全釩液流電池泵損耗對(duì)電池的性能和效率影響分析

李　偉,呂玉祥*,王啟銀,趙　銳

(1.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,太原 030024;2.山西省電力公司大同供電分公司,山西 大同 037008)

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全釩液流電池泵損耗對(duì)電池的性能和效率影響分析

李偉1,呂玉祥1*,王啟銀2,趙銳2

(1.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,太原 030024;2.山西省電力公司大同供電分公司,山西 大同 037008)

摘要:建立一個(gè)全釩液流電池系統(tǒng)模型,通過對(duì)全釩液流電池系統(tǒng)模型在不同管徑和流速下的泵損耗進(jìn)行理論分析和研究,得出全釩電池泵損耗的規(guī)律。運(yùn)用Fluent模擬仿真半電池在不同流速下的電解液分布,不同充電電流和流速下對(duì)全釩液流電池性能的影響。結(jié)果表明:根據(jù)釩電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制泵的損耗和電解液流速,對(duì)于提高釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率和改善電池系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。在大規(guī)模應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)時(shí),泵損和流速的影響將更為明顯。

關(guān)鍵詞:釩氧化還原液流電池;泵功率;流量;電池性能

近年來,儲(chǔ)能技術(shù)能為智能電網(wǎng)解決電力生產(chǎn)和消費(fèi)之間的平衡問題,可以利用儲(chǔ)能調(diào)峰來提高輸電能力,平衡和穩(wěn)定可再生資源發(fā)電。而全釩氧化還原液流電池VRB(Vanadium Redox Flow Battery)儲(chǔ)能技術(shù),具有長壽命,高性能,容量和功率的獨(dú)立性,是近期研究的主要儲(chǔ)能方式之一[1]。

泵是全釩液流電池中重要的組成部分之一。而VRB的系統(tǒng)需要2個(gè)充滿了V(Ⅱ)/V(Ⅲ)和V(Ⅳ)/V(Ⅴ)硫酸溶液的電解液罐,分別由2個(gè)電動(dòng)泵,把正負(fù)極電解質(zhì)泵入電池組。在滿足電池正常工作運(yùn)行的前提下,電解液的流速直接影響泵的損耗和VRB系統(tǒng)的整體效率。

電池的導(dǎo)流結(jié)構(gòu),支路電流和溫度等[2-4]對(duì)VRB電池性能和效率產(chǎn)生一定的影響。泵損和電解液流速也是其中的一個(gè)影響因素。文獻(xiàn)[5]建立了一個(gè)簡單的泵損耗模型;文獻(xiàn)[6]發(fā)現(xiàn)隨著容量的增大,在恒定的電流密度下,電解液流速的增加反而降低了VRB系統(tǒng)的效率;文獻(xiàn)[7]通過模擬仿真得出了充放電過程中泵損耗的電流變化。文獻(xiàn)[8]研究發(fā)現(xiàn)電極附近中的較低的流速將導(dǎo)致較高的過電位,進(jìn)一步導(dǎo)致的副反應(yīng)的發(fā)生和電極材料的腐蝕。文獻(xiàn)[9]發(fā)現(xiàn)了充放電過程中流量對(duì)電池功率的影響。但這些模型忽略了泵的能量損失和電解液流速變化對(duì)電池效率的影響。

因此,如何優(yōu)化最佳的電解液流速增強(qiáng)VRB系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性,還有待進(jìn)一步研究。到目前為止,國內(nèi)有很少有報(bào)道的優(yōu)化操作VRB泵和流量的文獻(xiàn)。本文描述了一個(gè)包含泵損的全釩液流電池模型,介紹了根據(jù)電池模型設(shè)計(jì)計(jì)算泵的損失能量,為VRB系統(tǒng)在模型開發(fā)、優(yōu)化電解液流率,分析最佳操作流速和充放電電流對(duì)VRB系統(tǒng)的影響提供了依據(jù)。

1　泵損分析

1.1泵損

在一定的流速下,電解液通過管道進(jìn)入堆棧,由于電解液具有黏性以及管道粗糙的影響,具有水力摩擦損失和流體受沖擊、管徑和速度方向及大小變化等引起的水力損失(局部阻力),從而要消耗掉一部分能量。而泵損的計(jì)算由式(1)給出。其能量損失則由式(2)給出。

pp=Δp×Q/η

(1)

對(duì)于一個(gè)給定的泵,泵效率η一定。Δp和Q分別表示電解液在流動(dòng)中的壓力損失和電解液的流量。

1.1.1管道中的壓力損失

電解液在管道中流動(dòng)的能量損失可表示為

-p=ρghf+ρgsf

(2)

式中ρ為電解液密度,hf和sf分別為管道中的沿程損失和局部損失。其中:

(3)

(4)

hf和sf通過達(dá)西定律根據(jù)每個(gè)單元的流量,長寬比,粘度等得出。v為電解液的流動(dòng)速度,k和λ分別為所設(shè)計(jì)管道中的局部損失系數(shù)和沿程損失系數(shù)。

對(duì)于層流運(yùn)動(dòng),沿程損失系數(shù)λ由式(5)給出。

λ=64/Re

(5)

其中,Re為雷諾數(shù),

Re=ρDzv/μ

(6)

式(6)中,v為管道的平均流速,Dz為管道的水力直徑,μ為電解液的動(dòng)力黏度。水力直徑Dz定義為:

(7)

其中,A為過流斷面的面積,S為過流斷面上電解液與固體接觸的周長,稱為濕周。

1.1.2電池中的壓力損失

模擬電池堆棧由10個(gè)串聯(lián)的單體電池構(gòu)成,全釩液流單體電池主要由離子交換膜,集流體,碳?xì)?雙極板電極等組成。假定電解液通過支管均勻分布到到每個(gè)單體電池中。電解液通過單體電池內(nèi)的流道則簡化為一個(gè)矩形體。電解液流過一個(gè)電池,其中一部分電解液滲入到多孔電極,一部分電解液從電池出口處流出。兩部分壓降由Kozeny-Carman方程[10]的假設(shè)(2)可得Δp1=Δp2,其中,電解液在多孔電極內(nèi)的壓降Δp1由下式給出。

(8)

其中ε表示為碳電極孔隙率,d為碳?xì)种睆?U為電解液在電極的表面速度,K為局部損失系數(shù),L為碳電極長度。

2　數(shù)值計(jì)算模型

2.1數(shù)值模型介紹

在不考慮溫度變化情況下。模型設(shè)置的參數(shù)如表1所示。

表1　模型參數(shù)設(shè)置

電池電壓的根據(jù)能斯特方程[11]由式(9)給出

(9)

(10)

模擬的VRB系統(tǒng)的模型由圖1給出。

圖1　VRB系統(tǒng)模型

2.2模型結(jié)果

泵損的分析采用圖1所示的VRB系統(tǒng)模型,電解液通過支管流入堆棧中的每個(gè)電池,單體電池的長度為L=0.1 m,厚度為W=0.002 5 m,高度為H=0.15 m。電極區(qū)的表面積為150 cm2。假定總管內(nèi)的電解液流量Q=150 cm3/s[12],管道中各組件的局部損失系數(shù)如表1所示。

假定總管直徑Dp=0.01 m,流量Q=150 cm3/s。泵的效率值η=85%。對(duì)于圖1,正極總管的長度Lp=3.09 m。λp與vp分別為總管中的沿程損失系數(shù)和流速。

由表1,為正極總管各組件的局部損失系數(shù)。90°彎頭的局部損失系數(shù)ke=0.9,正極總管在電解液罐出入口的局部損失系數(shù)kt=0.73,閥門的局部損失系數(shù)kv=0.15。

正極總管的壓力損失

通過對(duì)課程教學(xué)整體設(shè)計(jì)的改革及研究，即對(duì)課改的整體思路、方法進(jìn)行了全面的認(rèn)知和學(xué)習(xí)。在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)學(xué)生未來可能的職業(yè)進(jìn)行分析，確定本課程的能力目標(biāo)，再圍繞能力目標(biāo)進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)。要注意培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)內(nèi)容要來自實(shí)際工作項(xiàng)目，與具體工作任務(wù)掛鉤；要關(guān)注學(xué)生的個(gè)體差異，促使人人發(fā)展。

Δph=Δpf+Δpg=2.63×104Pa

支管的直徑Db=0.005 m,對(duì)于圖1,正極支管的長度Lb=0.02 m。λb與vb分別為支管中的沿程損失系數(shù)和流速。

由表1,模型的支管與總管由三通管連接,內(nèi)螺紋三通管局部損失系數(shù)k1=2.1,異徑螺紋管損失系數(shù)k=0.86。

正極支管的壓力損失

Δpb=Δpf1+Δpf2=4.47×103Pa

表2　各組件局部損失系數(shù)

對(duì)于電池堆棧電池的電極長度L=0.1 m。在多孔電極內(nèi)的壓力損失為

電池出入口的直徑Dd=0.003m,vd為電池出入口流速,局部損失系數(shù)kd=0.78。

電池堆棧的壓力損失為

Δpc=Δpd+2×Δp1=4.52×104Pa

則模型的泵損

Pp=(Δph+Δpb+Δpc)×Q×2/η=26.82 W

從上面的分析中可知,堆棧壓降取決于多孔碳電極的電阻,電池出入口和支管的壓力損失可忽略不計(jì)。電池回路的壓降取決于流率的大小和管路直徑。因此,設(shè)計(jì)良好的電池回路可以有效降低泵的功率損失。

圖2說明泵的功率隨流量大小和管路尺寸的變化。泵的功率隨著流率的增加而有顯著的增大,管道的直徑尺寸越大,泵功率的損失就越小。其原因主要是因?yàn)樾」苤睆接捎谟休^高的水力摩擦損失提高了電解液在管道中的流速,會(huì)消耗掉大量的泵能量。而在一個(gè)相對(duì)大的管道尺寸或電解液緩慢流過管道時(shí)會(huì)降低泵功率的損失,這也有可能在電池突然啟動(dòng)、低SOC或者突然改變充放電電流時(shí)出現(xiàn)。圖2結(jié)果表明,即使有小管直徑,泵的功率也可能少于15 W。如果堆棧和電池回路設(shè)計(jì)合理,泵消耗的功率在正常情況下可以忽略不計(jì)。

圖2　管徑、流量和泵損的關(guān)系

圖3　不同流速的下的速度分布圖

2.3模型分析

2.3.1電池模擬仿真

通過模擬VRB系統(tǒng)模型分析發(fā)現(xiàn),流量大小是影響泵損的一個(gè)重要參數(shù)。因此,本文采用文獻(xiàn)[8]中的半電池結(jié)構(gòu),使用Fluent6.3.23模擬分析流體進(jìn)入電池內(nèi)的流速分布[13]。如圖3,分別以流量200cm3/s和80cm3/s模擬研究電解液在半電池內(nèi)的分布情況。模擬的結(jié)果表明,電解液在流量為80cm3/s時(shí),電解液速度分布比較均勻,在電池的下半部分電解液傳質(zhì)情況不夠好,存在有較小的低速區(qū),電解液更新相對(duì)較慢,但低速區(qū)與高速區(qū)的速度相對(duì)差值不大,電池內(nèi)的電解液分布一致性較好。電解液處于200cm3/s流量時(shí),比低流量時(shí)電池內(nèi)速度有很大提高,傳質(zhì)效果較好,低速區(qū)與高速區(qū)的速度梯度相差很大,電解液分配不均,有些高速區(qū)的電解液來不及滲透到電極內(nèi)參與反應(yīng),大部分從出口處流出,造成能量的損失,容易影響釩電池的性能。

2.3.2流量影響

圖4顯示了在充電電流從40A到70A時(shí)的最優(yōu)流率,結(jié)果說明充電電流越大,釩離子消耗的就越快,因此需要一個(gè)較快的流率,泵的能量損失相對(duì)就越大。充電電流一定時(shí),隨著SOC增大,電解液的中釩離子數(shù)量開始消耗很大,需要較快的流量,之后流量趨于穩(wěn)定,SOC增大到一定程度時(shí),釩離子的數(shù)量已經(jīng)很少,需要電池內(nèi)的電解液流速加快,使參與反應(yīng)的釩離子數(shù)目增多,泵的能量消耗加快。

圖4　不同充電電流下的SOC與流量的關(guān)系

3　結(jié)論

對(duì)VRB系統(tǒng)模型的分析反應(yīng)了全釩液流電池組的泵損耗是電池組能量損失的主要部分,仿真結(jié)果表明:

(1)電池泵功率損失隨著流量的增加有更顯著的增長。因此,泵功率損失的大小關(guān)鍵是選擇合適的參數(shù)如管徑、堆棧中電池尺寸的大小。

(2)為了考察電解液在正負(fù)極電池內(nèi)的分布情況,結(jié)果表明大流率時(shí)半電池內(nèi)的速度梯度差別較大。

(3)模型較準(zhǔn)確的反應(yīng)了不同充電電流下的SOC與流量的關(guān)系,有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電狀態(tài)控制。

因此,合理的設(shè)計(jì)電池回路,控制VRB系統(tǒng)的泵損和電解液的流速。對(duì)改善電池的性能和效率有很大的作用。

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李偉(1987-),男,漢族,山西省汾陽市,太原理工大學(xué),碩士,第1作者,主要從事全釩液流電池開發(fā)與應(yīng)用研究,tyutliwei@126.com;

呂玉祥(1964-),男,漢族,山西省呂梁市。太原理工大學(xué),教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事電力電子設(shè)備的開發(fā)與研究,lyx823@126.com。

AnalysisofPumpLossonthePerformanceandEffectofallVanadiumRedoxFlowBattery

LIWei1,LVYuxiang1*,WANGQiyin2,ZHAORui2

(1.College of Physics and Optoelectronics,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Shanxi Datong Electric Power Supply Company,Datong Shanxi 037008,China)

Abstract:A vanadium redox flow batteries system was modelling.Through theoretical analysis and research on the all vanadium redox flow batteries system under different pipe diameter and velocity of pump loss,the pump depletion of the law is concluded.Using the Fluent software simulate half cell electrolyte distribution under different flow rate,the performances of all vanadium redox flow batteries are affected by different charging current and velocity.Results show that according to the loss of vanadium battery structure optimization control pump and the electrolyte flow rate,it is very important to improve the efficiency of vanadium battery energy storage system and the battery system stability.In the large scale energy storage technology,the pump damage and the influence of flow rate are more apparent.

Key words:vanadium redox flow batteries;pump power;flow rate;battery performance

doi:EEACC:841010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.006

中圖分類號(hào):TM911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)05-0826-04

收稿日期:2013-10-10修改日期:2013-11-30