫超導(dǎo)現(xiàn)象。1933年，邁斯納（W.F.Meissner）和奧克森菲爾德（R.Ochsenfeld）兩位學(xué)者發(fā)現(xiàn)了若超導(dǎo)體在超導(dǎo)態(tài)，則具有完全抗磁性特性。這一現(xiàn)象被稱為“邁斯納效應(yīng)”,可用于判斷材料是否具有超導(dǎo)性。1957年，巴?。↗.Bardeen）、庫珀（L.N.Cooper）和施里弗（J.R.Schrieffer）三位科學(xué)家對超導(dǎo)性的理論進(jìn)行解釋創(chuàng)建了BCS理論。1962年，約瑟夫森（B.D.Josephson）提出“隧道效應(yīng)”，即電流能穿越兩個超導(dǎo)體之間的薄絕緣層。7.1電磁能量存儲原理2、超導(dǎo)體三大基本特性(1)零電阻超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)時，電阻為零是超導(dǎo)體的根本特性。即當(dāng)超導(dǎo)材料組成一個閉合回路時，通入電流是沒有電能消耗而永久存在。這種電阻為零的物理性質(zhì)成為超導(dǎo)電性。零電阻現(xiàn)象的發(fā)展與低溫技術(shù)的進(jìn)展是分不開的，超導(dǎo)體失去電阻時的溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度。(2)邁納斯效應(yīng)——完全抗磁性超導(dǎo)體并非理想導(dǎo)體（完純導(dǎo)體），理想導(dǎo)體具有歷史記憶功能即內(nèi)部是否存在磁場與其降溫和外加磁場的先后次序有關(guān)。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是等于零，與外加磁場的歷史無關(guān)。超導(dǎo)體的這種完全抗磁阻性又稱邁斯納效應(yīng)。對于超導(dǎo)體完全排斥磁力線，而理想導(dǎo)體要維持磁通不變，這也是超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體的區(qū)別之一如圖5。完全抗磁性并不是零電阻效應(yīng)的結(jié)果，二者是超導(dǎo)體兩個獨(dú)立的基本性質(zhì)。圖5超導(dǎo)材料的完全抗磁性7.1電磁能量存儲原理(3)約瑟夫森效應(yīng)兩塊超導(dǎo)體之間存在10-10~10-9m的絕緣層，沒有電位差時，其間允許直流的超導(dǎo)電流持續(xù)通過，這被稱為直流約瑟夫森效應(yīng)；當(dāng)存在電位差時，這兩個超導(dǎo)體之間一定存在一定頻率的交流電流，同時向外輻射電磁波，這被稱為交流約瑟夫森效應(yīng)。約瑟夫森效是一種隧道效應(yīng)，又稱勢壘貫穿。根據(jù)量子力學(xué)理論，當(dāng)粒子遇到大于其動能的勢壘時，除了反射外，粒子具有一定的透射概率，即隧道效應(yīng)。在超導(dǎo)體中，由于超流電子具有一定的概率進(jìn)入絕緣層，因此當(dāng)絕緣層厚度足夠小時，被夾在兩塊超導(dǎo)體之間的絕緣層具有微弱的超導(dǎo)電性質(zhì)。7.1電磁能量存儲原理3、倫敦方程不同的物質(zhì)具有不同的電磁現(xiàn)象，但是都應(yīng)具有一定的電磁性質(zhì)，各種電場都應(yīng)該遵循麥克斯韋方程。倫敦方程便是根據(jù)二流體模型描繪超導(dǎo)電磁性質(zhì)的物質(zhì)方程。其中，倫敦第一方程揭示了超導(dǎo)電流密度與電場強(qiáng)度的關(guān)系；第二方程描述了超導(dǎo)體的抗磁性。(1)倫敦第一方程超導(dǎo)性屬于量子現(xiàn)象，現(xiàn)有理論認(rèn)為，當(dāng)物體處于超導(dǎo)態(tài)時，傳導(dǎo)電子有兩類，其中一部分是正常電子；另一種被視為超導(dǎo)電子，這部分電子凝聚于一個量子態(tài)中，沒有電阻效應(yīng)，不被晶格散射，做完全有序運(yùn)動。7.1電磁能量存儲原理(1)

倫敦第一方程

(7-8)(7-9)(7-10)(7-11)7.1電磁能量存儲原理(1)

倫敦第一方程

(7-12)(7-13)7.1電磁能量存儲原理(2)

倫敦第二方程根據(jù)麥克斯韋電磁感應(yīng)定律的微分形式，電場強(qiáng)度的旋度等于磁感應(yīng)強(qiáng)度的時間減少率，即將倫敦方程式(7-11)代入式(7-14)后得到設(shè)與時間無關(guān)項(xiàng)為零，那么超導(dǎo)電流密度的旋度與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，即

式(7-16-a)稱為倫敦第二方程，也可寫成

它不僅揭示了超導(dǎo)電流密度的旋度是超導(dǎo)內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度存在的原因，也揭示了超導(dǎo)體的抗磁性。(7-14)(7-15)(7-16-a)(7-16-b)7.1電磁能量存儲原理對于超導(dǎo)體的材料特性和電磁場方程總結(jié)為如下方程組的形式：在穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)超導(dǎo)電流密度恒定，電場強(qiáng)度和正常電流密度為零，因此，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度方程為:(7-17-abc)(7-18)7.1電磁能量存儲原理例7.1對于半無限大超導(dǎo)空間，z=0的上半空間為超導(dǎo)體，磁場沿x軸方向，大小隨z變化，已知在z=0處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0，透入深度為λ，確定超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。圖6均勻外磁場中的超導(dǎo)體均勻磁場中的超導(dǎo)半空間

7.1電磁能量存儲原理例7.1對于半無限大超導(dǎo)空間，z=0的上半空間為超導(dǎo)體，磁場沿x軸方向，大小隨z變化，已知在z=0處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0，透入深度為λ，確定超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布。圖6均勻外磁場中的超導(dǎo)體均勻磁場中的超導(dǎo)半空間

7.1電磁能量存儲原理4、超導(dǎo)體的臨界條件要實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體的零電阻，溫度、磁場和電流三個條件是相互制約的，即超導(dǎo)體存在三個臨界條件：臨界溫度、臨界電流和臨界磁場。(1)臨界溫度在外磁場、電流和應(yīng)力等外部作用足夠小的情況下，物體不再具有電阻而轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶娮璧某瑢?dǎo)態(tài)時的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度（Tc），如圖7。Tc與超導(dǎo)材料純度、周圍的磁場及傳輸?shù)碾娏鞯纫蛩赜嘘P(guān)。圖7超導(dǎo)零電阻效應(yīng)(2)臨界磁場磁場條件包括磁場的大小和方向，在一定溫度下，超導(dǎo)體能實(shí)現(xiàn)無阻狀態(tài)的最大磁場被稱為臨界磁場Hc。一旦磁場強(qiáng)度超過了Hc，超導(dǎo)材料便從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。在大多數(shù)情況下，臨界磁場和溫度存在關(guān)系：Hc是溫度T下的臨界磁場強(qiáng)度；H0是T=0K時的最大臨界場強(qiáng)；Tc是場為零時的最高臨界溫度。(7-23)7.1電磁能量存儲原理(3)臨界電流當(dāng)處于超導(dǎo)態(tài)時，超導(dǎo)體可承載的最大電流為臨界電流Ic，相應(yīng)的臨界電流密度為Jc。如果通入的電流超過Jc，則超導(dǎo)體的超導(dǎo)狀態(tài)將失去，其電流也逐漸損耗。例如，當(dāng)溫度在0K時，0.2cm的汞導(dǎo)線允許通過的最大電流為200A，即當(dāng)電流超出這個最大電流后，超導(dǎo)體將會從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變成正常態(tài)。臨界電流與溫度的關(guān)系為：Ic：溫度T下的臨界電流；I0：T=0K時的最大臨界電流。(7-24)7.1電磁能量存儲原理綜上，超導(dǎo)體的上述三個臨界參數(shù)Tc、Hc、Jc是互相關(guān)聯(lián)的，關(guān)系如圖8所示。{Tc，Hc}、{Hc，Jc}、{Tc、，Jc}三個平面和{Tc，Hc，Jc}曲面圍成一個區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)的任意一點(diǎn)的轉(zhuǎn)態(tài)均是超導(dǎo)態(tài)的，在區(qū)域外的都是正常態(tài)。{Tc，Hc，Jc}曲面上任一點(diǎn)的狀態(tài)為臨界狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用時，溫度、磁場和電流三者是相互影響的。當(dāng)溫度一定時，超導(dǎo)體的臨界電流密度隨磁場強(qiáng)度減??；當(dāng)磁場強(qiáng)度一定時，臨界電流隨溫度的降低而升高。圖8超導(dǎo)導(dǎo)線的臨界電流-磁場強(qiáng)度-工作溫度的基本關(guān)系其中J為電流密度；H磁場強(qiáng)度；T為溫度。7.1電磁能量存儲原理5、超導(dǎo)體分類根據(jù)磁化特性，超導(dǎo)體分為兩類：(1)

第一類超導(dǎo)體第一類超導(dǎo)體的界面能為正，臨界磁場不超過0.1T。第一類超導(dǎo)體有且具有一個臨界磁場，只有當(dāng)外磁場H<Hc時，才具有超導(dǎo)性，表現(xiàn)出完全抗磁性，磁體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。（如圖9）(2)第二類超導(dǎo)體第二類超導(dǎo)體的界面能為負(fù)，臨界磁場較高。第二類超導(dǎo)體具備兩個臨界磁場，其中Hc1為下臨界磁場，Hc2為上臨界磁場，當(dāng)外磁場小于Hc1時，第二類超導(dǎo)體與第一類導(dǎo)體的狀態(tài)一致，處于邁斯納態(tài)，具有完全抗磁性；當(dāng)外磁場分大于Hc2時，此時超導(dǎo)磁體失超，轉(zhuǎn)為正常態(tài)；當(dāng)外磁場強(qiáng)介于Hc1和Hc2之間，第二類超導(dǎo)體處于正常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)相混合的一種狀態(tài)，磁場可穿過此類超導(dǎo)體的正常區(qū)域。（如圖10）圖9第一類超導(dǎo)體磁化特性圖圖10第二類超導(dǎo)體磁化特性圖7.1電磁能量存儲原理(2)

第二類超導(dǎo)體在第二類超導(dǎo)體中，可分為理想第二類超導(dǎo)體和非理想第二類超導(dǎo)體。其中理想第二類超導(dǎo)體的晶格沒有缺陷，臨界磁場達(dá)不到可以制作超導(dǎo)線圈的程度，而非理想第二類超導(dǎo)體的晶格存在位錯和脫溶相。理想第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由Hc1決定，非理想的臨界電流則由Hc2決定。非理想第二類超導(dǎo)體具有較高的傳輸電流能力。理想和非理想超導(dǎo)體的磁化曲線的區(qū)別在于，前者的磁化曲線是可逆的，后者不可逆。實(shí)際上應(yīng)用制備超導(dǎo)磁體常常是由非理想第二類超導(dǎo)體制作的。相較于傳統(tǒng)常規(guī)磁體，超導(dǎo)磁體具有一些性能和操作上的優(yōu)越性：①功耗小，在穩(wěn)定運(yùn)行時，沒有焦耳熱的損耗。這一點(diǎn)在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢尤為明顯；②具有穩(wěn)定而高強(qiáng)度的磁場；③體積小，重量輕，制作工藝簡便，使用方便。7.1電磁能量存儲原理6、超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定化為保持超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定性，避免其偶然地從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，采取的防止磁體失超或失超傳播的措施統(tǒng)稱為超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定化。最理想的方法就是消除或控制正常區(qū)在超導(dǎo)體內(nèi)出現(xiàn)的可能性。(1)

內(nèi)部穩(wěn)定化一般采用將超導(dǎo)體細(xì)絲化來避免磁通跳躍而升溫超過臨界溫度。因?yàn)榇磐ㄌS的強(qiáng)度隨超導(dǎo)體的尺寸減小而降低，當(dāng)絲徑小于一定數(shù)值，就可避免產(chǎn)生磁通跳躍實(shí)現(xiàn)內(nèi)部穩(wěn)定化。(2)動態(tài)穩(wěn)定化可以采用散熱措施，利用高導(dǎo)熱材料傳走磁通跳躍產(chǎn)生的熱量。但是要保證熱量傳出速度大于熱量產(chǎn)生速度。除此之外，還可以采用在超導(dǎo)體上覆加高熱容材料以吸收磁通跳躍產(chǎn)生的熱量。7.1電磁能量存儲原理7、超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)超導(dǎo)磁體的時候，應(yīng)該考慮以下幾方面：①超導(dǎo)磁體的電磁特性。在設(shè)計(jì)時首要考慮的便是在具體應(yīng)用中要能滿足所要求的磁場，來判斷臨界電流密度。通過優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)來獲得足夠大的電感量，減少漏磁場。②足夠的機(jī)械強(qiáng)度，由于超導(dǎo)磁體在運(yùn)行時相比常規(guī)導(dǎo)線和磁體要承受更多的電磁應(yīng)力，因此保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好固化是非常必要的。同時，由于線圈自身重量等，還需要骨架對其進(jìn)行支撐。③運(yùn)行的可靠性，在對臨界參數(shù)設(shè)計(jì)時需要充分滿足其對穩(wěn)定運(yùn)行的要求，以保證其在相應(yīng)工作點(diǎn)具有穩(wěn)定可靠的工作。④磁體的保護(hù)，應(yīng)該具有一定保護(hù)機(jī)制，應(yīng)避免當(dāng)出現(xiàn)由超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)轉(zhuǎn)變時而出現(xiàn)的損壞。⑤低溫技術(shù)與冷卻技術(shù)。對于非高溫超導(dǎo)磁體必須于低溫下運(yùn)行，因此應(yīng)當(dāng)采用合適的冷卻方式。⑥制造的成本。⑦安全性問題。7.1電磁能量存儲原理二、超導(dǎo)電磁儲能裝置超導(dǎo)磁能量存儲（SuperconductingMagneticEnergyStorage，縮寫為SMES）利用電感存儲磁場能量的特性，將電能直接存儲在超導(dǎo)線圈的磁場中，需要時再將電能輸出給負(fù)載的儲能裝置。1、超導(dǎo)儲能的發(fā)展史1969年，法國Ferrier提出利用超導(dǎo)儲能裝置來平衡公用電力負(fù)荷的設(shè)想。20世紀(jì)70年代，美國Wisconsin大學(xué)發(fā)明了基于格里茨（Graetz）橋路的電能儲存系統(tǒng)，這也是SMES電力應(yīng)用系統(tǒng)的開端。1974年，第一臺并網(wǎng)運(yùn)行的SMES于美國洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測試。八十年代逐漸推向市場，日本在1986年成立超導(dǎo)儲能研究會，俄羅斯在1988年建成了儲能達(dá)370-760MJ的超導(dǎo)磁體，均為推動SMES的實(shí)際應(yīng)用。相較于國外，我國起步較晚，于20世紀(jì)60年開始了低溫超導(dǎo)的研究，在1997年由中國科學(xué)院電工研究所研制出第一臺SMES的試驗(yàn)裝置。近三十年來，隨著超導(dǎo)科學(xué)與材料技術(shù)的進(jìn)步，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，尤其是能量儲存技術(shù)也日益成熟，具有了更高的可行性。目前用于改善電力系統(tǒng)的儲能量1~3MJ、輸出功率2.5MW的微型超導(dǎo)儲能裝置已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。7.1電磁能量存儲原理2、超導(dǎo)儲能原理SMES的基本原理是引導(dǎo)電能儲存于直流電流過的一個環(huán)狀導(dǎo)線所發(fā)生的磁場中(如圖11)。

圖11超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖其中L為電感，I為電流7.1電磁能量存儲原理

(7-27)(7-28)(7-29)(7-30)(7-31)7.1電磁能量存儲原理3、超導(dǎo)儲能裝置典型的超導(dǎo)儲能裝置主要由超導(dǎo)線圈、冷卻系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和失超保護(hù)系統(tǒng)等部分組成（如圖12）(1)

超導(dǎo)線圈。超導(dǎo)儲能裝置的核心組成部分，由于超導(dǎo)體具有在很低溫度時電阻幾乎為零的特性，運(yùn)行時無直流電能焦耳熱損耗。因此超導(dǎo)線圈可將電能長期無損儲存起來，儲能密度約108J/m3。在設(shè)計(jì)超導(dǎo)線圈時，應(yīng)該首要考慮超導(dǎo)體的流通能力與所承受的磁場之間的關(guān)系，即磁場在空間的分布和隨時間的變化。圖12超導(dǎo)儲能裝置運(yùn)行原理(2)

冷卻系統(tǒng)。維持超導(dǎo)線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)的保障和前提條件，其冷卻效果直接影響著系統(tǒng)的性能，主要由不銹鋼制冷器、低溫液體的分配系統(tǒng)和自動氦液化器組成。冷卻方式一般有兩種：①將超導(dǎo)磁體直接沉浸于冷卻液體中，一般為液氮。②采用超臨界氦流通過導(dǎo)體內(nèi)部的強(qiáng)制冷卻方式。7.1電磁能量存儲原理(3)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主要指通過功率系統(tǒng)超導(dǎo)線圈和電網(wǎng)之間的能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)功率交換。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般能夠在四個象限內(nèi)實(shí)現(xiàn)對功率需求的快速響應(yīng)，獨(dú)立地進(jìn)行有功與無功的功率調(diào)節(jié)，具有諧波含量低、動態(tài)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。(4)監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)需要對超導(dǎo)儲能系統(tǒng)的功率輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)一般由信號采集部分和控制器兩部分構(gòu)成。信號采集器從系統(tǒng)中提取功率、電壓電流等信息，控制器根據(jù)信號采集器采集的信息判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀況從而對超導(dǎo)磁體的充放電進(jìn)行控制。(5)失超保護(hù)系統(tǒng)。其對維持整個裝置安全可靠的運(yùn)行具有重要作用，一旦超導(dǎo)磁體失超，整個系統(tǒng)可能面臨著熱失控、高壓放電及應(yīng)力過載等情況。除了超導(dǎo)磁體自身防止失超現(xiàn)象發(fā)生的措施之外，在裝置中對于失超狀況的檢測與控制也是非常重要的。常見的失超檢測方法有：升溫檢測、壓力檢測、超聲波檢測、流速檢測和電壓檢測。按照儲能容量大小的不同，超導(dǎo)儲能裝置可分為三類：大型超導(dǎo)電磁儲能系統(tǒng)主要用于控制電力頻率、增加旋轉(zhuǎn)備用容量、動態(tài)快速響應(yīng)平衡負(fù)荷等；中型超導(dǎo)儲能系統(tǒng)主要用于保證輸電穩(wěn)定性、對負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)等；小型超導(dǎo)儲能系統(tǒng)主要用于改善電能質(zhì)量和提高供電可靠性等。7.1電磁能量存儲原理4、超導(dǎo)儲能的優(yōu)缺點(diǎn)利用超導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電磁儲能的優(yōu)點(diǎn)有：(1)超導(dǎo)線圈在運(yùn)行時沒有焦耳熱損耗，可以長期無損耗地儲存能量，儲能密度高，約為108J/m3。無需送變電設(shè)備，減少輸送損耗，效率可達(dá)95%遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他儲能方式（一般為70%），其余5%的能量損耗來自于交直流轉(zhuǎn)換和低溫能耗，二者分別約占3%和2%。(2)超導(dǎo)儲能通過采用變流器與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，對功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度非?？欤◣缀撩胫翈资撩耄?，實(shí)現(xiàn)瞬時啟動、停止。(3)超導(dǎo)儲能的儲能量和所建成功率調(diào)節(jié)的容量具有很大的一個范圍。超導(dǎo)裝置容易控制，能夠與系統(tǒng)快速、獨(dú)立地在四象限內(nèi)進(jìn)行有功和無功功率交換，具有較強(qiáng)的可靠性。(4)

超導(dǎo)儲能的建造不受地點(diǎn)限制，維護(hù)相對簡單、污染小。但是，和其他儲能技術(shù)相比，超導(dǎo)電磁儲能成本仍很高昂，除了超導(dǎo)材料價格昂貴外，運(yùn)行成本所耗費(fèi)用也較高。超導(dǎo)儲能的運(yùn)行對溫度要求嚴(yán)格，冷卻系統(tǒng)為維持低溫制冷耗用大量能量，同時導(dǎo)致維修頻率提高以及產(chǎn)生的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。目前，在世界范圍內(nèi)有許多超導(dǎo)電磁儲能工程正在試運(yùn)行或者處于研制階段。7.1電磁能量存儲原理三、高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)1、高溫超導(dǎo)體的特性高溫超導(dǎo)材料與常規(guī)超導(dǎo)體具有相同的超導(dǎo)特性，比如零電阻特性、邁斯納效應(yīng)和約瑟夫效應(yīng)等。表1是將高溫超導(dǎo)材料與常規(guī)超導(dǎo)體的比較。序號物理量符號常規(guī)超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體的特性1臨界溫度Tc<24K<165K高使用溫度2相干長度ξ(0)5~100nm約1nm弱釘扎3上臨界場Hc2(0)約20T約100T強(qiáng)磁場、寬混合態(tài)范圍4穿透深度λ(0)約100nm100nm二者相差不多5下臨界場Hc1(0)約100Oe約100Oe二者相差不多6各向異性1/ε1~55~100層狀特性與較小的磁通彎曲模量7正常電阻ρn1μΩcm20~200μΩcm強(qiáng)的量子隧穿和量子漲落表1高溫超導(dǎo)體與常規(guī)超導(dǎo)體一些參量的比較7.1電磁能量存儲原理高溫超導(dǎo)材料還有幾點(diǎn)自己獨(dú)特的特點(diǎn)：①高溫超導(dǎo)材料的相干長度短、僅有幾個單晶胞；②根據(jù)實(shí)驗(yàn)表征，氧化物高溫超導(dǎo)的能隙對稱性為d-波；③具有強(qiáng)的各向異性；④氧化物高溫超導(dǎo)材料多存在層狀結(jié)構(gòu)；⑤超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與材料的載流子濃度與材料的含氧量有關(guān)；⑥在臨界轉(zhuǎn)變溫度以上，部分導(dǎo)電粒子呈現(xiàn)配對狀態(tài)。2、高溫超導(dǎo)體的制備高溫超導(dǎo)材料通常由化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷材料制成。一般來說，高溫超導(dǎo)材料的制備過程是：首先將原材料進(jìn)行混合均勻放到高溫環(huán)境煅燒一段時間，之后將其研磨、壓成陶瓷片，再進(jìn)行燒結(jié)退火等多個步驟。前聚體的合成方法可以是固態(tài)反應(yīng)法、共沉淀法、凝膠法、堿金屬熔融法、燃燒法、冷凍干燥法、微波燒結(jié)法和熱均壓法等。7.1電磁能量存儲原理四、超導(dǎo)體的交流損耗根據(jù)倫敦公式的計(jì)算可知，超導(dǎo)磁體在直流下是無損耗，但在交流情況下存在一定的損耗。在交流電流下，超導(dǎo)磁體處于交變磁場中。磁通線在進(jìn)入超導(dǎo)體和從超導(dǎo)體內(nèi)排出的過程中都必須要克服釘扎力的阻礙作用。所謂釘扎力是指在超導(dǎo)體中由缺陷、雜質(zhì)等對渦旋線起釘扎作用的力。克服釘扎力所消耗的能量均由外電源提供，因此導(dǎo)致了兩個后果：①損耗使得溫度發(fā)生變化導(dǎo)致超導(dǎo)磁體自身的不穩(wěn)定；②增加制冷系統(tǒng)的運(yùn)行的負(fù)荷。將從以下三個方面對交流電流引起的損耗進(jìn)行分析：(1)

磁滯損耗磁滯損耗一般指由于交變外場或自場在超導(dǎo)體內(nèi)存在磁通釘扎引起的損耗。磁通線在進(jìn)出超導(dǎo)體時不僅要克服體內(nèi)的釘扎勢還要克服表面勢壘的阻礙，從而產(chǎn)生的能量消耗成為磁滯消耗。7.1電磁能量存儲原理(2)

渦流損耗渦流損耗是指由于變化的磁場（自場或外場）感應(yīng)的渦流所產(chǎn)生的的損耗。渦流損耗一般出現(xiàn)在多絲復(fù)合超導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中，實(shí)用化的超導(dǎo)線有NbTi、Nb3Sn和高溫超導(dǎo)帶MgB2等。耦合電流在多芯超導(dǎo)體或超導(dǎo)帶中也會產(chǎn)生損耗被稱為耦合損耗。渦流損耗和耦合損耗統(tǒng)稱為渦流損耗。如果要減少渦流損耗，應(yīng)該盡量選擇短的扭矩和高電阻率的基體材料。(3)

自場損耗在超導(dǎo)體形成旋轉(zhuǎn)磁場的過程中，傳輸電流從零增加到工作電流，這一過程產(chǎn)生的交流損耗稱為自場損耗。自場損耗與形成磁場的快慢、通入電流的大小和方向均有影響。7.1電磁能量存儲原理五、超導(dǎo)儲能應(yīng)用及發(fā)展方向針對我國電力系統(tǒng)的需求，從實(shí)際用途、性能、技術(shù)成熟度等因素出發(fā)，對超導(dǎo)儲能、電容儲能和電池儲能等新興儲能方式進(jìn)行考量，其優(yōu)缺點(diǎn)及相應(yīng)的發(fā)展?jié)撃芸偨Y(jié)于表2。儲能類型額定功率反應(yīng)時間效率循環(huán)壽命環(huán)境影響技術(shù)成熟度應(yīng)用方向機(jī)械儲能抽水儲能100-2000MW4-10h60-70%數(shù)千次極大成熟能量管理、頻率控制和系統(tǒng)備用飛輪儲能5kW-1.5MW15s-15min70-80%無限良好成熟調(diào)峰、頻率控制、電能質(zhì)量控制化學(xué)儲能鉛酸電池1kW-50MW1min-3h60-70%幾百次大成熟電能質(zhì)量監(jiān)控值、備用電源電容器1-10kW1s-1min70-80%數(shù)千次大較為成熟電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，維持輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性物理儲能超導(dǎo)儲能10kW-1MW5s-5mins80-95%無限良好正在發(fā)展輸配電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)表2應(yīng)用于電力系統(tǒng)的儲能技術(shù)7.1電磁能量存儲原理7.1.4電容儲能作為儲能元件的電容器在脈沖功率設(shè)備中占有很大的比重，超級電容器又稱為雙層電容器（ElectricalDouble-LayerCapacitor，EDLC），根據(jù)電化學(xué)雙電層理論制成，因此又稱為電化學(xué)電容器。目前，超級電容器主要用于改善電能質(zhì)量，常用于后備電源、替換電源和主電源三類。在以后的發(fā)展中，超級電容器應(yīng)進(jìn)一步加緊對能量密度的提高，需要綜合考慮電容器材料的微觀結(jié)構(gòu)，合理選擇電極、電解液，綜合考慮性能匹配，不斷進(jìn)行探索和實(shí)踐工作，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)重量更輕、體積更小、能量更高的各類超級電容器的市場化推進(jìn)。2.熱能存儲原理7.2熱能存儲原理7.2.1儲熱原理與技術(shù)一、儲熱技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用儲熱技術(shù)是以儲熱材料為媒介將太陽能光熱、地?zé)?、工業(yè)余熱、低品位廢熱等熱能儲存起來，在需要的時候釋放，力圖解決由于時間、空間或強(qiáng)度上的熱能供給與需求間不匹配所帶來的問題，最大限度地提高整個系統(tǒng)的能源利用率而逐漸發(fā)展起來的一種技術(shù)。1、儲熱技術(shù)的發(fā)展我國科學(xué)技術(shù)部2012年發(fā)布的《太陽能發(fā)電科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》及國家能源局2016年發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016~2030年)》中均對各種重點(diǎn)儲熱技術(shù)的研發(fā)進(jìn)行了部署。國際能源署IEA近年來持續(xù)啟動了SHCTask32，SHCTask42系列項(xiàng)目,旨在篩選并突破有潛力的儲熱技術(shù)。在儲熱技術(shù)的市場前景預(yù)測方面，全球權(quán)威調(diào)研機(jī)構(gòu)Technavio在2015年發(fā)布的研究報告《GlobalThermalEnergyStorageMarket2015–2019》指出：到2019年,預(yù)計(jì)儲熱產(chǎn)業(yè)的收益將超過13億美元；預(yù)計(jì)2015-2019年期間，全球儲熱市場將以18.7%的年復(fù)合增長率上漲。7.2熱能存儲原理2、儲熱技術(shù)的應(yīng)用(1)風(fēng)能熱儲存風(fēng)能通過槳葉轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能，電能通過電熱器轉(zhuǎn)變成熱能儲存于儲熱材料中，當(dāng)需要時可及時供應(yīng)生產(chǎn)及生活中的熱水、熱風(fēng)、熱蒸汽。(2)太陽能熱儲存利用太陽能集熱器把所收集到的太陽輻射能轉(zhuǎn)化成熱能并加熱其中的傳熱介質(zhì)，經(jīng)過熱交換器把熱量傳遞給蓄熱器內(nèi)的蓄熱介質(zhì)，同時，蓄熱介質(zhì)在良好的條件下將熱能儲存起來。當(dāng)需要時，即利用另一種傳熱介質(zhì)通過熱交換器把所儲存的熱量提取出來輸送給熱負(fù)荷；(3)電力調(diào)峰熱能儲存利用儲能技術(shù)來加快傳統(tǒng)工業(yè)和民用電氣產(chǎn)品改造，量大面廣和靈活使用谷期電力，是實(shí)現(xiàn)峰谷電價、改善電網(wǎng)負(fù)荷平衡和淘汰效率低下機(jī)組的切實(shí)可行的手段，在全國已經(jīng)全面實(shí)行分時記度電價政策時，儲熱技術(shù)便成為工業(yè)和民用的熱點(diǎn)。(4)工業(yè)余熱間歇式儲存器通過儲熱技術(shù)來平衡用熱負(fù)荷，工業(yè)余熱間歇式儲存器主要用于蒸汽熱能回收、煙氣、熱風(fēng)熱能回收。7.2熱能存儲原理二、儲熱基本原理與概念儲熱技術(shù)包括兩個方面的要素，其一是熱能的轉(zhuǎn)化，它既包括熱能與其它形式的能之間的轉(zhuǎn)化，也包括熱能在不同物質(zhì)載體之間的傳遞；其二為熱能的儲存，即熱能在物質(zhì)載體上的存在狀態(tài)，理論上表現(xiàn)為其熱力學(xué)特征。雖然儲熱有顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學(xué)反應(yīng)儲熱等多種形式，但本質(zhì)上均是儲存物質(zhì)中大量分子熱運(yùn)動時的能量。因而從一般意義上講，熱能存儲的熱力學(xué)性質(zhì)與熱力學(xué)性質(zhì)相同，均有量和質(zhì)兩個衡量特征，即熱力學(xué)中的第一定律和第二定律。給定物質(zhì)載體，其所儲存熱量的大小只與溫差有關(guān)而與絕對溫度無關(guān)，亦即儲存熱量的大小不能反映熱量的品位，因而需要借助熱力學(xué)中的另一個重要參數(shù)來衡量所儲存熱量的質(zhì)（即有用功）。7.2熱能存儲原理三、儲熱基本方式與材料根據(jù)儲熱形式的差異，儲熱方式可分為顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學(xué)反應(yīng)熱儲熱。三種不同的儲熱方式優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。特性顯熱儲熱潛熱儲熱熱化學(xué)儲熱儲熱密度?。?6kWh/m3）中等（84-140kWh/m3）大（200-840kWh/m3）介質(zhì)水，土壤，巖石等有機(jī)材料，無機(jī)材料化學(xué)反應(yīng)熱損失長期儲存時較大長期儲存時大小傳輸情況短距離短距離長距離壽命長有限取決于反應(yīng)物的衰減優(yōu)點(diǎn)成本低，簡單可靠儲熱密度中等，恒溫儲能密度高，熱損失小缺點(diǎn)熱損失大，體積龐大導(dǎo)熱差，相分離，熱損失大技術(shù)復(fù)雜，一次性投資大應(yīng)用現(xiàn)狀技術(shù)成熟，大規(guī)模應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室研究階段實(shí)驗(yàn)室研究階段表3不同儲熱方式的比較7.2熱能存儲原理1、顯熱儲熱當(dāng)溫度升高或降低時，材料不改變原有相態(tài)，只是吸收或放出一部分熱量，這部分熱量就是顯熱。液體和固體材料本身具有較高的比熱容和導(dǎo)熱率，當(dāng)它們溫度改變時完成熱量的存儲，這是顯熱儲熱原理。加熱物體，使溫度從T1升高到T2時，所吸收的熱量Q為式中，cp為定壓比熱容，一般在溫度變化不大的范圍內(nèi)可視為常數(shù)；m為物體質(zhì)量。從理論上來講，所有的物質(zhì)都可成為顯熱儲熱材料，由上式可知，要得到最大的儲熱量，就應(yīng)該增大物質(zhì)的比熱容、質(zhì)量和儲熱溫差。但是在實(shí)際應(yīng)用中，并不希望儲熱材料的質(zhì)量特別大，也不希望儲熱溫差超過一定的區(qū)間，因此就需要選擇比熱容較大的物質(zhì)。相比于潛熱儲熱，顯熱儲熱的能量密度遠(yuǎn)不及潛熱儲熱，但是顯熱儲熱原理簡單、技術(shù)成熟、材料相對豐富、成本低廉，這些優(yōu)點(diǎn)使得顯熱儲熱在大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行中具有更為廣泛的應(yīng)用前景。

7.2熱能存儲原理2、潛熱儲熱潛熱儲熱原理是通過儲熱介質(zhì)在固體、液體和氣態(tài)三相中相互發(fā)生變化時吸熱或放熱以實(shí)現(xiàn)熱量儲存的，存儲的熱量也包含同相溫度變化時的顯熱能量。其儲熱原理是物理變化，而非化學(xué)反應(yīng)。潛熱儲熱材料溶解時，從外界吸收熱量，増加自身內(nèi)能；當(dāng)其冷卻結(jié)晶時，又釋放出熱量來。與顯熱儲熱相比，潛熱儲熱具有以下優(yōu)點(diǎn)：①儲熱能力高。潛熱儲熱利用材料的相變潛熱，能夠在恒溫下放出大量熱量，儲熱裝置體積緊湊，具有設(shè)計(jì)靈活、易于控制管理等優(yōu)點(diǎn)。②儲熱過程溫差小。吸熱-放熱過程溫度穩(wěn)定，這一特性有利于把溫度變化控制在較小的范圍內(nèi)。潛熱材料的溶解性的差異和凝固點(diǎn)的不同，對溫度水平有特殊的要求，每種材料有其適用的溫度范圍。此外儲熱過程伴隨著相變反應(yīng)的發(fā)生，會使儲熱材料的體積有較大的變化，不易控制反應(yīng)速度，反應(yīng)激烈等，所以對儲熱容器的要求比較髙，需要特殊的換熱設(shè)備，系統(tǒng)比較復(fù)雜，這是潛熱儲熱的缺點(diǎn)。

7.2熱能存儲原理3、以化學(xué)能的形式儲熱以化學(xué)能儲熱形式，通常利用可逆的化學(xué)變化，伴隨有反應(yīng)熱的產(chǎn)生，如下式：材料Ａ發(fā)生分解反應(yīng)生成兩種物質(zhì)Ｂ和Ｃ，吸收的熱量以化學(xué)能的方式儲存在新物質(zhì)當(dāng)中。如果存在反應(yīng)需要的溫度、壓力以及催化劑作用時，Ｂ、Ｃ物質(zhì)進(jìn)行逆反應(yīng)合成物質(zhì)Ａ，釋放出之前儲存的熱量。相比于其他兩種儲熱方式，化學(xué)能形式儲熱，其儲熱密度最高、熱損失小，適用于長期的能量存儲?；瘜W(xué)反應(yīng)儲熱有以下特點(diǎn)：①儲熱密度高?；瘜W(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)焓比溫差焓和相變焓要高很多，化學(xué)反應(yīng)儲熱比前兩種儲熱能量高、密度大。②易于存儲和運(yùn)輸?；瘜W(xué)反應(yīng)儲熱與顯熱和潛熱儲熱兩種儲熱方式不同，儲熱材料是需要特定條件才能進(jìn)行反應(yīng)，在常溫下可方便保存和利于運(yùn)輸，且不需要保溫措施。③應(yīng)用靈活。化學(xué)反應(yīng)熱儲熱在吸熱和放熱過程中溫度波動很小，因此溫度也容易調(diào)整控制。

7.2熱能存儲原理

(7-53)7.2熱能存儲原理

(7-54)7.2熱能存儲原理二、熔融鹽儲熱雙罐熔鹽儲熱基本原理是通過載熱介質(zhì)傳熱或電加熱器將熱能或電能轉(zhuǎn)化為高溫熔融態(tài)無機(jī)鹽類的顯熱，存儲在高溫熔鹽罐中。當(dāng)需要對外供給熱能時，高溫熔鹽在換熱器內(nèi)釋放儲存的熱量，溫度降低后的熔鹽存入低溫熔鹽罐。圖13美國SolarTwo電站雙罐蓄熱（上）及其示意圖（下）圖14雙罐熔鹽儲熱電站示意圖7.2熱能存儲原理1、熔融鹽儲熱的優(yōu)點(diǎn)：(1)熱力學(xué)性能方面：上限溫度高、熔點(diǎn)較低（三元鹽142℃，二元鹽221℃）、比熱容較大、飽和蒸氣壓低、粘度低、對流傳熱系數(shù)高、兼具傳熱儲熱能力。(2)化學(xué)性能方面，500℃下熱穩(wěn)定性較好、腐蝕性小、本身無毒和不易燃爆。(3)在經(jīng)濟(jì)性方面，材料易得、成本低、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。由于熔融硝酸鹽在高溫時具有較低的壓力，并且比熱容和密度較高，因此儲熱密度更高，減少了設(shè)備初投資、增加了系統(tǒng)和設(shè)備的安全性。2、熔融鹽儲熱的缺點(diǎn)：熱導(dǎo)率低，易發(fā)生局部過熱，高溫下熱穩(wěn)定性較差，需要考慮防凝，防腐蝕和熱應(yīng)力問題。7.2熱能存儲原理三、蒸汽儲熱高溫蒸汽是火力發(fā)電廠、太陽能熱發(fā)電及諸多工業(yè)過程中的主要熱載體，可以推動汽輪機(jī)發(fā)電，可以直接與工業(yè)產(chǎn)品結(jié)合應(yīng)用。儲蒸汽熱能的系統(tǒng)需要對水蒸氣顯熱、水蒸氣凝結(jié)過程的凝結(jié)熱和凝結(jié)水的顯熱等三部分熱量進(jìn)行合理存儲，放熱過程需要對凝結(jié)水的顯熱、飽和水的蒸發(fā)或沸騰過程的汽化潛熱和過熱蒸汽的顯熱進(jìn)行有效提取。蒸汽蓄熱器是熱能的吞吐倉庫，一般為臥式圓筒體，內(nèi)裝軟化水。工作原理的基本原理如下：(1)充熱過程：當(dāng)用汽負(fù)荷下降時，鍋爐產(chǎn)生的多余蒸汽以熱能形式通過充熱裝置充入軟水中貯存，使蓄熱器內(nèi)水的壓力、溫度上升，形成一定壓力下的飽和水；(2)放熱過程：當(dāng)用汽負(fù)荷上升，鍋爐供汽不足時，隨著壓力下降，器內(nèi)飽和水成為過熱水而產(chǎn)生自蒸發(fā)，向用戶供汽。圖15西班牙KhiSolarOne電廠的19個蒸汽儲熱罐7.2熱能存儲原理四、混凝土儲熱太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中可以采用的高溫儲熱介質(zhì)主要包括導(dǎo)熱油、熔融鹽、水蒸氣、混凝土、陶瓷、耐火磚等。其中，混凝土儲熱因?yàn)閮岵牧铣杀镜土?、體積熱容量較高，熱導(dǎo)率適中，化學(xué)性穩(wěn)定等特點(diǎn)，受到了國內(nèi)外的高度關(guān)注?；炷凉虘B(tài)儲熱系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)混凝土固態(tài)儲熱系統(tǒng)從建設(shè)成本上看，不需要昂貴且不可靠的密閉罐體，一體化的換熱通道為普通水蒸氣管道，整體成本穩(wěn)定可控。(2)從運(yùn)行安全上看，混凝土儲熱系統(tǒng)不會出現(xiàn)凍堵或超溫、超壓現(xiàn)象，簡單安全；并且實(shí)際投入運(yùn)行后混凝土儲熱體每天工作運(yùn)行溫度波動范圍可以控制在40℃以內(nèi)，溫度變化速率極低，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小。(3)從運(yùn)行穩(wěn)定性上看，混凝土儲熱材料沒有冷凝凍結(jié)風(fēng)險，即使連續(xù)陰雨雪天氣，汽輪機(jī)仍可保持至少連續(xù)超過7日不間斷運(yùn)行，有非常大的安全穩(wěn)定性優(yōu)勢；混凝土體積質(zhì)量巨大，其顯熱比熱容量巨大，溫度難以突變，能夠?qū)εc之相連接的DSG傳熱體系起到顯著的穩(wěn)定和調(diào)節(jié)作用，提供汽輪機(jī)運(yùn)行所需的高穩(wěn)定參數(shù)蒸汽。7.2熱能存儲原理四、鎂磚儲熱固體儲熱技術(shù)具有相對恒定、材料來源廣泛、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低、儲熱能力好等諸多優(yōu)點(diǎn)，又有良好的商業(yè)潛力。其中以鎂磚為儲熱材料的固體儲熱技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于儲熱供暖以及熱電聯(lián)產(chǎn)深度調(diào)峰領(lǐng)域。鎂磚的原料主要是菱鎂礦，其基本成分是MgCO3，經(jīng)過高溫煅燒再破碎到一定粒度后成為燒結(jié)鎂砂。含雜質(zhì)少的鎂砂（ω（CaO）<2.5%，ω（SiO2）<3.5%）作為制造鎂砂的原料。鎂磚按照其生產(chǎn)工藝的不同，可以分為燒結(jié)鎂磚和化學(xué)結(jié)合鎂磚兩種，蓄熱介質(zhì)一般選擇強(qiáng)度性能較好的燒結(jié)鎂磚。鎂磚的耐火度在2000℃以上，其荷重軟化溫度隨膠結(jié)相的熔點(diǎn)及其在高溫下所產(chǎn)生的液相數(shù)量不同而有較大的差異。20～1000℃范圍內(nèi)，鎂磚的線膨脹率一般為1.2%～1.4%,并近似呈現(xiàn)線性。當(dāng)鎂磚在高溫下出現(xiàn)液相時，會突然發(fā)生收縮。鎂磚的熱導(dǎo)率較高，在耐火制品中僅次于碳磚和碳化硅磚，隨溫度的升高而降低。7.2熱能存儲原理五、水體儲熱水體儲熱技術(shù)是利用水的顯熱來儲存熱能，水作為儲熱載體，儲水儲熱設(shè)備通常采用儲熱水罐或儲熱水池作為儲熱容器，通過儲熱容器內(nèi)熱水—冷水的交替儲存實(shí)現(xiàn)熱能的存儲和釋放。在儲熱容器的上部和下部設(shè)置布水器，其作用分別是將熱水或冷水均勻、緩慢、盡量小擾動地引入或引出容器內(nèi)部。水儲熱的關(guān)鍵技術(shù)包括布水器技術(shù)設(shè)計(jì)制造技術(shù)、水罐設(shè)計(jì)制造技術(shù)、熱效率提高技術(shù)。(1)布水器設(shè)計(jì)技術(shù)。布水器是流體進(jìn)出儲熱水罐的通道，也稱作配水器。在自然分層儲熱水罐中，引導(dǎo)水在自身重力作用下，以重力流形式緩慢地流入儲熱水罐內(nèi)，形成并保持一個穩(wěn)定的斜溫層。斜溫層的形成依賴于布水器本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并通過選擇布水器合適的出水口位置來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)布水器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，要減小斜溫層的破壞，需確保布水器具有較好的流速均勻性、壓力平衡性、適當(dāng)?shù)倪M(jìn)口雷諾數(shù)（Re）和弗勞德數(shù)（Fr），最終確保自然分層儲熱水罐的合理運(yùn)行。7.2熱能存儲原理(2)水罐設(shè)計(jì)制造技術(shù)。儲熱水罐通過合理設(shè)計(jì)儲熱容量、水流量、布水器結(jié)構(gòu)、控制布水器開口的水流速度、合理選取罐體形狀和高徑比、通過保溫設(shè)計(jì)限制壁面導(dǎo)熱、通過控制斜溫層內(nèi)冷熱水層傳熱（降低擾動以減薄斜溫層）等方法，能夠降低冷熱水層混合的影響、降低斜溫層厚度、維持良好的自然熱分層。(3)熱效率提高技術(shù)。儲熱效率是評價儲熱水罐性能的重要指標(biāo)。儲熱水罐具有較高的熱效率，總熱效率通常大于90%。影響總熱效率的主要因素是罐內(nèi)熱量損失。導(dǎo)致罐內(nèi)熱量損失的主要因素有：表面熱損失、水與壁面?zhèn)鳠釋?dǎo)致的熱損失、壁面附近自然循環(huán)導(dǎo)致的熱損失、入口水?dāng)_動導(dǎo)致冷熱水摻混造成的熱量損失、排污熱損失。熱損失是由以上多種因素引起的，在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮，進(jìn)行壁面保溫設(shè)計(jì)和水罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造。圖16水體儲熱罐示意圖7.2熱能存儲原理六、石蠟儲熱1、石蠟儲能原理潛熱儲熱是利用相變材料在相變過程中吸收或釋放熱量來進(jìn)行能量的儲存或釋放。從儲熱過程中材料相態(tài)的變化方式來看，相變材料可以分為四種：固-液相變材料、固-固相變材料、固-氣相變材料、液-氣相變材料。其中利用相變材料的固-液相變潛熱來儲存熱能的儲熱技術(shù)，因儲能密度大，儲/放熱過程近似等溫、過程易控制等優(yōu)點(diǎn)，成為最具發(fā)展?jié)摿妥钪匾膬岱绞?。低溫?液相變材料主要由水合鹽類、石蠟類和脂肪酸類組成。其中，石蠟由于相變潛熱高，幾乎沒有過冷現(xiàn)象、熔化時蒸汽壓力低、不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)且化學(xué)穩(wěn)定性較好、在多次吸放熱后相變溫度和相變潛熱變化很小、自成核、沒有相分離和腐蝕性、價格較低等優(yōu)勢。石蠟是礦物蠟的一種，它是從原油蒸餾所得到的潤滑油餾分經(jīng)溶劑精制、脫蠟或經(jīng)過蠟冷凍結(jié)晶、壓榨脫蠟制得蠟膏，再經(jīng)溶劑脫油、精制而得的片狀或針狀結(jié)晶。石蠟類材料的相變焓一般在160～270kJ/kg之間，擁有較為寬泛的相變溫度區(qū)間。商用石蠟的相變溫度通常在55℃附近，熱導(dǎo)率約為0.2W/(m·k)。隨著碳鏈長度增加，石蠟的相變溫度和相變潛熱均升高。7.2熱能存儲原理2、石蠟類相變材料封裝石蠟類相變材料在發(fā)生固-液相變時體積會發(fā)生變化，限制了其應(yīng)用范圍，為了避免在應(yīng)用過程中的體積變化以及液體泄漏，需要對其進(jìn)行封裝。目前的封裝技術(shù)主要由容器封裝、微膠囊封裝和定形相變材料封裝三種。其中容器封裝雖然解決了泄漏的問題，但是在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)容器中相變材料凝固時，會在容器壁面形成固相薄膜，增大熱阻，降低有效傳熱速率。微膠囊封裝技術(shù)是先將石蠟或無機(jī)水合鹽等固-液相變材料分散為固態(tài)或液態(tài)的球形小顆粒，然后在其表面上包封一層性能穩(wěn)定的高分子膜。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）將相變材料與外界環(huán)境隔離開來，減少了相變材料與外界環(huán)境發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會；（2）微膠囊尺寸較小，具有較大的表面積，可以增加傳熱面積；（3）相變材料被封裝在里面，可以解決石蠟在固-液相變過程中出現(xiàn)液態(tài)泄露的問題。定形相變材料是由相變材料和支撐材料組成的，其中支撐材料的選擇要與相變材料相適應(yīng)。與石蠟類相變材料相適應(yīng)的支撐材料有聚烯烴、聚苯乙烯、聚丙烯、高密度聚乙烯以及一些骨架結(jié)構(gòu)與石蠟相容的樹脂或膨脹石墨等物質(zhì)。石蠟通過擴(kuò)散到他們的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或空隙結(jié)構(gòu)中，從而形成以石蠟為相變儲能成分，聚合物或膨脹石墨為支撐骨架的定形固-固相變儲能材料。3.抽水蓄能7.3抽水蓄能7.3.1抽水蓄能簡介抽水蓄能，即利用水作為儲能介質(zhì)，通過電能與勢能相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)電能的儲存和管理。利用電力負(fù)荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電?？蓪㈦娋W(wǎng)負(fù)荷低時的多余電能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時期的高價值電能。抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源，與風(fēng)電、太陽能發(fā)電、核電、火電等配合效果較好。加快發(fā)展抽水蓄能，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的迫切要求，是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要支撐，是可再生能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障。抽水蓄能技術(shù)優(yōu)勢在于儲存能量大，理論上可按任意容量建造，儲存能量釋放持續(xù)時間長，而且技術(shù)成熟可靠。抽水蓄能的缺點(diǎn)是電站建設(shè)受地理?xiàng)l件限制，一般都距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，不但存在輸電損耗，而且當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)重大事故而不能正常工作時，它也將失去作用。7.3抽水蓄能7.3.2抽水蓄能系統(tǒng)基本原理抽水蓄能系統(tǒng)的基本組成包括兩處位于不同海拔高度的水庫、水泵、水輪機(jī)以及輸水系統(tǒng)等。抽水蓄能電站依據(jù)的原理是電能轉(zhuǎn)換，同時兼具水泵和水輪機(jī)兩種工作方式。當(dāng)夜間用電負(fù)荷減少，但是火電、核電不能大幅度停機(jī)或減少發(fā)電量時候，此時處于水泵運(yùn)行方式，將下水庫的水抽至上水庫中，下水庫的水位降低而上水庫的水庫升高，實(shí)現(xiàn)電能到水的位能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)用電高峰期時，機(jī)組處于水輪機(jī)運(yùn)行方式，上水庫的水放至下水庫，帶動水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，將水的位能又轉(zhuǎn)換為電能送至電網(wǎng)，解決供電所需，而發(fā)電后的水又回到下水庫，如圖17所示。如此的循環(huán)往復(fù)操作，保障了電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。（a）抽水工況工作原理（b）發(fā)電工況工作原理圖17抽水蓄能工作原理示意圖7.3抽水蓄能7.3.3抽水蓄能系統(tǒng)性能指標(biāo)抽水蓄能系統(tǒng)的性能指標(biāo)主要有系統(tǒng)功率和效率。1、系統(tǒng)功率抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電輸出功率：式中，Q為流量；H為水頭高度；

為流體密度；g為重力加速度；

為裝置效率。由上式可見，可變量為流量、水頭高度和裝置效率。所需水頭高度與流量成反比：若水頭較高，則流量可以減??；若流量較大，則水頭可以適當(dāng)降低。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮這兩個變量。例如，美國密歇根州勒丁頓抽水蓄能電站選擇大流量和適中的水頭。若當(dāng)?shù)厮坑邢?，則應(yīng)盡量根據(jù)地形地貌提高水頭高度，減少所需水量。7.3抽水蓄能2、系統(tǒng)效率抽水蓄能工作過程存在著能量損耗，包括流動阻力、湍流損失、發(fā)電機(jī)、水泵和水輪機(jī)的損耗等。因此，抽水蓄能系統(tǒng)的循環(huán)效率在70%~80%，預(yù)期使用年限約為40~60年，實(shí)際情況取決于各抽水蓄能電站的規(guī)模與設(shè)計(jì)情況。表4給出抽水蓄能機(jī)組各部件的效率范圍。

最低%最高%發(fā)電部分水流傳輸97.498.5水泵水輪機(jī)91.592發(fā)電機(jī)98.599變壓器99.599.7小計(jì)87.3589.44抽水部分水流傳輸97.698.5水泵水輪機(jī)91.692.5發(fā)電機(jī)98.799變壓器99.599.8小計(jì)87.890.02運(yùn)行9899.5合計(jì)75.1580.12表4

抽水蓄能電站的代表性循環(huán)效率值7.3抽水蓄能3、抽水蓄能系統(tǒng)的主要損失除機(jī)械和電氣部件外，以下是造成整體系統(tǒng)損耗的其他主要因素：(1)水庫蒸發(fā)蒸發(fā)損失取決于水庫的大小和位置。位于熱帶氣候且具有較大地表儲水比的淺水庫比溫和氣候中的水庫更容易受到蒸發(fā)損失的影響。同樣，一個大的淺水庫比一個小而深的水庫蒸發(fā)更快。在干熱和風(fēng)的條件下，蒸發(fā)是極端的。(2)泄漏損失根據(jù)地質(zhì)條件，可能需要在一個或兩個儲層中使用襯管以防止泄漏。盡管襯里系統(tǒng)可能包括與滲漏收集系統(tǒng)相結(jié)合的泄漏檢測裝置，但仍可能發(fā)生通過儲層襯里的滲漏，如果發(fā)生這種情況，則該滲漏收集系統(tǒng)旨在捕獲通過襯里流失的水。泄漏的一個主要來源是在水道的混凝土襯里部分產(chǎn)生的裂縫。(3)傳輸損耗電力傳輸損耗是傳輸線長度、電壓以及導(dǎo)體尺寸和類型的函數(shù)。規(guī)劃對于考慮多種傳輸互連選項(xiàng)很重要。連接點(diǎn)的選擇可能涉及對連接點(diǎn)是否應(yīng)該是附近的變電站或是否應(yīng)該連接到現(xiàn)有輸電線路的研究。7.3抽水蓄能4、抽水蓄能的響應(yīng)時間運(yùn)行發(fā)電模式類似于傳統(tǒng)的水力發(fā)電機(jī)運(yùn)行，水力發(fā)電機(jī)的輸出可以通過改變閘門開口來調(diào)整。變閘門開度會改變通過渦輪機(jī)的水量，這種能力允許渦輪機(jī)單元用于自動發(fā)電控制，并在工廠處于發(fā)電模式時調(diào)節(jié)頻率和負(fù)載。在調(diào)節(jié)模式下將單速泵-渦輪機(jī)組作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行會導(dǎo)致相當(dāng)大的效率損失。在泵模式下，該裝置在澆口開口處運(yùn)行，這允許對給定揚(yáng)程進(jìn)行最有效的操作?？赡姹?渦輪機(jī)組的典型周轉(zhuǎn)和啟動時間值如下：?從泵送至滿負(fù)荷發(fā)電：2到20分鐘；?從發(fā)電到泵送：5到40分鐘；?從停機(jī)到滿負(fù)荷發(fā)電：1到5分鐘；?從停機(jī)到泵送：3到30分鐘。7.3抽水蓄能7.3.4抽水蓄能技術(shù)一、可變速抽水蓄能技術(shù)1、變速運(yùn)行對電網(wǎng)的好處：(1)

快速吸收電網(wǎng)中的隨機(jī)功率擾動，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性；(2)改善電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)能力，減小為穩(wěn)定電網(wǎng)頻率設(shè)置的備用發(fā)電機(jī)的數(shù)量及啟停次數(shù)；(3)風(fēng)和光伏等新能源發(fā)電的功率隨機(jī)變化且難預(yù)測，限制了它們在電網(wǎng)中的占有率，變速抽水蓄能機(jī)組的優(yōu)良功率調(diào)控性能可以提高新能源發(fā)電的占有率。2、變速運(yùn)行對水電站的好處：(1)

水輪機(jī)有最佳工作點(diǎn)（最高效率點(diǎn)），它是水頭、流量和轉(zhuǎn)速的函數(shù)。恒速運(yùn)行時水頭和流量偏離額定點(diǎn)導(dǎo)致效率降低，從而限制水頭和流量的允許工作范圍。變速運(yùn)行可以在較大水頭和流量變化時通過改變轉(zhuǎn)速提高效率，從而擴(kuò)大允許工作范圍(2)恒速運(yùn)行電站在某些功率段會出現(xiàn)嚴(yán)重的水壓波動和振蕩問題，采用變速運(yùn)行能顯著減小波動和振蕩。7.3抽水蓄能3、可變速抽水蓄能機(jī)組技術(shù)路線目前可變速抽水蓄能機(jī)組包括交流勵磁機(jī)組、全功率變頻同步機(jī)組兩種技術(shù)路線。(1)交流勵磁抽水蓄能機(jī)組基于交流勵磁路線的可變速抽蓄技術(shù)已經(jīng)在全世界超過10座電站、20臺機(jī)組上應(yīng)用，最大單機(jī)容量可達(dá)到300～500MW。日本是應(yīng)用連續(xù)可變速交流勵磁蓄能機(jī)組最早的國家。日本之外，可變速機(jī)組的應(yīng)用集中于歐洲，且主要在德國。(2)全功率變頻抽水機(jī)組區(qū)別于交流勵磁變速抽水蓄能機(jī)組所采用的變頻器，用于抽水蓄能機(jī)組的全功率變頻器還未經(jīng)歷長時間和廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。目前，全功率變頻技術(shù)已在瑞士、奧地利進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。瑞士的Grimsel2號抽水蓄能電站使用ABB基于IGCT技術(shù)的全功率變頻器將原有的一臺定速機(jī)組改裝為100MW的全功率變頻抽水蓄能機(jī)組。電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備連接圖詳見圖18。1-高壓引水管道；2-尾水管道；3-支管；4-蝶閥；5-球閥；6-水輪機(jī)；7-水泵；8-發(fā)電電動機(jī)圖18瑞士Grimsel2號抽水蓄能電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備連接圖4.壓縮空氣儲能7.4壓縮空氣儲能7.4.1壓縮空氣儲能簡介壓縮空氣儲能（CompressedAirEnergyStorage，CAES），是除抽水蓄能技術(shù)之外能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模電力儲能的技術(shù)之一。它是一種基于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展而產(chǎn)生的儲能技術(shù)，通過壓縮空氣的方式儲存能量，該技術(shù)可滿足長時間（數(shù)十小時）和大功率（幾百到數(shù)千兆瓦）的要求。壓縮空氣儲能技術(shù)具有儲能效率高、單位儲能功率高、成本低、壽命長（設(shè)計(jì)壽命大于40年）等優(yōu)點(diǎn)，為風(fēng)能、太陽能等可再生能源的高效利用提供了解決方案。由于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的儲能周期不受限制、對環(huán)境友好且綜合效率較高，可提高電力生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。壓縮空氣儲能主要應(yīng)用為調(diào)峰、備用電源、黑啟動等，效率約為85%，高于燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)峰機(jī)組，存儲周期可達(dá)一年以上。然而，傳統(tǒng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)在減壓釋能時需補(bǔ)充燃料燃燒，此時也會產(chǎn)生污染物。此外，大型壓縮空氣儲能系統(tǒng)需找尋符合條件的地下洞穴用以儲存高壓空氣，其相當(dāng)依賴特殊地理?xiàng)l件，以上都是傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)面臨的問題與挑戰(zhàn)。7.4壓縮空氣儲能7.4.2壓縮空氣儲能基本原理一、燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)開發(fā)的一種儲能系統(tǒng)。圖19為燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理圖，空氣經(jīng)壓氣機(jī)壓縮后，在燃燒室中利用燃料燃燒加熱升溫，然后高溫高壓燃?xì)膺M(jìn)入透平膨脹做功。燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)需消耗約2/3的透平輸出功，因此燃?xì)廨啓C(jī)的凈輸出功遠(yuǎn)小于透平的輸出功。圖19燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)原理圖7.4壓縮空氣儲能二、壓縮空氣儲能的工作原理圖20為壓縮空氣儲能的工作原理圖，其壓縮機(jī)和透平不同時工作。在儲能時，壓縮空氣儲能系統(tǒng)耗用電能將空氣壓縮并存于儲氣室中；在釋能時，高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃燒室利用燃料燃燒加熱升溫后，驅(qū)動透平發(fā)電。由于儲能、釋能分時工作，在釋能過程中，并沒有壓縮機(jī)消耗透平的輸出功，因此，相比于消耗同樣燃料的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，壓縮空氣儲能系統(tǒng)可以多產(chǎn)生2倍甚至更多的電力。圖20燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)原理圖7.4壓縮空氣儲能三、壓縮空氣儲能的工作過程壓縮空氣儲能的工作過程同燃?xì)廨啓C(jī)類似，如圖21所示。假定壓縮和膨脹過程均為單級過程[圖21(a)]，則壓縮空氣儲能的工作過程主要包括如下4個。（1）壓縮過程1—2：空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮到一定的高壓，并存于儲氣室；理想狀態(tài)下空氣壓縮過程為絕熱壓縮過程1—2，實(shí)際過程由于不可逆損失為1—2

。（2）加熱過程2—3：高壓空氣經(jīng)儲氣室釋放，同燃料燃燒加熱后變?yōu)楦邷馗邏旱目諝猓阂话闱闆r下，該過程為等壓吸熱過程。（3）膨脹過程3—4：高溫高壓的空氣膨脹，驅(qū)動透平發(fā)電；理想狀態(tài)下，空氣膨脹過程為絕熱膨脹過程3—4，實(shí)際過程由于不可逆損失為3—4

。（4）冷卻過程4—1：空氣膨脹后排入大氣，然后下次壓縮時經(jīng)大氣吸入；這個過程為等壓冷卻過程。（a）單級過程

（b）多級過程圖21壓縮空氣儲能的工作過程7.4壓縮空氣儲能四、壓縮空氣儲能與燃?xì)廨啓C(jī)工作過程的主要區(qū)別1、燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)上述4個過程連續(xù)進(jìn)行，即完成圖21(a)中一個回路的4個過程，而壓縮空氣儲能系統(tǒng)中壓縮過程1—2同加熱和膨脹過程（2—3—4）不連續(xù)進(jìn)行，中間為空氣存儲過程；2、燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)不存在空氣存儲過程。注意：壓縮空氣儲能系統(tǒng)實(shí)際工作時，常采用多級壓縮和級間／級后冷卻、多級膨脹和級間／級后加熱的方式，其工作過程如圖21(b)所示。圖21(b)中，過程2—1

和過程4

—3

分別表示壓縮的級間冷卻和膨脹的級間加熱過程。7.4壓縮空氣儲能7.4.3壓縮空氣儲能系統(tǒng)的性能指標(biāo)由于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的壓氣過程與發(fā)電過程不同步，因此常規(guī)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的評價指標(biāo)并不能完全反映壓縮空氣儲能系統(tǒng)的優(yōu)劣，且壓縮空氣儲能系統(tǒng)除發(fā)電效益外兼具有儲能效益，因此對此類系統(tǒng)的評價方式與常規(guī)電站評價方式不同。有鑒于此，采用四種指標(biāo)評價壓縮空氣儲能系統(tǒng)的性能：(1)熱耗（HR）壓縮空氣儲能系統(tǒng)的熱耗是指系統(tǒng)發(fā)電過程總消耗熱量Qf與透平的總膨脹功Ｗt之比：熱耗HR反映出系統(tǒng)每發(fā)一度電所消耗燃料的數(shù)量，壓縮空氣儲能系統(tǒng)的熱耗越低，說明單位產(chǎn)能下的燃料消耗量越少，系統(tǒng)的熱效率則越高。設(shè)計(jì)選擇中，對發(fā)電熱耗率影響最大的是熱回收系統(tǒng)。換熱器使系統(tǒng)能夠捕獲從低壓渦輪的廢氣余熱中預(yù)熱收回的空氣。7.4壓縮空氣儲能(2)

電耗（ER）壓縮空氣儲能系統(tǒng)的電耗是指壓氣階段壓氣機(jī)的總壓縮功Wc與發(fā)電階段透平的總膨脹功Ｗt之比：壓縮空氣儲能系統(tǒng)的電耗反映出單位產(chǎn)出能所消耗的電能大小，電耗越低，說明壓縮空氣儲能每發(fā)一度電消耗的電能越少，其系統(tǒng)的總效率越高。(3)

總效率（

ee）壓縮空氣儲能系統(tǒng)的總效率是指系統(tǒng)總輸出功與總輸入能量（Qf+Wc）之比：系統(tǒng)的總效率

ee將壓氣單元消耗電能與發(fā)電單元消耗熱能綜合考慮在一起，反映出壓縮空氣儲能對能量的總利用效率，其在數(shù)值上也等于電耗與熱耗之和的倒數(shù)。(4)電能存儲效率（

es）壓縮空氣儲能系統(tǒng)的電能存儲效率反映出系統(tǒng)對電能的存儲、轉(zhuǎn)換效率，表達(dá)式如下：式中系統(tǒng)效率

sys是發(fā)電系統(tǒng)中熱能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)換效率，與發(fā)電系統(tǒng)的種類有關(guān)。7.4壓縮空氣儲能7.4.4壓縮空氣儲能技術(shù)一、傳統(tǒng)補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)傳統(tǒng)壓縮空氣儲能技術(shù)以德國Huntorf電站和美國McIntosh電站為代表。Huntorf電站于1978年投入運(yùn)行，是世界上最大容量的壓縮空氣儲能電站，如圖22所示。機(jī)組的壓縮機(jī)功率為60MW，釋能輸出功率為290MW。機(jī)組可連續(xù)充氣8h，連續(xù)發(fā)電2h。在儲能過程中空氣經(jīng)過兩級壓縮和級間冷卻獲得低溫高壓（約10MPa）空氣，并儲存在地下容積達(dá)3.1×105m3的廢棄礦洞中。在釋能過程中，低溫高壓空氣通過燃燒室的2次補(bǔ)燃，獲得高溫氣體。傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)存在以下幾個問題：（1）補(bǔ)燃式運(yùn)行需要使用大量的化石燃料，有溫室氣體的排放。（2）依賴于天然巖石洞穴、廢棄礦井等特殊地理?xiàng)l件，因洞穴結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣密性不良會導(dǎo)致有效容積大大減小。（3）壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱被棄用導(dǎo)致大部分能量損失，相對于抽水蓄能等儲能方式，系統(tǒng)循環(huán)效率較低。圖22德國Huntorf壓縮空氣儲能電站航拍圖7.4壓縮空氣儲能二、新型壓縮空氣儲能技術(shù)化石燃料資源的有限性及其燃燒存在的污染性決定了必須發(fā)展可替代清潔燃料或其它儲能發(fā)電方式。就目前而言，補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能中可替代天然氣的清潔燃料如氫氣，從制備到最終利用尚未形成規(guī)模和體系，因此催生了非補(bǔ)燃式的新型壓縮空氣儲能技術(shù)。非補(bǔ)燃式系統(tǒng)較補(bǔ)燃式系統(tǒng)的區(qū)別在于采用熱壓分儲方式，不僅將高壓空氣以壓力勢能的形式存儲在儲氣室中，還將壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱以熱能的形式存儲在蓄熱罐中。目前新型壓縮空氣儲能系統(tǒng)主要有絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)、液氣壓縮空氣儲能系統(tǒng)和超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)。1、絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)絕熱壓縮空氣儲能技術(shù)是指空氣壓縮接近絕熱過程?？諝饨^熱壓縮會產(chǎn)生大量的壓縮熱，如在理想狀態(tài)下將空氣壓縮至10MPa能夠產(chǎn)生650℃的高溫。通過回收利用壓縮過程中的余熱用以加熱膨脹發(fā)電機(jī)入口空氣，取代補(bǔ)燃，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好，并提高系統(tǒng)效率。由于采用了壓縮熱回收、存儲和循環(huán)利用技術(shù)，預(yù)期效率達(dá)到50~60％。系統(tǒng)在儲能和釋能過程中，只有空氣與蓄熱器之間的熱量交換，沒有額外的能源消耗，非常綠色清潔。7.4壓縮空氣儲能2、深冷液化空氣儲能系統(tǒng)液化壓縮空氣儲能技術(shù)是將空氣壓縮至高壓后冷卻液化，液態(tài)空氣輸送至儲罐，冷卻換熱量被回收進(jìn)儲熱系統(tǒng)，在膨脹釋能階段重新加熱空氣使其氣化。由于空氣為液態(tài)存儲，大幅提升了儲能密度，減小了存儲容積。同時引入了復(fù)雜的儲換熱系統(tǒng)，增加了液態(tài)空氣輸送泵的耗功，系統(tǒng)效率稍低于絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)。在該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)上，英國高瞻公司于2010年建成液態(tài)空氣儲能示范系統(tǒng)并成功投運(yùn)，如圖7-34所示。設(shè)計(jì)容量600kW×7h，目的是為了驗(yàn)證了深冷液化空氣儲能技術(shù)的可行性，設(shè)計(jì)效率為70％，但由于低溫系統(tǒng)技術(shù)問題，該工程實(shí)際發(fā)電量僅為350kW，加之小型低溫系統(tǒng)各環(huán)節(jié)損失較大，系統(tǒng)實(shí)際效率僅約為8％。圖23英國液化空氣儲能系統(tǒng)7.4壓縮空氣儲能3、超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)超臨界壓縮空氣儲能應(yīng)用超臨界狀態(tài)下的流體兼具液體和氣體的雙重優(yōu)點(diǎn)，例如具有接近液體的密度、比熱容和良好的傳質(zhì)傳熱特性，又具有類似氣體的黏度小、擴(kuò)散系數(shù)大、滲透性好等特點(diǎn)。在儲能過程中，利用富余電能通過壓縮機(jī)將空氣壓縮到超臨界狀態(tài)，通過儲熱系統(tǒng)回收壓縮熱后，利用儲冷系統(tǒng)存儲的冷能將空氣冷卻液化，并存儲于低溫儲罐中。在釋能過程中，液態(tài)空氣加壓后，通過儲冷系統(tǒng)將冷量儲存，空氣吸熱至超臨界狀態(tài)，吸收儲熱系統(tǒng)儲存的壓縮熱使空氣進(jìn)一步升溫，通過膨脹機(jī)驅(qū)動電機(jī)發(fā)電。中國科學(xué)院工程熱物理研究所于2009年首次提出了超臨界壓縮空氣儲能技術(shù)，于2011年在北京建成了15kW樣機(jī)，工作原理如圖24所示，并于2013年在廊坊建成1.5MW示范系統(tǒng)，系統(tǒng)效率達(dá)52.1％。圖24一種超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)5.飛輪儲能7.5飛輪儲能7.5.1飛輪儲能簡介飛輪儲能是可以將電能、風(fēng)能、太陽能等能源轉(zhuǎn)化成飛輪的旋轉(zhuǎn)動能加以儲存的一種新型的高效的機(jī)械儲能技術(shù)。與其他儲能形式比，飛輪儲能有以下幾點(diǎn)突出優(yōu)勢：（1）儲能密度高，瞬時功率大，充放電速度快，充放電速度不受化學(xué)電池“活性物質(zhì)”限制，可在幾秒時間內(nèi)完成充放電，動態(tài)響應(yīng)速度極快功率密度大；（2）能量轉(zhuǎn)化效率高。電能超過90％以上可轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，只有少量電機(jī)損耗轉(zhuǎn)化為熱能，輸入輸出綜合效率可達(dá)85％；（3）超高的循環(huán)充放次數(shù)和超長使用壽命。滿功率充放電循環(huán)次數(shù)可以超過10萬次，此外，飛輪儲能不存在電池儲能因頻繁深度放電造成的壽命縮短問題，正常情況下使用壽命可達(dá)25年；（4）運(yùn)行維護(hù)簡單。正常維護(hù)抽真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)即可，無需更換部件；（5）對環(huán)境條件尤其是溫度變化不敏感。飛輪單元安裝在地下混凝土機(jī)井內(nèi)，所處環(huán)境溫度變化不大，飛輪陣列散熱功率46kW/MW，只需冷卻水量4~6t/(h

MW)；（6）無污染。飛輪為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，沒有化學(xué)排放，并且鋼制飛輪方便回收利用，相比電池的廢料污染對環(huán)境更加友好。7.5飛輪儲能7.5.2飛輪儲能基本原理一、飛輪儲能裝置飛輪儲能裝置是一個機(jī)電系統(tǒng)，可將電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動能進(jìn)行存儲，基本結(jié)構(gòu)如圖25所示，主要是由電機(jī)、軸承、電力電子組件、旋轉(zhuǎn)體和外殼構(gòu)成。圖25飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.5飛輪儲能二、飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前，飛輪儲能系統(tǒng)主要有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖26所示。圖（a）為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電機(jī)與飛輪轉(zhuǎn)子完全分離，通過機(jī)械聯(lián)軸器相連或者共用一根軸。當(dāng)選用感應(yīng)電機(jī)等運(yùn)行速度較低的場合，一般將電機(jī)放置在真空腔外部，加快散熱。整體臨界轉(zhuǎn)速較低，振動和噪聲大。圖（b）為空心桶式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，為復(fù)合轉(zhuǎn)子飛輪提供了一些優(yōu)勢，該復(fù)合轉(zhuǎn)子飛輪將能量存儲在中心具有輕質(zhì)輪轂的復(fù)合環(huán)中。圖（c）為一體化結(jié)構(gòu)，最大限度地減輕了產(chǎn)品的重量外殼結(jié)構(gòu)，但內(nèi)轉(zhuǎn)子在空間上限制了儲能密度。圖26飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7.5飛輪儲能三、飛輪儲能系統(tǒng)工作原理飛輪儲能系統(tǒng)按飛輪轉(zhuǎn)速可分為低速飛輪儲能系統(tǒng)和高速飛輪儲能系統(tǒng)，按能量傳遞方式的不同又可以分為電機(jī)飛輪式飛輪儲能系統(tǒng)和機(jī)械飛輪式儲能系統(tǒng)。低速飛輪儲能系統(tǒng)通常利用飛輪的大轉(zhuǎn)動慣量提高儲能量，飛輪體積龐大、質(zhì)量很大，適合電站儲能和不間斷電源（以下簡稱UPS）。高速飛輪儲能系統(tǒng)，飛輪本體的質(zhì)量和體積都較小，主要通過提高飛輪回轉(zhuǎn)速度來提高儲能量和功率。飛輪最初在持續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下維持運(yùn)行，