《储能技术》习题答案 第4--6章.docx

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1、第4章习题答案4-1铅酸电池的原理是什么？请写出它的反应方程式。解：传统铅酸电池的电极由铅及其氧化物制成，电解液采用硫酸溶液。在充电状态下，铅酸 电池的正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为 硫酸铅。放电时，正极的二氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅和水，负极的铅与硫酸反应生成硫 酸铅；充电时，正极的硫酸铅转化为二氧化铅，负极的硫酸铅转化为铅。铅酸电池反应如下。正极：PbCh+3H+HSO；+2e- PbSO4+2H2O负极：Pb+HSO；/ PbSO4+H+ +2e-总反应：PbCh+Pb+2H2s皂 2Pbsc）4+2H2。4-2请简述铅酸电池的工作方式。解：铅

2、酸电池主要有充电放电制和定期浮充制两种充电方式。充电放电制是指铅酸电池组充电过程与放电过程分别进行的一种工作方式，即先用整流 装置给铅酸电池组充满电后，再由铅酸电池的负载供电（放电），然后再充电、再放电的一 种循环工作方式。充电放电制主要用于移动型铅酸电池组。例如，汽车摩托车启动用铅酸电 池组、铅酸电池车辆用铅酸电池组等，当有两组相同型号的固定型铅酸电池组，一组工作, 而另一组备用时，一般也采用这种工作方式。定期浮充制就是整流设备与铅酸电池组并联并定期轮流向负载供电的一种工作方式。也 就是说，由整流设备和铅酸电池组所构成的直流电源，部分时间由铅酸电池向负载供电；其 他时间由整流设备浮充铅酸电池

3、组供电，即整流设备在直接向负载供电的同时，还要向铅酸 电池充电（浮充），以补充铅酸电池放电时所消耗的能量以及因局部放电所引起的容量损失。4-3简述铅酸电池的充放电特性。解：铅酸蓄电池充电曲线如下图所示，其内部反应如下：6-6加入肋板为何会对相变材料起到强化换热的作用？在熔化过程和凝固过程中，肋板的作 用有何差异？答：肋板之所以成为一种主流的强化换热手段主要原因是可以扩展换热面积。由于自然 对流对熔化过程中的换热效果影响显著，而肋板的加入不可避免地会影响到自然对流过程, 因此相变材料强化换热中一个重要的研究领域是分析如何通过改变肋板间距、数目、厚度、 肋板插入相变材料的深度等关键参数，使得肋板对

4、自然对流的抑制程度最低、换热面积最大, 从而优化强化换热效果。相较于熔化过程，凝固过程主要以热传导为主，自然对流作用微弱， 甚至可以忽略，因此肋板对强化传热的作用更加明显。6-7请分别写出金属氧化物储热体系、金属氢化物体系、氢氧化物储热体系的反应通式。答：金属氧化物储热体系的反应通式为：MxOy+z(s) O MxOy(s) +|o2(g)金属氢化物储热体系的反应通式为：MHn(s)+AHr = M(s)+2(g)氢氧化物储热体系的反应通式为：MHn(s)+AHrM(s)+yH2(g)6-8某冷却系统中的工质泵以50%的效率耗电2kW使得工质在管路中流动，假设工质为水, 流入泵时的温度为10且

5、流量保持在L5kg/s,管道及泵与外界环境无热交换，试求：泵的 出口温度。解：假设工质质量流量为抗，焰为心 泵功为0讥，根据开口系能量守恒，可列出：0 = 0.5的讥 + mhin - mhout即：0.50包=mc(T0Ut - Tin)可得出0.5 x 2000T0nt = + 10 = 10.16out 1.5 x 41806-9将例6-3中的岩石材料换为相同质量、相同初始温度的相变储热材料，计算相同太阳辐 照、有效辐照时常和面积条件下，相变材料的终温。其中相变材料的熔化温度为30,相变 潜热为200kJ/kg,比热为2kJ/(kgK)。解：由于相变材料的初始温度A温皿为15,而相变温度

6、Tpc为30,因此材料首先通 过显热储热升温到30后再开始潜热储热，又由于mc(TPC - Tinitiat) + mh=200 x 2(30 - 15) + 200 x 200 = 46000k/而04Qsos) x (24 x 3600) = 0.4(0.15 x 5) x (24 x 3600) = 25920 身整裂沃， A A30403020图4-17习题4-3示意图(1)在电池充入电量至70%80%之前，利用整流器的限流特性维持充电电流不变，此 过程电池端电压几乎呈直线上升；(2)当电流的端电压上升至稳压点附近时，由于充电历程已到中后期，此时正极板上 PbSO4数量已不多，使交换电

7、流密度随反应面积的变小而增大，所以电化学极化作用已经变 小，而电池内阻也明显减少。但是，充电的真实表面积已经变小了，故引起了电极真实电流 密度的增大。继而使电极表面附近电解液浓度增高，导致浓差极化影响严重，造成电池内电 流迅速衰减。(3)当充电至后期，电池电流已明显变小，所以浓差极化作用随之减小。而电化学极化 作用影响又增加，所以电池电流继续衰减，只是衰减速度变慢。(4)充电末期，充入电池的电流大部分用于维持电池内氧循环，仅极小的电流用于维持 活性物质的恢复，因而电池电流稳定不变。铅酸蓄电池放电曲线如下图所示，其内部反应如下：图4-18习题4-3示意图(1)在放电初期，端电压U下降很快，这是因

8、为在放电初期，活性物质微孔内的电解液 浓度下降很快，使电动势E明显减小，同时内电阻r的明显减小也使内电阻电压降Ir有较 大减小，端电压U也将快速减小。(2)在放电中期，由于活性物质微孔内的电解液逐渐扩散，其浓度趋于平衡，使电动势 E和内电阻r的减小变得缓慢，也使端电压U缓慢减小。临近放电中期末尾时，正负极板表 面上的活性物质二氧化铅(PbO2)和海绵状金属铅(Pb)已经大部分转换成硫酸铅(PbSO4)。(3)放电后期，极板上活性物质转换成硫酸铅的转换作用已经很微弱，这时，端电压的下降将变快，当放电电压下降到终了电压（L8V）时，蓄电池应立即停止放电，这时，端电压 将很快恢复到2.0V左右，如果

9、不立即停止放电，蓄电池的端电压将急剧下降，同时对蓄电 池的使用寿命也将产生不利影响。4-4请简述铅炭电池的特点。解：在负极引入活性炭，使电池兼具铅酸电池和超级电容器的优势，能够显著提高铅酸电池 的寿命，同时可有效抑制普通铅蓄电池负极不可逆硫酸盐化的问题，使其大电流充放电性能 和循环寿命得到显著提升。其优势在于：（1）成本低廉、制造工艺简便；（2）能量成本低；（3）工作温度范围宽 泛，低温性能好于锂电池无需单体BMS。其劣势在于：（1）比功率、比能量偏低充电速率低，满充需要14-16小时；（2）需防止 不可逆硫酸盐化；（3）循环寿命短，重复深度充放减少电池寿命；（4）回收困难，对环境有 害。4-

10、5锂离子电池的原理是什么？请写出它的反应方程式。电池充电时，正极上的电子通过外部电路跑到负极上，而锂离子从正极脱嵌，穿过电解 质和隔膜嵌入负极，与从正极跑过来的电子结合，使得负极处于富锂态，正极处于贫锂态, 同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极，保证负极的电荷平衡；放电时则相反，电子从负 极经过外部电力电子器件跑到正极，锂离子从负极脱嵌，穿过电解质和隔膜重新嵌入正极， 正极，与从负极跑过来的电子结合。因此锂离子电池实质为一种锂离子浓差电池，依靠锂离 子和电子在正负极之间的转移来完成充放电工作。锂离子电池的化学反应式：LiMO.+/?CLi, XMO7+LixCnz、1-a z x n正极反应：

11、LiMO? Li yMO? +xLi+xeZ 、I -AL负极反应：xLi1 +xe +/1C QLiCn4-6简述锂离子电池的充放电特性。答：充电过程：随着锂离子充电电流的增加，恒流时间逐步减少，恒流可充入容量和能量也 逐步减少。在实际电池组应用中，可以以锂离子电池允许的最大充电电流充电,达到限压后， 再进行恒压充电，这样在减少充电时间的基础上，也保证了充电的安全性；另外，应综合考 虑充电时间和效率，选择适中的充电电流，以减少内阻能耗。放电过程：电池在初始阶段端电压快速下降，放电倍率越大，电压下降的越快；随后， 电池电压进入一个缓慢变化的阶段，这段时间称为电池的平台区，放电倍率越小，平台区持

12、 续的时间越长，平台电压越高，电压下降越缓慢；在电池电量接近放完时，电池负载电压 开始急剧下降直至达到放电截止电压。4-7请简述锂离子电池的特点。解：锂离子电池优势在于：（1）高能量密度，高功率密度；（2）能量转换效率高，95%以上； （3）长循环寿命；（4）可快充快放，充电倍率一般在0.53C。锂离子电池劣势在于：（1）采用有机电解液，存在较大安全隐患；（2）循环寿命和成本 等指标尚不能满足电力系统储能应用的需求；（3）不耐受过充和过放；（4）使用循环中不可 避免自然缓慢衰退；（5）低温下（0）不易实现快充快放。4-8请简述液流电池的特点。解：液流电池和通常以固体作电极的普通蓄电池不同,液流

13、电池的活性物质以液体形态储存 在于两个分离的储液罐中，由泵驱动电解质溶液在独立存在的电池堆中反应，电池堆与储液 罐分离，在常温常压运行，因此安全性高，没有潜在爆炸风险。且其充放电循环次数10000 次，日历寿命可达20年；响应速度快、自放电率低且环境友好。但液流电池能量密度相比 其他电化学储能技术较低，系统相对复杂。4-9全钢液流电池的原理是什么？请写出它的反应方程式。解：全钢液流电池中，正极电解液为含有五价钗和四价钗离子的硫酸溶液，负极电解液为含 有三价机和二价机离子的硫酸溶液，二者由离子交换膜隔开。在对全钗液流电池进行充放电 过程中，正负极电解液在各自电极区进行化学反应，钗电池中的电能以化

14、学能的方式存储在 不同价态钗离子的硫酸电解液中，通过循环泵把电解液压入电池堆内，在机械动力作用下, 使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜, 电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双极板收集和传导电流，从而使得存 储在溶液中的化学能转换为电能。全机液流电池反应如下：正极电对：V（V）/V（IV）va+O-e 晋 VO；+2H+负极电对:V（III）/V（ II）V3+ezz=V2+4-10请简述全钢液流电池、铁铭液流电池和锌漠液流电池的特点。解：全锐液流电池能量密度较低，成本过高；锌漠液流电池能量密度高、材料成本较低且对环境友好；铁格液流电池电

15、池成本较低且无污染，制备较为容易。4-11钠硫电池的原理是什么？请写出它的反应方程式。解：钠硫电池采用加热系统把不导电的固态盐类电解质加热熔融，使电解质呈离子型导体而 进入工作状态。作为固体电解质兼隔膜，固态B-氧化铝陶瓷管只允许带正电荷的钠离子通过 并在正极和硫结合形成硫化物。钠硫电池在放电过程中，电子通过外电路由阳极（负极）到 阴极（正极），而Na+则通过固体电解质p-AbCh与S2-结合形成多硫化钠产物，在充电时电 极反应与放电相反。钠与硫之间的反应剧烈，因此两种反应物之间必须用固体电解质隔开, 同时固体电解质又必须是钠离子导体。钠硫电池反应如下。正极：S,-受S + 2S负极:总反应:

16、N吸 2Na + xS4-12请简述钠硫电池的特点。解：钠硫电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量较高，也称其比能量较高。其理论比 能量为760wh/kg,是铅酸电池的3-4倍；此类电池能够进行大电流、高功率放电，其放电电 流密度一般可达200-300mA/cm2,并瞬时间可放出其3倍的固有能量；由于钠硫电池采用固 体电解质，没有通常采用液体电解质二次电池的自放电及副反应，使得其充放电效率很高, 但其仅能在300-350C的温度下工作，所以在钠硫电池工作时需要适时加热保温；钠硫电池 系统规模可根据应用需求通过钠硫电池模块集成灵活扩展，达到MW级别；此外还具有无 放电污染、无振动、低噪声、环境

17、友好等优点。第5章习题答案5-1.试根据氢原子的基态能级，计算每摩尔氢原子的电离能。解：每摩尔氢原子的电离能=13.6X 1. 6X10H9X6.022X 1023=1310 kj/mol5-2.简述氢能的特点。答：氢能可以通过燃烧、催化产热、化学产热、电化学产电等不同的转化方式进行应用， 具有多转换性的特点。5-3.简述氢储能的作用。答：由于氢能具有多转化性的特点，和其他储能技术相比，氢储能不仅具有调节电网波 动性的作用，还具有代替部分化石能源、充当化工原料的作用。5-4.简述氢储能的主要环节及其特点。答：氢储能作为一个全产业链，可分为上游制备，中游储运，下游应用三个环节，根据 应用场景及需

18、求的不同，产业链可由三环节中的元素搭配组成。1)上游制取上游制取氢气的方式可分为化石能源重整制氢、电解水制氢、新型制氢技术三类，其特点各 不相同。2)中游储运氢能的中游储运方式可分为氢的高压气态储运、低温液态储运及固态储运三类。3)下游应用氢能应用具有多转换性的特点。其主要的应用方式有：(1)直接燃烧，即利用氢和氧发生反应放出的热能；(2)通过燃料电池转化为电能，即利用氢和氧在催化剂作用下的电化学反应直接获取电 能；(3)化学反应，即在化工等行业中利用氢的还原性质。5-5.试问兴登堡和挑战者号上使用氢的物理状态，并简述该状态起什么作用。答：兴登堡号飞艇使用的氢为气态，作用是给飞艇提供浮力。挑战

19、者号航天飞机使用的 氢为液态，是作为液态燃料给航天飞机提供动力。5-6.在天然气水蒸气重整制氢中，在400K、800K、1200K温度下，试分别判断制备合成气 的反应能否自发进行。(不同温度下标准吉布斯自由能如下表所示)解：类别AG,(400K)(kJ/mol)G,(800K)(kJ/mol)G/(1200K)(kJ/mol)co-146.4-182.5-217.8h2o-224.0-203.6-181.6ch4-42-2.141.6合成气反应为：CH4+H20T3H2+C0由式AG? = AG(CO) + 3AG/)(H2) - AG(CH4) - AG/)(H2O)可知,在400、800、

20、1200K时反应前后标准吉布斯自由能的变化为119.6、23.2、-77.8 kJ/molo所以该反应在1200K时能自发进行。5-7. TiO2是常用的光催化制氢材料r已知TiO2的带隙为3.2eV,试求太阳光谱中TiO2的光 波长吸收限，并提出一种可以拓宽其吸收限的方法。解：由E = Q/可得，2 = 388.4 nmE故其光波长的吸收限是388.4 nmo掺杂是调控半导体电子结构的有效途径。掺杂过渡金属离子可以在半导体禁带内引入杂 质能级，从而扩宽其吸收限。止匕外，阴离子掺杂可调节半导体导带位置，扩大材料的光响应 范围。5-8.在变压吸附纯化氢气的过程中，假设吸附剂的热导率较小，吸附热和

21、解吸热引起的床层 温度的变化不大，可以将其看成是等温过程。试设计至少2种的吸附-解吸工艺。答：(1)常压下吸附，真空下解吸；(2)加压下吸附，常压下解吸。5-9 .试问化学吸附与物理吸附之间的区别。化学吸附与物理吸附对比1、原理：化学吸附依靠的是比较强的化学键，物理吸附依靠的是比较弱的范德华力2、层数：化学吸附只能是单层吸附，物理吸附可以是多层吸附3、可逆性：化学吸附不可逆，物理吸附可逆4、吸附温度：化学吸附的吸附温度更高(反应热)，物理吸附的温度低(反应热)5、吸附速率：化学吸附比物理吸附速率慢6、吸附选择物性：化学吸附具有吸附选择性，物理吸附不存在吸附选择性5-10.在高压气态储氢中，若储

22、氢罐的瓶压是20MPa,体积为50L,试计算其在300K时, 可以储存的氢气的质量为多少kgo0100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Temperature (K)ueqzc06 Ou U0SE0UH解：由可得，m 0.8 kg5-11.不同气体的Joule-Thompson系数如下图所示，试问在多少温度下，可以通过节流膨胀 对氢气降温，并分析原因。0.50.40.30.20.10-0.1答:节流膨胀使气体降温的前提是Joule-Thomson系数0。由图可知，氢气的Joule- Thomson 系数在温度约为 200K 大于 0, 因此在200K温度

23、以下，可以通过节流膨胀对氢气 降温。5-12.根据固态材料储氢的原理，可分为物理吸附储氢材料和化学吸附储氢材料，试问每一 类中的固态储氢材料都有哪些。答：根据固态材料的储氢原理可分为物理吸附储氢材料和化学吸附储氢材料。其中物理吸附储氢材料有储氢碳材料、储氢金属一有机骨架材料。化学储氢材料有金属单质、合金。第6章习题答案6-1根据物理原理的不同，储热技术可以分为哪几类？答：根据物理原理的不同，储热技术可分为显热储热、潜热储热和热化学储热三种。6-2与显热储热技术相比，潜热储热技术最大的优势是什么？答：相较于显热储热，潜热储热的主要优势有两点，一是储热密度高于显热储热，二是 可提供恒温的热能。6-

24、3当液体显热储热材料静置于储罐中时，会出现温度分层现象，试简要说明温度分层产生 的原因及其用于储热系统时的优点。答：以水为例，在实际工程中，当水静置于水箱中时，由于散热会使得密度大的冷流体 在重力作用下居于水箱底层，而密度小的高温流体居于水箱上层。从提高系统性能的角度, 水箱内的温度分层有两个优点：一是避免了冷热流体的掺混，当负载工质从水箱上层吸收热 能时提高了热能利用的品位；二是由于集热器进口温度和效率呈负相关，所以集热器进口与 水箱下层低温处相连可提高整个系统效率。6-4晶体生长率低、过冷度大会使得储存于相变材料的潜热难以充分利用，简要说明其原理。答：过冷是指液体低于熔点而没有凝固的现象。

25、由于匀相核化结晶活化能的存在，纯液 体的结晶一般会在略低于熔点时开始。晶核形成的同时，新相和液体之间的相界面也会形成, 此过程会消耗能量，所消耗能量的大小依其表面能而定。假如要形成的晶核太小，形成晶核 产生的能量无法形成界面，就不会开始成核。因此必须要温度够低，可以产生稳定的晶核, 相变材料才会开始凝固。因此，晶体生长率低、过冷度大，会导致相变材料无法在理论的凝 固点附近凝固，不仅造成潜热难以充分利用，且导致放热过程难以保持在恒温工况，因此对 于某些过冷度大的相变材料，如、水合盐，可使用成核剂使其过冷点接近于熔点。6-5在相变材料的封装过程中，要求气隙空间产生于远离热源的位置，试分析其原因。答：相变前后显著的密度差异将导致材料在固相时会形成一个气隙空间，如果封装技术 设计不当，这个气隙空间将会大大阻碍传热速率，由于空气的导热率比任何相变材料都要低 几个数量级，因此当气隙空间产生于不合适的位置时，将成为相变材料吸热熔化时巨大的热 阻。因此，封装技术的设计应当使气隙空间产生于远离热源的位置。比如在某个重力不可忽 略的封装容器内，应避免热源位于封装容器的顶部。因为一旦如此，容器顶部将形成气隙空 间，在下一次充热时，这一气隙空间将成为相变材料和热源之间的绝热层。