化学储能的原理精选(十四篇)

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的14篇化学储能的原理，期待它们能激发您的灵感。

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关键词 多元智能理论 中学化学 应用

中图分类号：G424 文献标识码：A

Application of Multiple Intelligences Theory in High School Chemistry Teaching

DONG Fanglian

（Gansu Yongjing Xihe Chenjiawan Central Primary School， Linxia， Gansu 731601）

Abstract This paper focuses on multiple intelligences theory in high school chemistry teaching be explored， in the use of the advantages of intelligent tutoring students， based on the importance of natural observation， interpersonal， intrapersonal intelligence and other vulnerable development to promote over all student intelligence， active and full of personality development， and look to improve on the quality of teaching.

Key words theory of Multiple Intelligences； school chemistry； application

改革开放以来，我国基础教育呈现繁荣景象，课程改革也在如火如荼的进行中。但是总体的教育水平仍然有待提高，仍然需要改革来适应现代化的需求和时展的需要。在教育改革的深化过程中，美国的一种新型教学理念，也就是多元智能理论引入中国的教育界，在我国的教育界引起了巨大的反响，并得到许多教育界专家的关注。在中国的化学教学中引入该理论，不仅突破了传统的教育模式，而且标志着化学的教育进入一个新的阶段，当然这个理论最大的作用还是在于对学生综合素质的提高。

1 中学化学的教学中体现出的多元智能理论

1.1 关于语言智能

语言智能是能够让人充分发挥自己的口头或者是书面语言才能的一种才能，化学中有许多的概念、化学符号、反应原理还有化学方程式等都与语言智能密切相关，因此培养学生的语言智能非常有必要。

1.2 关于数理逻辑智能

数理逻辑智能说的是个人的计算能力和逻辑推理能力，旨在对学生的逻辑思维能力的培养，中学的化学课堂上可以着重对学生这一方面的培养，因为在化学的学习中有非常多的计算题目和需要逻辑分析的问题，学生大多数需要自己去思考解决问题的方法，这就需要学生有优秀的逻辑思考能力，以便锻炼解决问题的能力。

1.3 关于空间感知能力

空间感知能力是指个人的空间想象力和对于立体图形的设想思维能力，感知虚拟的图像的能力。在化学中学生十分需要这种能力，因为化学中有很多的原子分子结构，无法用语言来描述，很多时候需要学生发挥空间想象能力，这一点老师也无能为力，只能注意对学生日常生活中的事物引发学生兴趣，多锻炼。

1.4 关于肢体运动智能

肢体运动智能是指个人的知识实践能力和应用理论能力。中学化学中有很多的实验，需要学生亲自动手去做，所以对于学生动手能力的要求也不容忽视，这就需要学生们在日常生活中对自己感兴趣的事多动手，不要只限于了解理论知识，在书本上看世界。

1.5 关于人际交往智能

人际交往智能是指与他人的交流沟通能力，中学的化学实验有时候是要求团队合作的，这就需要在实验的过程中，团队成员进行协作讨论，有时候面对突况或者没有预期的实验结果，还需要与老师进行交流，这需要良好的表达能力和沟通能力，需要在生活中逐渐培养。

2 中学化学教学过程中体现的培养学生多元智能的方式

2.1 教学手段引入多媒体等工具

随着信息时代的到来，对于教育工作者的要求也越来越高，多媒体教学已然成为许多高校教学的必备手段。如果能够合理使用多媒体，不仅能够活跃课堂气氛，而且能够更直接地教学，对于学生的空间感知智能和自然观察智能的培养都有很大的帮助。比如说，以往老师对于分子原子结构的讲解都是基于板书的形式，但是学生很难形成直观的感受，印象并不深刻，缺乏立体感。引入多媒体教学之后，抽象难以理解的概念变得更形象真实，学生的理解也更为深刻。还有一些化学实验是比较危险的，如果在课堂上直接进行操作危害性极大，应用多媒体教学能够直接观察实验的现象，对于学生的观察能力和空间感知能力很有帮助。

2.2 应用多元评价方式的想法

基于我国目前的教育方式还是应试教育，学生的能力是用成绩来衡量的，这样严重影响学生综合素质的提高。在从多元智能理论方面来讲，对学生的评价应该从多个方面来看，考试成绩不能说明一切，教学课堂中的表现往往更能说明问题。如果老师能够在日常的教学中注重观察学生的课堂表现，并对学生们的能力培养侧重面进行肯定和教育，从多个角度进行评价，并不断改进教学方法。最后的评分体制也应该多样化，不仅包括考试成绩，而且应该包括综合能力，主要是对平时的课堂表现和动手能力等进行评价。比如学生进步较大的，也可以进行适当的鼓励加分，不断地鼓励学生积极进取，增强学生互相学习进步的愿望，在竞争中逐渐提升自己。还可以加入学生之间的互评，这种互评应该从多个方面进行，并从不同渠道、形式，在不同实际情景下进行，做到评价的真实可信，帮助学生识别自己的优势和不足，更好地认清自己，引导学生学会扬长避短，进行自己的个性化建设发展。

2.3 教学手段的多样化

教学方法也可以进行拓宽，以加强学生学习的兴趣。首先是实验探究法，化学中有很多的实验现象和抽象的理论，如果仅仅通过老师的讲述，很难对学生产生强烈的冲击感，必须通过实验产生直观印象，以展现一些物质和反应的特性，这也对学生观察智能和肢体感知智能有很大的帮助；其次，问题讨论法也是很重要的教学方式。老师会在课堂上提出很多问题，如果只是个人思考，有时候会局限在一种想法里，反之如果能和同学们进行交流沟通，彼此合作的话，思想的碰撞往往会激发出很多新奇的想法，达到集思广益的效果，在这一过程中，学生们能够积极主动地思考，培养了学生的人际交往智能和自然观察智能，益处颇多；最后还有范例讲授法。化学的基本概念是后续学习化学计算和化学用语的基础，这个过程的学习不仅包含化学学习的基础知识，还包括化学学习的技能。因此教师在此过程中要注意范例的列举，这样才能让学生对要领的掌握更形象具体，不然只是枯燥地讲授方法、步骤和规范，老师就算讲授得再清晰，学生还是不会掌握得很好。

3 小结

多元智能理论自引入中国以来，一直扮演着不容忽视的角色，如果能在充分了解该理论的前提下，结合中国自身的实际情况进行不断研究探讨，一定会达到意想不到的效果，不仅对于中学化学的教育来说受益良多，而且还有助于提高学生的综合素质。

参考文献

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多元智能理论讲人类的智能分为九个范畴，分别语言智能、逻辑―数理智能、空间智能、身体―运动智能、音乐智能、人际智能、内省智能、自然探索智能和存在智能.在初中化学的教学过程中，教师可以利用多元智能理论充分、全面地认识每个学生的优缺点，并利用多元智能理论发掘资优学生、扶助问题学生，让每一个学生都能得到智能的全面发展，在自身的基础上得到相应的提升.

一、如何在初中化学的教学过程中运用多元智能理论

1.情境创设，动手操作

在多元智能理论的指导下，教学形式多种多样，教师应该着力探索出一条适合学生并且可以全面提高每个学生的教学手段.在初中化学的教学过程中，教师可以根据教学内容，创设化学教学情境，通过设置问题激发学生思考，化学中有很多问题是建立在空间想象的基础之上的，学生在推敲探索答案的过程中可以提高数理―逻辑智能和空间智能.

例如在进行人教版初中化学九年级上册第四单元《物质构成的奥秘》的教学时，课题1中原子的构成是通过立体的图片或动态空间解析图展现给学生的，教师可以创设原子世界的情境，让学生体会原子的构成原则和形态，在此基础上鼓励学生思考并绘出其他原子的结构图，最后通过语言具体地将其表达出来，这样一来，学生的多元智能如空间智能、数理―逻辑智能、语言智能和自然探索智能都能得到有效的锻炼和提高.

化学学习是书本知识与实验的结合，通过身体操作产生化学现象，得出化学结论，例如在进行人教版初中化学九年级上册第二单元《我们周围的空气》的教学时，教师可以模拟地球植被被破坏后氧气被耗尽的情境，让学生体会到氧气的重要性，随之进行实验制备氧气，让学生在实验的过程中自省植物生命的存在，激发学生保护植物，爱护地球的意识，在学习化学知识的同时提升学生的身体―运动智能、存在智能和内省智能.情境创设，将学生融入化学世界中，在学习的同时提高学生多元智能，使学生个体在自身基础上更加优秀.

在义务教育《化学课程标准》“活动与探究建议”中，共提出了37个实验，其中80%以上的实验要求学生亲自动手完成，50%以上的实验是作为科学探究的方式呈现的.这些实验的设计与实施，即对物质的组成、结构、性能及其变化规律的再认识，从本质上说，其过程与科学家进行科学研究中的化学实验也是一致的.由此，初中化学实验的教学，不仅要求加强实验基本技能的训练，还要从促进学生的智能发展，推动情感升华以及科学方法教育等各方面进行指导训练，力求培养学生在实验探究的学习过程中完成对学科知识的意义建构，形成自己的知识建构，更好地理解和运用所学知识.同时，在化学实验中学生可以充分领略化学学科这种特殊的魅力.

2.自主思考，分组合作

传统的教学模式下，学生学习是被动接受和自我消化的过程，不仅教学效果差，学生个体的智能也得不到有效的提高.在多元智能理论的指导下，建立学习小组，鼓励学生独立自主地学习，遇到问题后相互交流、思考与探索，小组内分工合作，共同找出解决问题的方案.在划分学习小组前，教师应对每一名学生的多元智能进行考察，即发现每个学生个体独特且优秀的智能，并根据这些个体的独特智能划分学习小组，让每一个学习小组里的同学都能分工合作，发挥自身的特长.学生作为学习个体的存在，受遗传因素和外界环境的综合作用，每个人的多元智能发展都是不同的，有的学生擅长分析思考，有的学生擅长语言表达，有的学生则擅长组织领导.所以，教师应根据这些学生的个性品质合理分组，让每个学生在小组的学习过程中都能发挥自己的智能，充分展现自己.这样一来，学生的多元智能得到发展和提高，还能激发学生的学习兴趣和热情，对化学学科的深入学习也是有积极意义的.

3.多元评价

传统智能理论认为语言能力和数理―逻辑能力是智力的核心，智力是以这两者整合方式而存在的一种能力.这种对智能的定义过于狭窄，所以受这种智能理论的影响，教学过程中教师对学生的评价也是不全面的.很多有着独特且出色智能的学生由于没有在普遍认可的语言智能和数理―逻辑智能上表现出色则被认定为差生，但其拥有的独特智能往往是一般人穷其一生都无法超越的.所以，在初中化学的教学过程中运用多元智能理论，寻找并发现学生个体的多元智能，并采取有效措施进行提高，针对学生的智能进行多元评价，明确学生的强势和弱势，取长补短，充分提高学生个体的智能.

二、在初中化学教学过程中应用多元智能理论的意义

1.有助于学生个体的全面发展

传统的教学模式下，学生不是一个个个体，而被看成了一个学习的整体，大部分学生的表现被认定成了所有学生的表现.而我们都知道，学生个体因是本身智能的差异对知识的接受和理解程度都是不一样的，而表现出来的能力差异则更大，在初中化学的教学过程中运用多元智能理论，可以有效地认识学生个体差异，从而发挥学生的主观能动性，根据学生自身情况进行有效的训练和提高，对学生个体的全面发展是极有好处的.

2.改善教学效果

传统教学模式下，教学过程往往是教师向学生灌输知识的过程，学生处于被动接受的状态，这样的教学效果肯定是不理想的.而在初中化学的教学过程中，有效利用多元智能化理论，注重学生个体的表现，让每一个学生都参与到学习过程中并发挥其自身特长，多元评价学生个体，对于激发学生学习兴趣，改善教学效果是极有利的.

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关键词：多元智能化理论 初中化学 课堂教学 有效策略

随着我国经济的迅猛发展，以及现代化建设的逐步完善，教育教学受到了社会各界的广泛关注。初中化学课程一直以来都是学生学习的难点，如何提高化学教学质量，树立学生终身学习的思想，就显得尤为重要。近年来，教学改革深入推进，为了适应教学的创新发展形势，坚持以多元智能化理论开展教学，是激发学生动脑、动手以及思维能力的有效对策，也是做好化学教学质量评定的基础。下面笔者结合初中化学教学的实际情况，利用多元智能化理论开展教学，培养学生主动参与的热情，让他们通过实践主动参与探索，提高他们的综合素养，健全他们的人格。

一、多元智能化理论的相关概述

多元智能化理论是由美国大学心理学教授提出的教学理念，它主要是通过研究学生的学习情况、智力情况、动手情况而得出的理论。该思想认为，人的智能衡量标准是多元化的，包括语言能力、逻辑水平、人际关系、自然观察水平、音乐节奏感、空间定位、身体运动等多种要素。每个人的这些能力都存在差异，综合表现出的智力情况势必也有较大的差异，根据多元智能化理论开展初中化学教学，完善教学策略，能够健全学生的综合素养，提高学生的全面能力。

与此同时，该种理论内容还具有自身的特性，在教学过程运用中要注重理论的整体性，呼吁多种能力的综合运用。强调差异，根据学生的学习特点，开展有针对性的教学，并在此基础上强调实践和开发水平，将智力的提高与学生的动手能力、社会生产力进行紧密结合，积极开发学生的潜能，发挥他们的巨大潜力，从而更好地利用该理论完善教学策略，促进学生的全面发展。

二、多元智能理论下初中化学课堂教学策略的完善应用

通过以上内容的论述，我们不难发现，多元智能化理论对学生智力提高，完善他们的综合素养的重要作用。为了发挥这一理论的实际效用，初中化学教师一定要完善教学，基于该理论改进课堂教学策略，提高教学效率。

1.注重学生多元智能的开发，制定科学的教学目标

教学目标是教师教学的参考标准，也是学生通过学习应该达到的目标。多元化智能理论将学生的智力开发作为工作的最终目的，初中化学教师也要坚持发扬这一理论，制定严谨科学的教学目的，积极开发学生的智能水平。因此，教师在课堂教学中要激发学生的学习积极性，将提高他们的科学素养放在首位。坚持理论知识与化学能力相结合，培养学生树立正确的思想意识，然他们终身受益，为今后的学习打基础。

2.利用实验开展高质量教学

化学课堂最具特色的因素及其区别于其他课程的突出原因，就在于它更加关注知识的实践性和动手性，多元智能理论要求下初中化学教学也更加注重学生的动手能力，实验恰恰是提高学生手动操作技术的关键。以往的化学课堂过于注重理论教学，本本理论无法激发学生的学习积极性，转变教学方式，带学生走进实验课堂，是多元智能理论思想能够发挥运用的关键。另外。通过实验教学，还能够让学生更好地观察实验现象，实现思维的调动，看清化学变化的规律。例如，初中化学教师在传授氯气性质的时候，就还可以让学生通过绘画画出氯原子结构图，预测氯气的化学性质，并通过亲自动手实验得到结论，实现能力的提高。

3.训练学生的读写能力

语言表达能力和写作能力是多元智能化理论教学很重要的目标需求，化学知识用语言表述相对困难，不像语文知识具有那么丰富而华丽的辞藻，其实验器材、实验名称、化学术语也较多。提高学生的多元智能，就要积极训练他们的语言表达能力和写作能力，在听、说、读、写上下功夫。具体而言，学生要善于聆听教师的讲解，听取其他学生的观点，能够利用简洁的语言表达化学知识的丰富内涵，总结化学现象和结论，动手书写化学公式、实验步骤等，从而为学生智力的开发扩展做准备。

4.使用多元化教学开发学生的逻辑智能

逻辑智能是多元理论最重要的智能之一，它关系到学生对抽象知识的理解力，关乎他们的推理水平，表现在化学之中就是学生化学元素换算、计算的能力，和一些复杂题目的推理探究水平。为了切实提高学生的这一能力，初中化学教师要善于利用多种方式开展教学，通过比较、归纳、模型建立等方法建立实验课堂，让学生自己发现问题、提出问题、分析问题，并最终解决问题，使他们在连续不间断的过程中开发智力，提升逻辑智能，更好地实现自我完善。

三、结束语

总而言之，近年来我国的初中教学不断创新，新课改理念深入推进，我国初中化学教师要有效掌握多元智能理论，并在其指导下实施教学，提高学生的综合智能水平。具体而言，学校要加大宣传，提高人们的认识水平，打破固有的思维定势，明确多元智能理论的积极性，通过实验开展教学。与此同时，教师还要注重多角度、全面教学，训练学生听、说、读、写、逻辑等能力，从而提高学生的整体素质，培养具备良好能力的学生。

参考文献：

[1]苏香妹.多元智能理念下化学课堂教学设计的思考[A].中国化学会化学教育专业委员会.第四届全国中学化学教学研讨会论文集（二）[C].中国化学会化学教育专业委员会.2004.

[2]黄剑锋.基于多元智能理论下的化学课堂教学策略初探[J].基础教育研究，2006，（04）：39-40.

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关键词： 高职院校 能力本位 化学实验教学

随着我国招生制度的改革和招生规模的不断扩大，高等教育已由精英教育转变为大众教育，随之而来的问题就是高职院校学生的文化基础差别愈发明显。部分学生入学前化学基础薄弱，学习能力差，在短时间内很难适应大学的学习生活环境，而现阶段我国高职院校化学系开设的实验课，基本上沿用了综合性大学的化学实验课教学体系，即四大化学实验（无机化学、有机化学、分析化学和物理化学实验），偏重于教学的系统性、完整性和理论验证，未能因生制宜，对职业岗位所需能力的培养未形成更有力的帮助。对此，笔者认为，高职化学课程体系建设应当以能力本位作为人才培养的首要目标，注意课程的实用性，突破以学科为中心的教学课程体系和学时安排，使其与职业教育的目标和功能更加相符。

一、化学实验教材系列化

实验教学是化学学科课程建设工作的重要组成部分。为更好地适应高职院校能力本位和职业教育的特点，笔者认为，可以将化学实验课程统一为“化学实验技术”课，在借鉴现有优秀实验教材基础上，按照实验技术的分类进行取舍、编排，即：定性技术、定量技术、分离纯化技术、合成反应技术、特殊实验技术。比如：有机化学实验内容基本操作中的蒸馏、重结晶、萃取、色谱法等，归属到“分离纯化技术”中；无机化学和分析化学实验基本操作中的称量、液体体积度量及定量分析仪器操作都归属到“定量技术”中；物理化学实验中的热力学、动力学等可作为“特殊实验技术”单列。

化学实验教材的系列化编排突出了三方面特征：第一，系统性和完整性。化学实验新体系中的五项实验技术完全覆盖了原有教材中涉及的学习项目，可以保证实验技术训练内容的系统性和完整性。第二，技术性和实用性。通过对化学实验内容的合理取舍，优先选入与生产实际、岗位专业能力要求联系密切的内容，少选、不选或代之以新的实验案例，突出实用性，有助于培养毕业生的应用能力。第三，节省课时。以化学实验技术为主线整合教学内容，可以有效地避免教学内容的重复，能节省课时30%左右，这对于解决高职院校课时紧张的问题具有重要意义。

二、实验教学规范化

加强高职院校化学实验教学，必须坚持三个“规范”。

第一，课前预习规范化。化学实验前要求学生做好预习报告，对实验操作步骤、所用仪器及相关注意事项做到心中有数，这样能有效地避免实验事故的发生，提高化学实验教学效率。

第二，操作过程规范化。要严格执行实验室管理规范，加强实验教学中的巡视，尤其要注意发现和纠正学生在玻璃器具使用、滴定分析、实验器材维护等基础实验操作中的不规范操作。同时要把好实验结果关，严禁学生篡改实验数据，蒙混过关，验收合格后方可允许学生离开实验室。这样可使学生端正实验态度，逐步培养起基本的科学素质和严谨的科学作风。

第三，实验考核规范化。实验考核是检验实验教学质量的重要一环，在高职院校化学实验教学模式改革的过程中，应当转变以往只凭实验报告、课间练习评定实验课成绩的做法，针对不同教学内容采用恰当的评价方法以客观地反映学生基本操作和基本技能的掌握情况。如基础性实验，可采用课时成绩与操作考试综合评估相结合的评分方式，由学生抽签确定实验题目，在规定时间内（1.5至2小时间）完成实验操作，得出实验数据，再由监考教师评分。对高年级学生则可以采用评语式评分方式，给出设计性实验题目，要求学生查阅文献资料，思考后提出实验方案并组织实施，以科学论文的形式提交实验报告，这样不仅能够很好地激发学生的求知欲望，同时也能够培养学生的创新精神和科学素质。

三、实验内容系统化

在依照实验技术为主线整合设置化学实验课程体系的同时，在具体教学过程中也应从整体的角度进行设置实验教学内容，以能力本位为教育目标，遵循学生能力发展的客观规律，建立基础化学实验综合化学实验设计性实验的实验教学体系，由浅及深地开展多层次实验教学。

第一阶段，基础化学实验教学。基础性实验是实验教学的根本，是培养化学系学生专业能力的基础，没有基础或基础不牢，自然也就谈不上综合甚至创新了。因此，实验教学需要加强基础性实验的训练，使学生从宏观上对化学实验形成一个整体的认识和学习，基本操作达到规范化、标准化。

第二阶段，综合化学实验教学。所谓“综合性”，是指实验内容、操作训练和实验技能应用等多方面的综合。融合多种信息的实验可以全面地培养学生对实验目标的理解能力、实验方案的执行能力及基本实验技能的综合运用能力。比如：物理化学实验中可以开设综合性实验课程《凝固点降低法测定摩尔质量》，其中包含有实验设计、仪器安装、冷剂配制、温差仪的使用及冷却曲线、数据处理等多项内容，需要试验者手眼脑并用，对检查和针对性提高学生进行化学实验的技能技巧都有着明显的帮助作用，使化学实验体现出专业特色，与职业技能的培养有效对接。教师也可以通过“工业用水总硬度及钙镁硬度测定”、“自来水中氯、溴、碘含量测定”等贴近生活、生产实际的实验题目，提高学生仪器设备操作的规范性。

第三阶段，设计性实验教学。为培养学生的创新意识和创新能力，指导老师还可以提出实验课题，供学有余力的学生进行探究钻研。

总之，为建设具有高职教育特色和能力本位的化学实验课程体系，我们就要敢想、敢做，加大课程资源库建设力度，同时更加注重教学过程与职业能力培养的对接，从方法、知识、能力多方面培养市场紧缺的高素质技能型专业人才。

参考文献：

[1]朱团.现代教育技术在化学实验教学中的应用[J].中国科教创新导刊，2011，（04）.

[2]陈新耘.“两个零距离”的课程模式及其课程体系的建立[J].职业教育研究，2007，（12）.

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关键词：化学实验； 能力培养； 教学方式改进

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2014）01-007-001

化学是一门以实验为基础的自然科学，化学实验在中学化学教学中占有十分重要的地位，“实验能力”是化学学科的核心能力之一。

一、高一新生的化学实验技能和能力现状

1.“措手不及”的实验起始教学

2012学年，又回到新一届高一，满怀喜悦地开始新的一轮化学教学，绪言课结束后，我就安排了学生实验“化学实验基本操作（一）”。本想，这节课结合CuO的制取，CuO对KClO3分解的催化作用探究，训练基本实验操作，可谓“形式和内容”都相当完美。我作了简要的实验原理分析和要求说明后，就放手让学生开始实验。可实验结果却让人大跌眼镜，学生的操作能力可以说是差到了极点，不要说“过滤”“蒸发”等实验不能完成，许多学生就连酒精灯、胶头滴管、量筒等仪器的使用都盲然不知。

2.学生实验技能与能力低下的原因分析

首先，在当今的江苏高考模式下化学不计入高考总分，而只需要过等级，且初中化学也只占中考成绩总分中的60分，这样就在一定程度上致使学校、教师、学生都不再重视化学的教学和学习，学生的基础知识和化学实验技能都比较薄弱，特别是对学生的实验操作训练和实验技能培养就显得非常欠缺。

其次，受“应试教育”的影响，在闭卷笔试为考试形式的现实下，以“传授知识为主，大题量重复操练”为特征的“应试教学”较为盛行。教师对实验与学生可持续发展的关系认识不足，这样，势必将培养动手能力的实验教学加以淡化，甚至打入“冷宫”，学生的实验技能与能力低下也就很自然了。

最后，由于现在的农村中学教学条件落后，虽然省市有关部门加大力度增加投入，但也只能维持勉强做些演示实验，仍无法满足让学生做分组实验，所以导致学生在初中阶段几乎没有碰到过实验仪器，动手能力自然就会很差。

二、对策思考与实践探索

如何尽快弥补学生薄弱的基础，特别是提升学生的实验技能与能力，以适应高中化学继续学习的需要，作为学科老师所能改变的只能是自己的教学行为。我对教学计划作了及时的调整，先采取合理的教学安排和内容设计，通过一定时期的化学实验衔接教学，来补上这一课，并为高中化学学习打下扎实的基础。

1.加强实验基本操作，基本方法的实践教学

鉴于学生的实验基础，可有针对性的对学生进行初中实验基础知识强化，和集中式初中实验基本操作复习训练，特别是一些仪器的使用规范和注意事项，更应该通过多次强调和规范强化来提高学生的基本实验能力。

2.规范学生分组实验课的要求与程序

第一，明确实验室常规：保持安静――不允许有嘈杂的声音发出；实验台面仪器药品要求摆放整齐、有序，并保持清洁；仪器药品用后随即放回原处，保持原样；注意实验安全――严格按规定进行实验，对有毒药品和危险实验要有明确的安全措施；实验过程、现象要详实记录，不能杜撰等。良好的习惯是形成科学态度的前提和保证。

第二，实验前必须做好预习。要求学生在实验前必须预习，老师要布置预习提纲，让学生带着问题阅读实验内容，复习有关化学知识，明确实验目的，熟悉操作步骤，掌握实验要领，做好预习报告。

第三，强化实验的指导与检查。在实验过程中，教师要全面观察学生的操作情况，对个别问题实施个别指导，要求学生及时记录实验现象或测得的数据，实事求是地作出分析和总结，形成良好的科学态度和作风。

第四，强化总结与评价。教师要及时批改和讲评实验报告，让学生对所做实验再思考如何才能把实验做得更好，并尽可能对学生个体作出合理评价。

3.鼓励学生开展形式多样的实验活动

新版高中化学教材除了安排一定量的学生实验外，还设计有实验习题、选做实验和探究实验等，结合高中化学新课标的研究性学习小课题，我在教学中安排了一定量形式多样的学生课外实验，如课外兴趣实验、家庭小实验、实验习题等。少量的规定实验，大多以鼓励为主，很多学生也表现出了浓厚兴趣，从中获得了学习化学的乐趣，也提高了实验技能与能力。

三、实验教学的反思

第一，“化学实验引领学科教学”不应是一种教学方法，而应是一种教学理念；不应是一种固定的教学模式，而应是一种随时更新的教学模式。其表现形式、课型结构、操作程序应该是灵活多样，丰富多变的。以“实验创设问题情景的探究教学”是化学教学的主要方式。

第二，“化学实验引领学科教学”，不是说以实验代替教学，也不是否定传统的讲授教学。不可否认，在现实的高考压力下，注重知识的接受与掌握，训练解题的方法与技巧，依然是取得高考成绩的“法宝”。问题是，一方面，“科学的本质是探究，教学的本质是发展”，为了学生的可持续发展，需要培养以思维能力为核心的实验能力和观察能力；另一方面，为了学生的现实发展，又需要知识的接受，解题的训练。两者必须兼顾，且尽量避免矛盾，形成统一。这也是教师的一种“教学艺术”。

时代的要求在不断地提高，教育的对象也在不断地变化，教育的方法当然需要不断地创新。在当前新一轮课程改革条件下，实验教学就是为了跟上变化的形势，变化的对象而作出的必然选择，而“以实验引领的学科教学”更是新课程理念下培养新时代创新人才的教学创新。

参考文献：

[1]梁慧姝，郑长龙.《化学实验论》，广西教育出版社，1996年

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【关键词】储能技术；电力系统；应用；前景

随着经济的发展和科学技术的进步，我国的智能电网事业也获得飞速发展，通过新能源发电被广泛的利用起来。相关企业和科研工作者开始意识到储能技术的重要性。储能技术的类型丰富多样，可以应用到输变发用配各个环节，不管是它的功率，容量还是技术和响应时间，在性能上都存在差异，应用在电力系统中必须根据实际情况进行科学合理的选择，最大化的把储能技术的价值发挥出来。

1储能技术

1.1类别

按照能量的差别，我们可以把储能技术大致划分为下面几种类型：①基础燃料能量的存储，比如石油，煤和天然气；②中级燃料能量的存储，比如煤气，氢气，太阳能燃料；③对后续消费能量的储存和电能的存储，比如相变储能。笔者主要对电能储存技术进行分析和探讨。根据能量的形式，可以把电能存储氛围化学和物理两部分，其中物理储能又能分成电磁场储能和机械储能。

1.2机械储能

1.2.1抽水蓄能抽水蓄能的发电站一般情况下由上下水库，发电系统和输水系统构成，并且下水库和上水库之间是有落差的。当电力负荷处于低谷时，可以把下水库中的水抽入上水库，通过水力势能的方式存储能量；当负荷属于高峰阶段，再把上水库中的水引入下水库用于发电，把水力势能转变为电能。这项技术发展稳定，相对成熟，寿命在30~40年之间，它的储能容量，规模还有功率非常大，除了书库的库容外，不受其他条件的限制，一般处于100~2000MW范围内。同时，抽水蓄能也存在缺陷，它受制于外在地理条件，建造水库的地质必须符合相关要求。它的关键技术具体有工程地质技术，选择抽水蓄能电站的主要参数的技术，抽水蓄能机组技术。1.2.2压缩空气储能在燃气轮机技术的基础上出现了一种新的能量储存系统，即压缩空气储能系统。它的主要工作原理是：电力系统用电出现低谷时，通过富余的电量发动空气压缩机，通过压缩空气把能量储存起来；电力系统处于用电高峰时，释放出高压空气，给发电机正常工作提供能量支持。相关科研人员对于压缩空气储能系统的调研从未停止过，导致压缩空气储能系统的形式非常丰富多样，根据应用规模和热源的差异，把它划分成下面几种：①传统的利用地下洞穴和天然气进行储能的电站，一台机组的规模大于100MW；②新型压缩空气进行能力储存的系统，告别了地下洞穴和天然气的使用，可以把一台机组的规模控制在10MW以下。按照储能系统和其他热力系统是否可以耦合，又可以把它分成燃气蒸汽联合循环耦合系统，燃气轮机系统，内燃机系统和制冷循环耦合系统。具体而言，当前的空气压缩储能技术相对成熟，效率也比较高，可以达到70%，可以还是受到化石燃料和地理条件的制约。1.2.3飞轮储能通过旋转体即飞轮的运动的方式进行能量存储是飞轮储能的主要工作原理。存储阶段，在电动机的作用下，可以增加飞轮旋转的速度，把电能变成动能；释放能量的过程中，飞轮的转动速度会降低，电动机发挥发电机的作用，把动能变成电能。这种储能方式，转换能量的效率比较高，也不会对环境造成破坏，环保能力好，功率密度高，使用寿命长，但是它的自放电率相对高一些，而且存储能量的密度比较低。

1.3化学储能

化学储能主要利用化学反应，实现电能和化学能量的相互转换，进行能量存储。电池作为转换能量的主要载体，种类丰富多样，它的电化学反应和内部组成材料存在差异，但是却有着基本相同的内部核心结构，全是正负极，电解质和隔膜构成的。正极是电池内部高电势的一端，负极是电势低的一端。进行充电时，正极内的活性材料被氧化，失去电子，阳离子在电场和电解质的作用下来到负极，流失的电子顺着外电路的方向向负极移动，最终和负极内的活性材料相融合，产生还原反应。充电过程和放电过程是相反的。化学储能方式可以根据应用需求的不同灵活的配置能量和功率，摆脱了地理条件的制约，反应能力好，可以批量化生产和大规模应用。但是他也存在短板，比如电池的成本高，寿命短，都是需要日后进行改进完善的地方。

2储能技术在电力系统中应用的评价指标

能否让储能技术在电力系统中发挥出最大的功效，一方面受到它能否达到特定的等级和规模的影响，受到它能否和工程应用的设备形态相符影响，另一方面，也受到它自身的技术经济性和安全可靠性影响。要想在未来把储能技术广泛的应用到电力系统中，一定要保证它的规模可以达到兆瓦级/兆瓦时级；还要保证应用到电力系统中的储能系统，适合标准化和批量化的生产，方便日常的维护和控制；同时还要结合先进的科学技术，不断的完善电力系统中的储能技术，让它符合电力系统的发展需要和社会的发展要求，最大程度的发挥自身功能。此外，也要考虑它的技术水平和经济成本，这都是可以决定储能技术能否被广泛推广利用的因素，一定要重视，时刻谨记提高技术水平，节约成本。

3储能技术在电力系统中的应用现状

据实际情况看，电力系统中容量最大的储能装机还是抽水蓄能。在电力系统中应用抽水蓄能，可以起到调相调频，黑启动，事故备用，削峰填谷和电网调峰的作用，因为每一个国家电力市场和它的规模结构都存在差异，也会有不同的方法对抽水蓄能的运行和电价机制进行管理。举个例子，日本制定电价使用的是内部核算和租赁制；英国则专门针对抽水蓄能制定了电价机制和竞价模式，对抽水蓄能的交易和收入做出了明确的规定；美国不同的州拥有不同的电力体制和运行方式。具体包括租赁制，电网统一经营，参与电力市场竞争三种模式。我国则建立了相对完整的抽水蓄能管理和开发建设体系，并把它的建设和管理交由电网经营企业，由电网企业承担它一半的建设成本，剩下的分别由用户和发电企业承担。

4储能技术在电力系统中应用的发展前景

根据VLPGO的结论可以看出，中日美西班牙等国，都主张把太阳能和风能等清洁能源作为长期使用的化石燃料。不同的国家针对自身的电力系统特点，提出了不同的目标和政策，并推广落实。未来新能源将被大规模的开发，电网事业也会飞速发展，国家都认为储能技术定义为可以对市场需求进行快速反应和服务的产品，并且大力应用到电力系统中，受到电网公司的欢迎和认可。储能技术在电力系统中的应用，不管是今天还是未来，都具有不可取代的作用，它可以削峰填谷，接入大量的可再生资源，减少电网建设的投资成本，也可以给电力系统安全稳定的运行提供保障，也可以给市场带来新的发展机遇和经济效益。未来全球的储能市值将会出现前所未有的提升。虽然在电力系统中应用储能技术的前景是乐观和广阔的，但是也存在诸如，政策扶持力度差，没有明确的商业模式，成本高，缺乏系统的电价机制等问题，需要不断的努力，进行改善。综上所述，储能技术在未来，必然会成为转变能源结构，变革电力生产和消费方式的支撑性技术，环节可再生能源在发电过程中出现的随机波动和间歇性问题。在电力系统中应用储能技术，一方面，可以有效提高传统电网设备的运行效率和利用率；另一方面，它能够更好地解决电网中的如法故障，有效提升电能的质量，实现电力系统高效，稳定和安全的运行，使其能够满足社会发展的要求。因此相关科研人员需要充分重视储能技术的作用，从本国实际情况出发，结合先进的科学技术，对储能技术在电力系统当前应用中存在的问题进行解决，给其未来发展奠定基础。

参考文献

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[2]骆妮，李建林.储能技术在电力系统中的研究进展[J].电网与清洁能源，2012，02：71~79.

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关键词：电网 储能技术

中图分类号： U665 文献标识码： A

引言

20世纪70年代末，由于电力需求增加而增加的电力投资日益昂贵，一些欧美国家对此产生新的思考。于是便产生了电力需求侧管理(Demand Side Management，DSM)。20世纪90年代以来，DSM在我国也逐步开展起来。作为DSM的一个重要内容，实施削峰填谷对于供电企业意义非凡：可增强电网调峰压力，提高设备利用率；提高供电可靠性，降低损耗，延缓投资，减少可再生能源的接入、分布式发电、微网以及电动汽车充放的影响对电网产生的冲击等。

在削峰填谷的各种方式上，储能技术有着无可比拟的优势。先进的储能技术可大大减少城市用电的峰谷差，既不用投资再建电厂，也避免了在谷值时系统闲置容量过大所导致的发电机组总体经济性下降、煤耗增加的状况发生，从而科学地达到城市节能减排的最终目标。本文将从物理储能、化学储能和电磁储能三个方面浅议储能技术。

储能电池技术

迄今各国研究的兆瓦级电堆体系有锌-溴电池和全钒液流电池等，主要应用在备用电源、电动汽车和规模储能如电网调峰等方面，技术主要由美、日、加拿大等国的公司掌握。

锌-溴电池

该技术以锌作为负极，溴化物作为正极，并被多孔隔膜分离。它们各自蓄能，并以溴化锌水溶液的形式循环往复。

锌／溴电池在造价上具有较大优势，因为从储能电池的普遍成本看，电解液成本占到总成本的30％，所以电解液成分的价格在很大程度上决定了电池的整体造价。而锌／溴电池的电解液成分为锌和溴，其中锌是一种很常见的金属，容易大量获取而且价格较低，而另一种成分溴更是常见，甚至在污水中就能提取。并且，具有设计使用寿命达20年以上，方便运输和移动；电极为环保材料；电解液溴化锌价格便宜，同时电池能量密度大，占地空间小等诸多优点。

全钒氧化还原液流电池

相比其它储能电池，钒液流电池有着很大的优越性：

(1) 额定功率和额定能量是相互独立的，功率大小取决于电池堆，能量的大小取决于电解液。理论上可以通过随意增加电解液的量来达到增加电池容量的目的，能够做成兆瓦级的储能系统；

(2) 电池电解液是循环流动的，电池不存在热失控的问题，同时也减少电化学极化，使得电池能够大电流充放电；

(3) 在充放电期间，钒氧化还原蓄电池只是液相反应，不像普通电池那样有复杂的可引起电池电流中断或短路的固相变化；

(4) 理论上电池的保存期无限，储存寿命长，超过6年。因为电解液是循环使用的，不存在变质问题，只是长期使用后，电池隔膜电阻有所增大；

(5) 能深放电但不会损坏电池，理论上可100%放电；

(6) 可快速进行充放电转换，对功率波动迅速响应；

(7) 温度对钒液流电池的影响程度比对铅蓄电池要小得多，随着温度的恢复，电池性能也完全恢复；

(8) 电池结构简单，材料价格便宜，更换和维修费用低；

(9) 不会造成环境污染。

锂离子电池

锂离子电池是我们最常见的电化学储能电池，我们手机、笔记本电脑的电池多为锂离子电池。该电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。高能效和电力容量上的优越性也让锂离子电池的市场扩大到交通领域。

小型锂电池的研发和推广已经非常成功，但是，锂电池的大型化却是困难重重，日本研究发现，锂电池规模过大时，在能量控制上非常复杂，面临造价高、运行温度高和易短路等问题。并且，还需要更多研究以延长电池的使用寿命、提高电池使用时的安全性及降低材料成本。

对这几种电池技术，进一步研究至关重要，在材料、设计和工程系统上的改进和成本上的降低都很有必要。

物理储能技术

抽水蓄能电站

作为目前最成熟的储能技术，抽水蓄能电站容量可达上万兆瓦时，以其运行方式灵活和反应快速的特点，在电力系统中发挥储能、调频、调相、紧急事故备用和黑启动等多种功能。

抽水蓄能电站不仅启停灵活、反应快速，具有在电力系统中担任紧急事故备用和黑启动等任务的良好动态性能，可有效提高电力系统安全稳定运行水平；而且，跟踪负荷迅速，能适应负荷的急剧变化，是电力系统中灵活可靠的调节频率和稳定电压的电源，可有效地保证和提高电网运行频率、电压质量的稳定性，更好地保障供电质量和可靠性；并且，利用其储能性能可降低系统峰谷差，提高电网运行的平稳性，有效地减少电网拉闸限电次数，提高供电可靠性。

然而，抽水蓄能电站建设周期较长、涉及面积广、环境影响敏感。因此，需兼顾电站区域生态环境协调发展模式，逐步实现与以建筑学科为主导的园林景区设计、恢复生态学、景观生态学、地理学、旅游经济学等相关学科工程设计无缝连接。

压缩空气储能

作为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。

压缩空气储能具有以下优势：首先，压缩空气储能在上较为成熟；其次，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；再次，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%，若再采用先进的材料（如超导热管等），其效率可提升到80%以上。

飞轮储能

飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能，通过安装在机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器储能。

通过电动／发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。目前，美国已将飞轮引入风力发电系统，实现全程调峰，飞轮机组的发电功率为300kW，大容量储能飞轮的储能为277kW每小时。

飞轮储能循环使用寿命长达20年，工作温区为－40～50℃，无噪声，无污染，维护简单，可连续工作。目前难点主要集中在转子强度设计、低功耗磁轴承、安全防护等方面。

电磁储能

超导储能

超导储能系统（ SMES）是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。

由于超导储能系统（ SMES）存储的是电磁能，在应用时无需能源形式的转换。因此该技术系统的响应速度极快，这是其他储能形式所无法比拟的；同时，其功率密度极高，这就保证超导储能系统能够非常迅速以大功率形式与电力系统的能量交换。另外，超导储能系统的功率规模和储能规模可做到很大，并具有系统效率高、较简单、没有旋转机械部分、没有动密封问题等优点；不仅可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡，还可以调节无功功率和有功功率，对于改善供电品质和提高电网的动态稳定性有巨大的作用。

目前，MJ-MW级小规模的超导储能系统造价约40-60万美元。

超级电容储能

超级电容器，也叫电化学电容器。1957年，由美国的Becker首先提出。超级电容器按储能原理可分为双电层电容器、法拉第准电容器。

双电层电容器利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量。当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。该电容器的储能通过使电解质溶液进行电化学极化实现，并没有产生电化学反应，该储能过程是可逆的。

继双电层电容器后，出现了法拉第准电容（简称准电容）。该电容是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，还包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。

作为介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件，超级电容具有巨大的优越性:①功率密度高。超级电容器的内阻很小，而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速储存和释放。②充放电循环寿命长。超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可达万次以上。③充电时间短。完全充电只需数分钟。④实现高比功率和高比能量输出。⑤储存寿命长。⑥可靠性高。超级电容器工作中没有运动部件，维护工作极少。⑦环境温度对正常使用影响不大。超级电容器正常工作温度范围在-35～75℃。⑧可以任意并联使用，增加电容量；若采取均压后，还可串联使用，提高电压等级。

图一：各种储能储存容量及释放时间情况

结语

综上所述，各种储能均存在不同的有点和不足，可在不同的领域采用合适的储能。例如，在输电侧，由于电压支持、功率因数改善及增强电网可靠性，在地域条件允许的情况下，可采用抽水蓄能等大容量的储能；在配电侧、用户侧，考虑微电网、可再生能源接入以及用户负荷波动的影响，可采用高功率超级电容、高能量飞轮或储能电池等响应快速的储能。通过各种储能综合应用于电网削峰填谷，将会增强电网调峰压力，提高设备利用率；提高供电可靠性，降低损耗，延缓投资，减少可再生能源的接入、分布式发电、微网以及电动汽车充放的影响对电网产生的冲击等。从而，为电力客户提供优质电力，促进经济社会快速发展。

主要参考文献

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汪卫华，张慧敏等.用储能方法提高供电企业效益的分析[J].电网，2004，（18）.

段贵恒，使用先进储能实现电力储能〔N〕.中国电力报，2011年3月12日第002版.

篇8

关键词：储能技术；物理储能；电化学储能；电容储能

随着不可再生能源一天天的减少，地球上人口数量的增多，人们对于资源的需求越来越多，可再生能源与能源的储存成为一个新型研究热点问题，储能技术也随之备受瞩目。目前可再生能源在通信系统的不间断电源和应急电能系统、智能电网、微电网、偏远地区供电、分布式发电、电动汽车储能装置、大型后备电源等方面均得到应用[1]。在我国，由于能源中心和电力负荷中心距离跨度大，在电力系统向大电网、大电机发展的情况下，储能技术显得尤为重要。专利作为技术创新的重要信息载体，可以直接反应出一个技术领域创新的能力和现状。为了确定储能技术目前的研究现状和热点方向，本文试图通过对专利数据的分析，探讨各类型储能技术的地位和未来研究趋势。

1 储能技术的发展趋势

通过对2009-2013年储能技术方面专利的申请数量进行年度对比，发现我国储能技术无论是在实用新型专利方面还是发明型专利方面，均保持了较快速度的增长，如图1所示。这与整个储能产业的发展态势密切相关。

图1 储能专利申请年度分布情况

由于电能可以转化为化学能、电磁能、势能、动能等形式存在，按照其储存的方式又可以分为物理储能、电化学储能、电磁储能以及热力储能四大部分。物理储能包括抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能；电化学储能包括铅酸蓄电池、钠硫电池、液流电池、水锂电、锂离子电池；电磁储能主要包括超导电磁储能、超级电容器储能等[2]；热力储能包括熔盐储能和热点储能等。根据申请专利数量分析来看，热力储能技术近5年的专利申请数量远不及其它三种储能技术，因此，研究重点对物理储能、电化学储能以及电磁储能三方面进行进一步的分析。

2 物理储能热点技术分析

抽水储能是指在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化为重力势能储存起来；当负荷高峰时，利用存在上游水库的水进行发电。抽水储能电站储能释放时间小则几小时，多则可以几天，综合效率高达70%～85%。但抽水储能电站对地形条件、岩石强度、水质、库区情况、防渗性以及水源充足程度都有严格的要求。

压缩空气储能是一种可以长时间储能、大容量储能的储能方式。顾名思义，它可以通过压缩空气的方法储存电能，在需要用电的时候，可以通过膨胀机做功将高压空气释放从而产生电能[2]。和抽水储能相比，压缩空气储能站址选择灵活，不需要建造地面水库，地形条件容易满足[3]。电站里储气库是安全系数非常高的储能设备，不仅漏气开裂的可能性极小，比普通设备使用寿命长。发电系统能够发电靠的是气室的密封性、经济性和可靠性等。压缩空气储能电站建设投资和发电的成本均低于抽水储能电站，主要应用于电力调峰和系统备用。

飞轮储能技术是一种具有高能量转换效率的储能装置，正如食品中有“绿色食品”一样，飞轮储能技术技术在储能技术中就可以称之为“绿色储能技术”。因为在飞轮储能器中没有活性的化学物质，所以在其旋转时，也不会发生任何化学反应。它主要由转子、电动机或者是发电机、电力转换器和真空室四部分构成[4]。飞轮储能技术主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。为我国的新兴产业提供了不可缺少的源动力。

图2是2009-2013年抽水储能、压缩空气储能以及飞轮储能三个领域的专利数量，从中可以看出飞轮储能技术的专利数量明显高于抽水储能技术与压缩空气储能技术，且其数量呈增长趋势，说明飞轮储能技术越来越受到人们的重视，将成为物理储能技术中的重点研究方向。

图2 物理储能技术对比分析

当今世界已经出现了多种储存能源的方式，飞轮储能技术凭借其具有使用寿命长、高效环保、储存能量密度大、充电放电速度快等特点在众多的储能技术中脱颖而出。随着人们环保意识的增强以及全球能源的短缺，对环保型汽车的需求越来越多，研发环保节能型汽车成为汽车制造业的一个重要趋势，储能密度大、使用寿命长、充电速度快的新型储能电源系统是该领域的核心点。而飞轮储能技术凭借其充放电快捷、环保、使用寿命长的独特优势，不仅越来越广泛的应用于国内外的许多行业，而且非常适合运用于混合电动汽车中。在车辆行驶或是紧急刹车制动时，可给飞轮储能系统迅速充电，补充能量；而在车辆加速或是上坡过程中，飞轮储能系统则能快速放电。给汽车提供动力，保证汽车平稳运行，减少燃料损耗，延长汽车使用寿命。除此之外，飞轮储能系统还可用于电车、航空航天、可再生能源、电磁发射、铁路交通等众多领域。

3 电化学储能热点技术分析

电化学储能技术在我国储能领域占据着相当重要的位置。大到工厂机械运作，小到手机电池，这些都需要化学物质的变化与反应实现储能，为我们的生活提供便捷。电化学储能技术主要包括铅酸蓄电池、钠硫电池、液流电池和锂离子电池四大技术。铅酸蓄电池，主要应用于电动汽车行业。由于其内部极板上的化学物质，在通电和不通电条件下，会起不同的方向的化学反应，从而在电解质中实现充电和放电过程。钠硫电池，分别以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的电池。工作过程中，钠离子在隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。其优点是：单位提起储能高；可大电流、大功率放电。液流电池是一种新型的大型电化学储能装置，其反应物质是流动的电解质，目前技术不够成熟，还有待探索。锂离子电池，通过锂离子在正负极之间运作从而电子流动，产生移动电流，实现放电。其目前基本用于手机、数码相机、数码摄像机、笔记本电脑等便携式电子产品中[5]。目前水溶液锂电池，将一片极薄的金属锂，被特制的复合膜紧密包裹，在中性水溶液中与尖晶石锰酸锂组合，实现电子流动，形成电流。传统锂电池生产成本高，生产要求高，还存在较大的安全隐患。而水溶液锂电池安全性能高，离子导电性高，成本低。而且发电用时短，能量效率高。可应用于手机、电动车等领域，发展前景非常好。电化学储能技术涉及领域多，需要深入研究的问题多，发展空间大。

图3是2009-2013年各类电化学储能技术的专利分布情况。总体来看电化学储能技术的专利成上升趋势，其中锂离子电池方面的专利数位居第一位，铅酸蓄电池位居第二，液流电池位居第三位，钠硫电池近三年有一定的研究成果。

图3 电化学储能热点分析

从图3中可以看出锂电池为电化学储能技术的热点。具有充放电电压稳定、高效环保无污染、能源储存寿命长等特点的锂离子电池是世界上应用最为广泛的电化学储能装置[6]。因此其在手机储能界备受青睐。但锂离子电池也十“娇气”。第一放电电流不能过大，电流过大电池内部工作温度过高，会对电池造成永久性损伤；第二，不能够过度放电，当放电电压过低会造成内部可逆反应，很可能导致电池报废。现在使用的锂电池内部都装有保护电路，在恰当的电压下先形成断路，保护锂电池。锂电池从1970年发展至今，通过正负极材料的更换，不断提升性能，在电化学储能领域始终处于领先地位，是便携式电子器械的主要电源[7]。锂离子电池也是一种绿色环保电源，多块锂离子电池的捆绑能形成大存储量的电池，因此，锂离子电池也具有非常优越的发展前景。

4 电磁储能热点技术分析

电磁储能主要包括超导储能和超级电容器储能。超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置，其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质[8]。一般是由制冷装置、超导线圈、变流装置、超导线圈和测控系统等部件组成。调节电力系统峰谷，改善电力系统稳定性等通常都是利用超导储能这一功能，此外，超导储能系统也可用于降低或者是消除电网的低频功率振荡，从而提高电网的频率和电压等特性。相对于物理储能技术与电化学储能技术，超导储能系统本身具有许多特点：超导储能系统能够无损耗的储存能量，它的转化效率高达90%；通过电力电子器件的变流技术与电网的连接中，超导储能系统响应速度非常快，可达毫秒级；因为其储存能量与功率调制系统的容量可单独在较大的范围内选择，所以需要多大的功率就可将超导储能系统建成多大的功率；超导储能系统在建造时没有转动部分，大大提高了其使用寿命，且其制造材料较环保，不会造成很大的环境污染。目前，我国在超导储能技术的研究方面投入了大量的人力和财力，并且取得了一些不错的成就，在国际上，超导储能系统已成为在储能技术方面的一个竞相研究的热点技术。

超级电容器又叫做双层电容器，通过极化电解质的方式储能。超级电容器是一种电化学元件，但是在它储能的过程中并不发生化学反应，这种储能的过程也是可逆的，也正是因为它的这种特性，超级电容器可以反复充电多达数十万次，且不会造成环境污染[9]。超级电容器曾被视为多孔电解板，其悬浮在电解质中，在它的极板上加电，正、负极分别吸引负离子、正离子，实际上就可以形成两个存储层，被分离开的正、负离子分别在负极板与正极板周围。因为石油资源短缺，而且燃烧石油的同时排放大量的尾气对环境污染及其严重，尤其是在一线城市，人们正在研究能够替代石油的清洁能源装置。已经对化学电池产品，物理能源装置、燃料电池等做了一系列的研究，而且取得了一定的成果。但是由于其温度适应范围小、污染环境、使用率低、机器设备昂贵等劣势，在储能领域方面一直没有找到好的解决办法。而超级电容器具有充电时间短、使用寿命长、对环境无污染等优点[10]，它的发明为储能技术带来了新的光明，以其特性几乎能够代替传统的化学电池产品在动力能源领域的位置，目前应用于电车电源、电子类电源以及电力系统，今后会具有更加广泛的用途。

图4为2009-2013年电磁储能技术在超导储能和超级电容储能两个领域的专利数量，可以发现超导储能技术的专利数量在近五年较少，而超级电容储能的专利数量则呈上升趋势，成为未来电磁储能技术的研究热点。

尽管超导储能较早受到关注，进行研发，但从目前专利数据来看，超级电容储能将超越超导储能成为电磁储能技术的热点研究方向。超级电容器的诞生到现在，虽然只有短短的三十多年，但是微型的超级电容器在小型的机器设备中已得到广泛的应用，例如电脑、相机等高科技设备中的内存系统，或是一些间接性用电的辅助设施，超级电容器在其中都起着不可替代的作用。而较大尺寸的超级电容器则被应用于汽车及其自动化以及对新能源的采集方面，由此可以看出，超级电容器在这些领域有着巨大的潜力。

5 结束语

通过上述分析，发现飞轮储能技术、锂离子电池和超级电容储能技术将成为储能技术的核心研究方向。这几种储能技术都有以下几个共同点：（1）相比其他储能技术，安全性相对较高，其中锂离子电池因为在安全性方面的优异表现，而被广泛应用。（2）储能实现的条件相对容易，无论是飞轮储能还是超级电容储能，都不需要类似于超高温度或超高压力这类的极端条件，实现储能的外部条件相对容易实现。（3）都有其过人的优点，飞轮储能是一种高效率充放电、绿色环保、使用寿命极高的一种储能技术；锂电池有安全性高、充电快、电压高、工作温度低等优点；而超级电容器具有使用寿命长、能量密度高、环保性能高等特点。但是每种技术仍然有其局限性，譬如飞轮储能技术应用面较为单一；锂电池电流不能太大，温度不能太高，且不能过度放电；超级电容器成本十分高昂等，因此储能产业需要多种技术的结合使用，以满足社会各行各业的多种需求。

参考文献

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关键词：UPS 污染 环保 超导 飞轮储能

一、引言

UPS意为不间断电源系统，它能够为负载提供连续稳定的电能。随着计算机、精密电子仪器等用电设备的普及以及工厂、电信、医院、银行、机场等重要场所对供电质量要求越来越高，UPS得到了广泛的应用，已经逐步发展成为高可靠、高性能、高度自动化的局部供电中心。但是随着UPS的大量使用，UPS对电网及环境造成的污染也渐渐显现出来。在环保意识日益强烈的今天，人们不断研究开发新的环保技术替代原有技术，使UPS逐步成为真正的绿色电源。

二、 UPS的基本原理

一般来讲，UPS由五大部分组成：整流电路、储能机构、逆变电路、旁路开关电路及测控电路。

整流电路：将交流电变换为直流电，完成对储能机构充电，同时通过逆变器向负载供电。

储能机构：储能机构是UPS的核心部分，当市电正常时，储能机构从电网吸收能量储存起来；当市电中断时，储能机构将电能释放出来，供逆变器使用。

逆变电路：将整流电路所得的直流电压或者储能机构的电压变换成交流电压。

旁路开关：是市电旁路供电和逆变器供电的电气转换器件。

测控电路：是UPS的大脑，监测输入电压、电流的水平和控制输出的电压和电流精度；设置和控制整流器、逆变器；控制储能机构的充放电；控制主回路与旁路之间的转换。

三、 UPS带来的污染

1.对电网的污染

一般UPS 的整流电路常采用晶闸管相控整流电路，常用的整流电路有三相全桥六脉冲整流电路、六相全桥十二脉冲整流电路等。相控整流电路结构简单控制技术成熟，但由于交流输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流，会对电网产生较大的污染。

大量谐波电流涌入电网后，会使线路的附加损耗增加，引起线路过热加速绝缘介质的老化，导致绝缘破损。另外谐波电流通过电网时会产生有功损耗，对电网的经济运行很不利。

2.UPS对环境的污染

目前UPS中广泛采用蓄电池作为储存电能的装置。蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来。当市电中断时，UPS将依靠储存在蓄电池中的能量维持逆变器的正常工作，此时蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给UPS使用。

开放型液体铅酸电池的正电极活性物质过氧化铅，负电极活性物质是海绵状铅，电解液是浓硫酸。蓄电池在充电过程中，电池内部产生的硫酸蒸汽、水蒸气、氢气和氧气等混合物质会逸出扩散到空气中，对人体伤害很大。

尽管密封式免维护铅酸蓄电池生产厂家采用各种办法减少硫酸蒸汽、水蒸气、氢气和氧气等混合物质逸出，使它们尽量消化在电池内部，但绝对控制是不可能的，污染是不可避免的。

镉镍电池的正极性物质是高价氢氧化镍，负极性物质是海绵状金属镉，氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作为电解液。镉是重要的工业和环境污染物。

四、环保措施

1.减少对电网的污染

现代意义的UPS越来越注重对电网的环境保护意识，在降低谐波污染、无功损耗等方面根据UPS功率大小的不同，电路结构的不同可以采取不同的措施和方法。传统的大功率UPS整流器大都采用晶闸管相控整流电路，在输入侧加装无源滤波器，来吸收谐波和提高功率因数，但是由于受到滤波器的体积和成本的限制，最高可使功率因数提高到0.9 ，电流谐波THD 5%，而且无源滤波器抑制谐波本质上是频域处理方法。

人们提出了在UPS网侧设置有源滤波器对谐波和无功进行补偿。有源滤波器以时域分析为基础，对畸变波形实时跟踪补偿，使得电源侧的电流波形与电压波形一致。UPS电路中采用高频整流技术，通过高频控制，可以使输入电流和输入电压相位相同，网侧功率因数为1，输入谐波电流也将降到3%以下。

总之，对于小功率的UPS 可以采用PFC 整流器和高频PWM整流器及其相应的控制技术，对于大中功率的UPS 采用高频双向变换串并连补偿电路结构比较适合，具有广阔的发展和应用前景。

2.消除对环境的污染

近年来人们越来越关注环境，如何在发展的同时保护环境，成为社会生活中的大问题，UPS中大量采用铅酸及镉镍蓄电池作为储能装置，已经成为对环境造成破坏的污染源，消除 UPS对环境的污染的根本措施就是采用环保的无污染的储能装置替代原有的化学电池，目前新兴的高科技储能技术主要有两种：超导储能和飞轮储能。

2.1.超导储能

超导材料具有高载流能力和零电阻的特点，可长时间无损耗地储存大量电能，需要时储存的能量可以连续释放出来。在此基础上可制成超导储能系统。超导储能装置一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、整流逆变装置和测控系统几部分组成。

超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。螺旋管线圈结构简单，但周围杂散磁场较大；而环形线圈周围杂散磁场小，但是结构较为复杂，超导线圈以电感的方式直接将电能储存起来。线圈中存储电流的能力是由温度和磁场强度决定的，对于大多数超导储能装置来说，最佳的运行温度是50-77K。

超导储能系统的运行原理非常简单，首先通过整流装置将电网提供的交流电转化为直流电加入到超导线圈中，因此当能量从系统流入线圈中时，直流电压将会对超导线圈充电，能量被储存在线圈中。能量储存的多少是由装置的设计决定的。当交流网络需要提供能量时，线圈作为电源，释放储存的能量，通过逆变器将直流电转换为交流电。超导储能装置是一种先进的储能方式，它将电能储存在超导线圈内的磁场中，超导储能线圈产生的磁场很强，储存的能量密度很高，储能与释放能量的次数基本不受限制，由于超导储能系统中不存在化学反应，因此对环境几乎不会造成污染。

2.2.飞轮储能

飞轮是绕轴旋转的简单物体，飞轮储能装置从本质上讲是一种机械电池，飞轮以动能的方式储存能量。飞轮储能装置主要包括：飞轮、电机、轴和轴承、真空容器、整流器、逆变器、测控装置。在整个飞轮储能装置中，飞轮是核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量等于组成飞轮的各个部分的动能之和。为了减少运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电机和飞轮都密封在一个真空容器内减少风阻。

飞轮储能装置最基本的工作原理就是，将电网输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当测控系统感知到网侧电源不正常或者中断时，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，其中整流器和逆变器为双向的，在储能状态时保证对飞轮平稳储能，在释放能量过程中保证输出的电能符合负载的严格要求；当网侧电源恢复正常时，飞轮回到备用状态，整个装置就可以以最小损耗方式运行。

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关键词：可再生能源 储能技术 并网系统

0 序言

随着电网规模的不断扩大， 超大规模电力系统的弊端也日益显现， 成本高， 运行难度大， 难以适应用户越来越高的安全及可靠性的要求以及多样化的供电需求。暨世界范围内接连发生的几次大面积停电事故后， 传统大规模电网暴露出了其脆弱性。 2007年我国南方雪灾给南方电网造成巨大影响， 使人们深刻反思，除了单一扩大电网规模， 建设超高压输电网外，利用新能源以及可再生能源在负荷处就近供电，降低负荷对大电网的依赖无疑对提高供电安全性和可靠性起到至关重要的作用。

1可再生资源发电技术[1]

（1） 微型燃气轮机技术。微型燃气轮机是指以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机。其特点是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单，但发电效率可达30 % ， 如实行热电联产， 效率可提高到75 %。

（2） 燃料电池技术。燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流电能的电化学装置。工作时，直接将燃料中的氢气借助电解质与空气中的氧气发生化学反应， 在生成水的同时进行发电。

（3） 太阳能光伏发电技术。太阳能的转换和利用方式有光热转换、光电转换和光化学转换。目前， 技术比较成熟且应用广泛的是光电转换，也就是太阳能光伏发电技术。该技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能，具有不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。

（4） 风力发电技术。风力发电技术是将风能转化为电能的技术。近年来， 风力发电技术进步很快， 风力发电与光伏发电联合运行也是近年来的主要技术应用之一。

（5） 生物质能发电技术。生物质能发电是首先将生物质能资源转化为可驱动发电机的能量形式（如燃气、燃油、酒精等） ， 再按照通常的发电技术发电。我国生物质能资源主要有农作物秸秆、树木枝桠、畜禽粪便、能源作物（植物） 、工业有机废水、城市生活污水和垃圾等。

（6） 海洋能发电技术。海洋能包括潮汐能、波浪能、海流能、潮流能、海水温差能和海水盐差能等不同形态的能源。目前， 海洋能发电多数处在试验阶段， 比较成熟的只有潮汐能发电技术。潮汐能发电和水力发电厂相似，是利用海水涨落及其所造成的水位差来推动水轮机，再由水轮机带动发电机发电。

（7） 地热发电技术。地热能是来自地球深处的可再生热能，地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其和火力发电的基本原理是一样的， 都是将蒸汽的热能经过汽轮机转变为机械能， 然后带动发电机发电。所不同的是， 地热发电不像火力发电那样要具有庞大的锅炉， 也无需消耗燃料。

2新能源发电的并网问题

2.1 什么是可再生能源并网发电系统

可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及燃料电池等产生的可再生能源不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。

因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统本钱。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为外地交流负载的电源，降低整个系统的负载缺电率。同时，可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。

可再生能源有独立供电和并网供电两种形式。目前，可再生能源的独立供电主要是针对边远无电地区，而要解决我国南方雪灾情况下的就近供电，就必须采用并网供电。所以为了提高其利用率，可再生能源必须由独立供电向并网供电方向发展。

在整个并网系统中，逆变器是最主要也是最重要的部分。以太阳能发电系统和风力发电并网系统为例。并网太阳能发电系统由光伏组件、光伏并网逆变电源量装置组成。光伏组件将太阳能转化为直流电能，通过并网逆变电源将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能馈入电网。并网逆变电源是光伏并网发电系统的核心设备。风机并网发电系统由风力机、风机控制器、风机并网逆变电源及计量装置等组成。风机将风能转化为交流电能，通过风机控制器再转换为直流电能，经风机并网逆变器将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能馈入电网。风机并网逆变电源是风力并网发电系统的核心控制设备，它将风机发出的交流电整流成直流电力，然后逆变成交流电最大限度的馈入电网。

2.2 并网系统的系统原理

如图1所示为一个典型的可再生能源发电系统。系统中发电装置包括常见的风力发电、光伏发电以及燃料发电等，同时还包括了各种储能技术，各个发电装置通过各自的变流器连接在一起形成直流总线。同时，直流总线上通过变流器连接有储能环节。直流总线通过并网逆变装置得到交流电，经过电能监控与管理装置既可以挂接到公共电网实现并网发电，也可以接交流负载。在此系统中除了单纯的可再生资源发电以外，还加入储能环节，可以利用各种储能技术储存多余能量。此外电能监控与管理系统具有电能自动化系统的功能。

单纯的可再生资源发电系统，储能环节是可以省略的，但如果针对固定负载供电的并网发电系统，带一定数量的储能蓄电池是必须的，还有就是多功能并网系统也需要带有储能系统。

如图1所示的并网发电系统，在能源充足的情况下，发电系统首先满足负载用电，如果还有富余的电能可以通过电能管理系统结合当时的电价以及当时负载用电量的需求情况决定是优先通过向电网卖电还是进行储能，等负载用电需求量达到高峰期再向电网卖电。这样灵活应用储能系统的充放电来追求可再生资源并网发电系统的经济运行机制，这样的储能环节完全不同于独立可再生资源并网发电系统的储能系统，这样的并网机制也不同于一般不带储能环节的并网发电系统。

2.3 并网系统的拓扑结构

如图2所示并网拓扑结构有很多形式，最普遍的有采用单级变换和两级变换拓扑结构，两级变换拓扑结构一般由形式多样的DC/DC变换器和DC/AC并网逆变器组成。

前端的DC/DC变换器一般是比较常见的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK或者是推挽电路等等，用来实现电池输出功率的最大功率跟踪，前端DC/DC环节还需要实现蓄电池储能功能；而DC/AC一般是单相或三相的并网逆变器实现并网、有功调节、无功补偿或者是谐波补偿等功能，如果是单级变换拓扑结构就只有后端的DC/AC部分[4][5]。

3 储能技术

（1）超级电容器储能[1]。超级电容器通过使用一种多孔电解质加大两极板的面积，从而使储能能力得以提高，有常规电容器功率密度大、充电能量密度高的优点，可快速充放电，且使用寿命长，不易老化，还具有一些自身的优势，它没有可动部分，既不需要冷却装置也不需要加热装置，在正常工作时，内部没有发生任何化学变化。超级电容器能够安全放电，安装简易，结构紧凑，可适应各种不同的环境。

（2）蓄电池储能。蓄电池储能目前在市场上占主要地位，是电力系统中广泛应用的储能技术之一。根据所使用的不同化学物质，蓄电池分为多种类型，如铅酸电池、MH-Ni电池等。它可与超级电容器联合使用，既发挥了超级电容器功率密度大，又发挥了蓄电池能量密度大的优势。

（3）超导储能。超导储能装置将能量储存在由电流超导线圈产生的磁场中，将超导线圈浸泡在温度极低的液体（液态氢等）中，然后放在密闭容器中。然而超导线圈放置在温度极低的环境中是目前利用超导储能的瓶颈。一旦超导材料研制成功，超导储能的前景难以估量。

（4）飞轮储能[2]。飞轮储能是一种新型的机械储能方式，它将能量以动能的形式存储在高速旋转的飞轮装置中。目前使用的飞轮技术主要有高速飞轮系统（飞轮较小，转速极快）、低速飞轮系统（飞轮较大，转速相对较慢）。飞轮储能系统的能量密度较大，占据空间相对较小，但是其功率密度相当低，不能像超级电容器那样快速地释放其储存的能量。然而只要设计合理，加上飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长等优点，将飞轮储能系统应用发电系统中是很有竞争力的。

4 结束语

可再生资源发电并网技术相对可再生资源能应用来说，目前的发展还处在初期。2030年之后会有稳定且很高的增长率。到2030年可再生资源发电并网发电将成为可行的电力供应者，此后市场将继续全速增长。商业技术会进一步快速成熟，发电成本会继续降低。所以可再生资源发电将成为一个标准和公认的选择，它与其它可再生能源一起，将成为安全有力的能源供应者，在需要的时间和地点支撑电网或单机模式的电力供应。

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关键词:超级电容器;储能模块;用电设备;控制电路

中图分类号:TM535文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)23-0041-03

一、问题的提出

在超级电容器的产业化方面,美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累,目前处于领先地位。如美国的Maxwel,日本的NEC、松下、Tokin和俄罗斯的Econd公司等,这些公司目前占据着全球大部分市场。国外主要的生产企业有:美国的Maxwell公司,俄罗斯的公司、Elit公司,日本的Elna公司、Panasonic公司、NEC-Tokin公司,韩国的Ness公司、Korchip公司、Nuintek公司等。

近年来,由于这一领域具有广阔的应用前景,我国一些公司也开始积极涉足这一产业,并已经具备了一定的技术实力和产业化能力,能够批量生产并达到实用化水平的厂家有10多家。

Li离子、NiMH等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案,并且已经在很多领域中广泛使用。众所周知,化学电池是通过电化学反应,产生法拉第电荷转移来储存电荷的,使用寿命较短,并且受温度影响较大,这同样也是采用铅酸电池(蓄电池)的设计者所面临的困难。同时,大电流会直接影响这些电池的寿命,因此,对于要求长寿命、高可靠性的某些应用,这些基于化学反应的电池就显出种种不足。

超级电容器的原理并非新技术,常见的超级电容器大多是双电层结构,同电解电容器相比,这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比,超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高,并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。超级电容器是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器,有着法拉级的超大电容量,比传统的电解电容器的积能密度高上百倍,漏电流小近千倍,它的放电比功率较蓄电池高近十倍,不需要任何维护和保养,寿命长达十年以上,是一种理想的大功率物理二次电源,已成功地用作内燃发动机的启动电源;电动车的起步、加速、爬坡电源;高压开关的分合闸操作电源及用于电传动装甲车和大型充磁设备中。

目前我国已成功开发、生产出此类电容器。其系列技术指标为:电容量:0.2～600F,工作电压:14～400V,最大电流400～2000A。

由于可充电型蓄电池的充电次数有限(小于1000次),使用寿命较短;其次,由于其化学结构的影响,它不能进行大电流充电;第三,蓄电池需要有防过充、防过放以及温度补偿等控制电路,而且控制电路比较复杂;第四,可充电型蓄电池主要利用化学反应来进行充放电,电池中的废物会对环境产生污染,不属于环保产品。

因此,本文中选用超级电容做为储能元件。该电容具有法拉级的超大电容量,超强的荷电保持能力,且漏电流非常小,8小时电压下降率小于5%;无须特别的充电电路和控制放电电路,充电迅速,而且可以在仅高于其漏电流(典型值约为1mA)的状态下充电;此外还具有优良的温度性能,可在-40～75℃的环境温度中正常使用;无污染,是一种绿色电源;可焊接,而且不存在象蓄电池那样接触不牢固等问题。超级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。

二、超级电容器的原理及特点

(一)超级电容器的原理

超级电容器也属于双电层电容器,它是世界上已投入生产的双电层电容器中容量最大的一种,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。超级电容器是一种电容量可达数千法拉的极大容量电容器。以美国库柏Cooper公司的超级电容为例,根据电容器的原理,电容量取决于电极间距离和电极表面积,为了得到如此大的电容量,要尽可能缩小超级电容器电极间距离、增加电极表面积,为此,采用双电层原理和活性炭多孔化电极。

超级电容器的结构如图1所示。双电层介质在电容器的二个电极上施加电压时,在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带的电荷极性相反的电荷并被束缚在介质界面上,形成事实上的电容器的两个电极。很明显,两个电极的距离非常小,只有几纳米,同时活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积,可以达到200m2/g。因而这种结构的超级电容器具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量。就储能而言,超级电容器的这一特性介于传统电容器与电池之间。当两个电极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时,电解液界面上的电荷不会脱离电解液,超级电容器处在正常工作状态(通常在3V以下),如果电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位,那么,电解液将分解,处于非正常状态。随着超级电容器的放电,正、负极板上的电荷被外电路泄放,电解液界面上的电荷响应减少。由此可以看出超级电容器的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应,因此性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池不同。

(二)超级电容器的主要特点

尽管超级电容器能量密度是蓄电池的5%或者更少,但是这种能量的储存方式可以应用在传统蓄电池不足之处与短时高峰值电流之中。相比电池来说,这种超级电容器有以下几点优势:

1.电容量大,超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极,与电解液接触的面积大大增加,根据电容量的计算公式,两极板的表面积越大,则电容量越大。因此,一般双电层电容器容量很容易超过1F,它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3～4个数量级,目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。

2.充放电寿命很长,可达500000次,或90000小时,而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次;可以提供很高的放电电流,如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A,放电峰值电流可达1680A,一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流,一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。

3.可以在数十秒到数分钟内快速充电,而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能的。

4.可以在很大的温度范围内正常工作(-40～+70℃),而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作;超级电容器用的材料是安全和无毒的,而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性;而且,超级电容器可以任意并联使用来增加电容量,如采取均压措施后,还可以串联使用。

双电层电容器中,采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,如图1所示。

三、超级电容器的应用设计

(一)超级电容器的应用设计原理

根据设计要求,其原理框图如图2所示,它主要由五部分组成,即充放电控制通过充电器对超级电容器充电、光控对于用作夜间照明用的电器可根据光通量对它实现控制、超级电容器采用二并二串的连接方法使它的容量为150F、充电结束指示是当超级电容器充电到额定容量提醒用扳去充电电源、负载根据本文设计可作多用途,例如数码相机电源、夜间应急对等低电压直流电源。

(二)充放电原理

一般电池充电均采用恒流方式,这样只需控制充电时间或充电结束绿灯指示即完成对电池的充电。若容量为1700毫安mA时,其标准充电方法是:用额定容量的1/10左右电流。图3充电器实测充电电流为200mA左右,充电时间约为8～12小时。制作所需的元件有:变压器一个,功率在10W左右,次级绕组的电压在12～15V之间;7812三端稳压集成电路一个;IN4007二极管4个(或1A/200V整流桥一个),2200μF/50V电解电容和0.1μF无极性电容各一个滤波;30欧姆电阻一只(阻值大小可以根据需要自定);制作说明及注意点:选好元件以后按照电路图组装好电路,仔细检查确保焊接无误。三端稳压集成电路须安装散热片。电阻的功率2W以上,最好选择阻燃电阻。在电路板上安装电阻时要在他周围预留一定的空间,因为电阻也有较大的发热量。改变电阻的阻值大小即可在一定范围内改变充电电流,也就控制了充电时间的长短。不过建议在一般情况下不要采用大电流充电,以免影响使用寿命。图3充电器给超级电容器充一次电,可以数十秒到数分钟内快速充电,在数码相机上可拍照300～400张左右(LCD取景屏常开,适量使用闪光灯),使用过程,超级电容器工作一直良好,使用效果也非常令人满意。

由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积(即获得了极大的电极面积A),而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm(即获得了极小的介质厚度d),根据前面的计算公式可以看出,这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上,从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。

四、控制电路的设计

(一)设计参数

以四个单体容量150F、耐压5V、内阻20mΩ的超级电容为例,先两个并联、再两串联。得到150F、5V的组件。为安全计,充电只达到10V,故需给组件并联两个5V的监控电路。故设计参数选为:监控电压5V,限制电流2.5A,工作内阻10mΩ以下(低于电容内阻),如图4超级电容器充电控制电路的原理图所示。

(二)电路设计

在图4超级电容器充电控制电路的原理图中,为了在低电源电压下工作,T1选用饱和电压Vce低的三极管2SA1743(30W/10A)。虽然其功耗仅2～3W,仍为其选用热阻为10～15℃/W的散热器。

根据图4,Tl的IR≈25mA,流过R3的电流为2mA,合计为27mA。这时IC1的功耗Pic1为35mW。监控电压的调整选用稳压集成电路2SA1743,其最大电流为50mA,允许功耗为150mW。充电结束信号由光电耦合器传递给充电器;T2用来驱动光电耦合器。

五、结语

超级电容器也属于双电层电容器,它是世界上已投入生产的双电层电容器中容量最大的一种,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。超级电容器放电次数可达数万次乃至数十万次,就实际水平而言,上海奥威科技的超级电容器已经可以实现充放电20000次。这样一来,超级电容器在使用寿命上是蓄电池的4～5倍,而价格却仅为其3倍左右,就体现出更具竞争优势的性价比。

可以数十秒到数分钟内快速充电,而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能的。

我们通过一种替代蓄电池的超级电容储能模块,合理地设计充电和稳压电路,该模块的能量输出具有稳定性好,转换效率高等特点。通过计算本文充电电路的电流与效率之间关系,并确定最佳的充电电流范围。随着超级电容耐压的提升、容量的扩大和价格的降低,相应的小功率储能模块具有很好的应用前景。

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关键词：UPS污染环保电流谐波功率因数超导储能飞轮储能

1.引言

UPS(UninterruptiblePowerSupply)意为不间断电源系统，它能够为负载提供连续稳定的电能。随着计算机、精密电子仪器等用电设备的普及以及电信、医院、银行、体育场馆、机场等重要场所对供电质量要求越来越高，UPS得到了广泛的应用，已经逐步发展成为高可靠、高性能、高度自动化的局部供电中心。但是随着UPS的大量使用，UPS对电网及环境造成的污染也渐渐显现出来。在环保意识日益强烈的今天，人们不断研究开发新的环保技术替代原有技术，使UPS逐步成为真正的绿色电源。

2.UPS的基本原理

一般来讲，UPS由五大部分组成：整流电路、储能机构、逆变电路、旁路开关电路及测控电路。如图2.1所示：

图2.1UPS结构框图

整流电路：将交流电变换为直流电，完成对储能机构充电，同时通过逆变器向负载供电

储能机构：储能机构是UPS的核心部分，当市电正常时，储能机构从电网吸收能量储存起来；当市电中断时，储能机构将电能释放出来，供逆变器使用。

逆变电路：将整流电路所得的直流电压或者储能机构的电压变换成交流电压。

旁路开关：是市电旁路供电和逆变器供电的电气转换器件。

测控电路：是UPS的大脑，监测输入电压、电流的水平和控制输出的电压和电流精度；设置和控制整流器、逆变器；控制储能机构的充放电；控制主回路与旁路之间的转换。

3.UPS带来的污染

3.1.对电网的污染

一般UPS的整流电路常采用晶闸管相控整流电路，常用的整流电路有三相全桥六脉冲整流电路、六相全桥十二脉冲整流电路等。相控整流电路结构简单控制技术成熟，但由于交流输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流，会对电网产生较大的污染。

3.1.1谐波含量高

相控整流电路利用整流元件的导通、截止作用短接和断流，以达到改变输出电压的目的，这样就会产生谐波电流，当整流电路滤波电抗足够大，不计换相重叠角且控制角为零时，谐波次数和谐波电流（理论最大值）为

式中k-------整数1，2，3，………。

p-------整流电路的相数或每周脉冲数

In---n次谐波电流

I1------基波电流

常用整流器负荷电流的谐波次数、谐波电流、含量（理论最大值）、谐波畸变率见下表：

此外在UPS中，一般由交流市电输入整流，整流后大都采用大容量的电容器进行滤波以使输出电压平滑（在UPS中还并联有蓄电池），只有电压高于滤波电容两端电压时，滤波电容才开始充电，这就在电容充电期间形成了宽度很窄的脉冲电流，这种电流不仅严重滞后于电源电压，而且谐波分量很大。

3.1.2输入功率因数低

中大型UPS一般都是双逆变在线式结构，输入整流器采用三相全桥六脉冲可控整流电路，其输入功率因数是由换相重叠角γ和控制角α来就决定的。换相重叠角γ是指三相整流电路中两相电压共同导通的时间；控制角α表示触发延时时间，即从正弦波过零开始到晶闸管触发导通之间这段晶闸管不导通的时间。相控整流电器的功率因数为

如果换相重叠角γ很小,可以忽略不计时,则相控整流器的功率因数表达式为

说明整流器的功率因数主要与控制角的余弦有关，控制角愈小，功率因数愈大；反之则功率因数愈小。

实际上，在整流电路中，除了存在整流电压与整流电流之间相位差之外。还存在着由于高次谐波电流引起的电流波形畸变问题，可以用电流畸变系数µ进行计算。电流畸变系数µ如上式所示。

考虑到高次谐波畸变因数后，整流器的功率因数PF可以表示为

高频开关整流电源由于是峰值整流形式，其输入电流为很窄的大电流脉冲波，谐波分量很大，电流畸变系数µ很低，故其功率因数PF也很低。

3.1.3高谐波含量、低功率因数的危害

大量谐波电流涌入电网后，会使线路的附加损耗增加，引起线路过热加速绝缘介质的老化，导致绝缘破损。另外谐波电流通过电网时会产生有功损耗，对电网的经济运行很不利。另外，电网中设置的并联电容器的容抗会随着谐波次数的增加而减小，因而会使电容器过电流发热导致绝缘击穿的故障增多。

电力系统存在分布电容和功率因数补偿电容器，谐波电流有可能激发局部串联谐振或并联谐振，直接破坏整个系统的安全运行。

当选用柴油发电机组与UPS匹配使用时，UPS向柴油发电机组反射的大量高次谐波，特别是5次和11次谐波会对柴油发电机组产生严重的危害，使柴油发电机组的效率大大降低。

大量的谐波会使用电设备运转不正常或者不能正常操作；谐波同时会干扰通信系统、降低信号的传输质量、破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。

功率因数低会使电网的电压下降，电气设备得不到充分得利用，大量的无功电流在线路上流动占用了线路资源降低了线路传输有功电流的能力，增加附加损耗，降低发电、输电及用户设备的效率。

3.2.UPS对环境的污染

目前UPS中广泛采用蓄电池作为储存电能的装置。蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来。当市电中断时，UPS将依靠储存在蓄电池中的能量维持逆变器的正常工作，此时蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给UPS使用。

UPS中应用的蓄电池共有三种：开放型液体铅酸电池、密封式免维护铅酸蓄电池、镉镍蓄电池。

开放型液体铅酸电池的正电极活性物质过氧化铅，负电极活性物质是海绵状铅，电解液是浓硫酸。蓄电池在充电过程中，电池内部产生的硫酸蒸汽、水蒸气、氢气和氧气等混合物质会逸出扩散到空气中。铅酸蓄电池制造过程中会产生大量的固体废弃物、含硫酸和重金属废水以及含铅尘、铅烟的大量废气。铅酸蓄电池中的铅和铅氧化物在蓄电池的生产和使用过程中以粉尘和烟雾的形式通过呼吸道和消吸道进入人体，铅是人体唯一不需要的微量元素，它性质稳定、不可降解，对人体神经系统、消化系统、造血系统以及肾脏有一定的影响。

尽管密封式免维护铅酸蓄电池生产厂家采用各种办法减少硫酸蒸汽、水蒸气、氢气和氧气等混合物质逸出，使它们尽量消化在电池内部，但绝对控制是不可能的；同样由于密封式免维护铅酸蓄电池的工作原理仍然延续传统的铅酸电池，采用同样的反应物质，它对环境带来的污染也是不可避免的。

镉镍电池的正极性物质是高价氢氧化镍，负极性物质是海绵状金属镉，氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作为电解液。镉是重要的工业和环境污染物，主要来源于锌、铜、铅矿的冶炼，电镀、蓄电池、合金、油漆和塑料等工业生产中。镉污染的主要途径是食物和吸入。镉是人体非必需且有毒元素，还是IA级致癌物，具有致癌、致畸和致突变作用，镉在体内的生物半衰期长达10－30年，为已知的最易在体内蓄积的有毒物质。镉的不断累积，可使接触者产生各种病变，还可引起肺、前列腺和的肿瘤。

4.环保措施

4.1.减少对电网的污染

现代意义的UPS越来越注重对电网的环境保护意识，在降低谐波污染、无功损耗等方面根据UPS功率大小的不同，电路结构的不同可以采取不同的措施和方法。

传统的大功率UPS整流器大都采用晶闸管相控整流电路，在输入侧加装无源滤波器，来吸收谐波和提高功率因数，但是由于受到滤波器的体积和成本的限制，最高可使功率因数提高到0.9,电流谐波THD5％，而且无源滤波器抑制谐波本质上是频域处理方法，即将非正弦周期电流分解成傅里叶级数，对某些谐波进行吸收，因此只能抑制固定的几次谐波，补偿固定的无功功率。针对无源滤波器的上述缺点

人们提出了在UPS网侧设置有源滤波器对谐波和无功进行补偿。有源滤波器以时域分析为基础，对畸变波形实时跟踪补偿，使得电源侧的电流波形与电压波形一致。有源滤波器具有高度可控性和快速响应特性，并且能补偿各次谐波，自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，不增加电容元件可以避免系统发生谐波谐振，相对体积和重量较小。

UPS电路中采用高频整流技术，通过高频PWM（PULSWIDTHMODULATION）控制，可以使输入电流和输入电压相位相同，网侧功率因数为1，输入谐波电流也将降到3%以下。其网侧高频滤波器的体积非常小，只要载波的频率足够高，就可以利用线路的杂散电感和很小的电容进行滤波，实现输入电流正弦化。

此外可以在UPS的结构上进行改进，避免传统的双变换在线的串联级联的模式，采用先进的模式克服功率较大的相控整流器对电网的干扰和影响，也可以对电网起到一定的调节作用。例如，采用高频双向变换串并联补偿电路结构，

该系统由两个逆变器组成，两个逆变器都是可双向变换的高频逆变器。逆变器（I）实际上是一个并联在主回路的电流源，把负载电流中的无功和谐波滤掉，同时对电网电压的变化进行补偿，输入电压高于输出电压时，吸收功率形成反极性电压补偿，输入电压低于输出电压时，输出功率形成正极性补偿。逆变器（II）是一个电压源，并接于负载两端，稳定输出电压，保证向负载提供纯净的正弦波电压，此功能是与逆变器（I）共同完成的，当逆变器（I）输出功率进行正极性补偿时，逆变器（II）从电网吸收电流并逆向变换给逆变器（I），当逆变器（I）吸收功率做反极性补偿时，逆变器（II）将逆变器（I）吸收的功率以电流形式正向变换转送给负载。逆变器（II）同时控制中间储能装置的电压，完成对储能装置得充电，保持此点电压的稳定。另外，逆变器（II）还对负载端的无功电流和谐波电流进行补偿，保证负载端的电流谐波成份不传送到输入端。高频双向变换串并连补偿电路既可以实现输入电流正弦化，又可以使输入功率因数为1或者任意值，系统的运行效率也很高。此种UPS接入电网不仅不会造成电网的无功功率的增加，而且还可以使量地对电网进行无功调节。

总之，对于小功率的UPS可以采用PFC整流器和高频PWM整流器及其相应的控制技术，对于大中功率的UPS采用高频双向变换串并连补偿电路结构比较适合，具有广阔的发展和应用前景。

4.2.消除对环境的污染

近年来人们越来越关注环境，如何在发展的同时保护环境，成为社会生活中的大问题，UPS中大量采用铅酸及镉镍蓄电池作为储能装置，已经成为对环境造成破坏的污染源，消除UPS对环境的污染的根本措施就是采用环保的无污染的储能装置替代原有的化学电池，目前新兴的高科技储能技术主要有两种：超导储能和飞轮储能。

4.2.1.超导储能(SMES)

超导材料具有高载流能力和零电阻的特点，可长时间无损耗地储存大量电能，需要时储存的能量可以连续释放出来。在此基础上可制成超导储能系统。超导储能装置一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、整流逆变装置和测控系统几部分组成。

其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。螺旋管线圈结构简单，但周围杂散磁场较大；而环形线圈周围杂散磁场小，但是结构较为复杂，超导线圈以电感的方式直接将电能储存起来。如果线圈由普通的铜线绕成，磁能将会由于线圈电阻的存在以热的形式散失掉，然而如果导线具有超导特性（没有电阻）能量就会恒久地存在直到需要为止。线圈中存储电流的能力是由温度和磁场强度决定的，对于大多数超导储能装置来说，最佳的运行温度是50-77K。

超导储能装置储存的能量E由下式决定

式中L是线圈的感应系数，I是流过线圈的电流。

一个完整的超导储能系统的运行原理非常简单，首先通过整流装置将电网提供的交流电转化为直流电加入到超导线圈中，因此当能量从系统流入线圈中时，直流电压将会对超导线圈充电，能量被储存在线圈中。能量储存的多少是由装置的设计决定的。当交流网络需要提供能量时，线圈作为电源，释放储存的能量，通过逆变器将直流电转换为交流电。

超导储能装置是一种的先进的储能方式，它将电能储存在超导线圈内的磁场中，超导储能线圈产生的磁场很强，储存的能量密度很高,储能与释放能量的次数基本不受限制，由于超导储能系统中不存在化学反应，在运行过程中不会产生有毒物质，因此对环境几乎不会造成污染。但是，超导的实现是通过把线圈的温度降低到它要求的温度以下来完成的，就目前的技术而言这个温度非常低，使用铌-钛合金的超导线圈,需要将温度保持在液氦的温度下。因此，持续维持线圈处于超导状态所需要的低温而花费的维护费用就十分昂贵，这样便限制了超导储能应用的普及。但是，超导储能仍然是许多科研工作者们的研究方向。

4.2.2.飞轮储能

飞轮是绕轴旋转的简单物体，飞轮储能装置从本质上讲是一种机械电池，飞轮以动能的方式储存能量。飞轮储能装置主要包括：飞轮、电机、轴和轴承、真空容器、整流器、逆变器、测控装置。在整个飞轮储能装置中，飞轮是核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量e等于组成飞轮的各个部分的动能之和，具体由下式决定。

E=1/2jω2(1)

式中：j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关；

ω为飞轮转动的角速度

j=k*M*R2(M：质量;R：半径);k=惯性常数(由形状决定)

不同形状的惯性常数为：

轮圈k=1

厚度均匀的固体圆盘;k=1/2

固体圆球k=2/5

球壳k=2/3

细矩形棒k=1/2

为了减少运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电机和飞轮都密封在一个真空容器内减少风阻。通常发电机和电动机使用一台电机来实现，通过轴承直接和飞轮连接在一起。

飞轮储能装置最基本的工作原理就是，将电网输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当测控系统感知到网侧电源不正常或者中断时，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载,其中整流器和逆变器为双向的，在储能状态时保证对飞轮平稳储能，在释放能量过程中保证输出的电能符合负载的严格要求；当网侧电源恢复正常时，飞轮回到备用状态，整个装置就可以以最小损耗方式运行。它的结构框如图4.2.2所示。

飞轮储能的技术已经比较成熟，由于它具有安全、清洁、工作可靠、效率高、寿命长、维护费用低等优点，必将逐步取代化学储能装置，占领更大的储能设备市场。

5结语

综上所述，不难看出UPS的对电网的污染主要是由其非线性特性决定的，当前采用的几种提高功率因数降低谐波电流的措施，都是对电流波形进行校正或补偿，使其从电源侧看呈现线性负载特性，但是由于UPS的本质特性，现今使用的各种方法还不能完全实现输入电流与输入电压保持完整的正弦波形，还需要不断研究开发新的技术手段；UPS对于环境的污染主要来源其化学储能电池内的重金属，采用新的不含污染源的超导储能、飞轮储能装置就可以从根本上消除UPS对环境的污染。

参考文献

1)张乃国UPS供电系统应用手册电子工业出版社，2003.8

2)赵可斌等电力电子变流器上海交通大学出版社1993.12

3)宋文南等电力系统谐波分析水利电力出版社1998

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关键词：储能技术 电力 系统 应用

随着我国经济的高速发展，我国电网的覆盖面积不断的扩大，用户对于电能的质量和可靠性的要求也就越来越高。然而我国能源分布与负荷密度的并不协调，现有的电网结构的薄弱造成装机容量难以满足峰值负荷、输电能力发展落后需求、复杂大电网暂态稳定的问题日趋的突出。随着储能技术的发展，尤其是最近几年来储能技术得到了突飞猛进的发展。

1、概述储能系统

电能储存有很多种，按照原理可以分为：以动能和势能为介质的机械储能，例如，抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；直接以电磁能量的形式储存的电磁储能，如，超导电磁储能等；电化学反应为基础的化学储能，例如，超级电容器和各种蓄电池，如铅酸、镍镉、镍氢、钠硫以及液流电池等。

储能系统主要是由储能元件构成的储能装置和电力电子元件构成的能量转换装置。随着储能技术的发展，新型的储能技术和设备在电力系统中的应用，能够有效的满足用户的需求，削峰填谷，平滑负荷；能够提高新能源的使用，提高电力设备的效率，有效的降低供电的成本，提高电力系统运行的稳定性。

2、电力储能技术

2.1抽水蓄能电站

据资料显示，到2005年底，全世界有300多座抽水蓄能电站，其总装机容量达到120GW，年平均增长达到9.1%。在这一领域发展最快、装机容量最多的是日本，美国、意大利以及德国紧随其后，其中部分国家的抽水蓄能机组所占其总的装机比重高达10%。

在我国，截至到2005年底，全国的抽水蓄能电站一共有13座，装机的容量达到5854MW。而到2010年我国的抽水蓄能电站占所有发电机总量的比例已经达到2.6%左右。

2.2压缩空气储能电站

压缩空气储能电站是在1978年德国开始投运的。我国在2003年开始投入压缩空气储能技术。目前西安交通大学正在研究冷电热联供的新型压缩空气储能技术；华北电力大学进行了压缩空气蓄能系统的热力性能计算和优化，并对其进行经济性分析。此外,哈尔滨电力部门以及中国石油等也都在储气方面也取得了一定的成果。

2.3飞轮储能

目前，飞轮储能技术在许多的工业强国的大力的开发和研究下已经得到了很大的进展，并开始逐步的离开实验室，开始进行实际的试运行和应用了，并不断的向产业化和市场化的方向发展。

在飞轮储能技术的研究方面，我国的研究起步相对的较晚。但是在相关科研人员的努力下，已经在超导磁悬浮、高速电机以及功率转换等方面取得了较大的进步。

2.4超导磁能存储

超导磁能储能在日本、美国以及德国、芬兰、韩国等已经实现了实际系统的初步的应用，其功能能够达到0.3到10MVA之间，能够有效的维护电网的稳定性，极大的提高输电的能力和电能的质量。而我国在超导磁能存储方面也是取得了很大的成功，先后研制出了25KJ~1MJ的超导磁能存储系统。目前。中科院以及中国电科院和华中科技大学、浙江大学等正在研究第二代高温超导带材钇钡铜氧涂层导体超导磁能储能系统，以期能够实现低耗快速功率的变换，推动超导磁能储能系统的实际的应用。

2.5超级电容器储能

目前，电力储能的研究方向主要集中在液体电解质双电层电容器和复合电极材料/导电聚合物电化学SC。其中，美国、日本、德国以及韩国等都已经将超级电容器储能技术应用到实际的电网中，其的输出也达到几十MJ/数MW级。

在我国，防化院等也在开展超级电容器储能技术的研究，并在2005完成了用于光伏发电系统的300WH/1KW超级电容器。另外，还有相关的研究人员也正在研究基于超级电容器的分布式配网。

2.6蓄电池储能

在蓄电池方面，日本处于世界领先的地位，其的钠硫电池在2004就已经实现了总容量超过100mw，美国的12MW/120MWH钠硫电池系统也是其军事基地的备用电站。在流液电池的应用方面，美国、日本以及欧洲许多的国家相继将其应用到风电、调峰以及电能质量等方面。而我国从1995的全钒液流电池的研究后，已经成功的研制出了10KW级储能系统，并建立相应的电池实验室模型；在2008中国电科院成功的研发了用于风电场的100KW级储能系统。而在钠硫电池方面，上海电力公司研制出了50KW/1MW不同容量等级的钠硫电池系统，并将其应用到UPS/EPS，建立了相关的标准和规范，实现模块化和规模化的生产。

3、储能技术对电力系统的作用

储能技术在电力系统中的应用的有效性表现在很多的方面，下面主要介绍SMES储能、抽水蓄能混合式储能和CAES储能。SMES储能技术在电力系统中的应用有效的提高电网暂态的稳定性，抑制了低频振荡，增加了主干线路输电的能力。在大电网的模式下，一旦电力系统出现较大的扰动，其能够快速的做出反应，有效的减少和吸收扰动对于电网的冲击，抵制、消除了系统中的低频振荡、同步振荡以及谐振，从而极大的缩短了暂态的过渡过程，迅速恢复了系统的稳定性，提高系统的可靠性。

而抽水蓄能混合式电站和CAES电站，则能够满足电网的调峰、备用以及节约能源的需求，优化电源结构，改善电力系统电能的质量，同时提高了电力系统的经济性和环保型，保证了电网的安全运行。

总之，随着储能技术的发展，其逐渐的朝向储能方式混合化、转换高效化、能量高密度化、成本低，环境友好型方向发展，大大的提高了电力系统的能源利用率和经济性。

参考文献：

[1].田军 朱永强 陈彩虹.储能技术在分布式发电中的应用.[J].智能电网技术及装备专刊.2010(8):28

[2].程时杰 文劲宇 孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用.[J].电气应用2005(4):1

[3].张步涵 王云玲 曾杰.超级电容器储能技术及其应用.[J].水电能源科学.2006(5): 50

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【关键词】储能技术;电力;应用;方式

我国幅员辽阔，资源分布不平衡，尤其水电、煤电、气电、风电等能源分布主要在西部及偏远地区，而人口及工业却主要集中在东南中部。由此导致我国电力布局不均匀，电网输电供电能力不足;同时还有高峰电力供应不足、低谷“窝电现象”严重的矛盾。而电力储能技术可以很好地解决这些问题，促使资源利用率普遍提高。

一、电力储能技术的重大意义

电力系统作为电能生产分配发送的系统，传统上需要瞬时发电、瞬时收电。而新兴的电力储能技术，主要是由储能元件构成的储能装置和电力电子元件构成的能量转换装置组成，有效地改善了供电地区差、峰谷差、季节差等，解决了众多的国计民生问题，其意义十分重大。

首先，建立大容量电力储能装置对电网的合理使用能起“削峰填谷”作用。即通过储存电网夜间用电低谷时充足的闲余电能，然后到白天用电高峰时反馈输出平抑，可大大提高发电设备利用效率，为国家节约巨额投资。以上海2004―2006年间统计数据为例，全市每年约200小时的高峰用电不足，仅电网投资每年就超过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。

其次，大容量电力储能装置的建立和发展还对提高供电可靠性和电能质量起了关键作用。近年来，风能、太阳能等清洁能源发展极为迅速，但其受季节、气象和地域条件的影响，具有明显的不连续、不稳定性，发出的电力波动较大，可调节性差。经测算，风力发电装机占电网容量比例如达20%以上，则电网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战，而电力储能技术恰恰就是在很大程度上解决了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，有效调节因发电引起的电网相关参数波动，使大规模风力发电和太阳能发电能方便可靠地并入常规电网。

二、电力储能技术的应用方式

目前，世界上储能技术发展归纳起来主要有物理储能、电化学储能和电磁储能这三大类，具体有：

1.抽水蓄能电站

抽水蓄能电站，利用设备将下游的水抽到上游的水库借以发电，并将电能通过蓄电设备储存起来。运用抽水蓄能，首先需要两个水库共用，利用水势高峰和低峰的落差来进行发电蓄电，其能源利用率较高，可以重复使用，因此在电力系统中应用较为广泛。分为混合抽水、纯抽水和调水式抽水三种类型。

我国现有13座用于抽水蓄能的水电站，总装机容量仅次于美国和日本处在世界第3位。其中，世界上装机容量最大的（360万千瓦）抽水蓄能电站已经落户我国河北丰宁。

2.压缩空气储能电站

压缩空气储能的方式，主要是通过燃气机将空气进行高压压缩，借释放时来进行驱动发电。此法成本较高，压缩释放时需巨大的压力，操作过程需电力辅佐。但压缩空气储能方式效率高达90%，在各储能方式中领先。我国由德国引进此项先进技术已十余年。

3.飞轮蓄能系统

飞轮蓄能系统通过电动机带动轮子飞速转动，将电能转化为机械能便于储存。需要电力，再通过飞轮来将其释放出来。损耗少、机械维修率低、能量高。但同时成本太高，机械运转时限短，不能运用于大面积电网，只能在小范围内进行蓄能。高强度碳素纤维和玻璃纤维材料、大功率电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮轴承技术极大地促进了储能飞轮的发展。

4.超导磁储能系统

超导磁储能系统采用超导体线圈进行储存磁场能量，不需要进行能源的转换，速度快，在实时大容量交换方面有优势，可以补偿电力系统运转消耗的功率。正是运用了物理学中法拉第效应的原理，超导体储能方式简单易行，转换效率高，仅需要小小的超导体就可以完成庞大的电流储存过程。2005年起我国才真正意义上完成了超导磁储能的模型试验，但依然无法用于市场和大面积的电网之中。

5.电池储能系统

电池储能系统也被称为电化学储能，主要有铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池四种。

铅酸蓄电池：一类是以玻璃纤维作为隔膜的贫液式蓄电池，另一类为以胶体电解液为介质的富液式蓄电池。铅酸蓄电池技术落后、充电时间长、使用年限缩短，已不再适用于现今的电力系统。

锂离子电池：钴酸锂电池最为常用，但只适合小型设备如手机。锰酸锂电池，由于其成本低、性能高等优势而被应用于电力系统之中。还有磷酸铁锂电池。锂电池在电力系统占据极重要地位，因其环保节能而被广泛认知。

钠硫电池：钠硫电池采用钠和硫作为电极反应物、固态陶瓷管为电解液进行蓄能，电解液是钠硫电池的重点。钠硫电池具有密度高、反应快、效率高等特点，因此深受好评。

液流电池：液流电池通过电解质进行电能储蓄。将电池的正负极通过电解液链接在两端，通过阴阳离子交换膜形成左右两室，参与化学反应循环流动，以此存储电力。安全性能好，成本较低，还能废物利用，节能环保，被广泛应用于电力系统之中，如可以进行风能发电等。2011年我国完成了首个兆瓦级全钒液流储能项目的安装，为储能技术开辟了新途径。

6.超级电容器储能系统

超级电容器储能是一种物理储能的方式。电荷以静电方式存储在电极和电解质之间的双电层界面上，充电时，即在存储电能，放电时电荷放出电力供使用。此方法简单容易，操作方便。而且产品的使用年限较长，放电迅速，环境适应力极强。由于成本较高，一般用于迫切使用的电网中，不会在寻常电力系统中使用。

三、电力储能技术的发展前景

随着经济社会的发展，人们将会越来越重视对水电、风电、太阳能发电等可再生能源及核能的开发和利用。

从电力的稳定供应、节能、二氧化碳减排的角度考虑，高效的新型电力储能技术的开发和应用已成为当务之急。今后，化学储能和超导磁技术将把能量直接以电的形式储存;扬水储能和压缩空气储能将把电能转变为势能储存;飞轮储能将把电能转化为动能储存。扬水储能、压缩空气储能及大型超导储能主要用于发电厂调峰，即将夜间（用电低谷）时的电力储存，在白天（用电高峰） 时供电，稳定电网、平衡负载。各种化学储能技术，主要用于终端电网和太阳能发电、风能发电配套，成为一种高效的储能技术。从技术发展水平看，扬水储能和压缩空气储能技术已经实用化。对于化学储能技术，铅酸电池、小型二次电池早已普遍实用化，氧化还原液流储能电池已经达到了商业演示运行水平，而超导储能和飞轮储能技术离应用还有相当大的距离。太阳能、风能发电系统的功率规模多在百千瓦至兆瓦级。

作为与其配套的储能系统，氧化还原液流电池由于有成本低、效率高、寿命长这些优势，市场前景较为广阔。从适用化的角度考虑，氧化还原液流储能电池的研究今后将主要集中在高性能、低成本、耐久性好的离子交换材料、电极材料及高浓度、高导电性、高稳定性的电解液方面。

四、结束语

综上所述，在现代电力系统中，电力储能技术正在发挥着巨大的作用。电力储能技术作为新兴产业，还需要不断改进和革新，降低成本、环保节能、资源重复利用都是电力储能技术革新的重点。只有这样，电力储能技术才能真正在现代电力系统中起到举足轻重的作用，更好地带动经济发展，改善国计民生。

参考文献

[1]孙海顺.储能技术在电气工程领域中的应用展望[J].电网与清洁能源，2012.