主  管:中国石油和化学工业联合会
主  办:化学工业出版社,中国化工学会
中国科学引文核心、中国科技核心
主  编:黄学杰
国内刊号:CN 10-1076/TK
国际刊号:ISSN 2095-4239
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2020年, 第9卷, 第1期 刊出日期:2020-01-05 上一期   
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学术争鸣
锂硫二次电池之我见
王久林
2020 (1):  1-4.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0261
摘要 ( 108 )   HTML ( 2 )   PDF(534KB) ( 106 )  

因为理论能量密度高和硫资源丰富,锂硫电池成为目前研究的热点之一。锂硫电池反应历程复杂、中间产物多,众多理解和说法与锂离子电池不尽相同。为此,从硫正极、锂负极、电解质和电池四方面,作者简述了对锂硫电池中相关问题的理解和看法。正极材料大致可分为“流动硫”和“固定硫”两类,二者各有特色,后者基于固固转化反应机制,有利提升体积能量密度和构建固态电池;锂负极寿命和电池安全性是锂硫开发过程中必须攻克的难关。

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热点点评
锂电池百篇论文点评(2019.10.012019.11.30
田孟羽, 季洪祥, 田丰, 起文斌, 金周, 张华, 闫勇, 武怿达, 詹元杰, 俞海龙, 贲留斌, 刘燕燕, 黄学杰
2020 (1):  5-17.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0281
摘要 ( 62 )   HTML ( 6 )   PDF(709KB) ( 58 )  

该文是一篇近两个月的锂电池文献评述,以“lithium”和“batter*”为关键词检索了Web of Science从2019年10月1日至2019年11月30日上线的锂电池研究论文,共有2731篇,选择其中100篇加以评论。正极材料主要研究了掺杂和表面包覆及界面层改进对层状和尖晶石结构材料的可逆容量、倍率特性循环寿命的影响。硅基负极材料研究侧重于复合材料设计和制备技术,金属锂负极的研究侧重于通过表面覆盖层和电解质的改进来提高其循环性能。固体电解质、复合电解质、电解液添加剂、固态电解质电池、锂硫电池、锂空气电池的论文也有多篇。失效分析涵盖对锂离子电池、金属锂负极电池和固态锂电池的分析,理论模拟工作包括界面SEI、固体电池界面和动力学等。

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储能材料与器件
MOFs及其衍生物作为锂离子电池电极的研究进展
李震东, 王振华, 张仕龙, 符春林
2020 (1):  18-24.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0159
摘要 ( 47 )   HTML ( 2 )   PDF(1161KB) ( 29 )  

锂离子电池是一种新型的二次能源,担负着未来电池发展的新方向,广泛应用于人们的生产生活中,但商品化锂离子电池的能量密度和循环性能目前还难以满足生产力发展的需求。人们在探寻性能更优的锂离子电池电极材料时,发现具有多孔以及大比表面积特性的金属有机骨架材料(MOFs)及其相应的衍生物相比传统电极材料,在提高锂离子扩散速率、缓解体积变化和保证循环稳定性方面具备更好的优势,因此,MOFs及其衍生物是一种非常有潜力的锂离子电池电极材料。为此,本文主要通过对近期相关文献的探讨,对MIL、MOF、ZIF和普鲁士蓝系列MOFs及其衍生物作为锂电池负极和正极的研究进行详细综述,着重介绍了上述材料的制备方法以及锂离子电池容量提高的影响机理,得出MOFs及其衍生物较好的电荷负载能力和多孔结构的特点,是相对于传统锂离子电池电极性能更优的原因。最后指出针对目前MOFs类电极材料遇到的最大问题,未来应在与其他导电材料复合,机械化学合成方法和不依赖昂贵材料三个发展方向进行努力,有望实现MOFs类锂离子电池电极材料的商业化发展。

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钾离子电池负极材料研究进展
张贺贺, 孙旦, 王海燕, 唐有根
2020 (1):  25-39.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0179
摘要 ( 80 )   HTML ( 5 )   PDF(3816KB) ( 74 )  

钾具有资源丰富、来源广泛,价格低廉的特点;在电化学体系中,钾具有较低的电极电势与较快的离子电导率,因此钾离子电池被认为是未来替代锂离子电池的理想储能体系。然而,由于钾离子的尺寸(1.38 ?,1 ?=10-10 m)远大于锂离子(0.76 ?),适用于锂离子电池的电极材料在嵌钾后会发生巨大的体积膨胀和结构破坏,难以满足实际应用的需要。近年来,为寻找适宜嵌钾的材料与抑制膨胀的方法,越来越多的电极材料体系被开发出来。本文综述了钾离子电池负极材料的研究进展,重点介绍了碳基材料(石墨、硬碳、软碳等),钛基材料,合金类材料,转化类材料以及有机化合物等体系的嵌钾机理与结构-性能关系,探讨了各体系材料存在的优势与缺陷;特别分析了存在于碳基材料的两种储钾机制(插层机制与赝电容机制)及各自对电化学性能的影响,指出了发生在电极表面的赝电容机制更适于钾离子的储存,并整理介绍了提高赝电容行为贡献量的方法。此外,展望了钾离子电池体系未来发展的方向和应用前景。

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燃料电池传热传质分析进展综述
葛睿彤, 郑艺华
2020 (1):  40-56.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0163
摘要 ( 32 )   HTML ( 1 )   PDF(3109KB) ( 37 )  

本文介绍了国内外在燃料电池传热传质领域的研究方法与进展。燃料电池作为高效清洁发电装置,影响其技术实用化的两个重要问题是热管理和传质受阻,充分了解传热传质规律对于提高电池效率至关重要。围绕固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)展开,从技术手段、研究进展等方面对前人的研究归纳和评析,包括温度测量及热质分析的研究方法,不同燃料电池产热及传热方式、温度分布、传质情况、改善电池性能可采取的有效手段。分析表明,涉及DMFC传热以及MCFC传质方面的研究较为欠缺,可考虑增加相关方面的研究。实验方法多应用于燃料电池测温,不同方法应用背景不同,各有优缺点。有限容积法作为数值模拟最常用的方法,计算量大,需依靠软件实现,不同软件适用于不同工况分析。可考虑基于数值模拟结合最优化算法处理实验数据,将模拟和实验结合,有望成为燃料电池传热传质领域更高效、准确的研究方法。

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络合剂对铁基普鲁士蓝结构及储钠性能的影响
龙宣有, 王捷, 赵丽娜, 赵海雷, 王康康, 高飞
2020 (1):  57-64.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0142
摘要 ( 88 )   HTML ( 3 )   PDF(1515KB) ( 108 )  

以普鲁士蓝及其衍生物为代表的新型储能材料,具有开放的框架结构,有利于钠离子的存储及快速迁移,作为钠离子电池正极材料具有很好的应用前景。其中,铁基普鲁士蓝材料由于资源丰富、制备过程简单、比容量高等优点,备受关注。普鲁士蓝的晶体结构对其电化学性能影响较大,特别是晶体中的钠含量、空位数量和结晶水含量。通过调整合成工艺参数,可以控制普鲁士蓝的晶体结构形式和组成。采用简单的共沉淀法,在制备过程中添加络合剂柠檬酸三钠,合成了富钠型铁基普鲁士蓝钠离子电池正极材料。借助X射线衍射技术(XRD)、扫描电子显微技术(SEM)、热重分析(TG)和电化学表征技术等测试方法分析了柠檬酸三钠络合剂在晶体结构形成中的作用,以及对材料电化学性能的影响。结果表明,添加络合剂制备出的铁基普鲁士蓝材料为单斜相,颗粒呈立方体状,结晶性和分散性良好,尺寸约400 nm。未添加络合剂的材料表现为立方相,颗粒为圆形,尺寸约150 nm,颗粒相互粘连出现明显团聚。单斜相样品具有钠含量高、水含量少的特征。用作钠离子电池正极材料,单斜相电极材料表现出更高的可逆比容量及更优异的循环性能和倍率性能。在30 mA/g的电流密度下,电极首次放电比容量为129.9 mA·h/g,库仑效率高达99.5%,循环100次后,容量保持率为75.7%。800 mA/g电流密度下的可逆比容量可达到45.3 mA·h/g。循环伏安测试和交流阻抗测试结果显示,单斜相电极材料相比于立方相电极材料具有更快的电化学反应动力学过程。文章还讨论了柠檬酸三钠络合剂在普鲁士蓝颗粒成核和生长过程中的作用机理。

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高温热处理对三维多孔石墨烯电化学性能的影响
伍世嘉, 肖祥, 王超, 钟国彬, 李欣, 郑超, 阮殿波
2020 (1):  65-69.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0147
摘要 ( 11 )   HTML ( 0 )   PDF(999KB) ( 5 )  

三维多孔石墨烯由于其独特的三维结构、高比表面积、优良的导电性能和多级孔径结构,被广泛用作超级电容器用电极材料。但目前三维多孔石墨烯的单位面积利用率仍然较低,其单位面积比容量仅有5.35 μF/cm2,远低于碳基材料的理论值(约21 μF/cm2)。为了提高三维多孔石墨烯的单位面积比容量,选择一种高比表面积的三维多孔石墨烯为研究对象,通过对其进行高温热处理,重点考察了高温热处理对三维多孔石墨烯材料导电性的影响,以及导电性能的变化对三维多孔石墨烯电化学性能的影响。研究发现高温热处理后三维石墨烯材料的比表面积由2009.8 m2/g急剧降低到1301.0 m2/g,这主要是由于高温热处理后活化石墨烯颗粒体积收缩,孔体积降低。拉曼光谱结果表明,高温热处理可以提高三维多孔石墨烯的石墨化程度,提高其导电性,EIS结果表明其等效串联内阻由处理前的4.0 Ω降低到1.4 Ω。导电性的提高使得单位面积比容量的保持率由原来的34.8%提高至45.2%,这表明三维多孔石墨烯的单位面积利用率得到明显提升。研究结果为三维多孔石墨烯电极材料的可控制备提供理论依据。

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石墨烯导电添加剂在锂离子电池正极中的应用
官亦标, 沈进冉, 李康乐, 管赵如鑫, 周淑琴, 郭翠静, 徐斌
2020 (1):  70-81.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0175
摘要 ( 134 )   HTML ( 3 )   PDF(1550KB) ( 138 )  

石墨烯的高电导率、大比表面积、优异的化学稳定性和力学性能,有利于其在锂离子电池正极导电剂方面的应用。与炭黑、石墨和碳纳米管等传统导电剂相比,石墨烯“至柔至薄”的独特二维结构能与活性物质实现“面-点”接触,实现电极上的“长程”导电,保证电子的快速传输。本文回顾了近年来石墨烯基导电剂在基础研究和产业化应用方面的进展,认为将石墨烯与炭黑或/和碳纳米管复配形成复合导电剂,能构建包含“面-点”、“点-点”、“线-点”的多元导电网络,兼顾“长程”和“短程”导电,有利于提高电极的导电性,改善其电化学性能,同时兼顾相对较低的成本,应用前景广阔。本文还对当前石墨烯基导电剂面临的问题及未来的发展方向做出了展望。

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实用化软包装锂硫电池电解液的研究
廖红英, 王维坤, 孟蓉, 金朝庆, 王安邦
2020 (1):  82-87.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0182
摘要 ( 11 )   HTML ( 0 )   PDF(1366KB) ( 15 )  

锂硫电池因其高能量密度而备受关注。电池性能与极片的含硫量、载硫量及电解液用量等因素密切相关,锂硫电池体系的复杂性导致多数情况下以扣式电池进行评价的数据失真。本文用1.8 A·h锂硫软包装电池在电解液与硫质量比为3.5∶1条件下,采用线性伏安扫描法(LSV)和恒流充放电法,研究了两种醚类电解液中电解质锂盐分别为双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、六氟磷酸锂(LiPF6)和四氟硼酸锂(LiBF4)、溶剂比例为乙二醇二甲醚(DME):1,3-二氧五环(DOL)为1∶1(体积比)和2∶1(体积比)时对锂硫软包电池的首次充放电、放电中值电压、循环性能和充放电效率的影响。结果表明,LiTFSI和LiPF6均适用于锂硫软包电池,LiBF4不适用,LiPF6 /DME∶DOL=2∶1(体积比)的体系更有利于锂硫电池的容量发挥,对电池循环也有更佳效果。文章基于软包装电池的研究结果具有较高的实用化参考价值。

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高温相变蓄热电暖器的数值模拟及验证
马美秀, 李振东, 康伟, 曾洪涛, 苏铁山, 胡荣辉, 胡晓
2020 (1):  88-93.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0155
摘要 ( 6 )   HTML ( 0 )   PDF(1518KB) ( 2 )  

根据近年来分布式电采暖的实际应用反馈分析,分布式电暖器升温慢、储热量不足、释热速率过快等因素影响了其在市场上的推广,主要原因在于分布式电暖器的使用环境、用户侧使用情况、电暖器设备本身等。本文基于设备本身原因,研发一种高温相变储热材料作为高温相变蓄热电暖器的储热介质,高温相变储热材料是一种碳酸盐-陶瓷基体复合相变材料,由微多孔通道陶瓷基体和较大黏度的碳酸盐组成,在相变状态下具有稳定的结构。为研究高温相变蓄热电暖器的升温速率、储热量、释热速率及用户使用效果,首先采用商业软件ICEPAK建立高温相变蓄热电暖器的数学模型,对电暖器的加热过程进行数值模拟研究,得到电暖器稳态时的温度分布图、非稳态储热过程温度上升曲线图,通过实验测试得到相同的储热过程升温曲线,从而验证了仿真结果的正确性。为测试高温相变蓄热电暖器的实际使用效果,采用用户侧室温实时在线监测方法,得到的升温曲线与仿真和测试结果一致,且室温保持在18~20 ℃,满足用户用热需求。

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泡沫铁对石蜡相变储热过程的影响
万倩, 肖浩南, 钱京, 何正斌, 伊松林
2020 (1):  94-100.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0161
摘要 ( 78 )   HTML ( 2 )   PDF(1279KB) ( 57 )  

发展储能材料可提高太阳能的利用效率,石蜡是一种储热密度高、相变潜热大的相变储能材料,但热导率较低。本工作采用泡沫铁来增强石蜡相变储能材料的导热性能,通过对不同厚度相变储能材料的制备及其在干燥介质温度70 ℃条件下升温过程的测试,探究石蜡及泡沫铁/石蜡复合相变储能材料(PCM)的储热性能。结果表明:添加泡沫铁能有效改善石蜡导热系数差的问题,提高储热过程中的传热速率,缩短相变持续时间。相比对照组,厚10 mm和15 mm的复合相变储能材料石蜡质量分数分别减小了5.56%和3.68%,开始相变的时间分别缩短了15 min和17 min,相变持续时间分别缩短了42 min和31 min。10 mm和15 mm的复合相变储能材料的储热密度分别为139.75 J/cm3和143.85 J/cm3,相比对照组分别减小了8.81%和8.01%;储热速率分别为3.05 J/s和3.96 J/s,是相应对照组的1.22倍和1.11倍。

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石蜡相变材料蓄热过程的模拟研究
邹勇, 仇汝冬, 王霞
2020 (1):  101-108.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0166
摘要 ( 5 )   HTML ( 0 )   PDF(1756KB) ( 5 )  

太阳能以其分布广、储量大以及极易获取的特点,成为人们发展清洁能源的首选对象,但太阳能的利用亦受到天气和季节的不利影响,如何高效地将太阳能储存起来仍是目前亟待解决的问题。掌握相变材料蓄热过程的影响因素对提高太阳能的利用率具有重要的指导意义。本工作建立了管壳式相变储能换热器的二维CFD模型,基于FLUENT软件的凝固/熔化模型,以石蜡为相变材料对其熔化过程进行仿真,分析了自然对流、石蜡厚度以及壁温对石蜡相变换热过程的影响。结果表明,自然对流对石蜡熔化起着显著作用;石蜡熔化总时间随石蜡厚度的增加而增加;并非壁温越高熔化速度越快,达到一定温度后,壁温对熔化过程的影响不大。

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金属泡沫/石蜡复合相变材料的制备及热性能研究
徐众, 侯静, 万书权, 李军, 吴恩辉, 刘黔蜀, 甘鑫
2020 (1):  109-116.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0187
摘要 ( 38 )   HTML ( 0 )   PDF(1680KB) ( 24 )  

利用泡沫铜、泡沫镍和泡沫铝为支撑材料,石蜡作为相变主材,通过恒温浸渍法和浇注法制备多种复合相变材料。研究吸附温度和时间对金属泡沫/石蜡复合材料中石蜡含量的影响,确定恒温浸渍法制备复合相变材料的优选条件为70 ℃水浴下吸附10 min,借助稳态平板法测导热系数技术和红外成像技术对优选条件下制备的复合相变材料的导热系数和温度场分布情况进行测试。结果表明,蓄-放热过程中泡沫铜/石蜡复合材料稳定性最好,温度分布最均匀;复合材料在50 ℃和35 ℃之间进行蓄-放热时,泡沫铝/石蜡复合相变材料的蓄-放时间最短;恒温浸渍法制备的复合相变材料导热系数比纯石蜡高5~9倍,浇注法制备的复合材料则比纯石蜡高6~13倍。本研究有助于推动泡沫金属/石蜡复合材料的成型应用,为今后复合相变材料温度场分布情况研究提供实验依据。

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储能系统与工程
基于IFA-EKF的锂电池SOC估算
张远进, 吴华伟, 叶从进
2020 (1):  117-123.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0127
摘要 ( 29 )   HTML ( 2 )   PDF(1244KB) ( 29 )  

以研究电动汽车锂电池荷电状态(SOC)估算为背景,针对EKF算法中的状态误差协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵难以取得最佳值的问题。建立二阶等效电池模型,结合脉冲功率特性测试实验,对电池模型进行有效地辨识。提出了一种基于改进的萤火虫优化扩展卡尔曼滤波(IFA-EKF)算法的电池SOC估算方法。基于动态工况和静态工况下的仿真实验,结果表明,IFA-EKF算法比EKF算法具有更精确的估计效果和更小的误差。

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基于多尺度锂离子电池电化学及热行为仿真实验研究
张志超, 郑莉莉, 杜光超, 戴作强, 张洪生
2020 (1):  124-130.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019-0185
摘要 ( 13 )   HTML ( 2 )   PDF(983KB) ( 19 )  

层叠式锂离子电池由许多相同的电极对单元叠加组成,每个电极对内部的物理化学特性对电池性能有着重要影响,然而,这些性质很难通过实验来测量。本文通过耦合质量、电荷、能量和电化学动力学方程,提出了一种三维电化学-热耦合模型,利用该模型,研究了层叠式锂离子电池内部电化学行为及热特性的时空分布。仿真结果表明,在放电过程中,极耳与极板连接区域电位分布与电流密度分布都存在明显的分布梯度,且在正极极耳处电流密度值最大,温升最高,放电结束时温升达到最大值8℃。电池不同位置的温升速率不同,放电前期,靠近极耳区域的温升速率较大,远离极耳处温升速率较小;随着放电过程的深入,远离极耳处的温升速率有增大趋势。本文建立的模型能够准确预测锂离子电池内部的电化学行为及温度场分布,为后续对电池的结构优化及热管理提供相关依据。

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基于高斯过程回归的锂离子电池SOC估计
李嘉波, 魏孟, 叶敏, 焦生杰, 徐信芯
2020 (1):  131-137.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0189
摘要 ( 50 )   HTML ( 0 )   PDF(1491KB) ( 30 )  

电池状态估计(SOC)在电池管理系统(BMS)尤为重要,由于SOC估计易受温度、荷载、充放电效率等外界因素的影响,因此估计精度很难保证。目前,有很多国内外学者利用机器学习算法进行SOC估计,然而神经网络(NN)的估计精度依赖于样本个数,支持向量机(SVM)在参数寻优时已陷入局部最优。因此为了提高SOC的估计精度,提出了基于高斯过程回归(GPR)的锂离子电池在线的估计方法,根据电池的测量参数,包括电流、电压、温度作为GPR模型的输入,SOC作为模型的输出,进行模型训练,并利用梯度下降法进行参数寻优。通过仿真和恒流充放电实验采集的数据来验证模型的有效性,并与SVM、LSSVM和NN相比,验证了模型的有效性和高精度性。

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基于ACO-BP神经网络的锂离子电池容量衰退预测
张新锋, 姚蒙蒙, 王钟毅, 饶勇翔
2020 (1):  138-144.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0190
摘要 ( 49 )   HTML ( 1 )   PDF(1262KB) ( 29 )  

准确预测电池的容量衰退趋势对加强电池系统的管理和维护具有重要意义。本工作选择以锂离子电池为研究对象,根据NASA实验室公开的源数据集分析、预测锂离子电池的容量衰退趋势。在室温、恒流工况下对锂离子电池进行满充满放的循环充放电试验,得到各循环周期下电池的实际额定容量值,采用紧支集正交小波分析对获得的电池监测数据进行去噪优化处理,得到更加平稳规律的电池容量衰退过程,然后利用蚁群算法(Ant colony optimization,ACO)优化BP神经网络的初始权值和阈值,基于ACO-BP神经网络模型完成对锂离子电池容量衰退的预测,并与单独使用BP神经网络进行对比。结果表明,采用ACO-BP神经网络比单独使用BP神经网络具有更好的预测效果,且随着训练样本的增加,包含更多的电池容量退化信息,预测精度明显提高,当以前80个循环充放电周期作为训练样本时,预测的平均误差为1.46%,若继续扩大训练样本,预测效果将会更好。本研究有助于加强电池系统的健康管理,为高效预测锂离子电池的劣化轨迹提供技术参考。

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基于改进EKF算法变温度下的动力锂电池SOC估算
蒋聪, 王顺利, 李小霞, 熊鑫
2020 (1):  145-151.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0209
摘要 ( 43 )   HTML ( 0 )   PDF(1045KB) ( 25 )  

动力锂电池的荷电状态(SOC)准确估算是电池安全可靠有效使用的关键。而温度对动力锂电池的性能有较大影响,在综合分析动力锂电池SOC估算的各种因素的基础上,结合各种现有的SOC估算方法,比较了优缺点。考虑到-10~40 ℃的温度变化,对中航三元锂50 A·h锂电池在不同温度下进行混合脉冲功率性能测试试验(HPPC)以进行锂电池参数辨识,探究锂电池参数随温度变化特性,建立适应温度变化的Thévenin等效电路模型,运用平方根分解改进扩展卡尔曼滤波(EKF)算法进行SOC估算,以避免由于计算机字长引起的计算误差导致的滤波发散。对锂电池在变温度下进行参考汽车工况进行实验,导出电池数据在Simlink进行算法估算效果仿真验证。结果表明基于所使用变温度下的Thévenin等效电路模型运用改进EKF进行SOC估算的最大误差小于1.5%,平均误差为0.37%。上述方法可以校正SOC初始值的误差,不依赖于初始值的准确性,能实现不同温度下的SOC估算。

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基于化学吸/脱附固态储氢的PEMFC动力系统耦合特性研究
闫红丽, 敬志良, 陆佐伟, 王玉琪, 吴震
2020 (1):  152-161.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0152
摘要 ( 5 )   HTML ( 0 )   PDF(1370KB) ( 3 )  

基于氢燃料电池PEMFC的动力系统清洁高效,PEMFC动力系统主要由燃料供应系统和PEMFC两大部分组成。高效、安全以及经济的储氢技术仍是制约其规模化应用的核心问题。固态储氢具有高储氢量、安全以及可逆性能好的特点,其作为氢源系统,供氢特性影响着PEMFC动力系统的输出特性。本文建立了基于化学吸/脱附固态储氢的氢源反应器和PEMFC的数学模型,并使用MATLAB/SIMULINK软件建立了耦合固态储氢的PEMFC动力系统的仿真模型,详细分析了反应器供氢压力、阴极氧气压力、燃料电池温度、质子交换膜面积等关键操作和设计参数对氢动力系统输出特性的影响。研究结果表明:提高储氢反应器温度可以提高PEMFC供氢压力,进而提高了其输出功率;同时升高PEMFC温度、增大质子交换膜面积和供氧压力都能提高动力系统的输出功率,相应的功率敏感因数为1.81、0.73和0.036。

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一种考虑可再生能源不确定性的分布式储能电站选址定容规划方法
丁倩, 曾平良, 孙轶恺, 徐辰婧, 徐振超
2020 (1):  162-169.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0156
摘要 ( 75 )   HTML ( 0 )   PDF(1340KB) ( 42 )  

储能具有响应快、灵活性强等特点,可为电网提供多种辅助服务,是消纳高比例可再生能源的重要灵活资源。随着储能成本的快速下降,集中式、分布式储能在电网中的应用近年来得到了国内外研究者的广泛关注。本工作提出了一种考虑可再生能源出力不确定性的分布式电化学储能选址定容双层优化模型。首先,建立计及可再生能源不确定性的电化学储能投资成本和运行成本最小的优化目标函数,其次,采用双层优化算法对储能选址和容量配置进行优化求解,外层采用分支界定法确定储能的选址位置,内层采用改进遗传算法得到最优容量配置与储能充放电运行策略,最后,以IEEE-39节点测试系统为例对所提方法进行仿真,验证了该方法的正确性和运算效率。

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基于变分模态分解的混合储能容量优化配置
张梦田, 田书, 曾志辉
2020 (1):  170-177.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0170
摘要 ( 37 )   HTML ( 0 )   PDF(1352KB) ( 16 )  

受光照强度、温度等影响,光伏发电具有随机性和间歇性,使光伏输出功率具有较大波动,影响电网的安全运行。针对光伏发电功率波动率较大这一情况,以蓄电池和超级电容器组成的混合储能系统为研究对象对光伏功率波动进行平抑,提出基于变分模态分解的功率分配方法,结合光伏功率波动率和储能响应特性,将光伏功率划分为符合国家标准的并网功率和高、低补偿功率,高、低补偿功率分别由超级电容器和蓄电池补偿,建立以混合储能系统年综合成本最小为目标函数的容量优化配置模型,考虑功率平衡、充放电功率限制及荷电状态等约束条件,采用对适应度值进行高斯加权的改进粒子群算法求解,得到满足系统补偿要求的储能设备的容量配置,实现混合储能系统的年综合成本最小化。通过算例,对比分析变分模态分解和经验模态分解两种分配方法的混合储能容量配置和成本,同时对比分析基于变分模态分解的混合储能和单一储能的容量配置结果和成本,结果表明所提方法平抑了光伏功率波动,降低了储能的容量和年综合成本,提高了系统的可靠性和经济性。

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一种适用于复合储能的双向DC/DC变换器
章宝歌, 张振, 王东豪, 李萍, 荣耀
2020 (1):  178-185.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0194
摘要 ( 54 )   HTML ( 1 )   PDF(1329KB) ( 26 )  

储能技术是解决可再生能源发电因输出功率间歇性和波动性而导致供电电能质量差的有效途径。但单一储能系统存在能量密度低或者功率密度低的问题,因此复合储能系统在保障电力系统安全稳定运行方面应用更为广泛。针对现有蓄电池与超级电容复合储能系统的结构和运行特点,提出一种适用于复合储能的双向DC/DC变换器。该复合储能系统的能量存储单元以蓄电池为主电源、超级电容为辅助电源。同时,该系统增加了超级电容预充电回路以保障能量存储单元(超级电容)具有良好的荷电状态。详细分析了该复合储能系统的工作原理、三种工作方式(超级电容预充电冷备用模式、boost模式和buck模式),推导出boost模式和buck模式电压变换比。通过在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,验证了其主要工作波形。结果表明该系统具有开关器件电压应力低、开关损耗小、可提供大电流、可改善蓄电池寿命等优点。本研究有助于推动双向DC/DC变换器在复合储能系统中的应用,为更高效稳定运行的复合储能技术的研发提供一定的理论和仿真实验依据。

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基于蒙特卡罗源荷不确定性处理的独立微网优化配置
姚清诚, 袁晓玲, 黄保乐
2020 (1):  186-194.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0201
摘要 ( 4 )   HTML ( 0 )   PDF(2831KB) ( 3 )  

风能、太阳能等可再生能源以及负荷需求具有不确定性。这种不确定性为智能电网规划增加了不确定因素。蒙特卡洛随机模拟能够很好模拟在一定时间尺度内的系统出力情况,因此能有效处理系统不确定性因素,且在处理此类优化配置问题时,万有引力算法(GSA)能体现极强的快速性和准确性。所以为有效提高独立型微电网的经济性,在充分考虑微电网供电可靠性和可再生能源浪费的基础上,以系统平准化能源成本(LCOE)最优为目标,提出蒙特卡罗模拟嵌入万有引力搜索算法(GSA-MCS)对优化模型进行求解。GSA-MCS的主要思路是通过蒙特卡罗模拟模拟风光负荷的不确定性,然后将模拟的负荷数据代入万有引力搜索算法进行容量优化配置求解。该方法首先利用蒙特卡罗模拟处理风、光及负荷的不确定性,并采用万有引力搜索算法进行全局寻优得到风、光、储最优配置方案。配置方案确定了在不同累积概率水平下的配置容量。本文以某海岛微电网为例进行仿真分析并验证了方法的有效性。仿真结果显示不同累积概率水平下,微电网中风机、光伏板、储能电池数量相较于传统方法都有所减少,其平准化能源成本也相应下降。相较于传统的优化配置方法,本文所提模型能够在进行独立微网优化配置时兼顾准确性与经济性,且能为微电网容量配置提供一种折中且灵活的方案。

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复杂运营环境下快充型公交充电策略优化方法
周 丹, 任志伟, 孙 可, 陈锡祥, 郑伟民
2020 (1):  195-203.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0140
摘要 ( 57 )   HTML ( 0 )   PDF(1349KB) ( 34 )  

纯电动公交车已逐渐成为城市公共交通的主要工具,如何实现快速及时的电能补给同时避免电网系统在安全性和经济性方面受到影响是当前发展中面临的一个重要问题。在考虑复杂运营环境中影响充电策略的多种因素基础上,利用双层优化模型和滚动优化方法,本工作提出了一种纯电动公交车充电策略优化方法。首先建立了以充电费用和电池损耗成本为目标的快速充电双层优化模型,上层模型预测层根据日前公交车期望满载率、交通指数和分时电价等预测数据给出纯电动公交车日前充电计划,下层模型调度层根据实时运营数据对日前充电计划进行滚动优化。MATLAB的仿真结果验证了所提出的方法可以有效优化纯电动公交车充电过程,提高纯电动公交车快速充电的经济性,同时降低大量纯电动公交车集中充电对电网造成的影响。

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应用于城轨列车混合储能系统的能量管理策略
章宝歌, 李萍, 张振, 王宇, 荣耀
2020 (1):  204-210.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0206
摘要 ( 32 )   HTML ( 1 )   PDF(992KB) ( 39 )  

针对城轨列车频繁的启动与制动对直流牵引网电压造成的较大冲击,提出一种由超级电容与蓄电池组成的混合储能系统,该系统可以满足城轨列车对于高能量和高功率的要求,能够维持直流牵引网电压的稳定,保证城轨列车的安全运行。在同时考虑储能元件过充、过放和补偿范围的情况下,对混合储能系统设计了功率分配策略。该功率分配策略在低通滤波法的基础上,结合超级电容的荷电状态(SOC),通过低通滤波器对混合储能系统进行功率和能量的分配与管理,由超级电容负责变化的高频功率,蓄电池补偿相应的低频功率。仿真结果表明:直流牵引网电压能够在1500 V上下波动,蓄电池和超级电容可以在各自的荷电状态范围内工作,储能元件均不会出现过充、过放的情况,并且超级电容的存在能够使蓄电池免受较大冲击,增加蓄电池的使用次数。所提出的混合储能系统以及控制策略不但能够保证直流牵引网电压在要求的范围内波动,还能够延长储能元件的使用寿命,并且能将城轨列车的回馈能量收集起来,提升能量的利用率。

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基于相变蓄冷技术的冷链集装箱性能研究
童山虎, 聂彬剑, 李子潇, 金翼, 丁玉龙, 胡宏利
2020 (1):  211-216.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019-0242
摘要 ( 5 )   HTML ( 0 )   PDF(1236KB) ( 2 )  

针对传统机械式冷藏集装箱能耗高、污染大、内部温湿度波动大的问题,本文研究开发了一种基于相变蓄冷的冷链集装箱技术,并研制和应用了一款40英尺蓄冷式保温集装箱。通过在蓄冷箱内安装10块蓄冷板,并利用蓄冷板内相变材料固-液相变时的吸热特性,实现为蓄冷箱内降温保冷的目的。通过独立的充冷装备,研究了蓄冷箱的充冷情况。在动态运输条件下,通过对箱内温度和湿度的测量和分析,得出蓄冷箱保冷时长及期间温湿度变化规律。研究发现,蓄冷箱的充冷时长为6小时,保冷时间长,内部相对湿度保持在85%~95%,相比传统机械式冷藏集装箱,运行能耗成本可节约61.9%,投资回报周期为0.58年。较高的相对湿度和较长的保冷时间,加之能耗成本方面的优势,体现了蓄冷箱在冷链,特别是针对果蔬等常温保鲜货物的冷链运输方面有极大的应用前景。

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新储能体系
氟离子穿梭电池研究进展
余一凡, 顾玉萍, 李驰麟
2020 (1):  217-238.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0203
摘要 ( 66 )   HTML ( 1 )   PDF(4984KB) ( 103 )  

氟离子电池(FIB)作为一种新型储能电池体系,其研究虽处于起步阶段,但凭借高的能量密度、较宽的电化学窗口、电荷传输离子良好的迁移动力学等优点吸引了越来越多科学家的注意。获得高性能FIB的难点在于允许F-在电化学反应过程中快速传输的电解质的研发以及实现氟基电化学反应的电极材料的研制。本文综述了自2011年首次证明可充FIB的可行性以来FIB的电解质和电极材料的研究进展,特别针对已开发的固态电解质、液态电解质、转换反应型电极材料和嵌入反应式电极材料进行了介绍。这些研究成果阐述了不同类型固态电解质的离子传导机理,解决了氟化物盐难溶、FIB长期以来只能在高温下运行的难题,指出了造成循环过程中容量衰减的关键因素。

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储能测试与评价
三元锂离子动力电池热失控及火灾特性研究
羡学磊, 董海斌, 张少禹, 李毅, 刘连喜, 于东兴, 盛彦锋, 伊程毅, 韩光
2020 (1):  239-248.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0157
摘要 ( 91 )   HTML ( 0 )   PDF(2333KB) ( 103 )  

本工作以电动乘用车软包三元(NCM)动力锂离子电池为研究对象,通过温度电压数据采集及高速摄像的方法,在开放空间下开展了加热和过充触发条件下的电池热失控实验,研究了电池热失控、爆喷及火灾过程中温度电压的变化规律、爆喷及火灾特性。结果表明,加热触发条件下,起主导的副反应是正极与电解液,产生的大量氧气和碳氢化合物可燃气体,导致电池从鼓胀到爆喷仅用了0.5 s,且直接出现喷射火,位置在靠近极耳的铝膜处;过充触发条件下,起主导的副反应是负极与电解液产生的大量碳氢化合物可燃气体,故在极耳处持续爆喷电解液的固液气混合物一段时间后,才被点燃形成喷射火。两种条件下的电池燃烧持续时间均未超过50 s,爆喷过程中温度最高约为700 ℃,燃烧残余物温度不低于500 ℃,爆喷前电压均未出现明显变化。根据与以往学者的实验数据比对,NCM电池系列中,安全性由高到低排序为333、622、811。本研究有助于为高比能动力锂离子电池的实际应用、热失控火灾防控及预警技术提供实验依据。

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圆柱形高镍三元锂离子电池高温热失控实验研究
杜光超, 郑莉莉, 张志超, 王栋, 冯燕, 戴作强
2020 (1):  249-256.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0164
摘要 ( 13 )   HTML ( 0 )   PDF(1643KB) ( 28 )  

锂离子电池安全性问题的本质是锂离子电池的热安全性问题,高温对锂电池极为有害,不仅影响电池的使用寿命,还可能危及电池安全。本文以圆柱形高镍三元锂电池为实验对象,利用绝热加速量热仪(ARC)的加热-等待-搜索(Heat-Wait-Seek)模式,对五组工况(SOC=0、25%、50%、75%和100%)下锂电池发生高温热失控时的热特性参数开展研究。实验结果表明:①锂电池发生高温热失控时的自产热起始温度受电池SOC的影响较小,主要受SEI膜分解的作用;②热失控触发温度随着SOC的增加呈现出降低的趋势,且正极与电解液的反应产热是导致热失控的主要原因;③热失控过程中电压线掉落和安全阀破坏的温度均随着电池SOC的增加而降低;④锂电池SOC值越高,热失控过程中的最高温度越高,最高温升速率越大,锂电池的破坏程度越剧烈。

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交互多模型无迹卡尔曼滤波算法预测锂电池SOC
陈德海, 王超, 朱正坤, 邹争明
2020 (1):  257-265.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0207
摘要 ( 48 )   HTML ( 1 )   PDF(1283KB) ( 42 )  

在动力电池荷电状态(state of charge,SOC)预测方法中,针对安时积分法存在累计误差、拓展卡尔曼滤波算法估计结果发散等问题,本文提出了基于交互多模型无迹卡尔曼滤波(IMM-UKF)算法的SOC估计策略。首先建立二阶RC电池等效模型,利用含有遗忘因子的递推最小二乘法在线辨识电池等效模型参数,考虑电池在不同倍率状态下放电引起电池实际容量的变化和传感器的噪声,通过建立大电流、中电流、小电流3个不同参数的电池模型,然后研究三个模型之间马尔科夫链,根据先验信息确定各模型之间的转移概率和模型概率,最后搭建Matlab仿真模型,其实验结果表明IMM-UKF估计平均误差在1%以内,算法的自适应性增强,预测精度提高,较目前主流的预测方法有更好地预测效果。

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锂离子电池组结构热仿真
田刚领, 刘皓, 杨凯, 张慧卿, 罗军
2020 (1):  266-270.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0214
摘要 ( 40 )   HTML ( 0 )   PDF(892KB) ( 24 )  

锂离子电池组的热特性对于电池组的运行维护具有重要影响。将单体电池热模型简化为均匀发热体,减少仿真流程中的计算量,针对锂离子电池组进行热仿真分析,分析其结构的合理性,并通过实验验证其准确性。利用绝热加速量热仪(accelerating rate calorimeter,ARC)采集锂离子电池的热特性参数,利用简化的电池单体热模型,选择风冷作为冷却方式,通过CFD(computational fluid dynamics)以及CAD(computer aided design)软件建立锂离子电池组的热模型并进行求解,分析电池组内部流场分布、电池组运行时的温度数据,最后通过样机实验测试验证仿真结果的准确性。该电池组在0.5 C恒流充放电条件下,电池模拟温度与实验测试温度变化趋势一致,电池组模拟最高温度与实验测试温度误差0.9 ℃,电池模拟温差与实验测试温差误差0.2 ℃。

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储能标准与规范
锂离子电池储能系统BMS的功能安全分析与设计
朱伟杰, 史尤杰, 雷博
2020 (1):  271-278.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0177
摘要 ( 98 )   HTML ( 0 )   PDF(865KB) ( 42 )  

近两年,中国储能产业迎来爆发式增长。相较于其他储能技术,由于生产技术的快速进步、制造成本的逐步下降等因素,锂离子电池具备更显著的竞争力,在储能领域的市场渗透率越来越高。作为对电池进行监控和管理的电子装置,电池管理系统(battery management system,BMS)是储能系统的核心部件之一,其功能安全关系到整个锂离子储能电站的安全稳定运行。为了正确高效地实现储能系统的电池管理系统功能安全设计和验证,针对锂电池储能系统BMS的产品特点,本工作从系统的危险识别和风险分析、整体安全要求确定和安全功能分配、安全完整性实现及验证3 个主要分析步骤,参照IEC 61508、IEC 60730-1等相关参考标准梳理了电池储能系统BMS功能安全的分析与设计过程。分析结果表明,选择失效模式影响和诊断分析(FMEDA)以及风险矩阵法(RM),可靠性框图法(RBD),适合于储能系统电池管理系统BMS的功能安全分析和设计。依照IEC 61508、IEC 60730-1等相关标准,结合储能系统产品的特点,选择正确的分析设计路径,可以确保储能系统BMS的功能安全完整性等级(SIL)有效达成,为储能电站设计开发者提供参考。

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储能系统锂离子电池国内外安全标准对比分析
朱伟杰, 董缇, 张树宏
2020 (1):  279-286.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0199
摘要 ( 73 )   HTML ( 2 )   PDF(865KB) ( 76 )  

锂离子电池因其高能量密度、低放电率和长寿命等优点和卓越的电化学性能正被大规模用于各类储能系统,且储能规模日益增长,但近两年国内外锂离子电池储能电站安全事故频发、损失惨重。针对这一现状,为完善和提升国内现行的储能系统产品的安全标准,本文详细介绍了国外经典的锂离子电池储能安全标准,如IEC、UL等储能安全标准以及中国现行的储能国家标准、行业标准、团体联盟制定的储能安全相关标准等,归纳并简要分析了上述国内外储能安全标准的特点。同时,根据锂离子电池储能系统的具体测试及运行要求,着重从储能系统的结构安全要求、电池本体安全要求、环境影响要求和系统安全要求四个方面将国内储能安全标准与国外的的IEC、UL标准逐一进行了对比分析,指出了国内现行的储能安全标准的薄弱环节和不足之处。通过对储能系统锂离子电池国内外安全标准全方位的分析、比较和讨论,旨在为国内储能电站锂离子电池的安全标准的完善提出建议和实现途径,促使未来储能系统安全和高效持久运行。

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储能技术经济性分析
电化学储能在发电侧的应用
张文建, 崔青汝, 李志强, 余康
2020 (1):  287-295.  doi: 10.12028/j.issn.2095-4239.2019.0167
摘要 ( 5 )   HTML ( 0 )   PDF(729KB) ( 10 )  

随着国家环境保护力度的不断加强,新能源发电装机占比逐渐攀升,我国能源结构正在逐步转型。储能系统因其响应速率快、调节精度高等特点,成为能源行业中提升电能品质和促进新能源消纳的重要支撑手段,受到越来越多的重视。并且由于储能技术的进步、产品质量的提高及成本的不断降低,储能技术已具备商业化运营的条件,尤其是多种电化学储能技术的发展逐步扩展了储能的应用领域。除了技术的进步,国家政策法规的颁布、电力市场改革的不断深化,也促进了电化学储能技术的应用推广。本文从数据的角度概要分析了储能在全球电力行业中的应用现状,对国内电化学储能产业政策和标准的发展进行了总结,并介绍了电化学储能的种类、技术路线以及系统集成关键技术。除此之外,针对发电侧,重点从功能、政策和应用项目等方面论述了电化学储能技术在大规模新能源并网、辅助服务及微电网等有商业价值的应用场景。最后对电化学储能技术在未来能源系统中的前景和发展趋势做了展望,并在促进储能商业化运营及推广方面对储能企业提出了发展建议。

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基于文献计量的储能技术国际发展态势分析
陈启梅, 郑春晓, 李海英
2020 (1):  296-305.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0168
摘要 ( 48 )   HTML ( 0 )   PDF(1846KB) ( 67 )  

当今世界各国积极推进可再生能源的开发和利用,对现有电网系统的正常运行和调度提出了严峻的挑战,寻找和实施具有成本效益和可持续性的储能系统变得非常重要。常用的储能技术主要有物理储能、电化学储能、化学储能和相变储能四类。本文利用INSPEC数据库检索全球储能技术相关研究论文,采用文献计量学方法,借助VOSviewer知识图谱分析工具,对储能论文进行定量统计和主题聚类分析。可视化结果显示,全球储能论文产出数量保持持续快速增长趋势,中国已成为全球储能论文产出贡献最大的国家,产出了超过五分之一的储能论文和超过四成的高被引论文。中国、美国、日本和德国等国家都比较关注超级电容器、石墨烯储能材料以及电化学电池等技术的发展。储能技术与若干学科交叉,具有显著的应用基础研究特性,呈现出良好的多元化发展态势,近十年的研究热点主要集中在电化学储能、可再生能源微电网储能技术、相变储能材料、蓄热系统和混合储能系统等领域,这些技术同时也在相关产业得到了较快的发展和应用。

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分布式储能发展的国际政策与市场规则分析
宋安琪, 武利会, 刘成, 岳芬, 李恒真, 邱太洪, 徐际强
2020 (1):  306-316.  doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0183
摘要 ( 27 )   HTML ( 1 )   PDF(861KB) ( 21 )  

从国际储能市场来看,分布式储能的崛起与发展离不开政策的鼓励与机制的支持。政策方面,自2011年至今,全球范围内已经有10余个国家或地区出台了分布式储能补贴政策,大多是从支持用户安装“分布式光伏+储能”最大化自发自用可再生能源电力或支持独立的家庭储能系统的角度,对储能系统进行补贴。从补贴形式来看,主要采取提供“初装补贴”的方式,帮助减轻用户在购买、租赁、安装储能系统阶段所承担的初始投资压力。从补贴标准来看,大多数补贴政策为每套储能系统提供的额度在初始投资成本的30%~60%之间。机制方面,在迎来了政策激励带来的分布式储能快速发展阶段之际,部分国家开始从简化分布式储能参与电力市场流程、降低市场准入规模门槛、允许分布式储能参与更多市场等方面推进电力市场规则修改,一方面挖掘分布式储能在维持电力系统稳定性、安全性以及帮助接入更多可再生能源等方面的潜力与价值,另一方面为分布式储能所有者提供更多收益来源。

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