2021年 第43卷 第7期    刊出日期：2021-07-25

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储能系统

基于固体填料床的泵热储能系统热-经济性分析

赵永亮, 刘明, 王朝阳, 孙瑞强, 种道彤, 严俊杰

2021, 43(7):  1-8.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.001

摘要 ( 150 )   HTML ( 6 )   PDF (1380KB) ( 307 )  

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泵热储能技术因其具有大规模化、成本较低且无地理条件限制的优势,在未来电力系统中扮演着十分重要的角色。针对采用固体填料床且基于可逆焦耳-布雷顿循环的泵热储能系统,开展了不同设计参数对系统热-经济性的影响规律研究,结果表明：系统综合效率随着最大充电温度、做功部件多级效率和填料床孔隙率的增加而升高;当选取氦气为工质,磁铁矿为储热介质,且最大充电温度为850 K时,多级效率为92%,填料床孔隙率为46%时,得到最大综合效率72.45%。系统平准化储能成本随着最大充电温度和做功部件多级效率的增加而降低;当选取氦气为工质,磁铁矿为储热介质,且最大充电温度为850 K时,多级效率为92%,填料床孔隙率为40%时,可获得最小平准化储能成本0.211 美元/（kW·h）。

压缩空气储能技术及其耦合发电机组研究进展

魏书洲, 李兵发, 孙晨阳, 周兴, 王亚龙, 邹一帆, 邓靖敏, 王金星

2021, 43(7):  9-16.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.002

摘要 ( 278 )   HTML ( 5 )   PDF (1243KB) ( 523 )  

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压缩空气储能技术是利用压气机-燃气轮机装置,实现空气势能与热能之间转化的储能技术。由于压缩空气储能技术具有跨时空调节“源-荷”匹配性的优势,在高比例间歇性可再生能源发电并网的背景下更为重要。从储能系统有无热源、绝热、储热3个方面进行了评述;压缩空气储能工作形式主要包括无热源的非绝热空气压缩储能、带热源的非绝热压缩空气储能、带储热的空气绝热压缩储能系统。从多能源耦合的角度,分别介绍了压缩空气储能与燃气轮机、内燃机和可再生能源系统的耦合形式。最后从多种压缩空气储能形式与耦合火电机组应用现状方面进行了分析,并对比了传统压缩空气储能、绝热压缩空气储能、等温压缩空气储能、蓄热式压缩空气储能等技术的储能规模、优缺点等,为压缩空气储能的应用提供了借鉴。

电源侧储能技术发展现状及应用前景综述

童家麟, 洪庆, 吕洪坤, 吴瑞康, 应光耀

2021, 43(7):  17-23.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.003

摘要 ( 367 )   HTML ( 8 )   PDF (967KB) ( 816 )  

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在碳中和背景下,需要构建以可再生能源为主体的新型电力系统。电源侧储能技术是有效缓解大规模可再生能源并网压力的重要技术手段,不但可以平滑间歇性可再生能源发电输出,亦可提高火电机组调频调峰能力,因而受到广泛重视。为了更好地发展电源侧储能技术,需要对现有储能技术发展状态及典型应用进行论述和梳理。对比分析了美国和中国电源侧储能技术的发展趋势,介绍了主要电源侧储能技术发展现状、典型示范应用、性能比较,并对电源侧储能技术在国内的发展前景进行展望。

电化学储能

纳米锗-锡/碳复合材料的合成与电化学性能研究

乔雪, 杨雪彪, 黄婷婷, 王新月, 贾子辰, 王红强

2021, 43(7):  24-29.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.004

摘要 ( 110 )   HTML ( 2 )   PDF (7408KB) ( 255 )  

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锗因其较高的理论容量成为最具应用前景的锂离子电池负极材料。设计制备了一种纳米锗-锡/碳复合材料,碳材料可以在提高锗导电性的同时适应其体积变化,锡的加入可以进一步提高材料导电性,并且锗和锡2种组分脱/嵌锂的电位不同,未参与反应的组分可以作为基体缓冲另一组分在充放电过程中的体积变化,提高负极的结构稳定性。通过扫描电子显微镜（SEM）、能量分散光谱仪（EDS）和X射线衍射（XRD）方法对材料进行形貌表征,并对结构和组分进行分析。将该材料作为锂离子电池负极材料,在0.50 A/g的电流密度下,首次放电容量达到1 292 （mA·h）/g,充放电100次后容量保持在510 （mA·h）/g。当电流密度提高至10.00 A/g时,仍具有460 （mA·h）/g的放电容量,说明材料具有循环稳定性的同时还有较好的倍率性能。

绝热条件下固体氧化物燃料电池的瞬态电化学特性

王朝阳, 刘明, 赵永亮, 种道彤, 严俊杰

2021, 43(7):  30-36.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.005

摘要 ( 135 )   HTML ( 3 )   PDF (2454KB) ( 404 )  

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在能源系统内耦合储能设备,可有效提升可再生能源的利用效率和技术水平。为获得固体氧化物燃料电池（SOFC）在电解与发电模式切换瞬态过程中内部的热电耦合特性,基于热力学、电化学机理,建立了SOFC电堆动态模型;基于动态模型,获得了SOFC电堆在绝热环境中从电解向发电模式切换时,电堆温度、电池能斯特电动势、电池活化极化电压损失、电池欧姆电压损失、电池浓差极化电压损失和电池输出电压的变化趋势,对比分析了电堆在定温和绝热环境下电化学特性的差异。结果表明：电堆在绝热环境下先电解后发电,每个模式各运行20 000 s,采用阶跃及斜坡方式改变电流密度时,电堆温度变化幅度分别为45.8 K和101.1 K;电流密度相同的情况下,电堆分别在绝热和定温环境运行时,单电池输出电压最大相差0.015 V。

花状二硫化锡的储钠性能研究

位帅洁, 李帅辉, 赵志鹏, 李丹

2021, 43(7):  37-41.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.006

摘要 ( 117 )   HTML ( 2 )   PDF (4980KB) ( 301 )  

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随着锂资源的消耗和碳中和背景下以可再生能源为主体的新型电力系统对大规模储能设备要求的提高,钠离子电池成为目前电化学能源工程研究的热点。以硫代乙酰胺为硫源,SnCl₂·2H₂O为锡源,通过温和的水热法制备得到了一系列具有纳米多孔片层和开放的结构框架的三维花状SnS₂。结合X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、比表面分析、电化学性能测试等对SnS₂材料的形貌、结构、比表面积等物理性质和电化学性质进行了表征,结果显示：水热时间为4 h（4 h-SnS₂）制备得到的SnS₂结晶性最好且形貌均一,组成花状结构的纳米片层较薄且具有较大的比表面积（196.39 m²/g）,有利于缩短Na⁺的传输路径、电解液充分接触以及电子在相界面间的传递和转移,从而提高SnS₂的储钠性能;4 h-SnS₂在1 A/g的电流密度下循环150次后放电比容量仍然能保持在526.8 （mA·h）/g。为以SnS₂作为负极材料的钠离子电池的规模化制备以及钠离子电池的应用研究提供了基础数据。

基于BP神经网络的梯次利用电池健康状态诊断

李勇琦, 雷旗开, 王浩, 华思聪

2021, 43(7):  42-46.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.007

摘要 ( 192 )   HTML ( 2 )   PDF (1089KB) ( 268 )  

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在大规模储能产业迅猛发展及退役车用动力电池数量逐年增长的背景下,阐述了梯次利用电池及其储能应用场景,以及梯次利用电池健康状态估算的重要性。介绍了影响电池健康状态的几种因素,将电池直流内阻、放电倍率及表面温度作为输入构建了3层反向传播（BP）神经网络。试验表明：在30块梯次利用电池的样本训练下,网络能够有效收敛且对梯次利用电池健康状态的计算误差在3%内,根据BP神经网络估算电池健康状态具有一定的可行性,该方法对梯次利用电池的分选以及储能应用具有重大意义。

储热材料与技术

改性八水氢氧化钡相变放热特性试验研究

窦鹏, 于强, 樊占胜, 智瑞平, 鹿院卫, 吴玉庭, 杨桂春

2021, 43(7):  47-53.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.008

摘要 ( 186 )   HTML ( 1 )   PDF (1604KB) ( 270 )  

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蓄热技术可有效解决可再生能源难以并网的问题。为了获得蓄热密度大的相变材料八水氢氧化钡在套管内的相变传热特性,针对课题组制备的改性八水氢氧化钡展开试验研究,分析改性八水氢氧化钡在套管内的相变放热特性。研究了冷却水进口温度、流量等参数对改性八水氢氧化钡相变过程及传热性能的影响。结果表明：提高冷水进口流量可以缩短改性八水氢氧化钡相变放热时间,但过高的进口流量会降低换热功率;提高冷水进口温度对改性八水氢氧化钡相变放热时间的影响较小,但会降低换热功率。在课题试验范围内,获得最佳进口流量为80 L/h,最大平均换热功率为251 W。

储热过程竖排圆柱表面熔盐自然对流传热规律研究

于强, 何聪, 智瑞平, 鹿院卫, 吴玉庭, 杨桂春

2021, 43(7):  54-61.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.009

摘要 ( 148 )   HTML ( 2 )   PDF (1687KB) ( 299 )  

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为了得到储热过程竖排圆柱表面熔盐自然对流传热规律,通过数值模拟的方法,对圆柱间距S/D=5~10（S为相邻2根圆柱之间的间距,D为管排圆柱的直径）的2~8根竖排圆柱表面自然对流传热进行了研究。结果表明：管排中每一根圆柱表面的自然对流传热与该圆柱在管排中的位置和圆柱间距S/D有关。整个管排圆柱表面熔盐自然对流传热平均努赛尔数（Nu_a）是由圆柱的间距S/D、圆柱根数N和瑞利数（Ra）决定的。当S/D较小时（S/D=5）,多根管排圆柱表面熔盐自然对流传热Nu_a随着管排中圆柱根数的增加而减小;当S/D较大时（S/D=10）,多根管排圆柱表面熔盐自然对流传热Nu_a随着管排中圆柱根数的增加而增大。研究结果可以为熔盐蓄热装置设计提供理论依据。

低成本兰炭灰骨架定型相变储热材料的制备及性能研究

熊亚选, 药晨华, 宋超宇, 王辉祥, 胡子亮, 丁玉龙

2021, 43(7):  62-67.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.010

摘要 ( 117 )   HTML ( 2 )   PDF (1539KB) ( 279 )  

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在碳中和背景下,为促进工业固体废弃物的规模化消纳,避免兰炭灰大量堆积对环境造成破坏,创新性提出兰炭灰/碳酸钠定型相变储热材料,通过冷压缩-热烧结法制备兰炭灰基定型相变储热材料,为构建以新能源为主体的电力系统提供可能的储能技术路径。采用激光导热分析法（LFA）、热重及差示扫描量热法（TG-DSC）和X射线衍射法（XRD）对定型相变储热材料的导热性能、储热性能及化学相容性进行表征。结果表明,兰炭灰与碳酸钠的质量比为52.5∶47.5时,复合材料各方面的性能最佳,其导热系数在100~800 ℃内最高可达0.41/（m∙K）,在100~900 ℃时储热密度达1 101.14kJ/kg。

纳米流体稳定性研究综述

熊亚选, 宋超宇, 药晨华, 王慧慧, 王辉祥, 胡子亮, 吴玉庭, 丁玉龙

2021, 43(7):  68-74.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.011

摘要 ( 129 )   HTML ( 4 )   PDF (924KB) ( 502 )  

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为实现碳中和、碳达峰目标,需要提高能源转化效率。纳米流体作为一种高效传热工质,在最近20多年受到广泛关注。然而纳米流体稳定性差,在诸多领域的应用中受到限制。为提高纳米流体稳定性,实现大规模应用,通过对关于提高纳米流体稳定性的文献进行汇总分析,提出可通过调节纳米流体的pH值来控制其离子浓度达到合适的值;添加表面活性剂提高纳米颗粒间的排斥力;利用超声技术可以将纳米颗粒团簇分解;利用混合纳米颗粒之间的分子力可以改善纳米流体的稳定性。这些方法有助于解决纳米流体在长期应用时存在的稳定性低的问题。

基于CFD方法的熔盐储罐预热分析

王鼎, 肖虎, 陈宇轩, 岳松, 张燕平

2021, 43(7):  75-81.  doi:10.3969/j.issn.1674-1951.2021.07.012

摘要 ( 134 )   HTML ( 1 )   PDF (2129KB) ( 540 )  

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在碳中和背景下,构建新型电力系统需要储能技术的支撑。熔盐储罐预热是保证光热电站储热系统安全运行的重要环节之一。以某实际光热电站中的熔盐储罐为研究对象,采用等阶梯式升温预热方案,基于计算流体动力学（CFD）方法,对预热过程中储罐的温度分布进行数值模拟,探究了预热气体喷射角和储罐尺寸对预热过程的影响。结果表明：预热过程中,罐体底板与侧壁交界的边缘处温度最低。减小预热气体喷射竖直角或增大喷射周向角均可有效缩短储罐预热时间。相同预热气体进出口条件下,储罐内径的增大会导致预热时间的大幅增加。