全釩液流電池儲能系統中能量消耗研究

鄒 濤，曾 坤，廖育武，余龍海，史小虎

(1.湖南釩谷新能源技術有限公司，湖南長沙 410000；2.湖北文理學院物理與電子工程學院，湖北襄陽 441000）

大規模儲能是智能電網的重要部分，是解決風力發電、光伏發電等可再生能源并網問題的根本途徑，其中，全釩液流電池儲能系統具有容量和功率可單獨設計，安全性能高，使用壽命長等獨特的技術優勢，廣泛應用于調峰調頻、需求響應等領域[1-2]。近年來，國內外已建成投運一批兆瓦級儲能示范工程，同時，在智能微電網中，對全釩液流電池儲能系統展開了應用研究[3-4]。

流量對電池內阻、電堆性能有著直接的影響。流量不能滿足電堆反應所需時，電堆內部電解液各價態離子之間分布不均勻，活性物質擴散速率低于電極反應速率，造成電堆內部極化加大，降低電堆放電性能[5]。因此，合適的流量能有效提高電堆性能，降低電池內阻，降低系統泵損耗，從而提高系統能效。溫度的變化對全釩液流電池儲能系統中電解液的影響較大，不僅會影響電解液的穩定性，也會影響電解液的活性，最終影響儲能系統的效率[6-7]。系統溫度升高時，電堆內部材料的腐蝕等副反應也會加劇，對電池密封及防腐要求也更嚴格。因此，找到合適的系統運行溫度顯得尤為重要。

1 實驗

1.1 實驗系統

全釩液流電池儲能系統如圖1 所示。系統運行時，泵將電解液從儲液罐輸送到電堆，反應后電解液從電堆回流至儲液罐中。其中，管路均采用PVC 管，控制系統使用西門子PLC。泵采用有效揚程為18 m 的交流泵，最大功率為2.2 kW。儲液罐最大體積為3 m3。

圖1 儲能系統示意圖

1.2 實驗電堆

實驗電堆采用88 個單電池串聯的方法連接，采用3 mm自制液流框、上海科潤50 μm 質子交換膜、山東南海碳材1 mm 雙極板、遼寧金谷碳氈組裝有效面積為1 600 cm2的35 kW 電堆。電解液采用自制1.6 mol/L V+4.2 mol/L H2SO4。正負極電解液體積各為1 000 L。

1.3 實驗條件

將組裝好的電堆安裝在儲能系統中，按圖1 所示管路進行連接。在正負極儲液罐各加入1 000 L 3.5 價電解液。泵液后，通過安裝在正負極進液口的流量傳感器得到流量數據，再通過控制系統進行流量調節，使流量保持在設定值。通過安裝在正負極進液口的溫度傳感器得到電解液溫度數據，通過控制系統調節水冷裝置開關，使系統溫度保持在設定范圍。通過充放電儀對電堆電壓范圍和電流進行調節，電壓范圍為100.2～140.8 V，恒定充放電電流為288 A。

2 儲能系統內部能耗計算

全釩液流電池儲能系統內部能量損耗如圖2 所示，其中泵和控制系統需要220 V 交流電啟動，而全釩液流電池需直流電進行充放電，所以使用儲能雙向變流器將交流電與直流電進行轉換。為了對全釩液流電池儲能系統內部能量損耗進行研究，通過對儲能系統中相關數據進行采集并處理，直觀得出系統內各部分能量損耗，為后續系統改進、提高系統能量利用率提供有效參考。其計算步驟包括6 個步驟。

圖2 全釩液流電池儲能系統內部能量損失單元

步驟1：通過智能電表獲取全釩液流電池儲能系統從電網中充電電量Ein和儲能系統放電至電網的電量Eout；

步驟2：通過連接在泵上的電壓傳感器及電流傳感器獲取數據，對泵能量損耗進行計算：

式中：V1(t)為泵的電壓傳感器獲取數據；i1(t)為泵的電流傳感器獲取數據；t1為充電開始時間，t2為充電結束時間，t3為放電開始時間，t4為放電結束時間。

2010年7月，國務院頒布《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》。其中，“加快教育信息化進程”被單獨列為一章，并把“教育信息化建設”列為10個重大項目之一[1]。教育信息化的重要地位可見一斑。教育信息化的核心是促進信息技術在教育教學中的有效應用，真正實現信息技術與課程的有效整合甚至是深度融合，才能促進我國教育的改革和發展。2020年，我國教育信息化將進入融合、創新階段。所以對信息技術與課程整合的教學模式進行分析比較，有利于教師針對教學內容合理選擇學科教學整合模式，更好地促進教育信息化發展。

步驟3：全釩液流電池儲能系統中控制系統功率固定，對控制系統能量損耗進行計算：

式中：Pcontrol為控制系統功率。

步驟4：通過測試儀對全釩液流電池電堆充放電數據進行采集，包括電壓、電流，對電池充電能量進行計算：

式中：V2(t)為充電電壓數據；i2(t)為充電電流數據。

放電能量計算公式為：

式中：V3(t)為放電電壓數據；i3(t)為放電電流數據。

電堆能量損耗為：

步驟5：對儲能雙向變流器(PCS)在充電階段將交流電轉換成直流電造成的能量損耗進行計算：

儲能雙向變流器在放電階段將直流電轉換成交流電造成的能量損耗計算公式為：

步驟6：經過上述計算，可以得到全釩液流電池儲能系統能量分布情況，其中，儲能雙向變流器造成的能量損耗占比為(EPCS-charge+Epcs-didcharge)/Ein，泵造成的能量損耗占比為Epump/Ein，控制系統造成的能量損耗占比為Econtrol/Ein，電堆造成的能量損耗占比為Estack/Ein，全釩液流電池儲能系統能量效率為Eout/Ein。

3 溫度影響

3.1 溫度對電堆的影響

圖3 為不同溫度下電堆充放電電壓曲線，在充電階段，電堆電壓不斷升高，在140.8 V 時充電截止，經過短暫擱置后，開始放電，電堆電壓開始不斷減小，在100.2 V 時放電截止。電堆充放電電壓曲線有明顯的規律，隨著溫度升高，充電起始電壓持續減小，充電時間也逐漸增加，同時，放電起始電壓逐漸增加，放電時間也逐漸增加。電堆充電后擱置階段，記錄的電壓為電池的開路電壓，可大致反應出電解液荷電狀態(SOC)。由圖3 中插圖可知，隨著溫度的增加，電解液SOC也逐漸增加，這可以說明在相同的電壓范圍內，溫度提高能有效提高電解液利用率。

圖3 不同溫度下電堆充放電電壓曲線

圖4 為電堆充放電能量與能量效率，電堆充電能量和放電能量隨溫度提升而不斷增加，溫度從23 ℃增加到37 ℃時，充電能量從28.08 kWh 提升至37.08 kWh，提升了32%，這是因為溫度提高，電解液活性不斷增加，極化減小。電堆能量效率也隨溫度提升而不斷提高，能量效率從77.5%不斷提升至78.1%，但是在溫度達到32 ℃以后，電堆能量效率基本保持不變。電解液溫度升高，釩離子透膜傳輸導致電堆電流效率下降，但是電解液極化減小，電壓效率不斷提高，因此達到一定溫度后電堆能量效率基本保持不變。

圖4 電堆充放電能量與能量效率

3.2 溫度對系統的影響

系統中采用交流泵，因此，通過改變泵頻率來保證流量恒定100 L/min，泵頻率改變，對應的泵功率隨之改變。圖5為交流泵功率與泵頻率關系，隨著電解液溫度增加，泵功率和泵頻率不斷下降。電解液溫度提升，電解液粘度也隨之減小[8]，因此，在恒定流量的前提下，泵所需的頻率隨之降低，對應的泵功率也隨之降低。但是，隨著溫度的升高，泵頻率減小幅度逐漸減小，這與電解液在相對高溫下粘度變化逐漸減小有關。

圖5 交流泵功率與泵頻率關系

圖6 為溫度對系統效率的影響，系統充放電能量隨溫度的提高而上升，在23 ℃時，系統充放電能量分別為31.61 和18.40 kWh，達到37 ℃時，系統充放電能量提高至41.36 和24.85 kWh，分別提高了30.84%和35.05%。系統充放電能量的大幅提高與電堆的充放電量有關，也與充放電時間增加，系統內部其他電器損耗能量增加有關。系統效率隨溫度逐漸提高，但是在34 ℃后，系統效率逐漸平緩。溫度增加后，電堆充電能量增加，充放電時間大幅增加，造成泵功率損耗及PCS 消耗也隨之增加，因此，系統效率逐漸平緩。

圖6 溫度對系統效率的影響

電堆內阻和漏電流等會對系統能量產生損耗，PCS 在進行交/直流轉換時也會產生大量損耗，同時，交流泵也會產生大量的能量損耗。為研究各部分能量損耗，按照式(1)～(7)對各部分產生的能量損耗占比進行分析，如圖7 所示。對比23和37 ℃下各部分能量損耗占比，控制系統消耗最小，占0.45%，這是因為控制系統功率較小，只有100 W；PCS 消耗占比分別為13.56%和13.73%，變化較小，這是因為電壓范圍一定的情況下，PCS 轉換效率基本相同，因此PCS 損耗占比變化較小；電堆消耗占比分別為19.96%和19.64%，在溫度較高時，電堆損耗占比減小，這是因為溫度升高后導致電堆內阻降低，因此內阻帶來的能量損耗降低；泵消耗占比分別為7.82%和6.11%，泵消耗占比減小了1.71%，這是因為溫度升高，電解液粘度降低，泵頻率也降低，泵功率也減小，與圖5 中對應的關系相符；上述各單元損耗變化綜合造成了系統效率從58.12%提高至60.06%。表1 為不同溫度下系統各部分消耗能量占比，可以看出各部分消耗的規律。

圖7 不同溫度下系統各部分能量損耗分布與系統效率圖

表1 不同溫度下系統各部分消耗能量占比

4 流量影響

4.1 流量對電堆的影響

系統中流量遵循法拉第定律[9]，流量根據式(8)進行計算：

將流量系數(FF)分別調整為8、9、10、11，對應的流量值分別為100、110、120、135 L/min。在改變溫度時，電堆系統效率不斷提高，因此選擇系統溫度36 ℃進行流量調節實驗。在不同FF值下進行充放電，充放電曲線如圖8 所示，隨著FF值增加，充電起始電壓逐漸下降，充電時間也逐漸增加，FF值達到10 后，電堆充電性能變化較小，充電電壓達到140.8 V 后停止。圖8 中插圖為不同流量下擱置電壓，擱置電壓越大，充電SOC越高，電解液利用率也越高。擱置1 min 后，開始放電，流量越大，放電起始電壓也越高，放電時間也增加，在FF值達到10 后，放電曲線逐漸開始重合。這說明，在FF值達到10后，系統在180 mA/cm2的電流密度下已經達到所需流量最大值，增加FF值后并不能提高電堆性能。

圖8 流量對電堆充放電電壓影響

電堆充放電性能與FF值關系如圖9 所示，在FF值為8時，充放電能量分別為36.19 和28.38 kWh，FF值增加至10時，充放電能量分別為39.53 和31.02 kWh，充放電能量都提高約9.3%。隨著FF值增加，充放電能量逐漸增加，在FF值達到10 后，充放電能量增加幅度減小。同時，電堆能量效率有很小幅度的變化，集中在78.4%～78.5%，這與電堆測試環境有關，在不同流量下測試時，溫度都設置在36 ℃左右。

圖9 電堆充放電性能與FF值關系

4.2 流量對系統的影響

對系統充放電能量進行統計，發現系統充放電能量與電堆效率規律基本一致，這與電堆充放電時間有關（系統充放電規律與電堆基本一致）。圖10 為系統充放電能量與FF值的關系，隨著FF值的增加，系統效率持續下降，這是因為FF值增加時，系統流速較大時，電堆內部速度分布不均勻，高速區域電解液以較快的速度通過，不能完全滲入石墨氈中進行反應，直接從出口流出，造成了能量的損失，因此泵消耗增加，系統效率降低。

圖10 系統充放電能量與FF值的關系

圖11 為不同FF值下系統能量消耗分布與系統效率圖，FF值為8 和11 時，系統中控制系統消耗能量最少，約占0.45%，數值變化較小，這與控制系統功率較小有關，控制系統功率約為100 W；PCS 消耗分別為13.92%和13.86%，變化較小，因為PCS 轉換效率只與交直流轉換電壓有關，實驗未對電壓范圍做調整，所以變化較小；電堆消耗分別為19.35%和18.89%，電堆消耗比例下降，這是因為FF值增加后，流速提高，電堆內部濃差極化減小，因此內阻帶來的能量消耗減小；泵消耗占比分別為6.16%和9.41%，泵消耗比例大幅增加，這是因為流量越大，泵頻率也越高，對應的泵功率也越大，在FF值為11 時，泵功率為2.1 kW，接近泵最大功率，因此泵消耗比例大幅增加；上述各單元損耗變化綜合造成了系統效率從60.12%下降至57.40%。表2 為不同FF值下系統各部分消耗能量占比，泵消耗迅速增加，導致系統效率逐漸下降。

圖11 不同FF值下系統能量消耗分布與系統效率圖

表2 不同FF 值下系統各部分消耗能量占比

5 結論

提出了全釩液流電池儲能系統中能量損耗分布計算方法。在不同溫度下進行了系統能量損耗分布計算，溫度升高后，泵消耗逐漸減小，系統效率逐漸增加，在36.7 ℃時，系統效率達到最高60.06%，同時泵消耗能量占比6.11%，電堆消耗19.64%，儲能變流器消耗13.73%；在不同FF值下進行了系統能量損耗分布計算，FF值提高后，泵消耗比例迅速增加，系統效率也逐漸降低，但是系統充電能量逐漸提高，在FF值為10時，系統充電能量達到44.9 kWh，同時，泵消耗能量8.96%，電堆消耗18.94%，PCS 消耗13.88%，系統效率為57.77%。