储能建筑材料（精选12篇）
储能建筑材料 篇1
1发展储能材料的产业背景及战略意义
储能技术是智能电网的重要支撑。随着世界电力需求和生产持续增长,电网负荷峰谷差不断扩大,迫切需要这样的电力储能系统与之相配套,平滑电力负荷,提高设备运行效率和经济性。在资源和能源日益紧迫的今天,这对于提高能源的使用效率,实现可持续发展具有重要意义。
储能技术的意义在于,当分布式电站和可再生能源大量接入电网后,用户可通过储能系统灵活控制用电量,以此减小对电网的波动影响。
人类面临的资源、能源和环境问题日益迫切,化石能源的日益短缺是人类不得不面对的现实,发展新型的绝色能源,成为许多国家或地区的能源发展战略的重要组成部分。资料显示2012年全球可再生能源投资额为2444亿美元,较201 1年的纪录额2790亿美元减少12%。可再生能源投资热潮开始向发展中国家转移,其中,我国投资额达到677亿美元,重新超越美国成为世界最大的可再生能源投资国,表明我国发展新能源的战略是坚定不移的。
可再生能源主要包括太阳能、风能、生物质能等,是新能源的发展重点。
但是,可再生能源受天气及时间段的影响较大,具有明显的不稳定、不连续、和不可控性。需要开发配套的电能储存装置,来保证发电、供电的连续性和稳定性。国外有关研究表明,如果风电装机占装机总量的比例在10%以内,依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段基本可以保证电网安全。但如果所占比例达到20%甚至更高,电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战。储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题,可以实现新能源发电的平滑输出,能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化,使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网。
利用储能技术,减小电网峰谷差,能提高设备资源利用率。由于负荷曲线峰谷差比较大,致使现实电网的利用系数很低,据美国统计,约为55%。一年内只有少数时间资产是被完全使用的。解决办法是缩小负荷曲线峰谷差。
另一方面由于是未来发展趋势。未来三大新兴产业新能源、智能电网和电动汽车的发展瓶颈都指向了同一项技术:储能材料(储能电池)技术。目前储能技术的发展相对落后。许多国家都将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术。在此背影下,世界储能材料的技术发展十分迅猛,无论在储能材料技术发展层面上还是在成果转化发展形成优势产业层面上,发展都十分迅速。
中国新能源发展迅速,对储能产业有更急迫的现实需求。预计到2020年风电和太阳能发电装机会突破1.7亿千瓦,占全国发电装机总量的比例会超过15%。但由于目前我国电力系统煤电比例较高,在部分地区又主要是调峰能力差的供热机组,核电发展很快但却不能参与调峰,水电、燃气发电等调峰性能优越的电源所占比例过低,导致现有电力系统接纳新能源的能力很弱。再加上我国能源资源所在地多远离负荷地,不得不实施风电、光电的“大规模集中开发、远距离输送”,这更进一步加大了电网运行和控制风险。随着国内新能源发电规模的快速扩大,电网与新能源的矛盾越来越突出,对储能的需求更为迫切。
储能产业作为新兴战略性产业,已被列入“十二五”规划纲要,储能是推进智能电网建设、加强城乡电网建设和增强电网优化配置的依托技术。储能技术是新能源产业革命的核心。储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题,可以实现新能源发电的平滑输出,能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化,使大规模风电及光伏发电方便可靠地并入常规电网。同时,伴随新能源汽车特别是电动汽车的发展,高效储能电池必将逐步取代内燃机。储能产业的快速发展将极大促进新能源的规模化发展。预计到2020年,国内储能产业的市场规模至少可达6000亿元。
全球大容量储能技术呈多元化发展格局。电能可以转换为化学能、势能、动能、电磁能等形态存储,按照其具体方式主要分为物理、电磁、电化学及相变储能等几大类型。
物理储能是指将电能转换为动能或势能存储的方式,目前主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。
电磁储能是直接以电磁能的方式存储电能的技术,主要包括超导储能、超级电容储能等。
电化学储能是目前进步最快的储能技术之一,除铅酸、镍氢等常规电池技术外,还包括液流、钠硫、锂离子电池等大容量蓄电池储能技术,并在安全性、转换效率和经济性等方面取得重大突破,生产水平显著提高,产业化发展迅速。
相变储能是利用某些材料在其物相变化过程中,可以与外界环境进行能量交换的特性,即从外界环境吸收热量或者向外界环境放出热量,从而达到控制环境温度和能量利用目的。一般有蓄热和蓄冷两种方式。就是在用电价格便宜时,依靠制冷或制热介质完成能源利用在时间上的转移,节省运行费用,降低运行成本。
从储能产业发展现状看,电化学储能是目前发展最快、应用最广泛的储能技术。电化学储能主要是电池储能技术,具有可控制性高、模块化程度高等特点,被应用于对供电质量要求较高的负荷区域的配电网络中。
电池储能系统主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电,因此电极材料成为发展储能电池产业的关键。
大规模储能电池有三个基本要求:高安全性、生命周期性价比高、生命周期环境友好。
储能材料的成本占到储能电池的成本约在40%～50%。因此在发展高性能储能材料同时,降低成本;发展关键材料批量化生产技术,加快高可靠性、低成本大规模电储能池的产业化技术,是发展电池储能材料的首要任务。
在电电池储能方面,目前以锂离子电池和镍氢电池为发展主流。
锂电池具有广阔发展前景。美国目前处于领先。美国电科院早在2008年就已经制定计划,开始锂离子电池系统用于电能储存的研究,同时开展了兆瓦级锂离子电池储能系统的示范应用,主要用于电力系统的调频、电压控制及用于与风电等。锂电池是迄今所有商业化使用的二次化学电源中性能最为优秀的电池,特点突出,如:比能量高:循环寿命长:具有较宽的充电功率范围:倍率放电性能好。但同时锂电池的发展也存在着以下障碍:锂元素资源紧缺:冶炼过程污染严重:安全问题,易发生爆炸事故:成本较高。
与锂电发展的相关材料有正极材料,目前主要是第三代磷酸铁锂正极材料,具有储能密度高、寿命长、使用安全、耐高温(350℃—500℃)等优点。石墨负极材料及电池隔膜、电解液等辅助材料。
镍氢电池是一种高能量、长寿命、无污染的新型绿色电池,成为世界各国竞相发展的高科技产品之一。镍氢动力电池已成为近、中期电动汽车的首选电池,目前混合动力汽车是镍氢电池的主要应用市场,2011年镍氢动力电池已占全部镍氢电池应用市场的58%。
镍氢电池的关键材料包括氢氧化镍正极活性材料和少量添加剂。负极活性材料为贮氢合金,电解液为氢氧化钾溶液。储氢合金是一种能与氢反应生成金属氢化物的物质,但是它与一般金属氢化物有明显的差异。即储氢合金必须具备高度的反应可逆性,而且,此可逆循环的次数必须足够多,循环次数超过5000次。实际上,它必须是能够在适当的温度、压力下大量可逆的吸收和释放氢的材料。
全世界已研究出的储氢合金,除钛锰合金外,还有镁镍合金、镁铜合金、铝锰合金、锆铬合金和各种含稀土的储氢合全。这些储氢合金吸收的氢气可以为不同的机械或电器提供能源,例如为汽车、热泵、空调设备、无噪声的动力转换设备、燃料电池等。
此外,电化学储能还包括:
钠硫电池具有能量密度高(储能密度可达140Wh/m3),体积少、充放电效率高、、储存寿命和循环寿命长、易于维护:环保、安全、价格低等优点。但是钠硫电池也有不足之处,那就是其工作温度需保持在300-350℃,电池工作时需要一定的加热保温措施。
液流电池已有钒-溴、全钒、多硫化钠/溴等多个体系,具有使用寿命长、规模大、安全可靠等突出的优势液流电池应用广泛,包括:电力公司电力储存和负载调峰、风能和太阳能发电储能、分布式供电系统或者大中型二次电池等。成为规模储能的首选技术之一。2012年,美国制定的储能技术发展规划已经将全钒液流电池列在首位。
超级电容器是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。
其突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽,是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。
二、全球大容量储能技术呈多元化发展格局,中国企业已掌握关键技术,拥有自主知识产权。
全球储能技术主要有化学储能(如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、超级电容器等)、物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)和电磁储能(如超导电磁储能等)三大类。目前技术进步最快的是化学储能,其中钠硫、液流及锂离子电池技术在安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破,产业化应用的条件日趋成熟。钠硫电池的充电效率已可达到80%,能量密度是铅酸蓄电池的3倍,循环寿命更长。日本在此项技术上处于国际领先地位,2004年日本在本国Hitachi自动化工厂安装了当时世界上最大的钠硫电池系统,容量是9.6 MW/57.6 MW h。液流钒电池的基础材料是钒,该电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深度放电、寿命长等优点,已进入商业化阶段。锂离子电池的基础材料是锂,已开始在电动自行车、电动汽车等领域应用,近年来由于磷酸亚铁锂、纳米磷酸铁锂等新材料的开发与应用,大大改善了锂离子电池的安全性能和循环寿命,大容量锂电池储能电站正逐渐兴起。
储能电池类型很多,各自的优缺点都比较明显,那么是否有可能出现一种“完美的储能电池”,适应各种条件下的储能?
温兆银:目前储能电池不太可能出现一种电池来“一统江山”,不同材料的电池都有各自的特点,用以适应不同条件的需要,如镍锌电池、锂电池适合手机等小型设备;钠硫电池、全钒液流电池等适合大型储能设备。电池未来储能电池的发展可能是百花齐放的局面。可以确定的是,储能技术的进步将深刻改变我们的生活。
2储能材料产业的国际发展现状及趋势
在现有储能技术中,电池是关键载体。市场上已有铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池等技术线路,但真正意义上的储能电池尚未实现商业化生产。
欧洲很多国家已经认识到储能的重要性,在法规法案中将储能技术的研发放到了重点位置,并有相应的产业政策予以支持。
欧盟在2007年制订的欧洲能源技术战略规划(European Strategic Energy Technology Plan,SET-Plan)中明确指出,要实现2050年战略目标,在接下来的10年内需要突破低成本、高效率储能技术。为此,欧盟委员会还鼓励欧洲工业和研究团队成立欧洲储能工作小组,并于2009年1 1月底,由1 1个国家的36个主要欧洲能源相关机构召开了欧洲储能专题讨论会,最终向欧盟委员会提交了储能领域研发和工业政策方面的若干发展建议,建议中指出:第一,对各种储能技术及其前景依据性能、成本和成熟度方面进行评定,确定潜在研发和示范需求,建立一个短、中、长期欧洲储能解决方案工业的发展规划。第二,在即将来临的欧洲框架计划中应包含的项目有:新能源存储解决方案及其组件的测试评价示范项目;用于评估使用储能技术的新商业模型的研究和示范项目;评估欧洲电力系统中柔性需求及其评价的研究和示范项目;开发下一代储能技术包括组件和材料的长期研究计划。第三,推动建立一个独立的产业主导的全欧储能信息平台。
德国政府支持本国参与者申请参加和实施SET-Plan,主要包括电网、可再生能源、储能系统、能源效率和CCS等研究。此外,德国从201 1年起开始实行第六能源研究计划,其中的5个优先主题中有两个与储能相关,分别是:储能方法和电网技术、可再生能源并网。
另外,德国联邦政府早在2006年通过的《国家技术创新计划》中给出了总共14亿欧元的预算来支持氢气与燃料电池技术的发展和商业化推广。目前,德国完成了至少20个燃料电池及其他形式的储能示范项目(包含部分蓄氢储能)。
在英国科学基金和国家项目中,有关电网的大部分支撑技术都是储能技术。同时,在英国电力市场中专门制定了抽水蓄能机组的竞价模式和电价机制,明确抽水蓄能电站收入由两部分组成(类似于我国的两部制电价):年度交易中的固定收入与竞价交易中的电量销售收入。此外英国还实行峰谷电价和季节性电价,一般的峰谷电价相差4倍以上,而在有些地区,冬季的峰谷差能达到10倍以上。
法国自1957年以来实行两部制电价、峰谷电价和季节性电价,且峰谷差不断增大,另外还实行可停电电价和高峰日让电制度。
峰谷电价、季节电价在欧洲很多国家已广泛推行。如意大利、挪威等国。实行财政补贴支持和峰谷电价电机制度,有利于提高已有储能系统的收益,同时推动了储能技术的示范和商业化发展。
除经济激励外,严格的技术标准和规范化管理,也是驱动储能产业发展的重要动力。如西班牙等国就规定,所有风电在上网前必须向电网提供风机出力曲线和发电短期预测曲线,误差不能超过一定比例,否则将受到惩罚。这也会倒逼发电商主动采用预测技术和储能技术,从而实现新能源发电与电网建设的良性发展。
3储能材料产业的国内发展现状及趋势
在新能源变革条件下,实现电力需求侧响应、分布式电源、储能装置等与电网有机融合,将大幅度提高终端能源利用效率。
然而我国储能仍处于初级发展阶段,无法大规模的投入应用,丁玉龙指出三大主要原因:一是各种储能技术繁多,多数人不知如何使用和选择,二是相关技术及性能不成熟,三是价格偏高。目前能源市场迫切需要储能技术,但市场上储能技术种类繁多,每种储能技术或多或少都存在问题。特别在研究层面仍存缺陷,不仅是技术方面,更重要的是在材料方面有很多关键性技术没有得到解决,材料本身的性能不过关。虽然我国锂电池、矾电池等领域与国际水平差距较小,但储能的关键技术还在国外。
与国际上较为先进的国家相比,我国储能市场没有建立起相关产业链,仍处于“一窝蜂”上马的状态。“从国家政策层面而言,在储能方面的投入有所不足。”丁玉龙对中电新闻网记者说出自己的看法,建议从发电、电网、厂商等不同方面着手,给予一定的政策扶持。同时,国家有关部门应在基础技术研究上加大投入,提升材料产业的发展水平,保护储能技术知识产权,出台相应的优惠政策,更重要的是制定明确的中长期产业发展规划。
从短期的发展来看,从储能材料本身还没有完美的答案,从电网的调度和储能来说,存在产能和储能地区问题。因此,需要在储能发展路线、材料、技术方面有所突破,需要在效率、成本和安全问题上有所突破。
丁玉龙认为,储能市场的应用是重大的。储能作为战略性领域,国家加重对其在能源方面的认知,十二五发展规划已把储能列入其中,要推动储能等先进技术的发展。可以预期,在未来的20-40年,储能技术将把发电与用电从时间和空间上分隔开来,其规模化应用也使可再生清洁能源得以广泛、有效的利用,并且逐步使之成为经济上有竞争力的能源,直至人类的主导能源。
中国储能产业的发展有四大“缺失”。一是技术缺失,国内仅对电池技术有所研究,对其他载体的研究不够,仅对材料和单一装置有所研究,对系统应用和管理的研究不够,没有或少有针对整个产业的一揽子解决方案,技术路线尚不清晰。二是标准缺失,个别产品有标准,但整个产业的标准化体系尚未建立,更谈不上根据标准对产品进行检测和认证;三是应用示范项目缺失;四是政策缺失,储能作为可再生能源应用的重要辅助环节,所受重视程度不足,尚没有专门的规划。
近年来,中国对储能产业的关注度明显提升,国家已经把储能写入了“十二五”规划,并提出要加强储能先进技术的应用,智能电网规划的六大方面中也有三个方面提到了储能应用。
各地陆续出台了一些储能鼓励政策,上海提出聚焦锂电池、钠硫电池和液流电池等领域,支持2-3家发电潜力大的企业发展储能业务;湖南省规划了具体的储能发展目标,重点支持全钒液流电池,明确指出“十二五”期间建设储能变电站500个;另外,河南、湖北、四川也都有各自重点发展的储能方向。
4发展我国储能材料产业的主要任务及存在主要问题
一、政府主导,凝聚能源材料产业链
四川在能源材料产业上下游具有较强的基础和优势,但产业上下游结合不紧密,产业集群效应和贯通效应不明显。应发挥政府的主导作用,引导和组织能源材料上下游单位及“产、学、研、用”单位之间的合作与联合,采取切实可行的具体措施凝聚四川能源材料产业链,壮大四川能源材料产业的整体实力,提升四川能源材料产业的整体竞争力。
储能技术是实现新能源如太阳能、风能、生物质能等储存和并网的关键技术,是新能源技术和产业发展的枢纽,其中储能材料起着至关重要的作用。在储能材料领域方面,四川在上游具有钒、锂稀有金属资源优势,在蓄能电池研究、石墨烯超级电容器研发、液流钒电池系统产业化等方面处于国际领先地位。建议政府以储能技术和储能材料为切入点,加大对储能技术和储能材料的支持和投入,带动和牵引光伏、风电、生物质能等新能源发电技术和材料产业发展,同时成立省级“能源材料”学会(协会),通过学会(协会)构建我省能源材料领域“政、产、学、研、用”创新联盟。
二、政策支持,发挥科技创新平台的作用
政府要对能源材料的发展给予积极地政策支持,政策配套,支持各级各类科技创新平台充分发挥作用,尤其是要充分发挥依托在川单位建设的国家能源研发(实验)中心的作用。建议充分发挥国家级和省级能源研发(实验)中心等科技创新平台的作用,借助国家大力发展能源材料的东风,为相关的能源材料科技创新平台发展提供建设资金支持,培育一批居于国际前沿的研发成果,加快能源材料科技创新的产业化进程,为新能源产业发展提供支撑。
三、资金支持,提升能源材料科技创新能力
建议给予有关单位项目和资金的重点支持,超前调整和布局四川能源材料研发方向与重点,为能源材料技术研发和产业化提供专项政策和资金支持,结合国家发展重点大力支持优势项目,比如超级电容器用石墨烯水凝胶基电极材料研发、硅基太阳能电池正面银浆产业化、液流钒电池系统示范工程建设、生物能源材料产业化开发、核能相关材料开发等,加快提升四川能源材料科技创新能力,加快提升在川从事能源材料单位的竞争力,从而在国内能源材料技术与产业发展中占得先机。
四、加大人才引进力度,吸引领军人才
在川从事能源材料单位在打造国际影响力的能源新材料科技创新平台和“产、学、研、用”合作中,急需引进高端科研人才、产业化人才、成果转化人才,需要开展频繁的国际交流工作,希望能够予以指导和帮助。
同时,希望积极配套落实人才引进政策,制定具有国际竞争力的关于待遇、技术职务评聘、科研条件提供、科研成果转化等方面的政策,吸引从事新能源和能源材料方面的领军人才落户四川,带动能源材料科技创新和产业发展。
为提升四川在储能技术和储能材料领域的自主创新能力与竞争力,希望在储能技术和储能材料领域加强国际交流与合作。建议对这类项目的国际合作交流予以重点支持。并给予在川相关从事能源材料单位更多的国际合作交流项目支持。
为加快能源材料科技创新和产业发展,国家能源新材料技术研发中心等在川相关单位迫切需要引进高水平的领军人才,尤其是通过如“青年千人计划”等引进青年领军人才,需要对这些领军人才给予相应的优惠政策和待遇,为国际合作团队提供启动经费和项目支持,以吸引和聚集更多从事能源材料研究工作的领军人才来四川发展、创业,将四川打造成为西部能源材料产业基地和人才聚集高地。
5推动我国储能材料产业发展的对策和建议
日本
5.1资金投入与对技术研发的支持
日本自二十世纪90年代以来,投入大量资金进行大容量储能技术的研究和开发,尤其是对钠硫电池不仅在前期研发上给予无偿资金支持,扶持大量示范性项目,还在其投入商业化运作后,继续进行补贴。
5.2对资金、技术、市场、示范项目等方面的扶持
在NGK集团发展NAS电池的过程中,得到了TEPCO,NEDO等企业与机构的大力支持,提供包括资金、技术、市场、示范项目等方面的扶持,极大地促进了NAS电池的发展:
-NEDO资助NAS电池研发与应用:
Verification of Grid Stabilization with Large-scale PV Power Generation Systems,执行期2006-2010年,项目配置NAS电池1500KW-7.2h,06-2008年项目预算分别为6.7亿日元、35亿日元、35.8亿日元
Demonstrative Project of Regional Power Grids with Various New Energies,执行期2003-2007年,项目配置NAS电池500KW,2004—2007年预算为63.6亿日元、56.5亿日元、27.1亿日元、11.5亿日元。
美国
5.3立法支持
2007年美国颁布的“能源独立与安全法”明确将电力储能技术作为“智能电网”的一部分作为重点支持与鼓励发展的对象,由国家财政拨发研究经费进行研发与验证项目的实施;目前,有消息称美国奥巴马总统新颁布的新能源政策中要求所有新能源项目必须配备储能技术方案。
5.4财政扶持与激励机制
-2007年“储能技术促进法案”已经在众议院通过,每年由国家财政支出1.3亿美元用以支持能源存储项目;
-美国加利福尼亚州通过了补贴新型储能技术的政策(SGIP),以刺激可再生能源和先进储能系统的发展;
-2008年11月17日,钒电池在美国加州通过审核,获得新型储能系统资格(AES),加州政府出台奖励政策,对有AES认证的供应商提供每瓦2美元的补助;
6各国主要储能激励政策对中国的启示与参考
美日等国支持大容量储能技术研发和产业化应用的力度之大前所未有。其中,美国政府已将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术,并在政策制订、资金扶持、补贴机制、投资税收抵扣等方面提供强有力的支持。日本政府则除直接支持前期研发外,还扶持了大量示范性项目以鼓励大容量储能技术的推广应用。
而我国近年在大容量储能技术成果和人才上有相当积累,甚至相关企业的产品在国外市场得到认可,但政府对大容量储能技术的研发投入非常少,示范项目的推进也相对迟缓。基于对国外主要储能政策的研究,国内产业发展面临的问题与政策借鉴主要体现在:
6.1明确储能规划,并实现储能与新能源发展的同步进行
将电网规划与电源发展对接,储能规划与电网、电源发展的对接;在规划新能源发电与输送的同时,将与之相匹配的储能发展,纳入到整个规划当中。实现整个电力链条中,发、输、储的统一与融合
6.2价格政策、投资回报机制等激励性政策的制订
形成并实施峰谷电价、储能电价,用以补偿储能所产生的巨大经济效益和社会效益。在满足储能建设和运行成本的基础上,进一步形成对储能行业的激励环境,促进储能产业的健康、蓬勃发展
6.3技术标准、管理规则的配套与规范
建立相应的储能产业组织机构、管理机构、技术机构,对行业管理、市场规范、技术标准进行有效与正面的引导、扶持,实施对产业本身及其相关产业的深入研究,对行业的长期健康发展提供多方支持。
对于智能电网、新能源、电动汽车以及节能环保产业等多个战略性新兴行业来说,储能材料却成为制约各国新能源发展的技术瓶颈。无论是在容量上还是经济性上,现有储能技术距离其在电网大规模应用,还有相当远的距离。
因此,寻找新材料是储能电池发展关键。
材料是储能产业发展的先导和基础。掌握高性能、低成本、自主知识产权的关键材料技术,实现其国产化、批量生产是解决储能产业化面临的高成本问题的重要途径,也是突破国际技术壁垒、掌握世界储能市场竞争主动权的关键。
实际上,储能技术的进步将深刻改变我们的生活。日常生活中必备的手机、电脑、电动车,都离不开储能电池的应用,这种可循环使用的二次电池已成为当今便携式时代的主要工作电源。要实现储能规模应用,要降低储能成本,其关键在于破解储能电池的安全性、循环寿命等技术难题。这些技术的突破是储能实现产业化的前提。
有专家建议,在开发储能基础研发的同时,要不断的发掘和掌握国际先进技术,保持和提升国内储能厂商技术的竞争力。另外,还可以支持这些企业通过投资、合作、收购等方式整合国际上先进的储能技术,提升国内储能技术的成熟度。从原材料、生产工艺、管理系统等各个环节入手,促进国内储能技术的发展。
标准不完善是制约我国储能产业发展的一个瓶颈。可再生能源接入电网对用户端应用来说,储能技术可以起到调峰调频、调度预测、平滑等作用。目前,我国储能方面的技术和相关的政策机制都不完善,对用户端经济效益缺乏定量定性的研究,也没有统一的行业标准,因此就不好做成本的比较。企业无标准可循,用户无标准可参照,应尽快接入标准的制定,避免出现标准滞后于市场的现象,在国际标准中争取更多话语权。
显然,实现储能材料加工利用的技术突破、降低储能电池的成本,是储能实现产业化的关键。对此,有专家提出两点建议:一是相关研究机构和企业要重视储能材料关键性技术的研发,加强储能技术基础性研究,掌握核心技术;二是国家要加大储能技术知识产权的保护力度,出台相应的优惠政策,更重要的是制定明确的中长期产业发展规划。
目前,我国有待出台专门针对储能产业的具体政策。但在国外,具体的储能产业扶持政策的出台和有效实施,有力地促进了各种储能技术示范工程运行和商业化推广的实现。因此,为更好地促进我国储能产业发展,笔者有如下建议:
其一,完善政策体系,建立市场机制。可以借鉴美国的做法,为储能产业进行专门的立法,明确储能技术研发和应用以及产业发展规划制定的重要性和必要性、产业发展指导和技术支持政策、推广与应用政策、激励以及监督措施等方面内容。通过立法形成促进储能产业稳定、持续发展的长效机制。同时,能源主管部门应制订储能产业发展规划、项目执行规划等,明确储能产业发展规模和建设区域。此外,应明确储能产业利益分配机制,有利于增加产业融资手段,提高产业投资积极性,储能系统可以存在于电网“资源-发电-输电-配电-用电”的任一环节,其投资主体应多元化,鼓励发电商、电网公司、用户端以及第三方独立储能企业等投资方投资储能产业。
其二,推进储能技术的研发示范和产业化,大力推进储能技术的研发、示范和产业化进程,特别是适合大规模储能的抽水蓄能机组、压缩空气储能、大规模太阳能蓄热、大容量电池和超级电容等,通过技术研究、技术装备、示范工程和研发平台建设,争取在100MW级抽水蓄能机组、10MW级压缩空气储能、10MW级太阳能蓄热、MW级大容量电池和MW级超级电容等储能技术方面取得突破,通过智能电网系统、大规模间歇式电源接入系统、风/光/储互补发电系统、水/光/储互补发电系统、分布式冷热电联产示范系统等示范工程的建设和运行,为我国储能产业积累有关技术数据和运行经验,提高储能系统设备国产化水平,为储能的产业化发展打下良好基础。
其三,健全监管和标准体系。目前需要成立一个统筹管理储能事务的职能部门,能够有效监督、管理储能项目的企业配套规划执行情况和储能项目运行情况,审查项目资金使用情况。同时,也要建立评估、审查标准,真实体现储能系统的价值。储能系统评估、审查标准应包括能源效率节约、温室气体减排、投资成本降低、延缓电网升级、电力质量提高等标准,以便正确合理评估储能产业产生的经济效益、社会效益和环境效益。
其四,尽快制订强制性的储能系统的技术规范和带有储能系统的可再生能源发电并网技术规范,建立并网认证和检测制度,以便给有关企业和科研单位一个公平竞争的平台,同时也有利于督促发电企业主动参与发电侧电能的调频调相,提高电能质量,而电网公司则可以对满足并网规范的电能全额接收。
储能建筑材料 篇2
储能系统在应用领域上可以分为小型无间断备用电源（UPS）和大型储能电站(ESS)。UPS在停电时给计算机/服务器、存储设备、网络设备等计算机、通信网络系统或工业控制系统、需要持续运转的工业设备等提供不间断的电力供应。储能电站的目的是“削峰填谷”，可以把用电低谷期低价的富余的电储存起来，在用电高峰电价较贵的时候再拿出来用，可以为用户节约用电成本，也能在用电高峰期缓解电网的用电压力。储能电站还可存储太阳能和风能电站产生的电能，将光能和风能与储能电站完美结合，实现可再生电能的有效储存，突破时间和气候限制，解决了太阳能和风能由于缺乏稳定性而造成的并网难题。
目前市场上的储能系统多是基于传统的铅酸电池，铅酸电池虽然价格低廉，但是它主要有由金属铅构成，对环境危害很大，而且它们寿命很短，通常2年左右就要更换全部电池。在低碳和环保背景下，用新型锂离子电池代替传统铅酸电池是大势所趋。市场上虽然有基于磷酸铁锂电池的储能系统，但是磷酸铁锂电池价格高昂，是铅酸电池的3倍以上，在市场上缺乏竞争力。本项目的目的是设计和制造基于廉价三元锂电池的储能系统，可以用于备用电源也可以用于储能电站，比基于磷酸铁锂的储能系统在成本上能降低30%以上，而且能量密度更高，重量和占地面积都显著降低。崔博士已经和敦煌力波能源科技有限公司合作在敦煌市的国家级光电基地建造了一个0.5MWH的储能电站系统，这个储能电站主要服务于一个光伏电厂，在光照不足时为辅助光伏板以产生稳定的输出功率。
以下是崔立峰博士课题组设计并加工的用于储能系统的三元材料电芯和电池组模块：
3.7V-50AH电芯
普能＆汇能：储能双雄? 篇3
呼和浩特向西，在大巴车上颠簸了3个多小时后，我来到了包头市达茂旗一个叫做百灵庙的小镇。小镇其实是一扇门，穿过它，我进入了一个风电的世界。
从小镇到目的地——龙源电力巴音风电场还有一个小时的车程。高大削瘦的风机成为了这片草原上的统治者。几十公里的行程，这些让人很容易联想起堂吉诃德的巨大身影几乎再没有离开车窗的左右。
这里是内蒙古，也是中国最优质的风电基地之一。巴音20万千瓦风电场就在其中。作为内蒙古现在已经实现并网发电的单体最大的风电场之一，巴音拥着国家特许经营权项目的特殊身份，正因为这个身份，他有同行邻居们艳羡的发电量无条件全额上网的“特权”。
操着一口浓重内蒙口音的“80后”钱健已经是一个老风电，从玉门到巴彦淖尔再到包头，他从技术员干到副场长，也经历了中国风电“大跃进”的黄金岁月。
“我知道你说的泡沫的意思，其实核心问题是并网难。”问题刚讲了一半，他就接过了话题。“别的电场具体情况我不知道，旁边这些邻居我多少知道些。”
巴音电场的近邻是鲁能、华能和金风科技开发的三个大型风电场，而远邻则更多。钱健告诉我，其中一个在建的30万千瓦的电场只拿到了电网5万千瓦的接入许可，另外25万千瓦装机能力还没有找到出路。这样的情况并非是一家的难题，钱健的几家邻居甚至向电网公司提出自己联合集资几亿元建设一个变电站，不花电网一分钱，只为了能够并网接入，但这样“倒贴”的提案也没有赢得对方积极的回应。“接入现在是真难。”钱健说。
这是一个具有代表性的角落。根据全球风能理事会公布的数据，中国风电在2008年实现了1000万千瓦的装机容量，连续4年翻番，到2010年有望达到3000万兆瓦，提前10年完成国家此前规划的风电发展目标。在这样的热情之下，内蒙风电场的地价已经比2006年翻了几番。
而另外一组数字却形成了巨大反差，截至今年年中，全国约有500万千瓦的风电机组没有实现并网，闲置资产价值500亿元。而内蒙古电力协会的数据显示，该自治区风电的闲置比例在三分之一。
无法接入电网，对于电力公司来说就意味着巨额投资的闲置与浪费。这个浪费有多大?钱健给我算了一笔账：北方的冬天，由于火电兼负着保障供暖的责任，所以在晚间用电低谷，电网只能停掉风电。一个20万千瓦的风电场在夜间的11个小时里甚至可能只被允许接入5000千瓦，那么浪费掉的电就是214.5万度，按照内蒙古每度0.51元的风电上网电价计算，电力公司一夜的损失就是100多万元。
针对风电的大型储能就在这种“新能源悖论”的喧嚣声中走到了聚光灯下。在火力和水力发电主导的时代，电能的不可存储被写进了教科书，成为了电网设计的基本前提。但这个金科玉律却被风吹散。
道理很简单，风时有时无，用风发出的电当然也就时有时无。随着风电比重在电网中所占比重越来越大，风电不稳定的特性开始越来越严重地冲击电网的整体安全。丹麦就曾发生过因为风电造成的大规模断电18小时的事故。而在内蒙古，去年也曾发生过风电导致的50万千瓦电网停电的事故。
“去年还没人关注这事，我们投资普能8个月后，今年储能突然成了最热的话题。”德丰杰投资副总裁杨希说，他们公司两年前开始在全球布局储能投资，“这是一个万亿的市场。它将成为现有的发电、输电、变电、配电四大电力环节之外生长出来的一个新产业。”
几乎在一夜之间，各种新能源论坛上储能成为了投资人口中必不可少的话题。在美国，仅仅今年第一季度，涌进储能市场的风险投资就达到了1.8亿美元。在日本，行业领先者NGK公司仅今年上半年的订单就达到了600多兆瓦，超过了过去10年的总和。这似乎在预示一个产业爆发的临界点的到来。
在中国，有两家公司承载着人们的厚望。它们的名字听起来像一对兄弟：普能科技与汇能科技。它们之间也确实有着深厚的渊源，但现在它们各自走上了不同的产业路径。
“这是一个能产生下一个施正荣的产业。”普能科技的创始人俞振华振奋地说，那么这个人会是他吗?还是他过去的搭档、现在的竞争对手吴正宇?
普能：可靠性第一
“第一次接受采访，说多了。”和记者聊了将近2个半小时之后，俞振华笑着说。他给记者使用的教材就是不久前去给国务院领导讲授储能时使用的PPT。
这是一个爱笑的“70后”，身上有明显的西方化的开放。他讲中文的时候，几乎所有的关键词汇都选择使用英语，包括一些动词。和刘翔一样，他的口头语是“对”。从创业到成为全球钒电池行业最有希望的领跑者之一，俞振华仅仅用了3年的时间。
钒电池全称全钒氧化还原液流电池，它是一种基于金属钒元素的氧化还原反应原理运行的可再生化学电池储能系统。
“钒电池是迄今为止唯一能和风能、光伏产品20年服役期相匹配的储能方式。”俞振华为《创业家》细数了钒电池在大规模储能中的优势。排在第一位的就是寿命长。钒电池可以几乎无限制地多次充放电，不造成储能材料的衰减。而对现有的其他化学电池来说，充放次数都有固定的上限，比如钠硫电池是4500个循环，锂电池的行业标准是2000个。在日本北海道一个为风电场配套的钒电池项目中，3年时间这个储能系统充放电27万次，至今仍然运转正常。
钒电池的第二个撒手锏是不存在电池一致性的难题。我们使用的手机电池是单节电池，普通的国内厂商也可以做到500个循环。但到笔记本电脑的电池，由于它需要多节电池串联，对几节电池的一致性要求非常高，所以国内厂商大多连50个循环也无法保证。在大型储能中，铅酸和锂电池等方式都要突破电池一致性的难题，而这往往会带来成本的成倍上升。
最后，钒电池可以无条件在极端自然环境中长时间正常工作。在北方，风电场冬天夜间的温度在零下三四十度是非常正常的事情，而建在戈壁滩上的光伏电站在酷暑则要忍受高温的炙烤。因此，钒电池皮实的特性非常有竞争力。
钒电池的基本原理20年前在澳大利亚诞生。此后日本住友公司进行了第一轮有效的商用开发，但由于技术路径的问题，没能实现批量化生产。这给了加拿大VRB公司机会，它们后来居上，实现了钒电池的量产，并拥有了钒电池70％的技术专利。“钒电池在所有化学电池中历史最短，但进步最快。”俞振华说。
正当VRB的研究取得突破性进展的时候，它并不知道一个中国的年轻人也将在2006年开始自己的钒电池之路，并将在3年之后成为它的新主人。
俞振华是清华科技园第一批的大学生创业者。1999年清华大学毕业后，他加入了威速科技的创业团队。2003年，威速做到了中国视频会议市场的第一位，俞振华选择在这个时候退出，到美国边学创业领导力课程，边寻找“革命性的商业创新”。
最终被锁定的是钒电池。俞振华看好这项技术未来在新能源储能中的应用价值，同时他看到VRB公司的产品虽然价格高昂，但是却还在赔钱，问题的关键是周边配套产品价格过于高昂。俞振华认为，钒电池下一步的发展关键是降低成本，而这恰恰是中国擅长的事情。
2006年，普能科技在纽约注册成立，天使投资人是江南春。但俞振华很快把公司带回国内。这是既定策略，因为，第一国内的制造成本低；第二中国是世界上钒储量最丰富的国家；第三是因为当时VRB和住友注册的大部分钒电池的核心专利都没有覆盖中国，因此可以避开很多知识产权屏障。对俞振华最为有利的一个条件是，钒电池的基本原理专利刚刚到期开放，这为普能的自主研发打通了第一道壁垒。
最初的普能组建了以国内专家为主的核心团队。到2009年初收购VRB之前，它们做出了自己的第二代10千瓦系统，能源效率比VRB高10％，成本比VRB低三分之一。“但现在看，那个系统离大规模商业化还有5年的距离。”
当时普能给自己的市场定位是，一方面做一些小海岛上使用的离网存储系统开发，另一方面，希望未来能把自主研发的低成本配件和原材料卖给VRB和住友这样的领头公司。
这时的普能虽然获得了德丰杰和德同的投资，但技术上并没有取得核心突破。但转机几乎在一夜间发生了。
2008年底，VRB由于扩张策略过于激进，造成资金链断裂，而在金融危机最为严重的时候，它无法找到有效的融资途径，只好宣布破产清算。
普能在第一时间递交了收购申请。在全球12家竞争者中，普能最终胜出，整个收购耗资215万美元。而在一年前，俞振华和他的同事们还曾经做过估算，认为如果有机会，3000万美元以内收购VRB都是有价值的。而最终梦想成真的价格仅仅连十分之一都不到。
完成对VRB的收购，使得普能一夜间拥有了所有可量产钒电池的核心技术，拥有了全球最好的研发团队、全球性的客户资源、全球工程经验。“我们下面的工作重点就是在保证产品可靠性的基础上努力降低成本，这是非常难的事情。”俞振华说。
在当前的储能市场格局中，日本的NGK公司是不可否认的老大。它们的钠硫电池技术经过20多年研发打磨，商业化已经比较成熟。它们是现在全球唯一能够提供10兆瓦以上系统的供应商。同时NGK每千瓦时600美元的设备报价也成为了行业价格标准。
按照俞振华的介绍，如果储能系统成本能够做到每千瓦时500美元以内，这个行业将具有不可抗拒的诱惑力。但在现在可见的成熟化学储能系统中，NGK已经是成本领先者，而普能的成本比NGK还要稍高。“我们现在只能按照它们的标准报价，当然不赚钱。”俞振华坦承。但与铅酸和锂电池相比，普能的钒电池已经是最接近钠硫电池的产品。
“成本是未来的核心问题。”俞振华反复强调。但是显然他同样看重的是产品的可靠性。99％的可靠性是普能给客户的承诺。在年底即将推出的最新产品中，为了保障可靠性，普能把能源存储效率从实验室里的89％主动降低到了最高75％。“这样的电化学产品，有一个部件材料做一点微调，出来的就是两个产品。要做到整体99％的可靠性，每个部件的可靠性就都要达到99.9‰。”
“产业初期可靠性一定是最关键的，当然成本是瓶颈。但产业早期的购买者具有为这个高成本买单的能力。”俞的投资人杨希显然同样更看重产品的性能。
作为降低成本的重要步骤，2009年，俞振华用了近一年的时间把VRB的所有制造环节都搬迁到了国内。但在用国产配套商替换现有国际知名配套商上，他保持着谨慎的态度。还是要可靠性优先，毕竟现在自己已经成为了有国际影响力的龙头公司。
俞振华扮演着产业说客的角色。他频密地接触国家决策层，努力推动并影响产业政策的制定，并希望通过这条路径使得普能在未来的产业格局中占有特殊的位置。
赚钱的事情，俞振华心里也有个规划。普能明年的订单已经基本确定，全年3兆瓦的产能，实现1500万美元的销售，而今年普能的销售只有几十万美元。到2012年，普能将实现1亿美元的销售，占到整个市场份额的1％，俞振华认为到那个时候，自己就有了向钠硫电池挑战的实力。而盈亏平衡点嘛，大概会出现在产能10兆瓦，销售达到5000万美元左右的时候。
汇能：成本第一
吴正宇不大去他的公司，他的家在北京，而汇能的总部却安在了长春，其间的距离是动车组5小时的车程。汇能的一位员工告诉我，他每个月只能见到一两次自己的老板。
和吴正宇的采访约在北京东四环附近一个咖啡厅，窗外就是他家所在的小区。虽然是周日，他几个小时后还要飞到深圳去会晤一家大电力公司的老总。
吴正宇很少像俞振华那样分析全球产业格局和竞争态势，他把滔滔的口才用来说明市场的需求有多么巨大，当然更多就是汇能产品让人惊骇的低成本优势。他和他惊人的产品都还没有通过市场的验证，成功还仅仅停留在他的商业计划书上，但是如果那一天真的如他所说很快到来，他必然将是这个行业中颠覆性的破坏者。
汇能和普能，吴正宇和俞振华，有着奇妙的渊源。
这要从吴正宇的个人经历说起。在美国读书毕业后，吴正宇在IBM总部工作6年，之后到湖北省赤壁市担任了市长助理，在这个过程中看到了储能的机会，于2007年4月加入普能高管团队。
当时普能在开发钒电池的同时，也在攻关另一款同样是原始国际专利到期的化学电池——锌溴电池。和钒电池不同，普能希望把这个技术应用到酒店用电的削峰填谷里去。
2007年底，普能准备开始融资。为了让融资最大化，俞振华和吴正宇决定把锌溴电池团队分离出去单独成立公司，独立融资，而新公司的领导人是吴正宇。2008年2月，汇能成立，同年引入了青云创投、英特尔和BP的1000万美元投资。
锌溴电池是一种形式上类似于钒电池，但反应原理完全不同的化学电池，俞振华称之为“半液流电池”。锌溴电池的优点在于电解液溴化锌价格便宜，同时电池能量密度大，占地空间小。而缺点则是使用寿命有限，每次必须深充深放，灵活性差，同时应对极端气候的能力差。“从性能上看，钒电池要好，锌溴没有优势，但我们的优势在成本。”汇能科技总工程师孟琳对《创业家》说。
汇能刚刚分离出去时的主打市场仍然是酒店削峰填谷，但2009年初，吴正宇看到了大型储能市场的爆发性机会，“酒店市场解决的是经济性问题，而新能源市场解决的是紧迫性问题。”于是他杀了个“回马枪”。
低价是吴正宇手里的王牌。NGK主宰的国际通行定价是每千瓦时600美元，而汇能对外宣布的价格则是它的六分之一，每千瓦时100美元!“这是销售价格，我有利润的。”吴说。
“成本才是客户最关心的事情。”吴正宇强调，“在这个产业初始时期，可靠性是次要问题，低成本地解决客户的紧迫需求最重要。”
颠覆性的价格决定了吴正宇进入大型储能的方式必然伴随着质疑和争议。“他的技术就是个实验室产品，我敢保证他10年也无法在量产中做出自己宣称的成本。”一位业内人士不屑地说。
“现在有人出这个价钱，我马上就出货。”吴回应说，“很多有国外背景的人，他们看不清中国制造在降低成本上的威力。”
汇能的锌溴电池史就是一部降成本的历史。“从每个细节入手扣成本，扣了30多个月。”吴正宇说。在美国，有两家公司是专业的锌溴电池制造商。由于它们的配件全部是向知名大公司采购，所以成本一直处在每千瓦时1000美元的高位。而汇能从一开始就自主研发所有核心材料和部件，这大大降低了产品的成本。
有两个案例让汇能引以为豪。一个是关键部件——隔膜。从日本公司进口这种隔膜要50美元一平方米，但汇能自己做出来的产品成本不到1美元。另一个是换向阀，国外产品要400美元一个，而且寿命很短，而汇能做出来的成本是不到300元人民币，但寿命是国外产品的10倍。这只是两个典型的例子，孟琳告诉记者，在电极板、电解液等几乎所有重要环节上，汇能都实现了成本突破。
“30多个月，终于做出了第一台样机，干得真苦。”吴正宇感慨。
在汇能位于长春汽车城里的公司总部，我见到了创造这个成本奇迹的车间。并不太大的厂房里显得比较空落，工人不多，设备也不多。上午9点多，机器都还没有开启，孟琳说它们正在接受例行检修。汇能最为自豪的隔膜生产线前不久刚刚实现了流水化作业，而电极板的生产线则还需要人工串联各个环节。这里更像是一个大实验室，而非量产车间。
吴正宇认可了我的看法：“那里是我们的实验室，至于量产我们最近正在寻找新的厂址。”现在基本技术问题都已经解决了，量产就是上设备的问题。
而杨希很难认同吴正宇的说法：“从实验室到量产那是一个非常难的过程，钒电池的研发到现在已经20年，累计投入3亿多美元。他怎么可能直接就进入量产?”
但在吴正宇看来，他抓住成本的产业逻辑并非没有根据，在中国新能源产业相继进入依靠国家补贴生存的模式之后，用内蒙古发改委某官员的话说：“注定成为了一个微利行业。”过高的储能成本将必然阻碍客户的购买。吴正宇希望自己的产品仅仅给客户带来10％的成本增加，而客户在没有储能补贴的情况下只需要3到4年的时间就能收回成本。
“我现在接触了大量电力公司，他们听说我们的产品后，都是眼前一亮。”吴正宇不希望媒体透露这些公司的名字，但在采访过程中，他就接到了一家国内知名光伏企业约谈的电话。对于汇能来说，现在最重要的工作是尽快完成湖北的一个光伏电站3兆瓦配套储能的示范项目。这个项目如果成功，在吴正宇看来，更大的项目就是叠加更多电堆的问题了。
和俞振华相比，吴正宇对于挣钱的信心更大。他说汇能未来5年要做到300亿人民币的销售规模，“这个数字非常扎实”。
谁是赢家
是可靠性优先?还是成本优先?
回答这个问题的应该是市场。但还有一个谜在等待答案，那就是国家的产业政策。
“对储能产业而言，没有国家补贴是不可能生存下来的，而现在最迫切的问题是国家补贴这一刀到底往哪里切。”启明创投清洁技术合伙人张勇挥动着右手，好像他的手就是那把政策的利刃，“是把补贴切给电网，还是切给电力公司。这一点不明确，谁是储能的业主就不会明确，那么整个行业的发展都不会清晰起来。”
俞振华同样在思考这个问题，他的观点是切给电力公司更合理，因为对后者来说，储能等于钞票，因此动力更强。但是国家电网并没有主动放弃，甚至在积极争取，最近其在河北省的张北地区推出了全国第一个风光储综合示范项目，其中储能有75兆瓦。国电这个动作当然被业界看做是重要的利好，但这似乎也在暗示电网在博弈中占据了上风。
虽然如何补、补多少、补给谁这些重要的政策问题都还没有明确的答案，电网与电力公司谁是赢家也尚未明了，但是对于俞振华和吴正宇来说，政策利好是现在的主旋律。在年底即将推出的《新能源产业规划》中，储能被列入重点支持的产业已经板上钉钉，而且据说还可能配套一个有具体目标、规模较大的10年产业规划。
相变储能材料在建筑中的应用 篇4
1 适合建筑用的相变材料
相变材料应用于建筑材料的热能存储始于1980年,随着相变材料与石膏板、灰泥板、混凝土及其它建筑材料的结合,热能存贮已能被应用到建筑结构的轻质材料中。目前建筑上应用最多的相变材料见表1所示。
相变材料应用于建筑物应具有以下几个特点:熔化潜热高;相变过程可逆性好、膨胀收缩性小、过冷或过热现象少;相变温度在20℃左右;导热系数大,储热密度大;无毒,无腐蚀性;成本低,制造方便;与建筑材料相容性好,可被吸收。
应用于水泥混凝土材料中的相变材料,应在碱性环境中稳定,不影响材料的耐久性能等。同时可以采取其他措施降低水泥混凝土材料的碱性,如可以用粉煤灰部分替代水泥或采用低碱水泥等。目前国内外对相变材料在建筑上的应用研究主要集中在有机相变材料,主要有烷烃、酯、醇及石蜡等4类;尤其是那些由可再生资源产生的植物油和动物油分离出的产品。
在实际研制过程中,要找到满足这些理想条件的相变材料非常困难。因此人们往往先考虑有合适的相变温度和有较大的相变热,而后再考虑各种影响研究和应用的综合性因素。应用于建筑材料中的相变材料,比较具有技术和经济潜力的是有机的固-固相变材料,具有以下优点:具有所要求的熔融和凝固范围;高的相变潜热;可接受的密度、比热和热传导性;凝固中过冷较小或没有过冷;化学稳定性好;熔融凝固点一致;室温时低的蒸汽压以及可再生的植物和动物供应源;与大多数建筑材料具有相容性,并可以被其吸收。利用固-固相变材料可以采取与建筑材料直接混合的工艺,利用现有的生产设备或稍加改进,也不需更多的劳动力,并可连续作业以进行生产。
2 相转变材料置入建筑材料的工艺
相变材料在建筑上的使用方式是一个值得探讨的问题。为使其达到最佳节能效果,应根据建筑构造、气候、环境和使用目的等因素,合理布置相变材料和换热方式。固-固相变材料可以采取与建筑材料直接混合的工艺,利用现有的生产设备或稍加改进,不需更多的劳动力,可连续作业以进行生产。相变建筑围护结构构筑的难点是如何实现相变材料与建材基体的融合,在这一方面Anil T O 和Sircar K等的工作比较突出[6],结合制备工艺和实际情况,目前相变材料与建材基体的结合工艺,主要有以下几种方法[7,8]。
(1)将相变材料密封在合适的容器内。如Piia Lamberg等介绍了将装有水合盐相变材料的金属管子置入混凝土构件中,以提高建筑物结构的热容,从而在夏季对室内起到降温作用。
(2)将相变材料密封后置入建筑材料中。近年来得到迅速发展的微囊包封相变材料技术也属于这一种;如可用尿烷煤焦油做CaCl2·6H2O的封接剂,做成轻质水泥砖等。
(3)通过浸泡将相变材料渗入多孔的建材基体(如石膏墙板、水泥混凝土试块等)。其最大的优点就是可以使传统的建筑材料(如石膏墙板)按要求变成相变材料建材。
(4)将相变材料直接与建筑材料混合。如将相变材料吸入半流动性的硅石细粉中,然后掺入建材中。许多新型固-固相变材料不断开发推动这一工艺的应用。这种直接混合方法的优点在于结构简单,性质更均匀,更易于做成各种形状和大小的建筑构件,以满足不同的需要。目前,该种方式成为贮热相变材料在建筑节能方面研究的热点课题。
3 相变储能材料存在的问题
相变材料是一种高效的贮热物质,应用在建筑中,可以提高室内的舒适度,减少电力的峰谷差,优化电力的负荷等特性[9]。目前国内外对相变材料在建筑中的应用进行了大量的研究,并且已有少量的应用,取得了一定的效果。但相变复合材料的耐久性以及其经济性等仍是主要问题。相变储能材料的研究和应用方面主要有以下问题:
(1) 相变储能材料的耐久性问题。首先,相变材料在循环相变过程中热物理性质的退化;其次,相变材料从基体材料中泄露出来,表现为在材料表面结霜[10];再则,相变材料对基体材料的作用,在相变过程中产生的应力使得基体材料容易破坏。
(2) 相变复合材料的经济性问题。相变复合材料的经济性问题也是制约其广泛应用于建筑节能领域的障碍,表现为各种相变材料及相变储能复合材料价格较高,导致单位热能的储存费用的上升,失去了与其他储热方法的比较优势[11]。
(3) 相变储能材料的储能性能问题。对于相变储能复合材料,为使储能体更加小巧和轻便,要求相变储能复合材料具有更高的储能性能。目前的相变储能复合材料的储能密度普遍小于120J/g ,有学者预测,通过增加相变物质在复合材料中的含量和选择相变焓更高的相变物质,在未来数年内,将有可能将相变储能复合材料的储能密度提高到150~200J/g。
目前,将相变材料应用于建筑,使建筑具有自动调节室温的功能,还必须解决以下问题:① 如何将相变点调节到人体感觉舒适的16~25℃;②解决相变材料与材料基体的界面结合问题,使建筑材料整体强度不降低;③相变材料必须具有较高的相变潜热;④相变材料的掺入量必须足以影响环境的温度且又不影响建材强度;⑤解决相变疲劳问题,使材料具有较长的使用寿命;⑥必须具有较低的成本。
4 相变材料在建筑中应用展望
目前,关于相变材料的研究和应用工作开始不久,它们的分子结晶态及能量的转变过程机理还有待进一步探明,其热性能、机械性能、化学稳定性也有待进一步提高。相变储热材料的开发, 正逐步进入实用阶段[12,13]。相变墙体、相变地板、储能砂浆等的出现将对储能材料的建筑用途有很大的推动作用。现在国外已经研制出储热地板,国内也有相变储热水泥,并且国内学者正在研究和家具、墙纸、墙面涂料融为一体的相变材料。
Hadjievaa[14]研究了无机水合盐Na2S2O3·5H2O在混凝土中渗入情况,并研究了相变混凝土的热性能、热循环过程中存在的泄漏现象,物理和化学稳定性能还有待于进一步提高。张东[15]等研究了相变混凝土制备方法及热性能。他们采用“两步法”即先制备定形相变材料骨料,然后再制备相变混凝土,其储热效果明显高于普通混凝土。Hawes[16]等研究了不同类型混凝土块中多种相变材料的储热性能。美国Suntek Research Associates公司研制成功储热墙体块材, 是将相变材料悬浮于混凝土砌块中,作为恒温储热建筑构件。Pause B[17]研究了含有相变材料的窗帘与普通窗帘的热流损失,测试表明,其热流量可降低30%。德国弗赖堡夫琅费太阳能系研究所最近研制出一种冬暖夏凉内墙砂浆,主要是通过在水泥中加入装有石蜡的微胶囊,4cm厚的这种砂浆的热容量相当于40cm厚水泥墙体[18]。
未来研究相变材料在建筑材料中应用将主要集中于以下几点:(1)针对不同的室内外环境条件,开发出具有合适的相变温度与相变焓,在长期使用变速率的方法;(2)研究相变材料与普通建筑材料的结合方式,研究在掺入相变材料后,相过程中物理化学性能稳定的性价比较高的相变材料;(3)研究改善相变材料的导热性能,提高其相变材料与普通建筑材料的相容性及混合后材料的储热、传热、机械及防火特性;(4)在应用了相变建筑节能材料的结构,具有不同热(冷)源型式的供暖、空调系统。
5 结 语
2016年储能技术成本分析报告 篇5
目录
摘要……………………………………………………………………………………1
一、概述………………………………………………………………………………1
二、储能技术…………………………………………………………………………6
（一）物理储能………………………………………………………………………7
（二）电化学储能……………………………………………………………………10
图表目录
图表1：全球电化学储能项目累计装机规模………………………………………4 图表2：中国电化学储能项目累计装机规模………………………………………4 图表3：全球储能装机预测……………………………………………………5 图表4：全球各类储能规模预测……………………………………………………5 图表5：电化学储能将呈现星星之火可以燎原之势………………………………6 图表6：储能在整个电力价值链中的作用…………………………………………6 图表7：抽水储能的特点……………………………………………………9 图表8：压缩空气储能的特点……………………………………………………9 图表9：飞轮储能的特点……………………………………………………10 图表10：热储的特点………………………………………………………………10 图表11：氢储的特点………………………………………………………………10
2016年储能技术成本深度分析报告
摘要：
我们预判分布式电站将在十三五期间有大发展，作为基础性资产的电站上一定规模（有研究表明占比超过10%），其随机性、间歇性和地域性等特征越发突出，导致用电和发电不对称，对电网还会造成一定的冲击，为了促进光伏电站规模持续性增长以及占一次能源消费结构的比重逐步提高，势必会对储能技术和相关设备有所诉求，储能领域将会成为下一片蓝海。
近期，国家能源局先后下发了《国家能源局关于推动电储能参与“三北”地区调峰辅助服务工作的通知（征求意见稿）》、《关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿（市场）机制试点工作的通知》(国能监管[2016]164号)和《中国制造2025--能源装备实施方案的通知》，进一步对储能领域进行了战略布局。我们认为，蓄势待发，2016年将是储能领域最突出的表现。
与市场不同的是，基于国外实际的储能落地项目，通过查阅大量资料，我们总结了最近几年储能技术的研究进展和各储能技术的特点、相关成本和应用范围。从各成本要素的角度来看，压缩空气储能的功率转换成本最高（846欧元/kW），相应地，Ni-Cd电池的成本最低，仅只有240欧元/kW。但是，在储能成本方面，电化学储能相对与物理储能的成本要高。氢储和压缩空气储能（地下）相关储能成本仅仅只有4和40欧元/kW。从全生命周期成本的角度来看，物理储能明显低于电化学储能。飞轮储能在电力质量和调频服务方面具有成本优势。但是，物理储能的应用领域受到地理条件的限制明显，因此，随着技术进步的不断加快，未来电化学储能的成本有望持续降低，应用前景更加广泛。
一、概述：储能—2016年是储能元年
2015年11月公布的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》（简称《建议》）中，“坚持绿色发展，着力改善生态环境”部分提出了推进能源革命，加快能源技术创新，提高非化石能源比例，加快发展风能、太阳能，加强储能和智能电网建设，发展分布式能源，推行节能低碳电力调度，实施新能源汽车推广计划等重点工作。可以说，《建议》明确指出了储能建设的必要性和战略方向。同时，截至2015年底，我国光伏电站的装机规模已经达到43 GW，作为基础资产的电站达到一定规模后，储能的建设势必提上议事日程。根
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据规划，十三五期间，光伏电站累计将达到150 GW，其中分布式电站将达到70 GW，具备10倍的成长空间。同时，近期，国家能源局新能源与可再生能源司副司长梁志鹏出席第九届亚洲太阳能论坛并指出，到2020年全球光伏规模在450至600 GW，到2030年的时候要达到1000至1500 GW。根据GTM Research发布报告称，预计未来5年内，储能系统的成本有望下降41%。因此，作为基础资产的光伏电站而言，光伏电站规模化为储能的建设提供了旷阔的增长空间。
从全球储能领域发展态势来看，目前，国际上储能累计装机有了一定的规模，以抽水储能为主，电化学储能将呈现星星之火可以燎原之势（见图“蓝点分布区域”），到2015年底全球累计电化学储能装机规模达到890.9 MW。国际上，欧美日等发达国家一直比较重视储能技术的研究和应用。以美国储能产业发展来看，美国2015年第4季度新装储能规模为112 MW，整个2015年达成221 MW，相当于年度增长率为243%。其中，电网级应用占比为85%，主要位于PJM市场（2015年新增储能规模为160 MW）。behind-the-meter部署较少，但是这一领域的增长率最快，2015年增长率高达405%。据GTM的预测，美国储能市场到2019年会超过1 GW，到2020年规模达1.7 GW，市场规模在25亿美元，相当于人民币157亿元左右。
从中国储能领域发展态势来看，我国储能领域应该说只是起步阶段，据CNESA不完全统计，我国电化学储能仅105.5 MW。分布式发电及微网领域的储能项目在我国全部储能项目中的占比从2013年的24%，提高到2015年的46%。对于新的领域，从国际经验来看，储能领域初期技术研发和成本等因素都比较高，会相应地有政府政策扶持，储能领域才能有所发展。据不完全统计，美国联邦和州层面针对储能的法案和政策就达到了21项。欧盟和日本也均有针对储能的扶持政策。储能的政策扶持主要包括：投资方面给予一定的布贴或税收减免；技术研究方面给予一定的补贴；建立相应的储能领域的体制机制。因此，我们认为，初期通过政府政策的配套和资金的扶持是必要的，2016年储能领域的相关配套政策会陆续出台，储能产业将会大发展。
2016年3月10日，能源局印发《国家能源局关于推动电储能参与“三北”地区调峰辅助服务工作的通知（征求意见稿）》，鼓励发电、售电企业、电力用户和地理辅助服务提供商等投资建设电储能设施，并可参加发电侧调峰服务市场；鼓
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励各地规划集中式新能源发电基地时，配置适当规模的电储能设施，实现电储能设施与新能源、电网的协调优化运行；鼓励在小区、楼宇、工商企业等用户侧建设分布式电储能设施并作为需求侧资源参与辅助服务市场交易。
2016年6月7日，国家能源局正式发布《关于促进电储能参与“三北”地区电力辅助服务补偿（市场）机制试点工作的通知》（国能监管[2016]164号），决定开展电储能参与“三北”地区电力辅助补偿（市场）机制试点，挖掘“三北”地区电力系统接纳可再生能源的潜力，同时满足民生供热需求。其目标为“三北”地区各省（区、市）原则上可选取不超过5个电储能设施参与电力调峰调频辅助服务补偿（市场）机制试点，已有工作经验的地区可以适当提高试点数量，探索商业化应用，推动建立促进可再生能源消纳的长效机制。
2016年6月20日，国家发改委、工信部、能源局联合印发了关于《中国制造2025—能源装备实施方案的通知》。《通知》中，确定了储能装备等15个领域的发展任务，并明确资金支持、税收优惠、鼓励国际合作等五大保障措施。其中储能装备方面，涉及了抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、液流电池、锂电池、超级电容器等方面。同时，《通知》中“在储能装备方面，高性能铅炭电池储能装备就是要进行技术攻关的重点项目之一。其目标为研究高导电率、耐腐蚀的新型电极材料设计、合成和改性技术，以及长寿命铅炭复合电极和新型耐腐蚀正极板栅制备技术，掌握铅炭电池本体制备技术，开发长寿命、低成本铅炭电池储能装置。”对铅碳电池在储能领域内的未来发展方向给予了明确的表述。我们认为，蓄势待发，2016年将是储能领域最突出的表现。
储能在整个电力价值链上起到至关重要的作用。它的作用涉及发电、传输、分配乃至终端用户--包括居民用电以及工业和商业用电。在发电端，储能系统可以用于快速响应的调频服务及可再生能源如风能、太阳能对于终端用户的持续供电，这样扬长避短地利用了可再生能源清洁发电的特点，并且有效地规避了其间断性、不确定性等缺点；在传输端，储能系统可以有效地提高传输系统的可靠性；在分配端，储能系统可以提高电能的质量；在终端用户端，储能系统可以优化使用电价，并且保持电能的高质量。随着分布式电源的发展和智能电网的提出，储能系统的作用将会更加重要。
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图1：全球电化学储能项目累计装机规模
图2：中国电化学储能项目累计装机规模
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图3：全球储能装机预测
图4：全球各类储能规模预测
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图5：电化学储能将呈现星星之火可以燎原之势
图6：储能在整个电力价值链中的作用
二、储能技术：百家争鸣、百花齐放
储能技术一般分为热储能和电储能，未来应用于全球能源互联网的主要是电储能。电储能技术主要分为物理储能（如抽水蓄能、压缩空气储能）、电化学储能（如铅酸电池、钠硫电池、液流电池）和电磁储能（如超导电磁储能、超级电容器储能）三大类。
与市场不同的是，基于国外实际的储能落地项目，通过查阅大量资料，我们
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总结了最近几年储能技术的研究进展和各储能技术的特点、相关成本和应用范围。
对比各种储能技术，成熟度和优越性最高的要属抽水蓄能、压缩空气储能、氢储、合成天然气储能，其中抽水蓄能占比最高，达到99%，占全球发电量的3%。
（一）物理储能
抽水蓄能是当前最主要的电力储能技术。抽水储能电站配备上、下游两个水库，负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，负荷高峰时抽水储能设备处于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电。目前，世界范围内抽水蓄能电站主要集中分布在美国、日本和西欧等国家和地区，并网总装机容量超过7000万kW。而美国、日本和西欧等经济发达国家抽水蓄能机组容量占到了世界抽水蓄能电站总装机容量的70%以上。近年来，世界大型抽水蓄能电站的应用案例主要有日本神流川电站（装机282万kW），美国落基山电站（装机76万kW），德国金谷电站（装机106万kW）。目前，日本有41座抽水蓄能电站，装机容量24.65 GW，占日本发电总装机容量10%以上。在日本抽水蓄能电站主要功能在于调峰、调频、填谷、瞬时运行的事故备用能力以及经济性蓄水。美国抽水蓄能电站年发电利用小时数差别很大，部分电站年发电利用小时数较高,最高达1953h，在系统中主要承担调峰填谷、促进电力系统合理经济运行的任务。有一半抽水蓄能电站年发电利用小时数少于1000h，最少的全年仅34h，它们在系统中除参加调峰，主要担负调频、调相、提高电压稳定性和供电质量并承担事故备用。
压缩空气储能也是一种物理储能形式。储能时，压缩机将空气压缩并存于储气室中，储存室一般由钢瓶、岩洞、废弃矿洞充当。释能时，高压空气从储气室释放，做功发电。目前全球压缩空气储能装机约40万kW。压缩空气储能技术研究始于20世纪40年代，70年代后，德、美等国相继投运压缩空气储能系统，将几十至一百多个大气压的空气储存于矿洞或地下洞穴，释能时采用天然气补燃的方式通过燃气轮机发电。压缩空气储能技术术比较成熟，但大规模的应用需要洞穴储气，选址有一定困难，2000年后全球无新增商业化运营的案例。
飞轮储能主要应用于为蓄电池系统作补充，如用于不间断电源/应急电源、电网调峰和频率控制。飞轮储能利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机
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械能储存起来，在需要时飞轮带动发电机发电。近年来，一些新技术和新材料的应用，使飞轮储能技术取得了突破性进展，例如：磁悬浮技术、真空技术、高性能永磁技术和高温超导技术的发展，极大地降低了机械轴承摩擦与风阻损耗；高强度纤维复合材料的应用，飞轮允许线速度大幅提高，大大增加了单位质量的动能储量；电力电子技术的飞速发展，使飞轮储存的能量交换更为灵活高效。
氢储能是近两年受德国等欧洲国家氢能综合利用后提出的新概念。氢储已被证明是最有前途的储能技术之一，因为它适用范围较为广泛，如交通和电力。同时，结合可再生能源或低碳能源技术，氢储可以减少温室气体排放。此外，氢储能够有效地整合了大量的间歇性风能。氢储能可看作是一种化学储能的延伸，其基本原理就是将水电解得到氢气和氧气。以风电制氢储能技术为例，其核心思想是当风电充足但无法上网、需要弃风时，利用风电将水电解制成氢气（和氧气），将氢气储存起来；当需要电能时，将储存的氢气通过不同方式（内燃机、燃料电池或其他方式）转换为电能输送上网。通常所指的氢储能系统是电-氢-电的循环，且不同于常规的锂电池、铅酸电池。其前端的电解水环节，多以功率（kW）计算容量，代表着氢储能系统的“充电”功率；后端的燃料电池环节，也以功率（kW）计算容量，代表着氢储能系统的“放电”功率；中间的储氢环节，多以氢气的体积（标准立方米Nm3）计算容量，如换算成电能容量，1Nm3氢气大约可产生1.25kWh电能，储氢环节的容量大小决定了氢储能系统可持续“充电”或“放电”的时长。
目前欧、美、日等都制定了氢能发展战略和详细的计划，并在迅速而有步骤地推进。
欧盟实现不依赖化石能源的可持续发展目标的其中重要一环就是实现Power-to-Gas（P2G）技术路线，即把可再生能源以氢气或甲烷等方式大规模储存起来并加以应用。根据德国制定的《氢能与燃料电池计划》中的“氢的生产和配送”部分分析，德国目前的发展进度已经大大提前。德国一些大型能源电力公司，如EON和ENERTRAG等都在政府的宏观指导和具体支持下积极实施P2G项目，以期最终实现利用风能等可再生能源的大规模制氢，这将是今后大规模利用风能最有前景的技术路线之一。下一步德国计划开展更大规模的20-50MW风力发电制氢的P2G示范项目，为未来的氢能源经济培育基础。
日本可能是世界上最接近氢社会的国家。这并不单单是因为燃料电池汽车
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（FCV）的产业化，而是因为全世界燃料电池进入千家万户的国家只有日本。2009年，家用燃料电池“ENE-FARM”的上市在全球开了先河。这种电池利用煤气和煤油提取氢气，注入燃料电池中发电。发电时产生的废热用来烧水、泡澡和地暖使用，能源效率超过9成。ENE-FARM的主机由松下和东芝制造，通过东京瓦斯、大阪燃气、吉坤日矿日石能源等公司销售。截至2015年1月底，松下在日本全国已累计出货约5.2万台ENE-FARM。
公开的相关研究资料也分析了氢储的技术领域的适用性问题。氢储技术在选择、设计、建造和运营等方面具有一系列标准，具体包括：安全标准、终端使用标准、运营标准以及经济性标准。
从目前储能技术研究的角度看，大量的热储研究领域集中在熔盐存储、矿层存储、低温储能，室温离子液体储能，并利用相变材料储能。典型的热储能是熔盐储能。熔盐储能技术早于1995年在美国的Solar Two塔式示范电站上进行了示范应用，并在2009年西班牙装机50 MW的Andasol1槽式电站上进行了首次成功的商业化应用，自此开启了熔盐储热的商业化之门。虽然其技术仍在发展之中，但熔盐技术固有的缺陷看起来比较难以克服，如有成熟应用的二元太阳盐的凝固点过高，导致其寄生性能源消耗过高；熔盐的腐蚀性对熔盐系统的设备材料要求较高，导致系统投资成本较高等。目前，熔盐技术正从两个方面发力来寻求更大的突破，一方面即革新熔盐的成分配比，采用低熔点熔盐等，另一方面即推进熔盐工质直接吸热传热技术的研发。
表7：抽水储能的特点
表8：压缩空气储能的特点
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表9：飞轮储能的特点
表10：热储的特点
表11：氢储的特点
储能产业“领跑”新能源市场 篇6
在能源互联网时代，储能产业所扮演的“电力硬盘”的角色越来越受到关注，电力公司、高科技公司、政府和电力用户都开始关注电力储存技术的潜力。目前，储能产业已经从概念发展成为智能电网规划的重要组成部分，世界各国的电网都在积极参与推动这一领域的技术发展。随着我国电力市场化程度的不断提高，储能产业在新电改的刺激下正在迎来重要发展机遇。特别是由于储能产业的发掘将解决可再生能源和电动汽车发展难题，储能产业已成为我国新一轮的投资热点。与此同时，中国也加紧对储能新技术的研发，力图将各种储能新技术加速应用到电力体系中，以此来促进中国能源体系的变革。
储能产业受到全球关注
美国能源企业特斯拉在今年4月推出了Powerwall家用储能电池，引起了各国的广泛注意。据称，Powerwall可以将电费低廉时储存的电能在电费高昂时释放，并与可再生能源（太阳能、风电）配套使用，所以其具备一定的经济性，这也成为Powerwall储能电池大规模推广的最重要原因。实际上，由于储能技术在发输配用环节可以实现调峰、调频、调压、容量调节等价值，所以先进储能产业正受到全球关注，很多先进储能电池生产商都相继在美国、亚洲和欧洲建立新工厂，欧盟、韩国、日本等国也都设立专项经费支持储能技术的研究与开发。
比如美国政府已将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术，并在政策制订、 资金扶持、补贴机制、投资税收抵扣等方面提供强有力的支持。日本政府除直接支持前期研发外，还扶持了大量示范性项目，以鼓励大容量储能技术的推广应用。
我国政府也十分了解储能技术和储能产业发展对中国能源体系的重要作用。并且早就在该方面展开了一系列的工作。据悉，目前中国的铅酸电池技术和抽水蓄能技术已经较为成熟，并且已经开发使用超过10年；以锂离子电池为代表性的第二代化学电池正在完成从实验室研发到大规模商业化的过程，目前正积极致力于储能及汽车用动力电池领域的应用；燃料电池、液流电池、金属-空气电池等技术正处于研发的过程中，但很多企业或研究单位的产品已经展示了进一步发展的潜力。
进入到2015年，国内储能产业在新电改政策的刺激下，正在迎来重要的发展机遇。
其中一个重要的发展方向是智能电网的建设亟需储能技术的支持。由于储能技术可以为电力发、输、配、用各环节提供了有效的能量缓冲和能量润滑，并且在一定程度上对电力使用进行更合理的二次调配，所以可以大大改进电力使用的可靠性和经济性。智能电网所强调的电网能量管理智能化的要求、对电力可靠性和经济性的要求、对新能源接纳的要求都为储能产业的发展提供了前所未有的发展机遇。
与此同时，我们也看到中国的储能应用示范项目正在呈现爆发发展的态势。其中一个方向是分布式发电及微网的建设所带动的储能项目的建设，另外是再生能源并网也带动了储能项目的发展。随着中国微电网电价及补贴方案进入征求意见稿讨论阶段，微网项目或有望获得70%的系统补贴。若该政策得到落实，将会激活中国储能产业蓬勃发展，甚至撬动全球储能市场。
解决新能源和电动汽车发展难题
目前我国正在进入经济发展的转型期，我国经济多年依靠的投资、出口、消费三驾马车遇到了前所未有的问题，同时粗放式的发展模式已经让我国的单位产品的资源消耗量、环境污染远远高于发达国家。中国经济正在向资源消耗少、产出效益好、人民安居乐业的发展阶段转型。新能源发展在低碳转型的过程中给人类提供了清洁可持续的能源来源，电动汽车的崛起则为石油大规模替代提供了可能。此外，新能源和电动汽车产业的发展因为涉及的产业链长，波及面广，所以这两个产业在我国产业转型过程中受到了特别的重视。
不过，新能源具有间断性的特点，电网无法大规模消纳并网。新能源在运行过程中很多是“靠天吃饭”，无论是风能还是太阳能。在没有风的阴天，如何保证居民的的正常生产生活用电？电网的运营需要稳定频率，风能和太阳能每天大起大落，如何防止波动引发停电事故？
反复研讨之后，世界各国都把“突围”的重担压在了储能产业的建设上。主要原因就是储能既作为能量来源，也作为负载，特别是平抑大规模清洁能源发电接入电网带来的波动性，提高电网运行的安全性、经济性和灵活性。当然，储能技术对电网的运行还有其他好处，比如帮助增加可再生能源的渗透率，促进分布式（微电网）发电的发展，通过电价设计，促进电力市场自由化（比如前述的Powerwall家用储能电池）。
所以，当前我国十分重视储能技术在新能源电网建设中的应用。其应用的中短期目标是让电池储电系统充当电网“稳压器”，当可再生发电能力超过用电需求时，把多余的电力储存起来，晚上风力不足或没有太阳的时候，释放储存的电力。长期目标则是建设能源互联网，储能技术可以让原来“刚性”的电力系统变得更加柔性，所以其在确保大电网安全性和可靠性、加强区域电网峰谷负荷调节能力、提高输变电能力、改善电能质量等方面有着重要的作用。
储能技术对电动汽车发展的重要性则比较直观。
电动汽车以电力代替石油产品，没有尾气污染，是解决我国能源和环境问题的重要手段。目前世界上越来越多的国家、企业投入到电动汽车的发展行列中，新的电动汽车企业不断涌现。而作为世界第一汽车产销国，我国政府把电动汽车的发展作为汽车产业应对能源安全、气候变化和结构升级问题的重要突破口，以及实现汽车产业跨越式发展的重要举措。
然而，当前我国电动汽车产业发展仍受诸多技术因素影响，比如电池的电量、充换电技术、服务定价机制、商业推广模式等。其中最为关键的环节仍然是电池能量。2000年以来，世界电动汽车发展的突破，也与电池能量，即储能技术进步迅速密切相关。铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池等让电动汽车不断获得越来越高的动力支持。目前，全球汽车制造商使用的动力电池主要使用锂电池，比如以特斯拉为代表的镍钴铝酸锂电池（钴酸锂电池）、以比亚迪为代表的磷酸铁锂电池和以日本汽车为代表的锰酸锂电池。但是由于锂电池的能量密度低，目前电动汽车的行驶里程一般只有150-300公里之间。
新的储能技术似乎出现了曙光。据西方媒体2014年末报道，西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发的石墨烯电池，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里，被石墨烯研究者称做“超级电池”。按照西班牙上述机构的数据，石墨烯也可能大幅度增加电池的容量。“超级电池”参数显示，其能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍；使用寿命是目前锂电池两倍；其成本将比目前锂电池降低77%。这有望解决新能源汽车长期面临的充电速度和巡航里程问题。
电动汽车的充电、巡航里程和安全问题都涉及电池。储能技术作为新能源发展和电动汽车发展的关键环节，其技术突破将改变整个世界的能源格局。储能技术作为新能源时代的核心技术之一，必将为人类打开一扇通往新能源时代的门。对于中国而言，电动汽车、储能技术和风电、太阳能的有效结合，除了清洁发展，还可以形成对石油的有效替代，保障能源安全，这正是政府重视储能技术的发展的原因。
中国加紧研发储能新技术
当今世界，储能技术及产业的发展已经成为衡量一个国家综合国力的主要标志，成为国际智力和经济力竞争的新焦点和主要手段。目前世界储能技术发展和研究水平较高的国家主要是日本、美国等国家，这些国家已经具备较为完备的储能研发基础，并得到政府的充分重视，因此在研究上也往往比较超前和完善。
比如目前世界上超级电容的市场份额基本被日本、美国、俄罗斯占据，其中日本超级电容的生产量占全球超级电容生产总量的50%以上。相比之下，我国国内从事小容量超级电容生产的厂家有20-30家，但能实现批量生产大容量超级电容器并达到实用化水平的厂家只有5、6家；压缩空气储能、飞轮储能处于研究阶段，还没有成熟装臵和产品，以国外企业为主。即使是水电储能领域，虽然我国水电设备企业有产业基础，但技术和市场份额远远落后国外企业。
正因为如此，近几年来，我国政府及相关研究机构针对我国在能源互联网、规模化储能、微电网储能、分布式可再生能源储能、通讯基站储能、工业节能用储能技术、家庭储能、电动汽车风光储充（换）电站等应用领域需求，积极组织实施储能产业技术研究，推动前瞻性关键技术、产业标准的发展，也取得了一定的进展。
比如压缩空气储能系统具有储能容量大、电能转换效率高、安全可靠、环境友好等特性，被视为继抽水蓄能电站之后一种极具潜力的大规模储能系统。由中国科学院理化技术研究所、清华大学及中国电力科学研究院共同研制的“500kW非补燃压缩空气储能发电示范系统”在安徽芜湖成功实现励磁发电，完成100kW发电的阶段目标。此次系统发电成功，标志着我国在大规模压缩空气储能领域的一项重要突破，这对推进我国储能产业的发展具有重要意义。
全钒液流电池是一种适用于风能、太阳能等可再生能源发电过程的大容量蓄电储能装备，能够克服风能、太阳能发电的不稳定、不连续的缺陷。清华大学王保国教授课题组利用该研究成果已经开发成功5 kW、10 kW两种规格的电堆，能量效率超过73%，进入批量试制阶段。该电池具有容量大、寿命长、效率高、成本低、安全可靠的特点。据悉，该课题组的科研成果“大规模蓄电储能的全钒液流电池技术与装备”采用自主创新的质子传导膜、电解液、电堆设计与制造技术，在电池性能与性价比方面十分具有竞争力。该项目还在去年获得日内瓦国际发明展览会奖，是我国全钒液流电池储能装备与技术在国际上首次获得大型奖项，对我国储能技术与产品在国际上得到认可具有里程碑意义。
电动汽车技术的发展，对动力锂电池在大功率输出和安全性能等方面提出了更高要求。由中科院青岛生物能源与过程研究所建立的青岛储能产业技术研究院成功开发出新一代全固态聚合物锂电池，已经与山东威能环保电源有限公司签订合作协议。据悉，青岛储能院利用具有完全自主知识产权的湿法抄造、界面耦合和功能化修饰等技术，成功研制出高安全性和耐高电压的动力锂电池隔膜。同时，研究人员以自主研发的阻燃纤维素为基材，通过功能化改性和耦合等相关工艺，研制出一款新的全固态聚合物电解质。其具有较高的机械强度、优异的倍率充放电性能以及较宽的温度使用范围，应用前景广阔。
高能镍碳超级电容电池，既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池储能高的特点，是近年来世界各国竞相发展的核心动力储能设备。由中国工程院周国泰院士领衔的科研团队研发生产的高能镍碳超级电容电池，在安全性、记忆性、充电时间方面取得了突破，在容量、寿命、充放电效率、安全性能等方面都有独特的优势。高能镍碳超级电容电池的标准检测寿命5万次以上，实际使用充放电循环已达1.5万次，是普通蓄电池的25～100倍。充放电效率方面，该电池充电10分钟即可达到其额定容量的95%以上，大电流放电能力强，能量转换效率高。而由于独特的工艺，高能镍碳超级电容电池在遇到过充或短路也不会导致危险，外部剧烈撞击或燃烧也不会爆炸，而且具有良好的高低温性能与环境适应性，可在零下40℃至零上70℃之间正常使用。
另外，中国科学院上海硅酸盐研究所通过和上海市电力公司合作研发的大容量钠硫储能电池也获得重要突破，他们成功研发的具有自主知识产权的容量为650Ah的钠硫储能单体电池，使我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家。
总体来看，随着技术上的突破和新材料的引入，储能产品性能上的提升和成本的降低是整体的趋势。我国当前已经在储能技术研究不断获得突破，中国电力科学院、中科院工程热物理研究所、中科院过程工程研究所、中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、上海交通大学、华南理工大学、北京工业大学、香港理工大学等国内外知名高校、科研院所，以及宁波南车新能源科技有限公司、今日能源科技发展有限公司、北京英格海德分析技术有限公司等领军企业也取得了很多突破。
应用示范项目引导储能市场建设
储能技术在电力领域的应用非常广泛。但是由于成本因素的制约，当前户用储能系统的市场仍然没有完全打开。为了打开市场，扩展应用范围和工程规模，众多应用示范项目正在引导着储能市场的建设。
国家电网在发展可再生能源的过程中发挥着重要的“通路”作用。在很多微网的建设中，储能项目是必须建设的项目之一。为了更好地评估我国储能产品的性能和减少可再生能源对电网的冲击，国家电网先后建设了多个储能系统和解决方案，以求抢占户用储能市场的先机。这些项目不仅分布在华北、西北地区的风电储能、分布式发电及微网储能项目中，在华东和华南地区的海岛分布式发电及微网储能项目也有很多。这些示范项目可帮助分布式能源实现独立微网运营，有效解决目前的新能源弃电问题。另外还可以有效解决风电、光伏等间歇性能源并网的问题，提升新能源发电的经济性。在微网的应用端，储能装臵可以使分布式能源在不接入大电网的前提下独立、全天候运营发电。
不少新能源企业为进入储能市场，也纷纷建立了自己的示范项目。比如比亚迪已经在坪山新区比亚迪厂区建成了全球最大的用户侧铁电池储能电站，这也标志该电站全面进入商业化运营阶段。据了解，新落成的储能电站占地面积1500平方米，建设容量为20MW/40MVH，由比亚迪电力科学研究院自主承建，于2013年9月开始建设，2014年7月竣工。该储能电站可实现工业园用电负荷自主调解，是目前全球最大的用户侧铁电池储能电站。据比亚迪公司副总裁、电力科学研究院院长罗红斌介绍，根据公司规划，比亚迪还将在深圳、长沙、西安等工业园区建设总规模为100MW/200MWH的储能电站。
还有一部分示范项目来自于科研单位和企业的合作。比如上海硅酸盐所等“钠硫电池”开展电站应用工程示范项目。该项目是中国科学院上海硅酸盐研究所与上海电气（集团）总公司、国家电网上海市电力公司，面向新能源、智能电网的战略需求，按照“产研用”模式推进的储能技术产业化项目。该项目经过近三年的艰苦攻关才完成了电池性能提升与产品化研制、规模制备技术路线论证等主要工作，贯通生产线，形成定型产品并下线。目前该电站首组堆仓已经成功并网，进入现场试运行阶段。国家科技部、国家电网公司等有关负责人、专家到崇明实地调研，对钠硫电站工程化应用进展给予高度肯定。
这些示范项目正在为储能市场尤其是储能系统集成市场注入新的活力。随着储能成本不断走低以及国家储能补贴政策落实，毫无疑问，储能大时代的序幕已经拉开。目前我国的储能技术正在从实验室试验阶段逐步向示范工程建设阶段以及商业化运营快速发展。未来十年，我国储能产业将达到万亿以上的投资规模，储能技术诱人的应用前景正吸引着国内众多科研人员以及投资人的注意。
能源储能将开启黄金十年
各类型储能在技术特性和经济性方面有着明显区别，在电力系统中也有着不同的应用方向。随着我国电网大区域互联电网的形成，以及可再生能源发电比例的快速增长，大规模储能系统对确保大电网安全性和可靠性、加强区域电网峰谷负荷调节能力、提高输变电能力、改善电能质量等方面有着重要的作用。
我国新能源储能技术的应用于 2011年开始起步，截至2014年末储能技术累积装机量约81MW。2014年末，国务院出台《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》。其中明确为提高可再生能源利用水平，要“加强电源与电网统筹规划，科学安排调峰、调频、储能配套能力。储能作为新能源建设的配套设施有望迎来爆发式增长，开启黄金十年。有关部门预计中国储能市场（不包含抽蓄，压缩空气及储热）的容量有望于2020年超过1吉瓦，对应65%的复合增长率。
据了解，储能作为“9个重点创新领域”和“20个重点创新方向”之一，目前已被写入中国国家级能源规划文件，有望形成“十三五储能产业发展规划”。从2015年投运、规划和在建项目的统计情况来看，中国的储能已经形成两个应用热点，其中一个是分布式发电及微网，另一个是可再生能源并网。此外，随着中国微电网电价及补贴方案进入征求意见稿讨论阶段，微网项目或有望获得70%的系统补贴。若该政策得到落实，将会激活中国储能产业蓬勃发展，甚至撬动全球储能市场。
目前国内已经形成系列能源材料及高能电池产品的产业集群，比如宜春、承德、长沙等产业基地建设已经颇具规模。其中宜春国家锂电新能源高新技术产业化基地于2011年年初正式揭牌，该基地为提升锂电产业的核心竞争力和集聚力，沿着锂矿原料-碳酸锂-锂电池材料-锂电池-锂电汽车的产业链进行布局。承德则是以钒电池项目为核心，力争建设“中国储能技术研发基地”和“中国最大的储能电池生产基地”，打造中国“钒谷”。长沙以储能材料为节点，以“新动力”和“新储能”为核心，正在打造成为中国的“储能材料之都”。目前长沙已建成3个国家级重点实验室，5个国家级工程技术中心，集聚10名院士，超过两万名专业技术人员，每年开发出100多项科技成果。
储能项目美好的未来还在于其可以直接作为交通工具的动力，这在众多的城市轨道应用中很有吸引力。比较有代表性的是广州海珠有轨电车示范线项目，该项目是世界首列采用超级电容的储能式100%低地板有轨电车。由于完全采用超级电容储能电源驱动，所以电车不排放废气，运行无需架空受电网，能在乘客上下车的20、30秒钟时间里快速充满电，一次充电后能连续行驶4公里。制造该列车的南车株洲电力机车有限公司目前也正在积极推动该种列车的市场化。
相变储能材料在绿色建筑中的应用 篇7
1相变储能材料的分类
相变储能材料根据其化学成分可以分为两大类:无机相变材料和有机相变材料。利用相变储能材料作为建筑材料可以提升住宅的整体舒适度, 因此对其有一定的功能要求。首先需要使建筑内部温度保持在一定区间内;其次将相变储能材料与建筑材料进行复合, 形成的新型材料应保证其耐久性及两种材料的复合性;再次, 相变储能材料应用于住宅中, 与住户形成较为密切的接触, 因此要求所使用的相变储能材料具有无毒性及耐火性。
1.1无机相变储能材料
无机相变材料的种类主要包括无机结晶水盐类、熔融盐类及金属类。其中无机结晶水盐类常用于建筑材料中, 其具有导热系数高、溶解热大、相变体积大、价格低等优点。无机相变储能材料的不足之处在于其过冷度大, 容易产生相分离与老化变质等病害, 应用于建筑材料时要通过加入增稠剂及成核剂等办法来解决。
1.2有机相变储能材料
有机相变材料的种类主要包括脂肪酸、高级脂肪烃类、醇类、聚烯酸类以及聚烯烃类。其中石蜡类常用于建筑储能材料中, 其具有固态成型效果好、耐腐蚀、稳定性好、不易发生相分离及过冷现象等优点。有机相变材料的不足之处主要是导热系数较小、密度低、易燃易挥发等, 在应用于建筑材料时常常通过加入铝粉等导热系数较高的金属粉末来弥补此缺点。
2相变储能材料在绿色建筑中的应用
相变储能材料在绿色建筑中的应用主要分为两类: (1) 将相变储能材料用于建筑围护结构, 建筑成为相变储能围护结构, 其可以调控住宅温度; (2) 将相变储能材料与混凝土材料结合, 制作出相变储能混凝土, 其能减缓水泥水化热放热速率, 减少大体积混凝土中因水化热放热引起的微裂缝。
2.1相变材料应用于墙体
石膏基质材料属于一种绿色建筑材料, 具有价格便宜、轻质耐久、隔音隔热等优势, 且具备呼吸功能, 能够调节建筑内部湿度, 是一种良好的建材墙板。将相变储能材料混合掺加到石膏中, 制作得到相变储能石膏板, 作为一种外墙的内壁材料。相变储能石膏板中的相变储能材料在相变过程中可以蓄能放能, 因此可以提高住宅内部的环境温度。
2.2相变材料应用于天花板
建筑天花板和建筑墙体一样, 都属于建筑围护结构。相变储能材料用于天花板是指将相变材料混合在天花板材中, 白天利用百叶窗反射阳光至天花板, 相变储能材料将太阳能储存下来, 晚上将所储存的能量释放出来, 平衡室内温度, 进而提高居住的舒适性。
2.3相变材料应用于混凝土
绿色建筑发展的一个重要趋势是发展绿色节能型混凝土。大体积混凝土在养生过程中, 释放巨大的水化热并产生温度应力。将相变储能材料掺入混凝土中, 可以生产出相变储能混凝土材料, 其用于大体积混凝土工程可以有效减小混凝土内部地放热, 相变储能混凝土的内部温度大幅降低, 有效延缓了内部温度峰值的出现时间, 且温度变化率也变小, 减少了混凝土温度裂缝, 提高建筑物的耐久性。
3结语
随着我国建设良性社会的持续进行, 对于绿色建筑材料节能性的要求越来越高。相变储能材料用于建筑材料中, 完全符合绿色建筑的发展要求。
摘要：相变储能材料由于其优越的节能性, 成为国内外的研究热点。文章通过阐述现有相变储能材料的分类, 介绍了相变储能材料在石膏、混凝土及相关建筑材料中地运用, 简要分析其在绿色建筑中的应用, 所得结论可为绿色建筑的设计及研究提供相关参考。
关键词：相变储能材料,建筑材料,绿色建筑
参考文献
[1]王信刚, 马保国, 王凯, 等.相变储能建筑材料的研究进展[J].节能, 2005, (12) :10-14+2.
[2]施韬, 孙伟.相变储能建筑材料的应用技术进展[J].硅酸盐学报, 2008, (7) :1031-1036.
建筑用相变储能材料的应用与发展 篇8
一、相变储能材料
热能储存主要有三种方式, 显热储能、潜热储能和化学反应储能。利用显热储能时, 材料自身只有温度发生变化, 无其他变化。这种储能方式简单、成本低, 但在释放能量时, 材料的温度会连续变化, 不能维持在一定的温度下释放能量, 达不到控制环境温度的目的。而利用化学反应储能, 尽管储能密度大, 但其复杂的制备工艺限制了它的使用范围, 目前仅在太阳能领域有所应用。
目前应用最多的是潜热储能, 就是利用相变材料在其发生相变时将热量以潜热的方式储存或释放, 通过恰当的方式在建筑材料中加入相变材料, 就能达到室内温度被有效控制的目的。
二、建筑用相变储能材料
相变储能材料按其化学成分可分为无机相变材料和有机相变材料。国内外研究得较多的是无机水合盐类和有机类相变材料。并不是所有的相变材料都能用于建筑中, 能用于建筑中的相变材料应满足以下几点: (1) 相变温度在20～25℃左右; (2) 熔化潜热大; (3) 导热性好, 相变速度快, 相变过程可逆性好; (4) 性能稳定, 可反复使用, 寿命长; (5) 无毒, 无腐蚀性, 与建筑材料的相容性好; (6) 原料来源广、价格便宜。
目前, 还没发现完全满足这些条件的相变储能材料, 现在多从相变温度和相变焓的角度进行筛选。表1中例举了常用于建筑中的部分具有适宜相变温度和相变焓的相变材料。
三、相变储能材料在建筑中的应用
由于常用于建筑中的相变材料多为固液相变材料, 在发生相变时存在相变材料泄漏、基体材料腐蚀等问题, 所以不能直接用于建筑结构中, 通常需要将其与建筑材料结合起来使用。
(一) 相变储能材料与建筑材料的复合工艺。
目前, 建筑材料基体与相变储能材料的结合主要有三种形式:浸渍法;微胶囊法;直接混合法。
1.浸渍法。利用多孔建筑材料直接吸附相变材料, 如膨胀珍珠岩, 石膏板。此法生产工艺简单, 易于对已有的建筑材料进行改进。制备的相变储能建筑材料在储能方面有较大的提高, 但是对相变材料的泄漏、相变材料对基体材料的腐蚀问题始终难以有效解决, 因此不能得到实际的推广应用。
2.微胶囊法。是利用成膜材料通过物理或化学方法将相变储能材料 (固态或液态) 封装成微小颗粒, 应用于建筑材料。相变材料被一层膜包覆, 在相变过程中, 膜层始终保持固态, 有效解决相变材料泄漏、相分离以及腐蚀性等问题。但是这种技术将大大增加了材料的成本, 限制其大规模应用。
3.直接混合法。即将相变材料直接与建筑材料熔融后混合在一起, 制成成分均匀的相变储能建筑材料。此法优点是工艺简单, 易制成各种形状和大小的建筑构件, 满足不同建筑需要。但是在发生相变过程中, 易出现相分离问题。
(二) 相变储能建筑材料的应用。
1.相变储能材料在石膏基体中的应用。石膏是一种绿色环保建筑材料, 轻质、抗震性好, 具有一定的调温调湿功能, 有一定的防火性能、隔热隔音效果。在石膏板中加入相变储能材料制得的相变储能石膏板, 将其制室内壁材料, 由于相变材料在发生相变过程中的储放热作用课减小室内的温度波动, 提高室内的舒适度。Li Min等通过真空吸附法将石蜡吸附到膨胀珍珠岩中制成复合相变材料, 然后再将相变材料和石膏进行复合, 研究结果表明研究结果表明石蜡的使用有效降低了室内环境温度的波动, 但是也降低了石膏板的热导率。Lai, Chi-Ming等将相变材料制成相变微胶囊, 再添加到石膏板中, 通过控制添加量, 研究了相变石膏板的热工性能和物理力学性能。Neeper等将石蜡和脂肪酸添加到石膏板中, 在不影响其使用性能的情况下, 相变储能石膏板的储热能力较普通石膏板提高了十倍。
2.相变储能材料在混凝土中的应用。在建筑工程领域中混凝土是用途最广、用量最大的一种建筑材料, 未来的发展趋势是利用新的技术手段制备新型的多功能混凝土。研究人员越来越多的将研究中的放在开发相变储能混凝土中。用相变储能混凝土制成墙体, 在冬冷夏热地区或冬热夏热地区使用, 可降低室内温度波动, 有效缓解保温和隔热的矛盾, 达到节约能源的目的。相变储能混凝土的热工性能及其稳定性和耐久性取决于所使用的相变储能材料的类型以及相变材料的封装方法。Hawex等在混凝土中吸附石蜡、脂肪酸和醇类有机相变材料对混凝土进行改性, 使得混凝土的蓄热能力提高2倍。杨玉山等将硬脂酸丁酯吸附到活性炭中制成相变储能骨料, 替代部分的骨料 (卵石) 制成相变储能混凝土, 结果表明相变储能混凝土的储热能力得到显著提高。
3.相变储能材料在其他建筑材料中的应用。邓安仲等将相变石膏砂浆作填充层制备出相变地板, 并对其热物性能进行研究, 结果表明相变地板房的地板温度变化比普通地板稳定。刘成楼等将膨胀珍珠岩作为储能基体材料吸附石蜡制成定型相变储能材料掺入到抹面砂浆中, 对其热物性进行研究。结果表明与普通砂浆相比, 相变储能抹面砂浆的表面温度变化较稳定, 高温时可降低5.5℃, 低温时则提高2.5℃。
四、建筑用相变储能材料的应用展望
从目前的研究水平来看, 建筑用相变储能材料的应用还处于比较初级的阶段, 有很多实际问题亟待解决, 例如相变材料与基体 (石膏或水泥试块) 的相容性问题, 微胶囊封装工艺的成本问题都是目前较难克服的困难。在未来一个阶段, 建筑用相变储能材料的发展主要集中在以下几个方面:一是通过对单一相变储能材料的改性或对复合相变储能材料的进一步研究, 开发出满足建筑工程使用的具有适宜相变温度和相变潜热较大的储能材料。二是通过对相变储能材料与普通建筑材料的结合形式的探索, 开发出性价比更高的相变储能建筑材料。三是研究改善相变材料的导热性能, 提高相变材料与基体的相容性及混合后材料的热物性能和力学性能。四是针对不同的室内外环境条件, 开展房间热过程的数值模拟研究与模拟试验对应的实验研究, 建立分析相变建筑构件和蓄冷采暖系统的物理模型。
摘要：相变储能材料的开发已成为国际国内的研究热点, 本文阐述分析了建筑用相变储能材料的研究应用现状, 对相变材料在建筑中的应用进行了综述, 并对建筑用相变储能材料的研究进行了展望。
关键词：相变材料,建筑节能,应用发展
参考文献
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储能建筑材料 篇9
关键词：相变材料,浸泡温度,浸泡时间,容留率
0 引 言
相变材料添加到建筑材料中可提高建筑围护结构的储热能力,提高建筑物舒适度,降低建筑物冷热负荷,节约能源。相变材料与建筑材料的复合方式一般有直接掺混法、掺加能量微球法以及直接浸泡法3种。
李丽莎等[1]利用高密度聚乙烯为支撑材料,分别采用直接混合法和分层插入法制备定形相变墙体。颜家桃等[2]利用溶胶-凝胶工艺制备出了有机/无机复合相变蓄热材料。尹辉斌等[3]选取膨胀石墨作为无机支撑材料,石蜡作为有机相变材料,制备复合相变材料。尚建丽等[4]采用界面聚合的方法制备出以相变石蜡为囊芯、聚氨酯为囊壁的微胶囊。杨颖和闫洪远等[5]制备了癸酸与月桂酸的低共熔复合相变材料,选用膨胀珍珠岩作为基质,用直接浸泡法制得复合建筑材料。傅浩等[6]利用固体石蜡与液体石蜡熔融制得二元复合相变材料,将多孔超轻陶粒和高性能吸附剂作为基体吸附相变材料,将其用于水泥的试制。Min Li等[7]利用溶液插层法制备石蜡与膨润土复合相变材料。Sedat Karaman等[8]利用空隙结合法制备聚乙二醇与硅藻土混合的新型相变复合材料。Biwan Xu和Zongjin Lin[9]通过掺混法利用由石蜡与硅藻土复合而成的相变材料开发了热能储存水泥基复合材料。孟多和王立久[10]采用溶胶-胶凝法一步制备出纳米级复合定形相变蓄热材料。 吴其胜等[11]采用真空吸附法制备相变材料不同质量分数的二元有机低共熔物(CA-H)/膨胀石墨复合相变储能材料。邓安仲等[12]采用溶胶-凝胶法制备了以二氧化硅为载体的复合有机相变颗粒材料,配制了相变石膏砂浆。闫全英等[13]利用掺混法制备了不同掺量石蜡与水泥砂浆混合的相变墙体,并与普通水泥砂浆墙体的热性能进行对比。胡大为等[14]通过采用微乳化技术,将水分散于常温相变储能石蜡中;应用膜孔法,以海藻酸钠包封常温相变石蜡,制得储能微囊;将微囊与石膏基体复合后,制备得到储能建筑材料。建筑材料有很多种,其中常见的包括砌块、混凝土等结构材料,陶瓷、硅钙板、石膏板等装饰材料,聚氨酯、珍珠岩、挤塑聚苯板等保温材料以及其他材料等。适用于本吸收实验的基体材料一般应为多孔材料。本次实验选取多孔板材石膏板、硅钙板、挤塑聚苯板为建筑基体材料。石膏板具有隔声隔热、生产能耗低、加工方便、环保并且节省空间等特点;硅钙板具有良好的隔声、隔热性能,在室内空气潮湿时能吸收空气中水分子,空气干燥时又能释放水分子,可以调节室内干湿度;挤塑聚苯板具有优异且持久的隔热保温性、优越的抗水防潮性、防腐蚀经久耐用性。
本文采用直接浸泡法,选取3种常用建筑材料作为基体材料,3种二元混合物作为相变材料,制备了相变储能建筑材料,研究基体材料对相变材料吸收量的容留率的变化规律。
1 实 验
1.1 原材料
相变材料采用癸酸、硬脂酸、肉豆蔻酸、48#固体石蜡、液体石蜡,均为国药集团化学试剂有限公司生产。建筑基体材料规格尺寸为100 mm×100 mm的多孔石膏板、硅钙板、挤塑聚苯板。
1.2 实验过程
实验以65%固体石蜡+35%液体石蜡、70%癸酸+30%硬脂酸、70%肉豆蔻酸+30%癸酸3种二元混合物作为相变材料,采用直接浸泡法制备相变储能建筑材料。浸泡时间选取10 min、30 min、1 h、2 h、3 h、4 h,浸泡温度选为50、60、70 ℃, 分别测试石膏板、硅钙板、挤塑聚苯板在不同二元相变材料混合物、不同浸泡温度、不同浸泡时间时的容留率。
实验中,将相变材料置于恒温水浴中,待相变材料全部融化并稳定一段时间后,将已称重并编号的建筑基体材料放入相变材料中,按设定的时间浸泡之后称重记录,计算不同板材在不同酸中浸泡后的容留率。
2 结果与分析
基体材料对相变材料的吸收量可以用容留率表征[15]。3种基体材料在不同相变材料中浸泡后的容留率如图1~图3所示。
从图1~图3可以看出,浸泡试验中的前10 min,多孔基体建筑材料对相变材料的容留率迅速增大,随后容留率随时间的延长仍趋于上升,但变化较小。多数情况下,浸泡温度越高,相变材料的容留率越大;硅钙板在石蜡混合物中浸泡时, 与其它材料容留率变化规律有所不同,在相同的浸泡时间内, 浸泡温度越高,容留率越小。
随着浸泡时间的延长,基体材料对于相变材料的吸收趋于饱和,容留率增加不明显,浸泡温度对容留率的影响变弱, 在相同浸泡时间内,浸泡温度升高后基体材料的容留率增加不明显。
基体建筑材料吸收2种脂肪酸混合物的容留率相近,而对石蜡混合物吸收的容留率小于对脂肪酸的吸收;3种基体材料对相变材料吸收的容留率大小为:挤塑聚苯板>石膏板> 硅钙板。
挤塑聚苯板在相变材料溶液中吸收时,出现了一定的溶解裂纹,其原因是由于挤塑聚苯板的主要原材料聚苯乙烯树脂在高级脂肪酸中会发生溶胀现象。高温使聚苯乙烯发生热变形,加剧聚苯板的溶解裂纹产生,在70 ℃的浸泡温度中,浸泡30 min后挤塑聚苯板表面即开始出现溶解裂纹。
由于挤塑聚苯板内部为封闭的气孔结构,当发生溶解裂纹后,封闭的气孔结构遭到破坏,相变材料能够大量进入聚苯板内部,这些脂肪酸类相变材料又会继续使聚苯板内部发生溶解,从而产生连锁的溶胀效应。所以浸泡时间越长,温度越高,吸附的相变材料越多,容留率越大。
基体建筑材料在相变材料溶液中浸泡一段时间后,容留率变化曲线趋于平缓,容留率随时间延长增加不明显,而浸泡温度的升高并未使容留率显著增加。综合考虑经济性和可操作性等因素,多孔基体材料在相变材料中浸泡吸收时以浸泡温度50 ℃、浸泡时间1 h为宜。
由于挤塑聚苯板脂肪酸相变材料中出现溶胀,将对挤塑板使用产生影响,所以挤塑聚苯板不适宜在脂肪酸类相变材料中进行浸泡吸收。
3 结 论
(1)基体材料对相变材料的容留率随着浸泡时间的延长而增大,时间继续延长,相变材料容留率的增加值变小,浸泡时间取1 h为宜。
(2)基体材料对相变材料的容留率受浸泡温度的影响较小,浸泡温度取50 ℃为宜。
(3)3种多孔基体材料对石蜡混合物吸收的容留率小于对脂肪酸吸收的容留率;挤塑聚苯板对相变材料吸收的容留率最大,其次是石膏板,硅钙板对相变材料吸收的容留率最小。
储能建筑材料 篇10
1建筑节能用相变材料的选择与分类
被应用于建筑节能的理想相变材料必须具有以下性能: 相变温度合适、相变潜热大、化学性能稳定、无毒害、成本低、 热物性良好等。但实际上,没有一种相变材料可以包含以上所有性能。因此,选择相变材料时,优先考虑的是合适的相变温度和较大的相变焓,之后再考虑其他因素的影响。
目前,在建筑节能领域应用较多的相变材料主要包括无机相变材料、有机相变材料和复合型相变材料[5]。有机类相变材料主要包括石蜡、脂肪酸、醇类等,其优点是应用温度范围较广、无过冷和相分离现象、可循环利用,缺点是导热系数低,易燃。无机类相变材料主要包括无机水合盐、无机金属等,其优点是单位体积潜热储存量大、成本低而易得、导热性能优良、不易燃,缺点是相变时体积变化较大、有过冷及相分离现象[6]。复合类相变材料主要包括有机-有机、有机-无机和无机-无机类相变材料,通过复合的方式,可以克服单一类型相变材料的缺点,因此这一方式已成为目前研究的热点。 表1列出了在建筑领域应用的常见的一些相变材料。
2相变材料与建筑材料的复合方式
2.1直接加入法
直接加入法是指将相变材料与水泥、石膏、砂浆、混凝土等传统建筑材料直接混合,这种方法简便易行,经济成本较低。但是采用这种方法必须注意以下几点:(1)相变材料不能参与水泥的水化反应且不能与水化产物反应;(2)相变材料不能影响粘结剂和骨料之间的结合作用;(3)相变材料不能严重影响建筑材料的力学性能和耐久性。然而,大多数情况下直接加入法往往会导致相变材料发生泄漏,从而会与水化产物反应或者影响整个系统的力学性能和耐久度。Feldman等[10]通过直接加入法在石膏板中掺入21%~22%的硬脂酸丁酯制成相变墙体,该墙体物理性能与普通石膏板相差不大,蓄热能力提高了近9倍。
2.2浸渗法
浸渗法是指将混凝土、砖块、墙板等建筑材料浸泡在液相相变材料中,通过毛细管作用吸收相变材料。李乔明[11]使用浸渗法制备了含相变石蜡的复合建筑石膏材料,发现经过100次热循环后,相变温度升高了4.3%,相变潜热下降 了11%,耐久性较差。因此,此种方法制备的石膏板在实际使用中有较大的局限性。
2.3封装法
传统的复合方式会导致相变储能材料在与建筑材料的复合过程中出现严重的泄露情况,且较低的耐久性制约了相变储能材料在建筑节能领域的应用。为了解决这一问题,科研工作者们在将相变材料加入到建筑材料中之前,先进行了一次封装,从而可以有效地防止相变材料泄露,并且可以提高其力学性能和热物性。常见的封装方式包括吸附封装和微胶囊封装等。
2.3.1吸附封装
吸附封装是以吸附和浸渍的方式将相变材料吸附到膨胀珍珠岩、膨胀石墨、膨润土等多孔材料中,制备成颗粒型相变材料。多孔基体材料来源广泛,价格便宜,制得的颗粒型相变材料有效地解决了相变材料与建筑材料的相容性问题, 同时某些多孔材料还可以提高整个系统的传热性能。Sari等[12,13]以膨胀珍珠岩为支撑材料,分别以癸酸和月桂酸为相变材料,制备了颗粒储能相变材料,两种脂肪酸与珍珠岩有着很好的相容性,并且珍珠岩能够吸附大量的相变材料,经过1000次以上的热循环后,两种相变材料仍然保持了良好的化学稳定性和热稳定性。在后续的研究中[14,15,16],又以脂肪酸的二元复合物以及脂肪酸酯作为相变材料,与水泥、石膏、 蛭石、硅藻土、珍珠岩等多孔材料复合,制备了一系列的多孔基体相变复合材料。结果表明,通过二元复合法可以得到相变温度适宜的相变材料,而脂肪酸酯类的相变材料则具有较高的相变焓,且绝大多数的相变材料都具有良好的热稳定性和化学稳定性。魏艳玲等[17]以膨胀珍珠岩为支撑材料,癸酸-硬脂酸二元复合物为相变材料,利用真空吸附法制备了颗粒型储能相变材料,并将其添加到石膏基体中,制备了相变储能石膏板。结果表明,通过真空吸附法二元复合相变材料的吸附质量分数达到了75%,且经过500次热循环后仍然保持了良好的热稳定性,加入2%的铜粉后,石膏板的导热性能有了很大的提高。
2.3.2微胶囊封装
在微胶囊封装过程中,在粒径为1~1000μm的颗粒相变材料表面包覆一层较薄的天然或者人工合成的高分子膜, 这种封装方式可以制备出相变温度为-10~80 ℃的相变材料。微胶囊封装可以有效地防止相变材料的泄漏,增大相变材料的表面积从而提高传热速率。尚红波[18]分别以原位聚合法和界面聚合法合成了十二醇/脲醛微胶囊、硬脂酸丁酯/ 聚脲微胶囊和硬脂酸丁酯/聚氨酯微胶囊相变材料,研究发现当采取脲醛树脂与蜜胺树脂复配的方式时,十二醇/脲醛微胶囊相变材料的产率从50%提高到90%以上;当芯材壁材质量之比为3∶1时,硬脂酸丁酯/聚脲微胶囊经过400次热循环后、硬脂酸丁酯/聚氨酯微胶囊经过1000次热循环后都具有较好的热稳定性。蒋晓曙等[19]研究了影响石蜡-密胺树脂微胶囊的储热性能、包裹效率和表观形态的2个主要因素:三聚氰胺-甲醛的物质的量比和密胺树脂的固含量。结果表明,当密胺树脂固含量控制在10%~15%之间时,对胶囊合成的影响较小,当三聚氰胺-甲醛的物质的量比为1∶3时, 微胶囊颗粒表面光滑,无团聚现象,对石蜡的包裹率可以达到71%。Zhang等[20]分别以甲苯二异氰酸酯、二乙烯三胺、 聚醚胺为油溶性单体,正十八烷为芯材,苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物为乳化剂,乙二胺为水溶性单体,氯化钠为成核剂, 使用界面聚合法制备了正十八烷/聚脲相变微胶囊材料。其中,以聚醚胺为单体制备的微胶囊比其他两者具有更光滑的表面形态,更窄的粒径分布,更高的封装效率和反渗透能力, 但热稳定性相对较差。
微胶囊封装虽然解决了相变储能材料耐久性的问题,但由于其高昂的封装成本,很难实现规模化生产。为了降低微胶囊式相变储能建筑材料的成本,研究者们主要从微胶囊与墙体的复合方式及微胶囊的封装材料两方面着手。Biswas等[21]制备了一种新型的微胶囊相变储能材料,将石蜡封装在高密度聚乙烯小球中,之后将其与纤维板混合,并放置在测试建筑的外墙部分。经实体测试和数值模拟发现,与将相变材料掺入整个外墙墙体相比,将相变材料掺入外墙的内侧部分可以使得墙体具有更优越的热舒适性。这种复合方式大大降低了微胶囊相变储能材料的应用成本。Wang等[22]制备了一系列以碳酸钙封装的正十八烷微胶囊相变储能材料, 该相变材料有良好的热稳定性、导热性和耐久性。由于封装材料是易得、低成本的碳酸钙,使得该相变储能材料在工业化生产中有着良好的前景。
3相变材料在建筑节能领域的应用
3.1被动式相变储能
被动式相变储能指的是相变过程中完全依靠大自然的冷热源来储存能量而不借助人工冷热源[23],此类储能方式适用于昼夜温差较大的地区。Kuznik等[24]对一间翻新的办公室进行了为期1年的温度实时监测,其中一个房间的天花板和侧墙含有60%的相变石蜡微胶囊,另一个不含有相变材料其他完全相同的房间作为对比房间。研究表明,当墙体温度和空气温度在相变温度区间内变化时,相变材料可以充分发挥作用,从而调节整个房间的热舒适性。Neeper等[25]研究了相变储能石膏板的热性能,并研究了 相变材料 的相变温 度、熔化温度的变化区间和单位面积的潜热储存量的影响。 研究表明,在实际使用中日间能量存储量的范围在300~400 kJ/m2之间;当相变材 料的相变 温度接近 墙板的平 均温度时,日间能量存储量可以达到最大。Entrop等[26]研究了地中海气候条件下,含有相变微胶囊的混凝土板材在夜间对整个房间的调温效果。研究者们制作了4个模拟盒子用于测试,其中有2个盒子含有5%的相变微胶囊。研究表明,含有相变微胶囊的混凝土板材的最高表面温度降低了16%,最低温度升高了7%,说明在此气候条件下,相变材料可以在不借助人工冷热源的前提下有效地储存热量。为了提高建筑物内部的热舒适性,Miguel等[27]在抹面砂浆中加入了25%的相变石蜡微胶囊,并建造了模型盒子进行热循环对比实验。 研究表明,以相变储能砂浆制造的模型在春季和夏季的最高室温分别要比普通盒子低2.6 ℃和2 ℃,通过数值模拟得到的温度曲线也与实际检测的温度曲线非常接近,对相变材料的一些参数进行分析后发现,在砂浆中增加相变材料的掺量并不能明显降低室内最高温度,而针对不同的环境条件,需要使用不同相变温度区间的相变材料,从而达到最佳效果。 Sayyar等[28]以癸酸和月桂酸的二元复合物为相变材料,石墨为多孔基体,制备了定形相变材料,并制成了含有夹层结构的相变石膏板,之后分别建造了含有相变石膏板和普通纸面石膏板的测试模型,对模型内的温度进行实时监控,发现含有相变石膏板的模型室内温差要比对比参照模型低11 ℃。 经过数值模拟发现,相变材料的加入使得将温度维持在人体舒适度范 围内所需 要的能量 节约了近79%。Pasupathy等[29]制备了一种含有无机水合盐相变材料的建筑屋顶,经数值模拟和实验验证后,发现该建筑屋顶在冬季时能将温度维持在相变温度范围内,但是到了夏季,由于屋顶温度始终维持在相变温度以上,相变材料始终处于液相,因此无法发挥蓄热作用。对此,研究者通过数值方法从理论上研究了一种含有双层相变材料的屋顶的调温作用,上层相变材料的相变温度为32 ℃,下层相变材料的温度为27 ℃。经理论分析, 上层相变材料的相变温度需比夏季清晨的环境温度高6~7 ℃,从而可以使相变材料在热循环开始前处于凝固态。由于上层相变材料的存在,使得下层相变材料可以充分发挥调温作用,将天花板的温度控制在自身相变温度变化范围内。
3.2主动式相变储能
在某些昼夜温差较小的地区,如夏热冬冷地区,仅仅依靠大自然的冷热源,相变材料很难充分发挥其作用,为了解决这一问题,研究者们引入了人工冷热源来辅助相变材料的加热或制冷。常见的主动式相变储能装置主要包括相变蓄冷吊顶辐射供冷系统、相变储能热水采暖系统等。Koschenz等[30]制备了含有石蜡微胶囊的相变石膏天花板,并引入了毛细管冷却系统用于冷却相变材料,确保相变材料在每次热循环之前都处于完全凝固状态,使其能够充分发挥蓄热能力。 通过数值模拟确定了相变天花板所需要的热性能,经过实验测试后,发现在相变材料完全融化为液相之前,天花板的温度被控制在24 ℃以下,室内温度被控制在28 ℃以下。关于这种相变天花板的防火性能还需进一步验证。冯国会等[31]研制了一种新型的相变太阳能热水采暖地板,该地板包含毛细管热水加热装置和大体积封装的相变储能材料。对该地板的热性能进行数值分析和实验验证后,发现在热水加热装置关闭的16h内,相变地板为面积为11.02m2的房间提供了37677.6kJ的热量。进一步研究表明,改变供暖水温和装饰层材料的导 热系数有 助于调节 地板表面 温度。Ansuini等[32]在轻质辐射地板中加入了颗粒相变储能材料,并在辐射地板内部插入定制的钢片,提高其导热性能。经过有限元数值分析后,发现对于一个16m2的房间,在夏季相变材料的引入可以使蓄冷辐射的用水量降低25%,但是在冬季,相变材料对于整个系统的采暖辐射没有影响。Dubovsky等[33]以冬季亚热带地区的一间中间楼层的房间为研究对象,该房间配有8扇1.5m×1.5m的窗户,同时在地板下铺设了一层20mm厚的相变石蜡层作为热源,利用便宜的谷电来加热, 另一间除了没有窗户,其他配置相同。经实验比较,没有窗户的房间需要16kW的电量,要比有窗户的房间节约20% 的电量。在加入了翅片后,相变材料融化和凝固的速率都得到了提高。而相变材料给予了整个房间较高的热惰性,使得即使在电加热功率不足的情况下,室内温度降低依然缓慢。 牛润萍等[34]建造了两间主动式太阳房,以太阳能热水为热源,其中一间采用相变蓄热地板供暖,另一间采用干式地板供暖。经比较,使用相变蓄热供暖的房间室内最低温度比干式地板供暖的房间高2~3 ℃,室内温差减小3.5 ℃,相变材料与节能建筑围护结构结合使用,最大程度地利用了太阳能光热。闫全英等[35]研究了相变材料对热水采暖墙体热性能的影响,实时监测了墙体表面温度和热流变化,同时利用有限元分析分别对普通墙板和相变墙板的传热过程进行了数值模拟。结果表明,虽然在供暖过程中,相变墙板的表面温度比普通墙板低,但是当停止供暖后,相变墙板的表面温度和热流下降缓慢,仍然能持 续向室内 供热,室温波动 较小。 李建立等[36]以微胶囊石蜡作为相变材料,以木粉和高密度聚乙烯复合物为基质,制备了一种新型的定形相变材料,该相变材料有良好的导热性和力学性能,但是有明显的过冷度。 之后,研究者们通过数值方法分析了该相变材料作为地板电采暖系统中储热层的可行性。经分析,该相变材料能够有效地调节室内温度和降低用电成本,并且相变材料的作用很大程度上取决于电采暖系统的工作模式和相变材料自身的厚度。Mazo等[37]自建了数学模型用于模拟相变材料在辐射地板中的传热过程,首先通过Energy Plus建筑能耗模拟软件验证了所建立的建筑模型的精确度,之后建立了一维模型用于模拟辐射地板的传热过程,在此基础上引入了相变温度为27 ℃的颗粒定形相变材料作为案例分析。经数值模拟后发现,辐射地板引入相变材料后几乎可以完全把电能消耗从高峰期转移到非高峰期,与传统的辐射地板相比,节约了接近18%的能源消耗成本。
虽然主被动式相变储能的原理比较简单,但是目前国内对于整个建筑体系储能效果的评价仍不完善,影响了相变储能材料的规模化应用。周全等[38]提出了相对时间滞后率、节能效率和峰温差3种评价指标,并自主研制了评价装置。通过相变储能石膏板和绝热材料参比板的对照试验,验证了节能评价装置的可行性。其中节能效率和相对时间滞后率能够直接和间接地评价相变材料的主被动节能性,而峰温差的引入可以进一步评价被动式相变储能建筑的节能性。
4结语
目前国内外学者已经开发了大量不同类型的相变储能材料,并将其用于被动式或者主动式的建筑节能中。对于被动式相变储能,需要根据当地的气候条件及建筑围护结构的组成、朝向等选择具有合适相变温度的相变材料;对于主动式相变储能,其评价标准应当是相变材料的引入能否在原有的基础上带来能耗的降低。大量的实验探究和数值分析已经证明了相变材料在建筑结构中所起的积极作用,但是由于影响相变材料在建筑结构中表现的因素是多元化的,对此仍然需要进行长期的监测和进一步的研究。
摘要：将相变材料与建筑材料相结合,可以有效提高建筑的蓄热能力,降低室温波幅,实现建筑节能。主要介绍了相变材料的分类、与建筑材料的复合方式,并分析了国内外通过实验探究和数值模拟对被动式和主动式相变储能这两种节能方式的研究现状。针对不同地区的气候环境,需要选择不同相变温度区间的相变材料,必要时需要引入人工冷热源辅助完成相变过程。
压缩空气储能：探索能源循环之路 篇11
近代经济的快速发展，得益于化石能源如石油、天然气、煤炭等的广泛使用。然而据科学推算，化石能源将在21世纪上半叶迅速接近枯竭：石油储量将在2050年左右耗尽，天然气最多还可以用65年，煤的储量多些，但最多也就再供应不足200年。化石能源的短缺和供给的中断，必将深刻影响经济的发展，影响世界局势。事实上近10多年来，世界许多地区的冲突和战争都是因争夺能源而引发的。
为了有效应对化石能源耗尽所带来的能源危机，许多国家都在寻求化石能源的替代品，如风能、核能、太阳能以及生物燃料等。然而，不论是不可再生的还是可再生的能源，很大一部分都必须转化为电能加以利用。因此从历史发展的趋势来看，特别是随着化石能源的逐渐耗尽，未来能源最主要的形式将是电能。
然而电能却有一个非常不利的缺点：不便储存。在整个电网内，用户消耗的电能任何时候都等于电网内发电厂在同一时刻生产的电能，发电厂的发电量要随用户用电量的变化而变化。由于用户在用电高峰与用电低谷间的用电需求差别很大，往往会导致发电厂生产的电能，在用电高峰时不能满足用户的需求，而在用电低谷时大量的富余电量又不能得到有效利用。以上海近几年的统计数据为例，为解决全市每年约200小时的高峰用电负荷，仅对电网一项的投资每年就超过200亿元之多，而为此形成的输配电能力的年平均利用率却不到2％，造成了很大的浪费。如果能建立起大容量的电力储能装置，将对电能的合理利用起到“削峰填谷”的作用。通过储存电网夜间用电低谷时充足的富余电能，然后到白天用电高峰时反馈输出进行平抑，这样可以大大提高发电设备的利用效率，并节约巨额投资。
储能
正是由于电力储能装置对提高能源利用率有着重要的意义，因此发达国家早就开始了针对储能技术的研究。目前，世界上的储能技术归纳起来主要有物理储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）、化学储能（如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池等）和电磁储能（如超导储能、超级电容储能等）这三大类。由于化学储能存在成本高、容量小、且对环境有污染等问题，目前尚不适宜开展大规模的工业化应用；而电磁储能开展研究的时间还不长，技术还不够成熟。因此，物理储能作为一种相对成熟也是实际应用较早的储能方式，在工业应用领域占主导地位。
在各种物理储能技术中，抽水蓄能在规模上最大（可达上千兆瓦）、技术上也最成熟，但是它对地势有着特殊的要求：最好是在面积较小的范围内有着较大的水位高度落差。抽水蓄能对地理条件要求苛刻，并且对水源、道路交通都有特定的要求，如果不能利用已有的自然条件加以改造，完全通过人工兴建将得不偿失。
一个典型的抽水蓄能电站占地上千亩，需要修建上下两个水库以及包括引水管、导流管、引水渠、盘山公路等在内的配套设施，还会面临泥石流、山体滑坡、坝体开裂、管道破损等潜在的安全风险。即使在正常的使用过程中，也会面临着水源的蒸发与流失，如果没有合适的天然水源作为补充，将为此支付不菲的水资源成本。再加上水的粘度大，泵水所需耗费的功率高，因此抽水蓄能电站的能量转换效率一般也就在70%左右。然而，尽管抽水蓄能存在着如此多的局限性，但其仍然凭借技术上的成熟性在全球范围内得到了广泛应用。
除了抽水蓄能外，能够实现大规模工业应用的储能方式就是压缩空气储能（单机规模在百兆瓦级别）。压缩空气储能是指在电网负荷低谷期将富余电能用于驱动空气压缩机压缩空气，将空气高压密封在山洞、报废矿井、过期油气井、沉降的海底储气罐或地面储气罐中，在电网负荷高峰期释放压缩空气推动燃汽轮机发电的储能方式。1949年，压缩空气储能的第一个专利在美国问世；1978年，第一台商业运行的压缩空气储能机组在德国诞生。目前国际上已有两座长时间运行的压缩空气储能电站，分别位于德国和美国。由于具有效率高、寿命长、响应速度快等特点，压缩空气储能是目前最具发展潜力的储能技术之一。
压缩空气储能
压缩空气储能的两大优势使其能够成为一种重要的储能手段。首先，压缩空气储能在装机容量上可达上百兆瓦，规模仅次于抽水蓄能，便于开展大规模的商业化应用；其次，压缩空气储能在技术上较为成熟，并且其技术发展前景也较为广阔。
压缩空气储能是一种基于燃气轮机的储能技术，其原理是将燃气轮机的压缩机和透平分开。在储能时，用电能驱动压缩机将空气压缩并存于储气容器内；在释能时，高压空气从储气室释放，进入燃烧室助燃，燃气膨胀驱动涡轮做功发电。压缩空气储能的能源转化效率较高，一般在75%左右，其中德国一座装机容量为29万千瓦的压缩空气储能电站，其能源转化效率高达77%，如果再采用一些先进的技术（如超导热管技术等），其效率能进一步提升到80%以上。
由于技术成熟、规模较大，压缩空气储能的成本较低。以兴建一座200万千瓦的电站为例，如果采用抽水蓄能的方式，其投资额约为70～100亿元人民币，而如果采用压缩空气储能的方式，其投资额仅为50～60亿元人民币。即使与其他形式的储能电站相比，压缩空气储能仍然是成本最低的一种储能方式。同时压缩空气储能电站的建设周期也较短，一般仅需3到5年的时间，而建设一座同样规格的抽水蓄能电站则需要5到8年。如果在使用的过程中注意维护，压缩空气储能电站的寿命也可达四五十年，接近抽水蓄能的50年，是寿命最长的一种储能方式。
除了自身的能源转化效率较高、建设成本低之外，压缩空气储能电站的经济效益也十分明显。一方面，通过压缩空气储能电站的峰谷调节功能来满足用电高峰时的需求，可避免兴建火力发电站带来的投资与浪费（这种火电站仅在用电高峰时开机而平时都处在停机状态）。另一方面，以我国各地现有的“峰谷电价”来看，平均起来峰期电价是谷期电价的2到3倍。因此，如果在用电谷期将富余的电能通过压缩空气储能的方式收集起来，在用电峰期的时候再释放出去，即使其效率仅按75%来计算，相对于谷期电价来说仍有50%～100%的收益率。
压缩空气储能的应用
除了将富余的电能储存再利用，实现常规的“削峰平谷”之外，压缩空气储能技术还特别适用于解决风力发电和太阳能发电的随机性、间隙性和波动性等问题，可以实现其发电的平滑输出。经测算，如果风力发电装机占电网容量比例达20%以上时，则电网的调峰能力和安全运行将面临巨大的挑战。压缩空气储能尤其适用于大规模风场，因为两者有着天然的结合优势：风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转，减少了中间转换成电的环节，从而提高效率，而且存储的能量经过再次发电可以达到稳定的输出，从而为风能的大规模并网发电找到了另一条途径。
而随着压缩空气储能技术的不断发展，其应用领域也在不断的扩展，特别是伴随着压缩空气储能装置的小型化，其在城市内的应用前景也不断扩大。
首先，压缩空气储能装置可以作为楼宇大厦的应急电源。传统的应急电源一般是采用柴油发电机或蓄电池的方式。前者需要一定的启动时间，且设备容易老化损坏、可维护性差；而后者的容量有限，无法实现长时间的供电。随着压缩空气储能装置的小型化发展，使其作为应急电源成为了一种可能。相对于前两者，压缩空气储能装置的启动时间短、能量密度高，能够快速持续的供电，是一种非常有效的应急电源。而且其寿命长、维护方便，只需定期检测压缩空气量是否能够满足要求，在压缩空气量有所不足的时候，利用电网低谷时期的电力驱动空气压缩机适当进行补充即可。
其次，随着技术的发展，单个压缩空气储能装置的容量进一步扩大，其作为分布式电源的前景也更加明朗。并且由于空气在压缩与膨胀的过程中总是分别伴随着热量的释放与吸收，因此未来的建筑中可以通过一个压缩空气储能装置来同时实现供电和温度调节的功能，从另一个渠道来实现零排放的绿色建筑。
除了在电厂和建筑物上的应用之外，目前，国外已经开始探索基于压缩空气储能的混合动力车的研制，这种混合动力车不需要蓄电池或电动机，而是通过发动机活塞压缩空气来储存能量。在短距离或低速情况下，仅通过压缩空气来驱动汽车，当车速提高后，通过调整发动机的负荷（要么通过活塞压缩空气来增加负荷，要么用压缩空气驱动活塞来减小负荷）使其在最佳效率的状态下运转。实验的结果表明，这种基于压缩空气储能的混合动力车与当今的油电混合动力车节省的燃料相当，但成本却比后者低得多。另据报道，也有国外的研究机构开展了直接用储存起来的压缩空气驱动膨胀机做功作为汽车动力的试验，目前已经达到时速50千米，可行驶90千米的效果。
结束语
压缩空气储能具有广阔的市场前景和社会效益，然而直到最近两三年它才在我国成为研究和开发的热点。虽然国内的有关高校和研究院所也已开展了相关方面的研究工作，但主要还是集中在理论研究和小型实验层面。
空气，与我们航空人有着不解之缘；燃气轮机，也是航空发动机衍生发展的重要领域。压缩空气储能与航空工业的技术同源、产品相关，航空工业完全可以开展相关技术的研究与工程应用探索，在压缩空气储能技术领域书写出航空人的浓墨重彩。
相变储能材料热物性的测定方法 篇12
相变储能材料在建筑工程中的应用主要有以下几个方面:将相变材料加入到建筑墙体中制成了具有相变功能的相变墙体, 一般室外温度的变化对室内温度的影响很大, 当室外温度较高的时候, 相变墙体储存热量, 当室外温度较低的时候, 相变墙体释放热量, 因此, 室外环境温度变化的波动就被衰减或者延迟, 人体的舒适度得到提高, 同时空调和供暖系统的运行时间也得到了减少[3];将相变材料加入到混凝土中, 利用相变材料热效应, 降低大体积混凝土内外及各部位的温度梯度, 控制大体积混凝土的内部温度应力, 能够防止大体积混凝土温度裂缝的形成[4]。随着相变储能的深入研究, 我们需要知道相变材料的热物理性质, 从而筛选出较为合适的相变材料, 现阶段比较常用的测量方法有差示扫描量热法 (DSC) 和参比温度曲线法 (T-history) , 该文主要介绍相变材料的两种测试方法的原理及其在实际中的应用。
1 测试方法的原理介绍
1.1 差示扫描量热法 (DSC)
1.1.1 差示扫描量热法的原理
差示扫描量热法就是在程序控制温度下, 将有相变的样品与在测定温度范围内不发生相变的参照物进行比较, 测量两者的功率差或者温度关系的一种方法。应用差示扫描量热法可以测量样品在加热或者冷却过程中的各种特征参数, 例如:热焓、比热容等[5,6]。
DSC熔炉图像如图1所示, 样品在熔炉中的温度变化与参照物相比较, 温度传感器被放置在熔炉的表面上, 同时对样品和参照物进行加热, 样品和参照物之间的温度会发生偏差, 利用该温差可确定样品的热通量。通过热通量可确定比热容与温度的函数, 利用公式 (1) 可求解焓值[7]。
1.1.2 分类
(1) 热流型DSC。就是采用外加热的方式对样品和参照物进行加热, 测量在加热过程中样品吸收或者释放热量的多少, 以温度差的输出形式得以体现。
(2) 功率补偿型DSC。在样品和参照物加热的过程中, 使得样品和参照物的温度保持一致, 该方法测得的是在样品和参照物温度相同的情况下所需要的能量差[8,9]。
1.1.3 差示扫描量热法的影响因素
差式扫描量热法的测试结果精度高, 可测得多种重要的热物性参数, 例如:相变温度、相变焓等。因此, 差式扫描量热法被广泛的应用, 郭少朋[10]等应用差示扫描量热法测试分析了赤藻糖醇的相变温度和相变潜热, 汪振双等[11]应用差示扫描量热法分别测试了石蜡和石蜡/Si O2两种材料, 黄金等[12]制得无机型/陶瓷基 (Na2SO4/Si O2) 复合相变储能材料, 并应用差示扫描量热法对该材料的相变潜热进行了测定。
该方法优点较多, 应用广泛, 但对实验结果有影响的因素也很多, 例如: (1) 基线的选取。张均艳[13]探讨了基线的选取对实验结果有无影响, 发现坩埚材料对基线的测量有着不同的影响, 认为在实验开始前选择合适的基线是十分必要的。 (2) 升温速率。在DSC测量阶段, 应用较低的升温速率可以得到分辨率较好的图像, 但是实验耗时很长, 应用较高的升温速率又会使图像分辨率降低。王晓栋等[14]探讨了不同的升温速率对淀粉糊化的影响, 发现不同的升温速率所测的的结果差别较大。因此, 为了得到较为准确的实验结果应选择合适的升温速率。 (3) 取样量。取样量的质量越大, 其内部的温度梯度越大, 因此, 取样量的大小会对实验结果有一定的影响, 徐冬梅等[15]应用DSC对不同取样量的柠檬酸纯度进行测量, 发现取样量在1~3 mg间柠檬酸纯度测量的准确度较高。 (4) 保护气的流量。实验过程中通入保护气体会导致试样的一部分热量被保护气体带走, 对实验结果造成影响, 韩春艳[16]探讨了不同氮气流量对DSC结果的影响, 发现试样的特征数据虽有改变, 但改变不大, 认为需要气体保护的实验选择20 m L/min即可满足要求。
1.2 参比温度曲线法 (T-history)
1.2.1 参比温度曲线法原理
参比温度曲线法的原理[17]就是把相变材料和水分别放在相同的试管中, 使它们的温度大于相变材料的相变温度, 并将它们暴露在空气中进行冷却, 得到降温曲线。典型降温曲线如图2、3、4所示。
当Bi<0.1时, 可认为试管内的试剂温度是均匀的, 此时可应用集总热容法。相变材料的固态比热cp, s和液态比热cp, l以及相变潜热Hm可通过公式 (1) ~ (3) 求解。
式中, m为PCM的质量;m0为试管质量;mw为水的质量;cp, 0为试管比热;cp, w为水的比热;ρ为PCM的密度;tf为PCM的凝固时间。
把装有液态PCM的试管放在恒温水浴中冷却, 并假定: (1) 相变过程近似准稳定过程; (2) 忽略在固、液相分界面上PCM液体通过对流传给固态PCM的热量; (3) 近似为一维径向传热试管的径向比。此时固态PCM的导热系数Ks可通过同时公式 (4) 进行求解。同理, 将装有固态PCM的试管放在恒温水浴中加热, 液态PCM的导热系数也用此方法进行求解。
1.2.2 参比温度曲线法的影响因素
参比温度曲线法的实验设备简单成本低, 且能够同时进行多个测量, 操作简单, 测量时的相变过程可见, 相比DSC法其试剂量较大, 所得结果更接近于实际材料。但是, 在测得降温曲线时我们得到的实际上为离散点, 并非连续的曲线, 且在降温曲线中相变始末位置的确定也存在一定争议, 为弥补其不足, 李瑶[18]等以六水硝酸镁、六水氯化镁以及硬脂酸为材料, 得到降温曲线, 并用Matlab进行插值拟合。实验结果显示, 对于有过冷现象的材料, 采用三次样条插值法求得的相变潜热更接近准确值;对于无过冷现象的材料, 选取一阶导数最高点作为相变起始点测得结果更准确。Hiki Hong[19]等为了得到更准确的计算结果改进了参比温度曲线法的实验方法, 提出以一阶导数拐点作为相变结束点, 发现修改后的参比温度曲线法所测得的相变潜热更接近于DSC测得的结果。张芸等[20]采用参比温度曲线法并以一阶导数拐点作为相变结束点对蓄冷材料相变潜热进行计算, 并验证了蓄冷剂的可生物降解性。
2 结语
差式扫描量热法测量结果精度高, 可测得多种重要热物性参数, 在多种领域得到了应用。但是其实验设备比较昂贵, 在应用过程中受到了一定限制, 并且在实验过程中的取样量很小, 所测的结果并不一定能够代表整体材料的性质, 因此, 对于小量试样能够代替整体试样的材料, 采用DSC方法测量较为合适。