全釩氧化還原液流電池VRB

　 一些能源產(chǎn)生系統(tǒng)，如風(fēng)力發(fā)電、太陽能等，由于受到氣候變化、風(fēng)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(diǎn)，進(jìn)而造成機(jī)械功率大幅變化，會(huì)使發(fā)電機(jī)輸出的有功和無功產(chǎn)生波動(dòng)，而且使電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，同時(shí)造成電能浪費(fèi)。目前，國際上一項(xiàng)風(fēng)電存儲(chǔ)新技術(shù)――全釩氧化還原液流電池（Vanadium Redox Battery，VRB）進(jìn)入實(shí)用性階段，通過對能源高效轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)，保證穩(wěn)定的電功率輸出，改善電網(wǎng)安全性和可靠性。
VRB技術(shù)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(xué)的Maria Skyllas-Kazacos等研究人員提出，之后經(jīng)技術(shù)轉(zhuǎn)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VRB Power Systems公司和日本住友電工研發(fā)的全釩液流電池技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段。下面就根據(jù)加拿大的VRB Power Systems公司最新的VRB Energy Storage System（VRB-ESS）儲(chǔ)能系統(tǒng)介紹全釩液流電池的技術(shù)原理和特點(diǎn)。

VRB-ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)是VRB Power Systems公司在新南威爾士大學(xué)研究人員提出的全釩液流電池技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的儲(chǔ)能系統(tǒng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換?；瘜W(xué)能存儲(chǔ)于不同階態(tài)的釩離子中，電解質(zhì)溶液為釩離子硫酸電解液，電解液通過泵從兩個(gè)獨(dú)立的塑料存儲(chǔ)罐中流入兩個(gè)半電池組單元，采用一個(gè)質(zhì)子交換膜（PEM）作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流。這個(gè)反應(yīng)過程可以逆反進(jìn)行，對電池進(jìn)行充電、放電和再充電。

圖1： VRB-ESS系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

圖片來源：VRB Power Systems公司資料

從上圖可以看出，VRB-ESS系統(tǒng)包括兩個(gè)具有不同氧化狀態(tài)釩離子的電解液存儲(chǔ)罐，分別是正極V(Ⅳ)/V(Ⅴ)和負(fù)極V(Ⅱ)/V(Ⅲ)氧化還原電極對。電解液由泵在存儲(chǔ)罐和電堆之間循環(huán)輸送。電堆包括多個(gè)電池組，每個(gè)電池組具有兩個(gè)半電池部分，由質(zhì)子交換膜隔開。在半電池組中，電化學(xué)反應(yīng)是在碳板電極上進(jìn)行的，產(chǎn)生電流對電池進(jìn)行充放電。
VRB-ESS系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢
VRB-ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)在設(shè)計(jì)建造、運(yùn)行維護(hù)、系統(tǒng)性能等方面具有很多技術(shù)優(yōu)勢：

1、設(shè)計(jì)和建造

（a）采用快速設(shè)計(jì)和建造，包括環(huán)境許可，通常為6－8個(gè)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(shí)現(xiàn)提高存儲(chǔ)容量，實(shí)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(yùn)行與維護(hù)

（a）運(yùn)行溫度低，環(huán)境溫度變化影響小。

（b）數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)SCADA接口支持互聯(lián)網(wǎng)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(jìn)的多象限電流控制技術(shù)，允許輸出電力相位控制、電壓漂移補(bǔ)償、低諧波失真、反應(yīng)電流補(bǔ)償（PFC）、瞬時(shí)高負(fù)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(hù)。VRB-ESS系統(tǒng)維護(hù)成本為$0.008/kWh。

3、系統(tǒng)性能

（a）電池壽命長。電池正負(fù)極反應(yīng)均在液相中完成，充放電過程僅僅改變?nèi)芤褐锈C離子狀態(tài)，沒有外界離子參與電化學(xué)反應(yīng)，重復(fù)充放電不會(huì)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(fù)半電池電解液中的活性物質(zhì)分別儲(chǔ)存在不同的儲(chǔ)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(dá)65－75%。

（c）理論充放電速度比為1:1（實(shí)際為1.8:1），允許非高峰時(shí)間充電，高峰時(shí)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(wǎng)安全性和可靠性，是風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域理想的儲(chǔ)能系統(tǒng)。
VRB-ESS系統(tǒng)應(yīng)用案例
VRB Power Systems公司將VRB-ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于澳大利亞King Island風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，提供穩(wěn)定、可靠的電力輸送。

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

VRB-ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)用于穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電中短時(shí)電力輸送變化和負(fù)載變化，提供頻率和電壓控制，實(shí)施系統(tǒng)“負(fù)荷轉(zhuǎn)移”，優(yōu)化柴油機(jī)和風(fēng)力發(fā)電混合系統(tǒng)的運(yùn)行性能。VRB-ESS系統(tǒng)的應(yīng)用減少了柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷，因此減少了燃料的成本和柴油機(jī)組排出的廢氣污染。同時(shí)也提供了King Island地區(qū)工業(yè)和民用需要的穩(wěn)定電力供應(yīng)。

VRB-ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)基本參數(shù)：

儲(chǔ)能容量：1100kWh

持續(xù)輸電功率：200kW（4小時(shí)）

峰時(shí)最大輸出功率：400kW（10秒）、300kW（5分鐘）

表1：經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益
效益項(xiàng)目 效益量 效益 年收益
減少熱備用 8小時(shí)/日 節(jié)約燃料440L/日 $91,500
提高運(yùn)行效率 25L/小時(shí)低燃料消耗 節(jié)約燃料440L/日 $83,200
捕捉溢出風(fēng)力 1100kWh/日 節(jié)約燃料260L/日 $51,200
減少維護(hù)成本 每日減少機(jī)組12運(yùn)行小時(shí) 延長維護(hù)周期 $23,000
總計(jì)?????????????????????????????????????? $248,900（3.5年收回成本）

減少排放 4,000,000 kg/yr CO2
99,000 kg/yr NOx
75,000 kg/yr未燃碳?xì)浠衔?

圖表來源：VRB Power Systems公司資料

可以看出VRB-ESS儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅可以穩(wěn)定風(fēng)電機(jī)組供電性能、改善電網(wǎng)可靠性，而且具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。
我國VRB技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與不足
目前中國工程物理研究院、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、清華大學(xué)等不少研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對全釩液流電池開展了一系列相關(guān)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(nèi)展開VRB電池的研究，研制成功500W、1kW的樣機(jī)，擁有電解質(zhì)溶液制備、導(dǎo)電塑料成型等專利。

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

清華大學(xué)利用在膜分離功能材料制備、膜過程與設(shè)備設(shè)計(jì)等方面近二十年的研究經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，以及電解質(zhì)溶液熱力學(xué)、功能膜材料物理化學(xué)、化工過程傳質(zhì)學(xué)的豐富理論研究成果，在電堆流道設(shè)計(jì)、電堆密封結(jié)構(gòu)、鎖緊方式方面取得研究成果，已經(jīng)申報(bào)3項(xiàng)專利。并研發(fā)成功全釩液流電池測試平臺(tái)。

我國的全釩液流電池研究相對于國外，在液流電池關(guān)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(shù)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(jìn)展。

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

參考文獻(xiàn)

1．The VRB Energy Storage System - An Introduction to Wind & Integration of VRB-ESS
http://www.vrbpower.com

2．REMOTE AREA POWER SYSTEMS: KING ISLAND
http://www.vrbpower.com