10kWh全钒液流电池示范性研究.pdf

5kW/10kWh全钒液流电池示范性研究
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1.土海电气集团股份有限公司中央研究院上海200070
2.上海理工大学机械工程学院上海200093
摘要:对全钒液流电池在储能领域的应用前景、适用领域、主要优缺点进行了译细介绍,重点对全钇液流电池电网
充电及光伏充电运行进行了研究与探索,通过实验,验证了全钒液流电池在光伏发电中起到平滑电能输出、提高电能输出
质量的功用。
关键词:全钒液流电池储能技术充/放电电能质量
中图分类号:TM911.3
文献标识码:A
文章编号:1000-4998(2013)12-0069-04
目前,全球面临着一方面是能源的短缺、一方面又峰谷差价,风电场将需要配备相当于风电功率10%
是能源不能被充分利用而白白浪费的状况,随着储能50%的动态储能蓄电池。对于风机离网发电,则需要更
技术的问世,这一状况有可能得到解决。在用电端,用大比例的动态储能蓄电池,全钒液流电池有望取代现
户有互动性需求,对电能质量有更高要求,一般要求达有的铅酸电池,推动风电产业业更好更快地发展。
到千瓦级别,在该级别中,各种储能技术大都能满足需
(2)光伏发电。光伏发电需要太阳光,一旦到了晚
求。在配电端,可进行输配电网增强/电力线增容,需要上.和阴丽天就发不了电,因而需要著电池为其储存电
达到兆瓦级别,相对而言,对储能的需求较少。在发电力,全钒液流电池将作为光伏发电储能电池的首选。
端,储能的应用关注点在于电网负荷调节,以平衡可再
(3)电网调峰。电网调峰的主要手段是抽水能
生能源发电的不稳定性,减少对电网侧及负荷側的波电站,由于抽水蓄能电站受地理条件限制,维护成本
动性,提高电能输出质量,起到平滑输出的作用。分布高;而全钒液流电池蓄能电站选址自由,维护成本低,
式电网系统一般采用小型的储能系统,大规模的储能可以预期,它将逐步取代抽水蓄能电站,在电网调峰中
则需要液流电池、智能电池、抽水菩能等储能系统。
发挥重要的作用。
全钒液流电池?)是一种新型储能和高效转化装
(4)交通市政。随着城市化进程的不断加快和汽
置,是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业车保有量的持续增加,发展节能、环保的电动汽车替代
化的液流电池,在风电、光伏发电、电网调峰等领域有传统燃油汽车,已成为了人们的共识。随着全钒液流电
着极其良好的应用前景。它将不同价态的钒离子溶液池技术的快速发展,可以预期,它将在电动汽车(特别
分别作为正负极的活性物质,分别储存在各自的电解是城市公交客车)、交通信号、风光互补路灯等广阔领
液储罐中,通过外接泵将电解液泵人到电池堆体内,使域发挥重要作用
其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动;
(5)通信基站。通信基站和通信机房需要蓄电池
采用离子膜作为电池组的隔膜,电解液平行流过电极作为后备电源,且时间通常不能少于10h。对通信运营
表面并发生电化学反应,将电解液中的化学能转化为商来讲,安全稳定可靠和使用寿命是最重要的,在该领
电能,通过双极板收集电流
域,全钒液流电池有着铅酸电池无法比拟的先天优势
1适用领域
(6)分布电站。随着分布电站的崛起,大型中心电
站将逐步走向衰落,全钒液流电池将首先在医院、指挥
储能是智能电网、微电网以及电动汽车发展必不控制中心、政府要害部门等分布电站中发挥重要作用
可少的支撑技术,可有效实现需求側管理、消除昼夜峰
谷差、平滑负荷、提高电力设备运行效率和降低供电成2主要优缺点
本,还是促进可再生能源应用、提高电网运行稳定性、
由于全钒液流电池的正、负极活性物质都为液态
调整频寧和补偿负荷波动的一种重要手段。全钒液流因此它在应用中显示出了独特的优点0?:1)额定功率
电池作为一种储能技术其主要应用范同如下35
和额定容量是独立的,功率大小取决于电池堆,容量大
(1)风力发电。目前是否能并网已成为风电发展小取决于电解液中活性物质的浓度和总储量体积,容
的瓶颈,为了减少对电网的冲击,同时赚取巨额的电网易实现电池扩容;2)充放电期间电池只发生液相反
收稿日期:2013年11月
应,不发生复杂的固相变化,因而电化学极化较小;3)
N机械制造51卷第592期
2013/12[69
电池的理论保存期无限,储存寿命长,因为电池在使用液罐内电解液温度等数据进行实时采集,同时还对电
时只有电解液是循环的,电池不用时电解液分别在两池进行充放电性能监测,记录充电电压、电流值,监视
个不同的储罐中密封存放:4)能100%深度放电且不充电器工作状态,根据电池的电压电流及温度,选择适
会损坏电池,能够准确、及时监控电池的荷电状态,具当的充放电参数以实现电池的高效安全可靠运行。通
备调度和跟踪计划发电能力:5)电池工作时正负极活过对电池充放电状况的研究,获取了详实的电池运行
性物质电解液是循环流动的,因而浓差极化很小;6)参数,并分析了对电池性能的影响因素,加快了电池的
充放电性能好,自放电低,在系统处于关闭模式时,储规模示范性研究进度。全钒液流电池的充电取电来源
罐中的电解液无自放电现象,适合应用于备用和应急为电网及太阳能电池。
电站:;7)选址自由度大,系统可全自动封闭运行,无污
染,维护简单,运营成本低:8)启动速度快,如果电池4研究结果与分析
模块中充满电解液,则可在2min内启动,在运行过程4.1电网充放电模式
中充放电状态切换只需要0.02s;9)含有活性物质的
采取先恒流再恒压的充电方式,从电网侧取电对
电解质溶液原则上可循环使用和再生利用,环境友好;电池进行充电。充电电流为40-120A,充电电压为40
10)含有活性物质的电解质为离子导电的水溶液,整48V,放电采取恒流、恒压、恒功率3种模式运行。在研
个电池无爆炸和着火危险,安全性好。
究中,先以充电电流80A对电池充电至电压升至45V
全钒液流电池的主要缺点是,电解液在管道中流之后,在45V恒压下继续对电池充电至电流由80A降
通时,形成离子通道,会造成漏电流0;电解液内部温至40A,完成充电过程,此时系统自动转为放电状态。
度不能超过50℃,否则+5价钒离子会氧化。此外,电如此进行自动充放电循环,其性能曲线如图4~图6所
池使用寿命取决于材料的老化时间,运行过程中,由于示,连续运行3个循环的电池性能参数见表1
电解液中钒钆离子通过膜的相互渗透21以及由于电解
图4、图5为电池24h不间析循环充放电运行参
液在一定条件下会在电极表面发生析氢副反应,将导数,图中的数据每半小时采集一次,作为一个数据点,
致电池容量发生衰减进而影响电池能量效率
每组的充电电流、充电功率所形成的斜率基本一致,每
3研究内容
组放电电流、放电功率所形成的斜率也基本一致,由此
全钒液流电池充电电流大小、充电深度、电解液温
能量转换模块
度以及流量均会影响电池的库仓效率、能量效率和自
放电性能。笔者以5kW/10kWh全钒液流电池的示范
性运行为例,建立了微型光一储示范系统(如图1所
示),研究了电网对全钒液流电池进行充电的运行情
况,同时研究了光伏对全钒液流电池充电以及电池对
光伏输出电能质量的影响。采用了电池管理系统
(BMS)对电池进行实时监控,电池模装如图2所示,监
液储液罐
控状况如图3所示,其中运行控制单元采用微处理器
控制,对单体电池电压