蓄能——新能源系统中的关键技术 学历案 -2026届高考物理二轮复习

该高中物理高考复习学历案聚焦新能源蓄能技术专题，以能量转化与守恒定律为核心，按“物理本质—主要蓄能方式—系统作用”逻辑整合抽水蓄能、空气储能等五种方式的能量转化路径，通过考点梳理、方法指导、真题训练三环节，帮助学生构建能量观念，突破能量转化分析难点。 资料突出情境化教学与核心素养培养，设计“蓄能方式能量转化对比表”活动引导学生建模分析，结合北京延庆一模真题讲解效率计算强化科学推理，设置分层练习助力学生高效掌握考点，为教师把控复习节奏提供清晰路径。

蓄能——新能源系统中的关键技术（高中物理选修·新能源专题） 在以风能、太阳能为代表的新能源发电系统中，发电功率具有明显的随机性和间歇 性。当发电量大于用电需求时，多余电能若不能被及时利用，将被迫弃掉；而在发电不足或用电高峰时，又可能出现供电紧张。因此，蓄能技术成为新能源系统稳定运行和高效利用的关键支撑。 一、蓄能的物理本质 从物理角度看，蓄能并不是“储存电能本身”，而是通过能量转化，将电能转化为其他形式的能量并暂时保存，在需要时再转化回电能。这一过程遵循能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会发生形式的转化。 二、主要蓄能方式及能量转化路径 1. 抽水蓄能——电能与重力势能的转化 抽水蓄能是目前规模最大、技术最成熟的蓄能方式。在用电低谷时，利用富余电能驱动水泵，将水从低处抽至高处水库，实现“ 电能 → 机械能 → 水的重力势能”的转化；在用电高峰时，高处水库的水流下，推动水轮机发电，完成“水的重力势能 → 机械能 → 电能”的逆过程。其储能本质是水的重力势能。 2. 空气储能——电能与气体内能的转化 空气储能利用气体可压缩的物理性质。储能阶段，电能驱动压缩机工作，对空气做 功，使空气被压缩，空气的压强和温度升高，内能增加；放能阶段，高压空气膨胀，对外做功，推动透平带动发电机发电。在高中物理层面，可以将空气储能理解为：电能与空气内能之间的相互转化。 3. 化学蓄能——电能与化学能的转化 化学蓄能以蓄电池为代表。充电时，外电路提供电能，使电池内部发生化学反应，将电能转化为化学能；放电时，化学反应逆向进行，化学能转化为电能输出。化学蓄能具有能量密度高、布置灵活的特点，在新能源并网和移动储能中应用广泛。 4. 飞轮蓄能——电能与动能的转化 飞轮蓄能通过高速旋转的飞轮来储存能量。储能时，电能转化为飞轮的动能；放能 时，飞轮减速，将动能重新转化为电能。飞轮蓄能的突出特点是充放电速度快、功率密度高，适合短时、大功率调节。 5. 熔盐储能——电能与内能（热能）的转化 熔盐储能通过升高熔盐温度来储存能量，实质是内能的变化。该技术常与太阳能热发电系统结合，使发电系统在夜间或阴天仍能稳定输出电能。 三、蓄能在新能源系统中的作用 （1）平抑功率波动，提高电网稳定性； （2）减少弃风、弃光现象，提高新能源利用率； （3）提升能源系统的安全性和调节能力。 四、总结 在新能源背景下，蓄能技术的核心作用是实现能量的时空转移。通过不同形式的能量转化，蓄能系统为新能源的大规模接入提供了物理基础。从高中物理的角度看，理解各种蓄能方式的能量转化路径，是认识现代能源技术的重要切入点。 1 学科网（北京）股份有限公司 真题展示 1 ．（2025·北京延庆·一模） 国家的高质量发展离不开可靠的能源保障。 (1)风能将成为 21 世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能（气流的动能）转化为电能的装置，其基本外形如图 1 所示。风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。已知风力发电机的输出电功率 P 与最大接收功率 Pm 成正比。 2023 年 11 月 10 日，全新一代总容量 18 兆瓦的海上直驱风电机组下线，该机组的单台风力发电机在风速 v1=15m/s 时能够输出的电功率 P1=2.7×104kW 。我国某海域全年平均风速不低于 v2=10m/s ，若每年总时长按 6000 小时做估算。该风力发电机在该地区的年最低发电量大约是多少千瓦时？（需要的物理量可以自行设定） (2)近年来，我国光伏产业创新发展迅速，某种新型光伏材料的光电转化效率可达 32% 。设想用该材料制成的太阳能面板给某型号纯电动客车供电。若该型号纯电动客车在水平路面上以 v=72km/h 的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流 I=80A ，输入电压 U=400V 。试求此状态下能够直接驱动该电动客车的太阳能电池板的最小面积是多大？结合计算结果，简述你对该设想的思考。（已知太阳辐射的总功率 P0=4×1026W ，太阳到地球的距离 r=1.5×1011m ，太阳光传播到达地面的过程中大约有 30%的能量损耗，计算结果保留三位有效数字。） (3)利用地下密闭盐穴存储“ 空气能”是最为经济、最为安全的空气储存方式。如图 2 所示，某盐穴压缩空气储能电站在用电低谷时用电网富余的电能带动空气压缩机给地下 900 多米深处的巨大盐穴打气，同时利用换热系统将这些压缩空气的热量存至储热介质中；在用电高峰阶段，让高压气体喷入管道并吸收储热介质中的热量，最后设法用这些高能空气驱动外界发电机组发电，控制调整后将电能返送回电网，保证电网的稳定和安全。该“盐穴空气储能电站”完成一次压缩的时间为 8 小时，而发电过程可以持续 5 小时，发电量可达 30 万千瓦 时。若电动机 及压缩机组的 机械转化效率 为 90% ，被压 缩的气体向外 界传导的热量 占消耗电能的 80% ，压缩结 束时盐穴内被 封闭的空气增加的内能为 5 万千瓦时。试求该压缩空气储能站的电能转换效率η。 【答案】(1)4.8×107kW·h (2)101m2 (3)60% 2 学科网（北京）股份有限公司 2.(2026.1 东城初三上期末 14)2024 年湖北应城市建成了全球首座 300 兆瓦级压气储能电站，其工作流程是：利用电网负荷低谷时富余的电能驱动电动压缩机压缩空气，将其储存在高压密 封设施内，在 用电高峰释放 压缩空气驱动 汽轮机带动发 电机发电。整 个流程示意图如图所示，下列说法正确的是 A.压缩机压缩空气的过程，主要是将压缩机的机械能转化为空气的内能 B.高压空气驱动汽轮机运转的过程，主要是将空气的内能转化为汽轮机的机械能 C.汽轮机带动发电机发电的过程，主要是将汽轮机的机械能转化为电能 D.压气储能可以实现能量无损耗转化，转化效率可达 100% 【答案】ABC 3 学科网（北京）股份有限公司 资料：“蓄能——把暂时不用的能量存起来 （2026.1.14 北京万泰物理教研资料） 一、什么是蓄能？ 蓄能，是指把一种形式的能量转化为另一种更容易保存的能量，在需要时再转化回来加以利用的过程。简单地说，就是：先存能量，再用能量。 在现代生活中，电能被大量使用。但电能有一个重要特点：不容易直接大量储存。当用电量少、发电量多时，如果不把能量存起来，就会造成浪费；而在用电高峰时，又可能出现电不够用的情况。因此，人们发明了各种蓄能（又叫储能）方式，把能量“存起来”， 需要时再释放。 “后半夜的风电、小水电和正午的光伏发电，不小的一部分在不少地区都被丢弃了。国家能源局统计数据显示，2019 年前三季度，我国主要流域弃水电量 244亿千瓦时，全国弃风、弃光电量分别达到 128 亿和 32.5 亿千瓦时。而 2018 年弃风、弃光电量约 332 亿千瓦时。 图：光伏发电配和储能改进光伏发电使用品质 二、常见的几种蓄能方式 1. 抽水蓄能——把电能变成重力势能。 我国抽水蓄能发展始于 20 世纪 60 年代后期的河北岗南电站, 通过广州抽水蓄能电站、北京十三陵抽水蓄能电站和浙江天荒坪抽水蓄能电站的建设运行,夯实了抽水蓄能发展基础。随着我国经济社会快速发展,抽水蓄能发展加快,项目数量大幅增加,分布区域不断扩展,相继 建设了泰安、惠州、白莲河、西龙池、仙居、丰宁、阳江、长龙山、敦化等一批具有世界 4 学科网（北京）股份有限公司 先进水平的抽水蓄能电站, 电站设计、施工、机组设备制造与电站运行水平不断提升。 目前我国已形成较为完备的规划、设计、建设、运行管理体系。 我国抽水蓄能装机规模显著增长。到 2021 年我国已投产抽水蓄能电站总规模 3249 万千瓦,主要分布在华东、华北、华中和广东;在建抽水蓄能电站总规模 5513 万千瓦,约 60%分布在华东和华北。已建和在建规模均居世界首位。 图：我国台湾的抽水蓄能站 抽水蓄能是一种应用最广的蓄能方式。 用电低谷时：电能 → 水泵的机械能 → 水的重力势能； 用电高峰时：水的重力势能 → 机械能 → 电能。 抽水蓄能的本质，是储存水的重力势能。 我国北丰宁电站装机容量 360 万千瓦，是世界在建装机容量最大的抽水蓄能电站。单机 40 万千瓦的广东阳江电站是目前国内在建的单机容量最大、净水头最高、埋深最大的抽水蓄能电站。浙江长龙山电站实现了自主研发单机容量 35 万千瓦、750 米水头段抽水蓄能转轮技术。抽水蓄能电站机组制造自主化水平明显提高，国内厂家在 600 米水头段及以下大容量、高转速抽水蓄能机组自主研制上已达到了国际先进水平。到 2035 年抽水蓄能总装机容量预计约 4.21 亿千瓦 2. 空气储能——把电能变成空气的内能压缩空气储能行业分类 1）盐穴压缩空气储能系统 盐穴即盐矿开采后留下的矿洞，是一种珍贵的不可再生资源。盐穴压缩空气储能是利用水溶采盐后形成的巨大腔穴，在电网低谷时将空气压缩到盐穴中，用电高峰时再释放压缩空气发电，从而实现削峰填谷，提升电网调节能力。中国盐穴资源丰富，大部分体积巨大且 5 学科网（北京）股份有限公司 密封性良好，适于储存石油、天然气等重要战略物资，也是储存高压空气的理想场所。 2022 年 5 月，江苏省常州市金坛盐穴压缩空气储能项目正式投产，标志着中国首个压缩空气储能国家示范项目按照商业电站标准完成建设，成功完成连续满负荷储能-发电试运行后正式投运。 图： 江苏省常州市金坛盐穴压缩空气储能项目 压缩空气储能系统可分为补燃式和非补燃式两类。补燃式系统运行依赖于大量化石燃料的燃烧补热，不仅能耗大、污染重，而且因压缩热被弃用，循环效率较低。非补燃式系统则采用了热压分储方式和回热技术，能将压缩热存储在蓄热罐中，使整个系统绝热，既能提高循环效率，又能实现储能过程的无燃烧、无排放。金坛盐穴压缩空气储能项目是非补燃式。 当电网有富余的电量，就开始给盐穴压缩空装置这个‘充电宝’充电。好比给气球打气— —地下 900 多米深处的巨大盐穴是“气球”，用电带动的空气压缩机就是“打气筒”，将 1 个标准大气压的空气压缩为 140 个标准大气压的高压空气。压缩空气的过程中，空气温度会增加到 300 多摄氏度。为了保证系统运行的安全，需要将高温高压空气冷却到 40 摄氏度左右的常温高压空气。这些热量并没有被浪费掉，而是被换热器“取”出来储存在导热油之中，存放在地面上的大型高温导热油罐里。就这样，经过夜间“充电”，电能被转化为空气势能和热能。 根据需要把重新空气能量转化为电能时，工人们先给换热器预热，然后打开盐穴井口控制阀。瞬间，近 140 个标准大气压的高压气体从地底深处的盐穴奔涌而出，在换热器内由导热油加热到 300 多摄氏度，成为高温高压空气，驱动空气透平膨胀机冲转，通过轴承带动发电机转动——电，又从空气中“重生 ”了。 常州市金坛地下盐穴储能项目，完成一次充电的周期为 8 小时；在用电高峰时，释放 高压空气，每小时能发电 6 万千瓦时，可以连续发电 5 个小时，发电量可达 30 万千瓦时。电能转换效率提升至 60%以上。该项目全年可节约标准煤 3 万吨，减少二氧化碳排放超 6万吨。建设成本约为 7000 元/千瓦。关键设备实现 100%国产化，申请专利百余项。 6 学科网（北京）股份有限公司 2）液态空气储能系统 液态空气储能系统利用剩余电力将空气降温到零下 196℃ , 空气将被液化，体积缩小近 700 倍，极大地降低了对储存装置容量的需求。需要输出电力时，空气膨胀驱动发电机即可供电，转化效率约为 60%-70% ，比电池效率略低，但是储罐成本极低，而且不需要补充耗材，使用寿命较长，具有大规模推广的潜力。该系统由英国发明家彼得·迪尔曼设 计，建成 50MW 储能设备将为曼彻斯特附近大约 50,000 个家庭存储 5 个小时的电力。 Carlton Highview Storage 公司还计划在英国进一步开发四个液态压缩空气储能项目，储能容量总计超过 1GWh 。Highview 的液态压缩空气储能解决方案具有 30-40 年的使用寿命，已通过数个 MW 规模的试点项目证明，液态压缩空气储能在 GW 规模或每个项目数百 MW 规模下是最经济的。2020 年 10 月，Highview 宣布与总部位于智利的 Energia-Latina S.A. Enlasa 成立合资公司，将在智利和其他拉美市场开发“GW 级低温压缩空气储能项目” 3）多能互补压缩空气储能海上电站 多能互补压缩空气储能海上电站是一种新兴的综合性技术装备， 目前还在技术研发阶段。海上电站的海浪能部分采用浮筒-气缸结构，利用海水的浮力及海浪的上下起伏将环 境空气压缩进入集气管；风能部分采用垂直轴风轮-空压机（机头）结构，利用自然风能 将环境空气压缩进入集气管；槽式太阳能集热管系统将太阳能热量收集，通过换热器将透平前压缩空气加热升温，进一步增加压缩空气能量，提高透平效率，同时提升透平后尾气温度，便于尾气再利用。海上电站的海浪能利用方式不同于其它海洋能利用方式，与海水接触的设备只有钢筋混凝土框架及被限制在其中的浮筒，浮筒采用渔网浮漂材料，与框架接触方式采用滑动摩擦方式，海面下不存在任何旋转部件。海浪能压缩空气的压强决定于浮筒体积及气缸直径，风能压缩空气的压强决定于垂直轴风轮扫风面积及空压机设计功率，海上电站集气管压强大于透平设计进气压强，使集气管起到储能作用。据估算，6MW 海 上电站占海面积为 9 万㎡，年利用小时数 8,760 小时，年发电量 0.5 亿 kWh ，造价 3.5- 4.5 亿元，使用寿命 70 年，按全生命周期计算度电成本 0.114 元/kWh ，不包括其它产品收入。 中国压缩空气储能行业迄今主要经历三个发展阶段：在 1978-2003 年的萌芽期，世界第一座商业性盐穴压缩空气储能电站建成，发达国家积极研究、建造、运营压缩空气储 7 学科网（北京）股份有限公司 能系统，储能系统工作时间较长，但运行效率较低，在技术上存在较大改进空间。在 2004-2020 年的启动期，中国开启在压缩空气储能领域的相关研究，中国科学院工程热物理研究所及其产业化公司中储国能先后突破多个关键技术，并最终实现了系统的工程示范，完成了在世界压缩空气储能技术领域从追赶到领先的跨越。在 2021 年至今的高速发展期，中国压缩空气储能项目规格突破百兆瓦级大关，首个商业电站项目完成投运，压缩空气储能技术进入商业化发展初期。 空气储能利用空气可以被压缩的特点。 储能时：电能 → 机械能 → 空气的内能； 放能时：空气的内能 → 机械能 → 电能。 在初中物理中，可以认为空气储能主要是储存空气的内能。 2013 年，中储国能于河北廊坊建成国际首套 1.5MW 超临界压缩空气储能系统，系统效率可达 52.1% 。2016 年，中储国能于贵州毕节建成国际首套 10MW 先进压缩空气储能系统，系统效率可达 60.2% 。2017 年，热物理研究所开始研发 100MW 级新型压缩空气储能技术。 2021 年，中储国能于山东肥城建成 10MW 盐穴压缩空气储能国家示范项目，系统效率可达 60.7% ，同年于河北张家口建成国际首套 100MW 先进压缩空气储能国家示范项 目，系统额定设计效率可达 70.4% 。2022 年 5 月，江苏省常州市金坛盐穴压缩空气储能项目正式投产，标志着中国首个压缩空气储能国家示范项目按照商业电站标准完成建设，成功完成连续满负荷储能-发电试运行后正式投运。该项目是中国压缩空气储能领域首个商业电站项目，由中盐集团、中国华能和清华大学三方共同开发，一期储能、发电装机均为 60MW ，远期建设规模 1,000MW。 3. 化学蓄能——把电能变成化学能 最常见的化学蓄能装置是蓄电池。充电时：电能 → 化学能； 8 学科网（北京）股份有限公司 放电时：化学能 → 电能。 完整的电化学储能系统主要由电池组、电池管理系统（BMS）、能量管理系统 （EMS）、 储能变流器（PCS）以及其他电气设备构成。电池组是储能系统最主要的构成部分，负责 能量存储；电池管理系统主要负责电池的监测、评估、保护以及均衡等；能量管理系统负责数据采集、网络监控和能量调度等；储能变流器可以控制储能电池组的充电和放电过程， 进行交直流的变换。储能产业链上游主要包括电池、电池管理系统、能量管理系统以及储 能变流器供应商；中游为系统集成商和安装商，下游主要为终端用户等。根据前瞻产业研 究院，电池是电化学储能系统中最重要的部分， 占储能系统成本的 60%， PCS 构成 20% ， EMS 构成 10% ，BMS 构成 5% ，其他配件构成 5%。 锂电池主要材料包括正极材料、 负极材料、电解液和隔膜四大部分，正极材料决定电池的容量、寿命等多方面核心性能。 储能电芯封装制造与动力电池类似，主要为方形、圆柱和软包三种形式。电池封装工艺的 发展趋势本质是在保证安全性的前提下提升电池能量密度上限。即利用电芯外壳的支撑作 用，减少模组结构件使用，提升电池包的能量密度。软包外壳的支撑较弱，因此中期来看 方形和圆柱电池更能适应结构上的创新。比亚迪的刀片电池既是将电芯设计成扁片长条形 状，在安全上保证电芯有足够大的散热面积，同时提高电池包的空间利用率，从而提高能 量密度。 目前已经应用于储能系统（BYD Cube） 钠离子电池本质是在充放电过程中由钠离子在正负极间嵌入脱出实现电荷转移，与锂离子 电池的工作原理类似。钠离子电池充电时，Na+从正极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入负极， 使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态。放电过程与之相反，Na+从负极 脱出，经由电解液穿过隔膜嵌入正极材料中，使正极恢复到富钠态。为保持电荷的平衡， 充放电过程中有相同数量的电子经外电路传递，与 Na+一起在正负极间迁移，使正负极分 别发生氧化和还原反应。 与锂离子电池类似，钠离子电池同样拥有正极、负极、隔膜和电解液四大部分，但材料相 差较大，仅有隔膜无明显变化。 目前钠离子电池处于示范应用阶段。 1）正极：按正极材料分，钠离子电池主要有层状氧化物、隧道型氧化物、普鲁士蓝类化 合物和聚阴离子型化合物体系， 目前中科海钠采用层状金属氧化物作为正极，宁德时代采 用普鲁士白（普鲁士蓝的一种）和层状氧化物。 9 学科网（北京）股份有限公司 技术性能方面，钠离子电池能量密度和循环寿命均次于锂离子电池。钠离子电池的能量密 度在 100-150Wh/kg ，与磷酸铁锂电池的能量密度仍存在一定差距。其次， 目前钠离子电 池循环次数普遍在 2000 次左右，较锂离子电池低30%左右，主要是由于钠离子半径较锂 离子大，反应过程中嵌入脱出难度大。储能时长方面与锂离子基本相似，主要应用于4 小时以内的储能系统。 钠离子电池材料成本较磷酸铁锂可下降 30%-40%。 另外首个国家级大型化学储能示范项目，应用全钒液流电池储能技术。2022 年 3 月， 国家发改委和国家能源局联合 发布《“十四五 ”新型储能发展实施方案》明确提出，将百兆瓦级液流电池技术纳入“十 四五 ”新型储能核心技术装备攻关重点方向之一。 4. 飞轮蓄能——把能量变成动能 飞轮蓄能利用高速旋转的飞轮来存能。 储能时：电能 → 飞轮的动能； 放能时：飞轮的动能 → 电能。 飞轮储能思想早在一百年前就有人提出，但是由于当时技术条件的制约，在很长时间内都没有突破。直到 20 世纪60~70 年代，才由美国宇航局(NASA)Glenn 研究中心开始把飞轮作为蓄能电池应用在卫星上。到了 90 年代后，由于在以下 3 个方面取得了突破，给飞轮储能技术带来了更大的发展空间。 (1)高强度碳素纤维复合材料(抗拉强度高达 8 ．27GPa)的出现，大大增加了单位质量中的动能储量。 (2)磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速，利用磁悬浮和真空技术，使飞轮转子的摩擦损耗和风损耗都降到了最低限度。 (3)电力电子技术的新进展，如电动/发电机及电力转换 技术的突破，为飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了先进的手段。储能飞轮是种高科技机电一体化产品，它在航空航天(卫星储能电池，综合动力和姿态控制) 、军事(大功率电磁炮) 、电力(电力调峰) 、通(UPS) 、汽车工业(电动汽车)等领域有广阔的应用前景。 我国自上世纪 90 年代就已经开展相关技术研究，飞轮储能产品的储能量取决于飞轮转子的转动惯量或最高转速。对于储能量较小的飞轮储能产品，技术上相对容易实现。但是对于大容量功率型飞轮储能产品，当飞轮转子的转动惯量和最高转速超过一定数值，就会面临许多技术瓶颈。例如，高强度飞轮转子材料及结构设计制造技术、支撑高速重载飞轮转子的长寿命复合轴承设计制造技术、宽转速范围运行的高速双向电机设计制造技术、真空状态下的电机及轴承冷却技术、飞轮储能单元能量快速转换控制技术及系统、大规模飞轮储能阵列运行优化控制与先进运维技术等。 10 学科网（北京）股份有限公司 5. 熔盐储能 熔盐储能是通过熔盐在低温时吸纳能量，在高温时放出能量的物理储能技术。熔盐储能系统可应用于太阳能热发电中，也可作为新型储能设施应用于以新能源为主体的新型电力系统中；同时，熔盐储能系统也是目前能够应用于火（热）电机组灵活性改造，实现冷热电 汽多联供、提供综合能源服务的最佳解决方案。熔盐储能系统主要包括熔盐加热系 统、熔 盐储热系统、蒸汽发生系统。 其中储热系统将加热后的介质（熔盐）进行储存，换热系统在需要发电 时利用高温熔盐与水进行热交换，以产生高温高压的蒸汽。储换热系统使得光热发电自带 大容量、低成 本的储能系统，可实现 24 小时连续、稳定发电，也可按需求满足早晚高峰、 尖峰时段及夜间用电。 三、为什么需要蓄能？ 1. 平衡供电； 2. 提高新能源利用率； 3. 保证用电安全。 四、总结 蓄能不是制造能量，而是能量形式的转化和保存。 能量不会消失，只会转化。 11 学科网（北京）股份有限公司 $