液流儲能電池在電網運行中的效率分析

葛穎豐 貝斌斌 樂程毅 石賢倫

（國網浙江省寧波市鎮海區供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

在人類賴以生存與發展的過程中， 能源仍是至關重要的物質基礎，就從目前的利用與消耗分析，煤、原油、天然氣仍為當前三大主要消耗燃料，我國對其開采量和開采年限的探究表明，其存儲量遠遠小于世界的平均水平。伴隨當前化石燃料的消耗、環境污染情況日益加重以及人口不斷增長，作為人口大國，未來還會發現新的化石能源，但能源的短缺依舊是不可逃避的事實。 同時，由于人們環保意識的缺失，生態環境逐漸惡化， 尤其是二氧化碳的排放加重了全球氣候變暖，使得人類生存的環境受到嚴重威脅，這些都將會對能源的使用及行業的健康、持續發展帶來諸多的挑戰，由此開發和利用新能源發電成為一種必然趨勢。

作為一種清潔能源，電能在人居生活和社會中扮演著不可或缺的角色，預估人類社會到2030 年，電能的消耗占比將上升到50%。 從以往配電網的運輸情況來看， 我國電力系統的建設一直遵循著大機組的模式，采用集中供電的方式運行，但隨著當前人們對電力需求的增加，其供需矛盾日益明顯，人們對電能的利用、電網的可靠性差等問題也越發關注，尤其是儲能電池，毋庸置疑，其在解決國家輸送電及能源安全中起著重要的作用， 在節能減排中也有著諸多的需求，本文就其在電網運行中的效率進行簡單的闡述。

1 關于液流電池的概述

1.1 液流電池的優勢

液流電池的儲能技術是一項規模比較大、效益較高的電化學儲電新技術，它主要是利用反應物的價態轉變來進行能量的儲存，一般都是先把能量轉變為化學能，然后再將之轉換為電能。 與其他的儲能技術相比起來，液流電池擁有如下優點：

（1）系統在設計方面具有較強的靈活性，功率輸出和其容量之間是相互獨立的，并不影響工作。

（2）電池的能量效率比較高，幾乎可以超過百分之七十五。

（3）電池具有較高的使用周期，壽命長，在實際運行中具有較高的穩定性且安全可靠。

（4）具有較強的自我保護功能，能夠持續、深度的放電，但不會損壞自身的性能，當整個輸電系統關閉時，不會自己放電，且在運行時，自放電較低。

（5）在選址方面具有絕對的自由度，日常工作無污染，不會對居民的生活環境帶來危害，且出現問題后，維護較簡單，不會耗費較多的人工，節省了維修費用，同時其運營的成本較低，在電網經濟運行中發揮著重要的作用。

（6）具有較高的安全系數，不會發生爆炸或是引發著火， 在居民生活和軍用方面都有著較為廣闊的前景。

1.2 關于液流電池工作的技術原理概述

生活中人們常見的電池是以固體作為電極的一種普通電池，液流電池和其是完全不同的，通常是通過活性物質反應，內部有流動性的電解質溶液，這種電解質溶液還會通過泵將儲存在外部的電解質溶液輸送到電池內部，從而完成相應的反應，因而其規模相較于普通的電池可以大幅提升，其內部的正負極是被離子交換膜隔開的，在充電或是放電的過程中，電極的表面會發生價態變化， 電池堆的大小決定了功率，電解液的大小決定了容量，通常情況下，如果想要增加電池的容量，可以增加電解液，也可以提高其濃度，只有電池工作時，電解液才會隨之不斷循環，當不使用電池時， 電解液就會被封存在兩個不相同的儲罐中， 不會像普通電池一樣出現電解液變質的情況，如果長時間使用電池，需要注意其隔膜離子的選擇性，否則會對電池放電產生一定的影響。 如圖1 所示是液流電池的工作原理。

圖1 液流電池的工作原理

當前，國際上存在的液流電池主要有四種，其中，釩電池是目前應用最為廣泛的，其工作原理是外接的泵將溶液從儲液槽中壓入電池內部進行相應的化學反應， 完成反應后液體又會回到原來的儲液槽中，如此不斷進行循環， 其所有的反應物都會存留在溶液中， 輸出的功率和電池的儲存容量是沒有關系的，因此，釩電池很容易實現擴容，本文就其系統及運行效率做詳細的闡述。

2 釩液流電池的儲能系統概況

2.1 儲能系統

一般情況下，全釩電池支持的電解質主要是硫酸氫，單電池的電壓一般在1.4 伏到1.5 伏之間，反應機制如下所示：

2.2 儲能系統的效率分析

電池效率具有狹義和廣義之分，通常意義上的狹義電池效率是指開始和結束狀態一致的情況下，整個系統的輸出和輸入之間的比例關系，是用于系統性能評價的一大指標。 一般情況下，液流電池具有三種效率，有電壓、庫侖和能量效率，電壓效率主要用于反映電解質溶液在參與化學反應時的活化性； 庫侖效率則反映的是電池兩極的反應性能；能量效率則是指整個電池系統的輸入和輸出的能力，三者之間又存在一定的關系，既電壓和庫侖的效率值相乘就是能量效率的數值，在整個工作系統中，三者之間成相互制約的關系。

而本文主要是從廣義的效率出發研究液流儲能電池，將其用于描述系統輸出的結果和資源使用之間存在的關系，包含了整個系統在單位時間內的工作總量和資源的使用率，如果要用函數表示全釩電池的效率，則為：

效率=f（電勢，支路的電流，單位時間內充電或放電的電流大小，電池充電或放電的時間）

2.3 運行效率的影響因素分析

2.3.1 電池充放電方面

一般情況下，儲能電池的充電、放電模式較多，涵蓋了恒定電流、恒定電壓、方波、脈沖等，在聯網儲能中，通常會采用恒定功率的模式應用于電池，如果系統中用于抑制可再生能源發電的功率出現一定范圍內的波動，就需要電池儲能系統來供應原來幾倍功率的輸入和輸出模式，才能更好地應對風電等因素帶來的波動。 如果充放電的模式不相同，就會造成電池內部出現不同的工作狀態， 當然即使是相同的模式，如果內部的參數設置不相同， 也會引起工作狀態的不同，同時內部電解質溶液的擴散和溶液的濃度差異、不同模式下耗用的時間都會對系統效率造成影響，本文就對不同充放電模式下儲能電池的系統進行了分析。

當充電和放電的時間一致的情況下，恒定電流充放的能量是最多的，從一個完整的充電、放電循環上看，鋸齒波電流的能量效率相較于其他兩種模式的效率要略高，但是循環的時間幾乎是恒定電流模式下的兩倍，同時，恒定功率和恒定電流兩種模式相比較，恒定功率模式下產生的能量效率略高，需要的循環時間相對較短。 由此可以得出，在最初設計電池的儲能系統時，要全面的考慮時間的尺度，只有選擇合適的充放電模式，設置好相應的參數，才能確保工作效率的提升。

2.3.2 支路電流方面

和普通的化學電池比較，液流電池具有較為顯著的特性， 主要體現在液流電池有自身的管路系統，無論電池堆選擇哪種成組的方式，管路系統部分都可以采用并聯的方式，讓單個電池內部的活化物質形成一致性，這對于大規模的系統，具有較好的統一性，但是，管理系統的存在也有一定的弊端，在使用的過程中，一定會給系統帶來相應的損耗，因此，其設計和后期的優化均會影響到液流儲能電池系統的運行效率。

通常情況下，當電解液在經過管路系統進入到內部的總管道或是分支管道， 再由此進入到電池內部時，就會讓電池帶有離子通道，又因為電池在使用的過程中，和電網中相應的電氣是互相連接的，因而又會使得電池帶有電子通道，當電子和離子通道之間形成閉合的回路時，即便會出現意外，造成外電線路斷開，但整個線路中還會有電流，這種電流是不用承載負荷的，通常就會將其當作支路電流，根據有關定律的研究，在輸電系統中但凡是能對液相電阻或是電堆的電壓造成一定影響的，一定也會對支路電流產生一定的影響，其中包含了電勢、系統溫度、內部電阻以及液路管道的長度等因素。

由于支路電流是可以通過實驗進行觀測的，因此，本文就根據其產生的原理，采用階段法恒定電壓充電的方式進行實驗，通過將液流電池系統置于該充電模式，來測定當系統處于滿電的狀態時，其充電電流的最小值，以便發現其與電池系統的熱損耗和自身放電之間的相關性。

2.3.3 自身放電方面

由于儲能電池的活性反應物質分別存儲在電堆體外部，所以其具有壽命長的特性，但是如果電池被用于整個電力系統的備用時，為能確保電池的正負兩極的電解液保持循環狀態，就需要開啟液流系統的電泵，這樣才能夠很好的應對相應的投切。 在上述情況中，也難免會增加支路電流的損耗概率，還會致使自身放電受損，使得系統內部產生一定的損耗。

通常液流電池的自身放電是指其在開路的狀態下，流過電堆內部的電解液通過一系列的化學反應而導致有效的反應物的濃度逐漸縮小，致使整個系統的實際輸出能力逐漸降低的一種現象。 當前，測試電池自身放電情況，最為準確的方法是電化學專業實驗中經常用到的一種，即電位滴定，但本文的實驗條件較為有限，就此利用已有實驗得出的相關結論——在開路狀態時，電池的電壓和電解液的荷電狀態之間呈現出線性關系，并利用已經采集到的電壓變化的曲線關系，得到儲能電池中的自身放電性能，如圖2 所示，其為截取的10 小時的實驗數據， 從圖中可以明顯地看出，電池在熱備用閑置時，其電壓在13 小時內衰減，自此之后，電壓一直維持在一種水平狀態，再次證明了其支路電流發生損耗時將對電網的運行產生一定的影響。

圖2 電池閑置時，電壓衰減趨勢

3 結語

綜上，當電網中規模化的使用儲能電池時，過電勢將會對整個系統的能量效率產生較大的影響，同時支路電流等因素均會對其穩定性造成一定的影響，為能確保在應用中，電網運行的可靠性，提高系統的運行效率，有關儲能用戶，應該合理地制定保護的策略及后期的優化模式和方案，進一步研究如何權衡效率和泵損之間的關系，只有這樣才能提高儲能系統的整體工作效率，確保運行的穩定性和安全性。