鄒 濤，曾 坤，廖育武，余龍海，史小虎

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

大規(guī)模儲能是智能電網(wǎng)的重要部分，是解決風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源并網(wǎng)問題的根本途徑，其中，全釩液流電池儲能系統(tǒng)具有容量和功率可單獨(dú)設(shè)計(jì)，安全性能高，使用壽命長等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于調(diào)峰調(diào)頻、需求響應(yīng)等領(lǐng)域[1-2]。近年來，國內(nèi)外已建成投運(yùn)一批兆瓦級儲能示范工程，同時(shí)，在智能微電網(wǎng)中，對全釩液流電池儲能系統(tǒng)展開了應(yīng)用研究[3-4]。

流量對電池內(nèi)阻、電堆性能有著直接的影響。流量不能滿足電堆反應(yīng)所需時(shí)，電堆內(nèi)部電解液各價(jià)態(tài)離子之間分布不均勻，活性物質(zhì)擴(kuò)散速率低于電極反應(yīng)速率，造成電堆內(nèi)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(nèi)阻，降低系統(tǒng)泵損耗，從而提高系統(tǒng)能效。溫度的變化對全釩液流電池儲能系統(tǒng)中電解液的影響較大，不僅會影響電解液的穩(wěn)定性，也會影響電解液的活性，最終影響儲能系統(tǒng)的效率[6-7]。系統(tǒng)溫度升高時(shí)，電堆內(nèi)部材料的腐蝕等副反應(yīng)也會加劇，對電池密封及防腐要求也更嚴(yán)格。因此，找到合適的系統(tǒng)運(yùn)行溫度顯得尤為重要。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

全釩液流電池儲能系統(tǒng)如圖1 所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，泵將電解液從儲液罐輸送到電堆，反應(yīng)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(tǒng)使用西門子PLC。泵采用有效揚(yáng)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(tǒng)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)電堆

實(shí)驗(yàn)電堆采用88 個(gè)單電池串聯(lián)的方法連接，采用3 mm自制液流框、上海科潤50 μm 質(zhì)子交換膜、山東南海碳材1 mm 雙極板、遼寧金谷碳?xì)纸M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(fù)極電解液體積各為1 000 L。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

將組裝好的電堆安裝在儲能系統(tǒng)中，按圖1 所示管路進(jìn)行連接。在正負(fù)極儲液罐各加入1 000 L 3.5 價(jià)電解液。泵液后，通過安裝在正負(fù)極進(jìn)液口的流量傳感器得到流量數(shù)據(jù)，再通過控制系統(tǒng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，使流量保持在設(shè)定值。通過安裝在正負(fù)極進(jìn)液口的溫度傳感器得到電解液溫度數(shù)據(jù)，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水冷裝置開關(guān)，使系統(tǒng)溫度保持在設(shè)定范圍。通過充放電儀對電堆電壓范圍和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(tǒng)內(nèi)部能耗計(jì)算

全釩液流電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部能量損耗如圖2 所示，其中泵和控制系統(tǒng)需要220 V 交流電啟動(dòng)，而全釩液流電池需直流電進(jìn)行充放電，所以使用儲能雙向變流器將交流電與直流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了對全釩液流電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部能量損耗進(jìn)行研究，通過對儲能系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并處理，直觀得出系統(tǒng)內(nèi)各部分能量損耗，為后續(xù)系統(tǒng)改進(jìn)、提高系統(tǒng)能量利用率提供有效參考。其計(jì)算步驟包括6 個(gè)步驟。

圖2 全釩液流電池儲能系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)從電網(wǎng)中充電電量Ein和儲能系統(tǒng)放電至電網(wǎng)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(shù)據(jù)，對泵能量損耗進(jìn)行計(jì)算：

式中：V1(t)為泵的電壓傳感器獲取數(shù)據(jù)；i1(t)為泵的電流傳感器獲取數(shù)據(jù)；t1為充電開始時(shí)間，t2為充電結(jié)束時(shí)間，t3為放電開始時(shí)間，t4為放電結(jié)束時(shí)間。

2010年7月，國務(wù)院頒布《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》。其中，“加快教育信息化進(jìn)程”被單獨(dú)列為一章，并把“教育信息化建設(shè)”列為10個(gè)重大項(xiàng)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(jìn)信息技術(shù)在教育教學(xué)中的有效應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與課程的有效整合甚至是深度融合，才能促進(jìn)我國教育的改革和發(fā)展。2020年，我國教育信息化將進(jìn)入融合、創(chuàng)新階段。所以對信息技術(shù)與課程整合的教學(xué)模式進(jìn)行分析比較，有利于教師針對教學(xué)內(nèi)容合理選擇學(xué)科教學(xué)整合模式，更好地促進(jìn)教育信息化發(fā)展。

步驟3：全釩液流電池儲能系統(tǒng)中控制系統(tǒng)功率固定，對控制系統(tǒng)能量損耗進(jìn)行計(jì)算：

式中：Pcontrol為控制系統(tǒng)功率。

步驟4：通過測試儀對全釩液流電池電堆充放電數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括電壓、電流，對電池充電能量進(jìn)行計(jì)算：

式中：V2(t)為充電電壓數(shù)據(jù)；i2(t)為充電電流數(shù)據(jù)。

放電能量計(jì)算公式為：

式中：V3(t)為放電電壓數(shù)據(jù)；i3(t)為放電電流數(shù)據(jù)。

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(zhuǎn)換成直流電造成的能量損耗進(jìn)行計(jì)算：

儲能雙向變流器在放電階段將直流電轉(zhuǎn)換成交流電造成的能量損耗計(jì)算公式為：

步驟6：經(jīng)過上述計(jì)算，可以得到全釩液流電池儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shí)充電截止，經(jīng)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(shí)放電截止。電堆充放電電壓曲線有明顯的規(guī)律，隨著溫度升高，充電起始電壓持續(xù)減小，充電時(shí)間也逐漸增加，同時(shí)，放電起始電壓逐漸增加，放電時(shí)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(yīng)出電解液荷電狀態(tài)(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(nèi)，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(shí)，充電能量從28.08 kWh 提升至37.08 kWh，提升了32%，這是因?yàn)闇囟忍岣?，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(dá)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(dǎo)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(dá)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(tǒng)的影響

系統(tǒng)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(yīng)的泵功率隨之改變。圖5為交流泵功率與泵頻率關(guān)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(yīng)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(guān)。

圖5 交流泵功率與泵頻率關(guān)系

圖6 為溫度對系統(tǒng)效率的影響，系統(tǒng)充放電能量隨溫度的提高而上升，在23 ℃時(shí)，系統(tǒng)充放電能量分別為31.61 和18.40 kWh，達(dá)到37 ℃時(shí)，系統(tǒng)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(tǒng)充放電能量的大幅提高與電堆的充放電量有關(guān)，也與充放電時(shí)間增加，系統(tǒng)內(nèi)部其他電器損耗能量增加有關(guān)。系統(tǒng)效率隨溫度逐漸提高，但是在34 ℃后，系統(tǒng)效率逐漸平緩。溫度增加后，電堆充電能量增加，充放電時(shí)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(tǒng)效率逐漸平緩。

圖6 溫度對系統(tǒng)效率的影響

電堆內(nèi)阻和漏電流等會對系統(tǒng)能量產(chǎn)生損耗，PCS 在進(jìn)行交/直流轉(zhuǎn)換時(shí)也會產(chǎn)生大量損耗，同時(shí)，交流泵也會產(chǎn)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(chǎn)生的能量損耗占比進(jìn)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(tǒng)消耗最小，占0.45%，這是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)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?yàn)殡妷悍秶欢ǖ那闆r下，PCS 轉(zhuǎn)換效率基本相同，因此PCS 損耗占比變化較?。浑姸严恼急确謩e為19.96%和19.64%，在溫度較高時(shí)，電堆損耗占比減小，這是因?yàn)闇囟壬吆髮?dǎo)致電堆內(nèi)阻降低，因此內(nèi)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?yàn)闇囟壬?，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(yīng)的關(guān)系相符；上述各單元損耗變化綜合造成了系統(tǒng)效率從58.12%提高至60.06%。表1 為不同溫度下系統(tǒng)各部分消耗能量占比，可以看出各部分消耗的規(guī)律。

圖7 不同溫度下系統(tǒng)各部分能量損耗分布與系統(tǒng)效率圖

表1 不同溫度下系統(tǒng)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(tǒng)中流量遵循法拉第定律[9]，流量根據(jù)式(8)進(jìn)行計(jì)算：

將流量系數(shù)(FF)分別調(diào)整為8、9、10、11，對應(yīng)的流量值分別為100、110、120、135 L/min。在改變溫度時(shí)，電堆系統(tǒng)效率不斷提高，因此選擇系統(tǒng)溫度36 ℃進(jìn)行流量調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。在不同F(xiàn)F值下進(jìn)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(shí)間也逐漸增加，F(xiàn)F值達(dá)到10 后，電堆充電性能變化較小，充電電壓達(dá)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(shí)間也增加，在FF值達(dá)到10 后，放電曲線逐漸開始重合。這說明，在FF值達(dá)到10后，系統(tǒng)在180 mA/cm2的電流密度下已經(jīng)達(dá)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(guān)系如圖9 所示，在FF值為8時(shí)，充放電能量分別為36.19 和28.38 kWh，F(xiàn)F值增加至10時(shí)，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(dá)到10 后，充放電能量增加幅度減小。同時(shí)，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(huán)境有關(guān)，在不同流量下測試時(shí)，溫度都設(shè)置在36 ℃左右。

圖9 電堆充放電性能與FF值關(guān)系

4.2 流量對系統(tǒng)的影響

對系統(tǒng)充放電能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)充放電能量與電堆效率規(guī)律基本一致，這與電堆充放電時(shí)間有關(guān)（系統(tǒng)充放電規(guī)律與電堆基本一致）。圖10 為系統(tǒng)充放電能量與FF值的關(guān)系，隨著FF值的增加，系統(tǒng)效率持續(xù)下降，這是因?yàn)镕F值增加時(shí)，系統(tǒng)流速較大時(shí)，電堆內(nèi)部速度分布不均勻，高速區(qū)域電解液以較快的速度通過，不能完全滲入石墨氈中進(jìn)行反應(yīng)，直接從出口流出，造成了能量的損失，因此泵消耗增加，系統(tǒng)效率降低。

圖10 系統(tǒng)充放電能量與FF值的關(guān)系

圖11 為不同F(xiàn)F值下系統(tǒng)能量消耗分布與系統(tǒng)效率圖，F(xiàn)F值為8 和11 時(shí)，系統(tǒng)中控制系統(tǒng)消耗能量最少，約占0.45%，數(shù)值變化較小，這與控制系統(tǒng)功率較小有關(guān)，控制系統(tǒng)功率約為100 W；PCS 消耗分別為13.92%和13.86%，變化較小，因?yàn)镻CS 轉(zhuǎn)換效率只與交直流轉(zhuǎn)換電壓有關(guān)，實(shí)驗(yàn)未對電壓范圍做調(diào)整，所以變化較?。浑姸严姆謩e為19.35%和18.89%，電堆消耗比例下降，這是因?yàn)镕F值增加后，流速提高，電堆內(nèi)部濃差極化減小，因此內(nèi)阻帶來的能量消耗減??；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?yàn)榱髁吭酱?，泵頻率也越高，對應(yīng)的泵功率也越大，在FF值為11 時(shí)，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(tǒng)效率從60.12%下降至57.40%。表2 為不同F(xiàn)F值下系統(tǒng)各部分消耗能量占比，泵消耗迅速增加，導(dǎo)致系統(tǒng)效率逐漸下降。

圖11 不同F(xiàn)F值下系統(tǒng)能量消耗分布與系統(tǒng)效率圖

表2 不同F(xiàn)F 值下系統(tǒng)各部分消耗能量占比

5 結(jié)論

提出了全釩液流電池儲能系統(tǒng)中能量損耗分布計(jì)算方法。在不同溫度下進(jìn)行了系統(tǒng)能量損耗分布計(jì)算，溫度升高后，泵消耗逐漸減小，系統(tǒng)效率逐漸增加，在36.7 ℃時(shí)，系統(tǒng)效率達(dá)到最高60.06%，同時(shí)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F(xiàn)F值下進(jìn)行了系統(tǒng)能量損耗分布計(jì)算，F(xiàn)F值提高后，泵消耗比例迅速增加，系統(tǒng)效率也逐漸降低，但是系統(tǒng)充電能量逐漸提高，在FF值為10時(shí)，系統(tǒng)充電能量達(dá)到44.9 kWh，同時(shí)，泵消耗能量8.96%，電堆消耗18.94%，PCS 消耗13.88%，系統(tǒng)效率為57.77%。