全釩氧化還原液流電池VRB

正在進入實用性階段的能源存儲技術

一些能源產生系統(tǒng)，如風力發(fā)電、太陽能等，由于受到氣候變化、風力大小等自然條件的影響，電能輸出具有不穩(wěn)定性和間斷性地特點，進而造成機械功率大幅變化，會使發(fā)電機輸出的有功和無功產生波動，而且使電網的電能質量下降，同時造成電能浪費。目前，國際上一項風電存儲新技術――全釩氧化還原液流電池（VanadiumRedoxBattery，VRB）進入實用性階段，通過對能源高效轉換存儲，保證穩(wěn)定的電功率輸出，改善電網安全性和可靠性。

VRB技術原理和發(fā)展

全釩氧化還原液流電池（VRB）的原理最早在1984年，由新南威爾士大學的MariaSkyllas-Kazacos等研究人員提出，之后經技術轉讓和發(fā)展，在澳大利亞、日本和加拿大得到深入研究。目前，加拿大的VRBpowerSystems公司和日本住友電工研發(fā)的全釩液流電池技術進入實用化階段。下面就根據加拿大的VRBpowerSystems公司最新的VRBEnergyStorageSystem（VRB-ESS）儲能系統(tǒng)介紹全釩液流電池的技術原理和特點。

VRB-ESS儲能系統(tǒng)是VRBpowerSystems公司在新南威爾士大學研究人員提出的全釩液流電池技術基礎上發(fā)展出來的儲能系統(tǒng)，將化學能和電能相互轉換。化學能存儲于不同階態(tài)的釩離子中，電解質溶液為釩離子硫酸電解液，電解液通過泵從兩個獨立的塑料存儲罐中流入兩個半電池組單元，采用一個質子交換膜（pEM）作為電池組的隔膜，電解質溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流。這個反應過程可以逆反進行，對電池進行充電、放電和再充電。

圖1：VRB-ESS系統(tǒng)原理結構

圖片來源：VRBpowerSystems公司資料

從上圖可以看出，VRB-ESS系統(tǒng)包括兩個具有不同氧化狀態(tài)釩離子的電解液存儲罐，分別是正極V(Ⅳ)/V(Ⅴ)和負極V(Ⅱ)/V(Ⅲ)氧化還原電極對。電解液由泵在存儲罐和電堆之間循環(huán)輸送。電堆包括多個電池組，每個電池組具有兩個半電池部分，由質子交換膜隔開。在半電池組中，電化學反應是在碳板電極上進行的，產生電流對電池進行充放電。

VRB-ESS系統(tǒng)技術優(yōu)勢

VRB-ESS儲能系統(tǒng)在設計建造、運行維護、系統(tǒng)性能等方面具有很多技術優(yōu)勢：

1、設計和建造

（a）采用快速設計和建造，包括環(huán)境許可，通常為6－8個月。

（b）現(xiàn)有系統(tǒng)快速升級，只需通過增加電解液容量來實現(xiàn)提高存儲容量，實現(xiàn)成本低；并可通過增加電堆數(shù)量來提高輸出功率。

2、運行與維護

（a）運行溫度低，環(huán)境溫度變化影響小。

（b）數(shù)據采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA接口支持互聯(lián)網連接或撥號連接。Modbus總線接口可支持與其他輔助系統(tǒng)的互聯(lián)。

（c）電力控制采用先進的多象限電流控制技術，允許輸出電力相位控制、電壓漂移補償、低諧波失真、反應電流補償（pFC）、瞬時高負載容量，增加系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。并具有多層、加密控制pLC。

（d）低成本維護。VRB-ESS系統(tǒng)維護成本為$0.008/kWh。

3、系統(tǒng)性能

（a）電池壽命長。電池正負極反應均在液相中完成，充放電過程僅僅改變溶液中釩離子狀態(tài)，沒有外界離子參與電化學反應，重復充放電不會造成電池容量下降，VRB-ESS系統(tǒng)充放電可超過10000次（20%－80%SOC）。

（b）系統(tǒng)效率高。由于正負半電池電解液中的活性物質分別儲存在不同的儲槽中，完全避免電解液保存過程的自放電消耗。系統(tǒng)循環(huán)效率可達65－75%。

（c）理論充放電速度比為1:1（實際為1.8:1），允許非高峰時間充電，高峰時間放電，將不穩(wěn)定的電能輸入變?yōu)檫B續(xù)、安全可靠的電能輸出，改善電網安全性和可靠性，是風力發(fā)電領域理想的儲能系統(tǒng)。

VRB-ESS系統(tǒng)應用案例

VRBpowerSystems公司將VRB-ESS儲能系統(tǒng)應用于澳大利亞KingIsland風力發(fā)電系統(tǒng)，提供穩(wěn)定、可靠的電力輸送。

KingIsland位于澳大利亞南海峽，具有豐富的風力資源，原本采用的是4個1500kW柴油機發(fā)電機組，后來增加了3個250kW和2個850kW的風力發(fā)電機組。但風電機組由于輸出電力不持續(xù)穩(wěn)定，因此采用VRB-ESS儲能系統(tǒng)解決這一問題。

VRB-ESS儲能系統(tǒng)用于穩(wěn)定風力發(fā)電中短時電力輸送變化和負載變化，提供頻率和電壓控制，實施系統(tǒng)“負荷轉移”，優(yōu)化柴油機和風力發(fā)電混合系統(tǒng)的運行性能。VRB-ESS系統(tǒng)的應用減少了柴油機發(fā)電機組的運行負荷，因此減少了燃料的成本和柴油機組排出的廢氣污染。同時也提供了KingIsland地區(qū)工業(yè)和民用需要的穩(wěn)定電力供應。

VRB-ESS儲能系統(tǒng)基本參數(shù)：

儲能容量：1100kWh

持續(xù)輸電功率：200kW（4小時）

峰時最大輸出功率：400kW（10秒）、300kW（5分鐘）

表1：經濟和環(huán)境效益

效益項目效益量效益年收益

減少熱備用8小時/日節(jié)約燃料440L/日$91,500

提高運行效率25L/小時低燃料消耗節(jié)約燃料440L/日$83,200

捕捉溢出風力1100kWh/日節(jié)約燃料260L/日$51,200

減少維護成本每日減少機組12運行小時延長維護周期$23,000

總計$248,900（3.5年收回成本）

減少排放4,000,000kg/yrCO2

99,000kg/yrNOx

75,000kg/yr未燃碳氫化合物

圖表來源：VRBpowerSystems公司資料

可以看出VRB-ESS儲能系統(tǒng)的應用，不僅可以穩(wěn)定風電機組供電性能、改善電網可靠性，而且具有很好的經濟效益和環(huán)保效益。

我國VRB技術發(fā)展現(xiàn)狀與不足

目前中國工程物理研究院、中國科學院大連化學物理研究所、清華大學等不少研究機構已經對全釩液流電池開展了一系列相關研究，并取得一定成果。

1995年，中國工程物理研究院電子工程研究所首先在國內展開VRB電池的研究，研制成功500W、1kW的樣機，擁有電解質溶液制備、導電塑料成型等專利。

2006年3月中國科學院大連化學物理研究所研發(fā)成功10kW試驗電堆，并通過國家科技部驗收，標志著我國的全釩液流電池系統(tǒng)取得階段性進步。

清華大學利用在膜分離功能材料制備、膜過程與設備設計等方面近二十年的研究經驗和技術積累，以及電解質溶液熱力學、功能膜材料物理化學、化工過程傳質學的豐富理論研究成果，在電堆流道設計、電堆密封結構、鎖緊方式方面取得研究成果，已經申報3項專利。并研發(fā)成功全釩液流電池測試平臺。

我國的全釩液流電池研究相對于國外，在液流電池關鍵材料，包括離子交換膜、電極材料、高濃度電解液以及工程放大技術等方面，尚處于起步階段，需要積極努力，爭取在近年取得突破性進展。

全釩液流電池在大型電力公司供電、邊遠地區(qū)及中型電力用戶、普通居民用戶用電儲能等方面都具有良好的應用前景，其高效、節(jié)能的技術特點，對于我國新能源的開發(fā)具有長遠的影響。

參考文獻

1．TheVRBEnergyStorageSystem-AnIntroducTIontoWind&IntegrationofVRB-ESS

http://www.vrbpower.com

2．REMOTEAREApOWERSYSTEMS:KINGISLAND

http://www.vrbpower.com

3．大規(guī)模蓄電儲能全釩液流電池研究進展

朱順泉，孫娓榮等，《化工進展》2007年26卷2期，207-211