储能技术

21世纪以来，受到能源枯竭和环境恶化的双重压力，全球能源发展格局正在发生重大而深刻的变化，新能源逐渐取代传统化石能源成为主力能源的趋势已不可逆转。在我国，党的十八大报告首次提出“推动能源生产和消费革命”。建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系，力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，成为我国能源革命的主要目标。
储能可弥补风、光等新能源发电随机性强与可调度性低的先天缺陷，促进新能源汽车与能源互联网的发展，在生产侧与消费侧实现主体能源由化石能源向新能源的更替，被认为是支撑能源革命、实现“碳达峰”与“碳中和”核心的物理手段。储能的种类较多，常见的包括抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能、热储能、氢储能等。然而，由于受技术、成本、政策、商业模式等因素的影响，储能的规模化发展与商业化应用之路依然任重道远。
储能的发展与应用需要大量的专业人才作为支撑。为加强储能人才的培养，、国家发展改革委、国家能源局联合制定了《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》，拟经过5年的努力，增设若干储能相关本科专业、二级学科和交叉学科，建设若干储能技术学院（研究院），建设一批储能技术产教融合创新平台。在发布的《关于公布2019年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》中，“储能科学与工程”被列为新增专业。目前，西安交通大学、华北电力大学、青海大学、中国石油大学、天津大学、中国矿业大学、厦门大学、山东大学、华中科技大学、武汉理工大学、重庆大学、哈尔滨工业大学等一大批高校已先后创建了储能学科，并有多所高校向申报开设储能专业。
储能学科的发展与完善，有赖于其课程体系及教材体系的建设。特别是储能涉及物理、化学、材料、机械、电气、经济等多个专业，属于一个典型的交叉学科，现有的本科教材支撑不足，更是需要打破传统专业壁垒，编制出更多有代表性的教材。在这种背景下，作者编写了这本教材，对各种储能的基本概念、原理、集成方法、应用模式以及经济性分析方法进行介绍。第1章由青海大学/清华大学梅生伟教授执笔，第2章由华南理工大学朱建全博士执笔，第3章由梅生伟教授和清华大学薛小代及张学林博士执笔，第4章和第8章由北方工业大学李建林教授执笔，第5章由青海大学高梦宇博士执笔，第6章由青海大学麻林瑞和张通博士执笔，第7章由青海大学/清华大学陈来军教授执笔，第9章由梅生伟教授和朱建全博士执笔，全书由梅生伟教授和朱建全博士统稿。
值本书杀青之际，我首先要感谢大连理工大学袁铁江教授，本书早是在袁教授的动议策划下启动的。袁教授做事热情奔放，为学严谨踏实，老实说我也是在他的鼓励下终下定了领衔团队编写本书的决心，令人遗憾的是袁教授因故没能全程参与本书的编写，尽管如此，他还是一如既往地关注本书的进展并提出宝贵意见。
我还要感谢青海大学对本书不可或缺的支持。应该讲，编写一本储能本科专业的通识教材是一项难度很大并充满挑战性的系统工程，既需要一支高水平的多学科交叉团队完成储能基础理论和关键技术的高度凝练，更需要各类储能平台的物理支撑。如果说前者是无形的储能之道，后者则是有形的储能之器。欲成就此书，只有道器合一，方能面向本科生授储能之业，解储能之惑。话说到这里，不能不感叹我到青海大学工作的高原双幸：2020年，青海省批准成立了“昆仑英才·教学名师”工作室——青海大学储能科学与工程教学名师工作室,15位骨干成员具有博士学位，来自电气、机械、工程热物理、信息、材料、化工以及土木等7个一级学科，高度交叉，大道自然，此一幸也。又自2014年起，青海大学历时8年，建成了国内高校院所中面积、设备齐整、技术、功能完善的太阳能综合利用基地以及国内首个清洁能源示范校园。构成这两个系统的中坚，便是形色各异的各类储能之器（平台），从电化学、氢、压缩空气储能，到导热油储热、水储冷，琳琅满目，应有尽有。有器方能论道，也可传道，此二幸也。
我还要特别感谢机械工业出版社的付承桂老师，她不仅严谨认真、脚踏实地，更重要的是目光高远，一直从未来本书施教效果考虑问题，她的这种工作作风一直感染着我们，直至我们完成书稿。
本书涉及内容较广，主要取材于国内外的文献、报告以及作者的研究成果。要将多个专业中的知识有条理且深入浅出地融合到一本书中较为困难，再加上编写时间仓促，疏漏和错误之处在所难免，敬请读者批评指正！

梅生伟谨识
2022年1月于青海大学

本书是在《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》的指导下，按新设立的“储能科学与工程”专业规划和要求进行编写的。本书按照储能的“本体技术—集成技术—工程应用”思路进行阐述，依次介绍了抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能、氢储能和储热等储能技术。这些储能技术的应用场景与特性各异，涉及物理、化学、材料、机械、电气等多个专业的知识。考虑到本书主要面向储能技术相关专业的本科生，作者省略了若干高深的理论内容，侧重于对其中的基础原理和关键特性进行介绍，并穿插了实际应用案例，帮助读者对这些储能技术形成具象的认识。另外，书中还以储能电站为例，简要概述了储能的集成运行与控制方法。*后，本书还介绍了储能的经济性分析方法，并以退役电池梯次利用为例阐述储能梯次利用的基本原理与方法。本书可作为高等院校储能科学与工程专业、电气工程专业及其他相关专业的本科生教材，也可作为从事储能生产、应用的工程技术人员和科研工作者的参考用书。

梅生伟 
青海大学副校长、青海大学新能源学院院长、清华大学电机系教授、IEEE Fellow、IET Fellow、中国电机工程学会会士、中国自动化学会会士、国家杰出青年基金获得者、长江学者特聘教授、基金委创新群体学术带头人、青海省昆仑学者、国家储能示范工程首席科学家。主要从事电力系统鲁棒控制、大电网灾变防治、新能源电力系统和大规模储能等领域的研究。主持基金委、973、国家科技支撑计划等项目30余项。发表期刊论文476篇(其中SCI收录论文214篇)，出版著作12部(其中英文著作2部)。他引2万余次，获授权发明专利97项。担任 SCIENCE CHINA Technological Sciences等国内外期刊的编委。获国家自然科学二等奖1项、国家科技进步二等奖1项以及省部级一等奖12项。

推荐序一
推荐序二
前言第1章储能概述
1.1储能的概念
1.2储能的作用
1.3储能的分类
1.3.1机械类储能
1.3.2电气类储能
1.3.3电化学储能
1.3.4热储能
1.3.5氢储能
1.4储能发展简史
1.5未来储能发展动向
1.6我国储能现状及挑战
1.7本书主要内容
1.8总结与展望
习题
参考文献
第2章抽水蓄能
2.1抽水蓄能电站概述
2.1.1抽水蓄能电站的基本概念
2.1.2抽水蓄能电站的构成
2.1.3抽水蓄能电站的作用
2.1.4抽水蓄能电站的类别及特点
2.2抽水蓄能电站原理
2.2.1抽水蓄能电站的能量转换过程
2.2.2抽水蓄能电站的水头特性
2.2.3蓄能水库的能量特性
2.2.4抽水蓄能电站的综合效率
2.3抽水蓄能机组运行模式
2.3.1抽水蓄能机组的基本工况
2.3.2抽水蓄能机组的工况切换
2.3.3抽水蓄能机组的安全运行指标
2.4抽水蓄能电站应用案例
2.4.1潘家口混合式抽水蓄能电站
2.4.2日本葛野川抽水蓄能电站
2.5总结与展望
习题
参考文献
主要符号表
第3章压缩空气储能
3.1压缩空气储能概述
3.1.1压缩空气储能的基本概念
3.1.2压缩空气储能的作用
3.1.3压缩空气储能的分类及技术路线
3.1.4压缩空气储能系统的技术特性
3.2压缩空气储能热力学基础
3.2.1热力学定律
3.2.2理想气体及其热力过程
3.2.3热力学第二定律
3.3先进绝热压缩空气储能
3.3.1系统基本原理
3.3.2系统关键设备
3.4压缩空气储能热力学分析
3.4.1能量分析法
3.4.2平衡分析法
3.5压缩空气储能应用案例
3.5.1补燃式压缩空气储能电站
3.5.2先进绝热压缩空气储能电站
3.5.3光热复合压缩空气储能电站
3.5.4液态空气储能电站
3.6总结与展望
习题
参考文献
主要符号表
第4章电化学储能
4.1电化学储能概述
4.1.1电化学储能的基本概念
4.1.2电化学储能的作用
4.1.3电化学储能技术
4.2铅酸电池
4.2.1铅酸电池的原理
4.2.2铅酸电池的工作方式及充放电特性
4.2.3铅炭电池
4.2.4铅酸电池的应用场景
4.3锂离子电池
4.3.1锂离子电池的原理
4.3.2锂离子电池的特点
4.3.3锂离子电池的充放电特性
4.3.4锂离子电池的应用场景
4.4液流电池
4.4.1液流电池的原理
4.4.2液流电池的特点
4.4.3液流电池的分类
4.4.4液流电池的应用场景
4.5钠硫电池
4.5.1钠硫电池的原理
4.5.2钠硫电池的特点
4.5.3钠硫电池的应用场景
4.6常用电化学储能的对比
4.7总结与展望
习题
参考文献
主要符号表
第5章氢储能
5.1氢储能概述
5.1.1氢储能的概念
5.1.2氢储能的作用
5.1.3氢储能的主要环节
5.2氢气制备与纯化
5.2.1氢气制备原理
5.2.2氢气纯化原理
5.3氢气存储
5.3.1高压气态储氢原理
5.3.2低温液态储氢原理
5.3.3固态储氢原理
5.4氢储能应用
5.4.1燃料电池
5.4.2典型应用案例
5.5总结与展望
习题
参考文献
主要符号表
第6章储热技术
6.1储热技术概述
6.1.1基本概念
6.1.2储热技术的分类
6.2储热技术理论基础
6.2.1热力学基础
6.2.2传热学基础
6.3显热储热
6.3.1显热储热材料及选择
6.3.2典型显热储热技术的工作特性
6.3.3显热储热工程应用实例
6.4潜热储热技术
6.4.1相变材料储热原理
6.4.2相变材料
6.4.3相变材料的封装与强化换热
6.4.4潜热储热技术的应用
6.5热化学储热技术
6.5.1热化学吸附储热
6.5.2热化学反应储热
6.5.3热化学储热的应用
6.6储热系统的热力学评价方法
6.7总结与展望
习题
参考文献
主要符号表
第7章飞轮、超导与超级电容器
7.1飞轮储能
7.1.1飞轮储能概述
7.1.2飞轮储能工作原理及其构成
7.1.3飞轮储能应用
7.1.4飞轮储能发展前景
7.2超导储能
7.2.1超导储能概述
7.2.2超导储能工作原理及其构成
7.2.3超导储能应用
7.2.4超导储能发展前景
7.3超级电容器
7.3.1超级电容器概述
7.3.2超级电容器工作原理
7.3.3超级电容器应用
7.3.4超级电容器发展前景
7.4总结与展望
习题
参考文献
主要符号表
第8章储能电站运行控制
8.1储能电站运行概述
8.1.1电池储能集成技术
8.1.2大规模储能系统运行的影响因素
8.2储能电站运行控制方式
8.2.1典型应用场景下储能电站的运行控制方式
8.2.2多储能单元的功率分配策略
8.3储能电站运行示范工程
8.3.1张北风光储输示范工程
8.3.2辽宁卧牛石全钒液流电池储能示范工程
8.3.3江苏镇江东部储能示范工程
8.4总结与展望
习题
参考文献
主要符号表
第9章储能经济性分析
9.1储能经济性分析概述
9.1.1储能经济性分析的概念
9.1.2储能经济性分析的意义
9.1.3储能经济性分析的要素
9.2储能经济性分析原理
9.2.1投资回收期法
9.2.2净现值法
9.2.3内部收益率法
9.3储能在电力系统的经济性分析
9.3.1储能在发电侧的经济性分析
9.3.2储能在电网侧的经济性分析
9.3.3储能在用户侧的经济性分析
9.4储能的梯次利用
9.4.1储能梯次利用概述
9.4.2动力电池梯次利用的基本原理
9.4.3动力电池梯次利用的经济性分析
9.4.4动力电池梯次利用的典型应用
9.5总结与展望
习题
参考文献
主要符号表

本书是在《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》的指导下，按新设立的“储能科学与工程”专业规划和要求进行编写的。本书按照储能的“本体技术—集成技术—工程应用”思路进行阐述，依次介绍了抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能、氢储能和储热等储能技术。这些储能技术的应用场景与特性各异，涉及物理、化学、材料、机械、电气等多个专业的知识。考虑到本书主要面向储能技术相关专业的本科生，作者省略了若干高深的理论内容，侧重于对其中的基础原理和关键特性进行介绍，并穿插了实际应用案例，帮助读者对这些储能技术形成具象的认识。另外，书中还以储能电站为例，简要概述了储能的集成运行与控制方法。*后，本书还介绍了储能的经济性分析方法，并以退役电池梯次利用为例阐述储能梯次利用的基本原理与方法。本书可作为高等院校储能科学与工程专业、电气工程专业及其他相关专业的本科生教材，也可作为从事储能生产、应用的工程技术人员和科研工作者的参考用书。

梅生伟 
青海大学副校长、青海大学新能源学院院长、清华大学电机系教授、IEEE Fellow、IET Fellow、中国电机工程学会会士、中国自动化学会会士、国家杰出青年基金获得者、长江学者特聘教授、基金委创新群体学术带头人、青海省昆仑学者、国家储能示范工程首席科学家。主要从事电力系统鲁棒控制、大电网灾变防治、新能源电力系统和大规模储能等领域的研究。主持基金委、973、国家科技支撑计划等项目30余项。发表期刊论文476篇(其中SCI收录论文214篇)，出版著作12部(其中英文著作2部)。他引2万余次，获授权发明专利97项。担任 SCIENCE CHINA Technological Sciences等国内外期刊的编委。获国家自然科学二等奖1项、国家科技进步二等奖1项以及省部级一等奖12项。