全钒氧化还原液流电池VRB

全钒氧化还原液流电池VRB正在进入有用性时期的能源储备技术一些能源产生系统，如风力发电、太阳能等，由于受到气候变化、 风力大小等自然条件的阻碍，电能输出具有不稳固性和间断性地特 点，进而造成机械功率大幅变化，会使发电机输出的有功和无功产生 波动，而且使电网的电能质量下降，同时造成电能白费。目前，国际 上一项风电储备新技术全钥氧化还原液流电池Vanadium Re dox Battery，VRB进入有用性时期，通过对能源高效转换储备， 保证稳固的电功率输出，改善电网安全性和可靠性。VRB技术原理和进展全钥氧化还原液流电池VRB的原理最早在1984年，由新南威尔 士大学的Maria Skyllas-Kazacos等研究人员提出，之后经技术转 让和进展，在澳大利亚、日本和加拿大得到深入研究。目前，加拿大 的VRB Power Systems公司和日本住友电工研发的全钥液流电池 技术进入有用化时期。下面就依照加拿大的VRB Power Systems 公司最新的 VRB Energy Storage SystemVRB-ESS储能系 统介绍全钥液流电池的技术原理和特点。VRB-ESS储能系统是VRB Power Systems公司在新南威尔士大 学研究人员提出的全钥液流电池技术基础上进展出来的储能系统，将 化学能和电能相互转换。化学能储备于不同阶态的钥离子中，电解质 溶液为帆离子硫酸电解液，电解液通过泵从两个独立的塑料储备罐中 流入两个半电池组单元，采纳一个质子交换膜PEM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，通过双电极 板收集和传导电流。那个反应过程能够逆反进行，对电池进行充电、 放电和再充电。图1： VRB-ESS系统原理结构图片来源：VRB Power Systems公司资料从上图能够看出，VRB-ESS系统包括两个具有不同氧化状态帆离子 的电解液储备罐，分别是正极V(W)/V( V)和负极V( II )/V(m)氧化 还原电极对。电解液由泵在储备罐和电堆之间循环输送。电堆包括多 个电池组，每个电池组具有两个半电池部分，由质子交换膜隔开。在 半电池组中，电化学反应是在碳板电极上进行的，产生电流对电池进行充放电。VRB-ESS系统技术优势VRB-ESS储能系统在设计建筑、运行爱护、系统性能等方面具有专 门多技术优势：1、设计和建筑a采纳快速设计和建筑，包括环境许可，通常为6-8个月。b现有系统快速升级，只需通过增加电解液容量来实现提高储备 容量，实现成本低；并可通过增加电堆数量来提高输出功率。2、运行与爱护a运行温度低，环境温度变化阻碍小。b数据采集监控系统SCADA接口支持互联网连接或拨号连接。 Modbus总线接口可支持与其他辅助系统的互联。c电力操纵采纳先进的多象限电流操纵技术，承诺输出电力相位 操纵、电压漂移补偿、低谐波失真、反应电流补偿PFC、瞬时高 负载容量，增加系统的性能稳固。并具有多层、加密操纵PLC。d低成本爱护。VRB-ESS系统爱护成本为$0.008/kWh。3、系统性能a电池寿命长。电池正负极反应均在液相中完成，充放电过程仅 仅改变溶液中钒离子状态，没有外界离子参与电化学反应，重复充放 电可不能造成电池容量下降，VRB-ESS系统充放电可超过10000 次20%80%SOC。b系统效率高。由于正负半电池电解液中的活性物质分别储存在 不同的储槽中，完全幸免电解液储存过程的自放电消耗。系统循环效 率可达65 75%。c理论充放电速度比为1:1实际为1.8:1，承诺非高峰时刻 充电，高峰时刻放电，将不稳固的电能输入变为连续、安全可靠的电 能输出，改善电网安全性和可靠性，是风力发电领域理想的储能系统。VRB-ESS系统应用案例VRB Power Systems公司将VRB-ESS储能系统应用于澳大利亚 King Island风力发电系统，提供稳固、可靠的电力输送。King Island位于澳大利亚南海峡，具有丰富的风力资源，原本采纳 的是4个1500kW柴油机发电机组，后来增加了 3个250kW和2 个850kW的风力发电机组。但风电机组由于输出电力不连续稳固， 因此采纳VRB-ESS储能系统解决这一问题。VRB-ESS储能系统用于稳固风力发电中短时电力输送变化和负载变化，提供频率和电压操纵，实施系统 ''负荷转移，优化柴油机和风 力发电混合系统的运行性能。VRB-ESS系统的应用减少了柴油机发 电机组的运行负荷，因此减少了燃料的成本和柴油机组排出的废气污 染。同时也提供了 King Island地区工业和民用需要的稳固电力供 应。VRB-ESS储能系统差不多参数：储能容量：1100kWh连续输电功率：200kW4小时峰时最大输出功率：400kW10秒、300kW5分钟表1：经济和环境效益效益项目效益量效益年收益减少热备用8小时/日节约燃料440L/日$91,500提高运行效率25L/小时低燃料消耗节约燃料440L/日$83,200捕捉溢出风力1100kWh/日节约燃料260L/日$51,200减少爱护成本每日减少机组12运行小时延长爱护周期$23,000总计$248,9003.5年收回成本减少排放 4,000,000 kg/yr CO299,000 kg/yr NOx75,000 kg/yr未燃碳氢化合物图表来源：VRB Power Systems公司资料能够看出VRB-ESS储能系统的应用，不仅能够稳固风电机组供电性 能、改善电网可靠性，而且具有专门好的经济效益和环保效益。我国VRB技术进展现状与不足目前中国工程物理研究院、中国科学院大连化学物理研究所、清华大 学等许多研究机构差不多对全钒液流电池开展了一系列相关研究，并 取得一定成果。1995年，中国工程物理研究院电子工程研究所第一在国内展开VR B电池的研究，研制成功500W、1kW的样机，拥有电解质溶液制 备、导电塑料成型等专利。2006年3月中国科学院大连化学物理研究所研发成功10 kW试验 电堆，并通过国家科技部验收，标志着我国的全钒液流电池系统取得 时期性进步。清华大学利用在膜分离功能材料制备、膜过程与设备设计等方面近二 十年的研究体会和技术积存，以及电解质溶液热力学、功能膜材料物 理化学、化工过程传质学的丰富理论研究成果，在电堆流道设计、电 堆密封结构、锁紧方式方面取得研究成果，差不多申报3项专利。并 研发成功全钒液流电池测试平台。我国的全钒液流电池研究相关于国外，在液流电池关键材料，包括离 子交换膜、电极材料、高浓度电解液以及工程放大技术等方面，尚处 于起步时期，需要积极努力，争取在近年取得突破性进展。全钒液流电池在大型电力公司供电、边远地区及中型电力用户、一般 居民用户用电储能等方面都具有良好的应用前景，其高效、节能的技 术特点，关于我国新能源的开发具有长远的阻碍。