液流儲能電池在電網(wǎng)運行中的效率分析

葛穎豐 貝斌斌 樂程毅 石賢倫

（國網(wǎng)浙江省寧波市鎮(zhèn)海區(qū)供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

在人類賴以生存與發(fā)展的過程中， 能源仍是至關(guān)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，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(huán)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(fā)現(xiàn)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(huán)保意識的缺失，生態(tài)環(huán)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(huán)境受到嚴重威脅，這些都將會對能源的使用及行業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展帶來諸多的挑戰(zhàn)，由此開發(fā)和利用新能源發(fā)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(yù)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(wǎng)的運輸情況來看， 我國電力系統(tǒng)的建設(shè)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(wǎng)的可靠性差等問題也越發(fā)關(guān)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(jié)能減排中也有著諸多的需求，本文就其在電網(wǎng)運行中的效率進行簡單的闡述。

1 關(guān)于液流電池的概述

1.1 液流電池的優(yōu)勢

液流電池的儲能技術(shù)是一項規(guī)模比較大、效益較高的電化學儲電新技術(shù)，它主要是利用反應(yīng)物的價態(tài)轉(zhuǎn)變來進行能量的儲存，一般都是先把能量轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能，然后再將之轉(zhuǎn)換為電能。 與其他的儲能技術(shù)相比起來，液流電池擁有如下優(yōu)點：

（1）系統(tǒng)在設(shè)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(wěn)定性且安全可靠。

（4）具有較強的自我保護功能，能夠持續(xù)、深度的放電，但不會損壞自身的性能，當整個輸電系統(tǒng)關(guān)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(huán)境帶來危害，且出現(xiàn)問題后，維護較簡單，不會耗費較多的人工，節(jié)省了維修費用，同時其運營的成本較低，在電網(wǎng)經(jīng)濟運行中發(fā)揮著重要的作用。

（6）具有較高的安全系數(shù)，不會發(fā)生爆炸或是引發(fā)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(guān)于液流電池工作的技術(shù)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(zhì)反應(yīng)，內(nèi)部有流動性的電解質(zhì)溶液，這種電解質(zhì)溶液還會通過泵將儲存在外部的電解質(zhì)溶液輸送到電池內(nèi)部，從而完成相應(yīng)的反應(yīng)，因而其規(guī)模相較于普通的電池可以大幅提升，其內(nèi)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(fā)生價態(tài)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(huán)，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(xiàn)電解液變質(zhì)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(chǎn)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(yīng)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(nèi)部進行相應(yīng)的化學反應(yīng)， 完成反應(yīng)后液體又會回到原來的儲液槽中，如此不斷進行循環(huán)， 其所有的反應(yīng)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(guān)系的，因此，釩電池很容易實現(xiàn)擴容，本文就其系統(tǒng)及運行效率做詳細的闡述。

2 釩液流電池的儲能系統(tǒng)概況

2.1 儲能系統(tǒng)

一般情況下，全釩電池支持的電解質(zhì)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(yīng)機制如下所示：

2.2 儲能系統(tǒng)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(jié)束狀態(tài)一致的情況下，整個系統(tǒng)的輸出和輸入之間的比例關(guān)系，是用于系統(tǒng)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(zhì)溶液在參與化學反應(yīng)時的活化性； 庫侖效率則反映的是電池兩極的反應(yīng)性能；能量效率則是指整個電池系統(tǒng)的輸入和輸出的能力，三者之間又存在一定的關(guān)系，既電壓和庫侖的效率值相乘就是能量效率的數(shù)值，在整個工作系統(tǒng)中，三者之間成相互制約的關(guān)系。

而本文主要是從廣義的效率出發(fā)研究液流儲能電池，將其用于描述系統(tǒng)輸出的結(jié)果和資源使用之間存在的關(guān)系，包含了整個系統(tǒng)在單位時間內(nèi)的工作總量和資源的使用率，如果要用函數(shù)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(nèi)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(lián)網(wǎng)儲能中，通常會采用恒定功率的模式應(yīng)用于電池，如果系統(tǒng)中用于抑制可再生能源發(fā)電的功率出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的波動，就需要電池儲能系統(tǒng)來供應(yīng)原來幾倍功率的輸入和輸出模式，才能更好地應(yīng)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(nèi)部出現(xiàn)不同的工作狀態(tài)， 當然即使是相同的模式，如果內(nèi)部的參數(shù)設(shè)置不相同， 也會引起工作狀態(tài)的不同，同時內(nèi)部電解質(zhì)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(huán)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(chǎn)生的能量效率略高，需要的循環(huán)時間相對較短。 由此可以得出，在最初設(shè)計電池的儲能系統(tǒng)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(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，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(xiàn)在液流電池有自身的管路系統(tǒng)，無論電池堆選擇哪種成組的方式，管路系統(tǒng)部分都可以采用并聯(lián)的方式，讓單個電池內(nèi)部的活化物質(zhì)形成一致性，這對于大規(guī)模的系統(tǒng)，具有較好的統(tǒng)一性，但是，管理系統(tǒng)的存在也有一定的弊端，在使用的過程中，一定會給系統(tǒng)帶來相應(yīng)的損耗，因此，其設(shè)計和后期的優(yōu)化均會影響到液流儲能電池系統(tǒng)的運行效率。

通常情況下，當電解液在經(jīng)過管路系統(tǒng)進入到內(nèi)部的總管道或是分支管道， 再由此進入到電池內(nèi)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(wǎng)中相應(yīng)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(xiàn)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(jù)有關(guān)定律的研究，在輸電系統(tǒng)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(chǎn)生一定的影響，其中包含了電勢、系統(tǒng)溫度、內(nèi)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(jù)其產(chǎn)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(tǒng)置于該充電模式，來測定當系統(tǒng)處于滿電的狀態(tài)時，其充電電流的最小值，以便發(fā)現(xiàn)其與電池系統(tǒng)的熱損耗和自身放電之間的相關(guān)性。

2.3.3 自身放電方面

由于儲能電池的活性反應(yīng)物質(zhì)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(tǒng)的備用時，為能確保電池的正負兩極的電解液保持循環(huán)狀態(tài)，就需要開啟液流系統(tǒng)的電泵，這樣才能夠很好的應(yīng)對相應(yīng)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(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)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(tài)下，流過電堆內(nèi)部的電解液通過一系列的化學反應(yīng)而導(dǎo)致有效的反應(yīng)物的濃度逐漸縮小，致使整個系統(tǒng)的實際輸出能力逐漸降低的一種現(xiàn)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(yè)實驗中經(jīng)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(guān)結(jié)論——在開路狀態(tài)時，電池的電壓和電解液的荷電狀態(tài)之間呈現(xiàn)出線性關(guān)系，并利用已經(jīng)采集到的電壓變化的曲線關(guān)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(shù)據(jù)， 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(nèi)衰減，自此之后，電壓一直維持在一種水平狀態(tài)，再次證明了其支路電流發(fā)生損耗時將對電網(wǎng)的運行產(chǎn)生一定的影響。

圖2 電池閑置時，電壓衰減趨勢

3 結(jié)語

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