基于微网负荷响应的全钒液流电池优化运行方法

倪经纬,李明佳*


(西安交通大学 能源与动力工程学院 热流科学与工程教育部重点实验室,陕西省 西安市 710049)

摘要

全钒液流电池是具有良好应用前景的大规模储能技术之一,是解决电网调峰调频、间歇性可再生能源消纳等问题的有效手段。使用MATLAB基于自放电效应建立了全钒液流电池的电化学模型,研究了电池的充/放电形式和电解液流量对电池性能的影响规律,进而建立了微网负荷的优化调度模型,并提出了一种微网中逐时响应需求侧负荷波动的最优电解液流量计算流程和优化运行方法。研究结果表明:全钒液流电池的过电势损耗与电流正相关;随着电池的电解液流量从0.024 m3/h增加至0.288 m3/h,泵功相应由0.027 W增加至0.422 W,同时电池浓差极化损失的减小导致系统能量效率的提升;恒定负荷下,选取合适的电池电解液流量可获得较高的系统效率;采用提出的全钒液流电池优化运行方法,可实现微网变负荷工况下电池电解液流量的实时优化控制,相较于恒定流量的运行方法,电池的系统效率可提升至87.03%。

关键词 : 全钒液流电池;电解液流量;系统效率;负荷响应;优化运行方法

0 引言

随着中国能源消费的增长,环境污染问题也日益突出[1],调整能源发展布局、推进能源结构转型、发展清洁低碳能源、构建安全高效的现代能源体系是中国能源发展的重要战略布局[2]。由此,中国正大力发展太阳能、风能和潮汐能等多种新型绿色能源,但这类能源具有波动性,需要采用储能技术解决间歇性新能源消纳的问题以期达到平滑并网的目的。开发稳定、可靠、高效且容易大规模应用的储能系统是亟待解决的问题之一。目前,已有应用或正在研究的储能系统,包括抽水蓄能(pumped hydro energy storage,PHS)、飞轮储能(flywheel energy storage,FES)、相变蓄热储能(phase change heat storage,PCHS)、压缩空气储能(compressed-air energy storage,CAES)、超导储能(super-magnetic energy storage,SMES)和电化学储能(electrochemical energy storage,ECES)等[3]。其中,电化学储能系统因具有较高的功率和良好的能量可扩展性而广受关注。全钒液流电池(vanadium redox flow battery,VRB)又以其独特的优越性:可深度充/放电、功率和容量相互独立、使用寿命长和安全性高等,在可再生能源存储利用、电厂调峰调频、分布式能源等应用方面极具前景[4-6]

目前,国内外针对电池构建的模型因机理不同可分为等效电路模型和电化学模型两类[7]。其中,等效电路模型利用理想电气元件模拟电化学过程,虽结构简单但不能较好且全面地反应电池充/放电的动态特性及对外等效特性。而电化学模型从电场、流场、浓度场和温度场等多场耦合机理出发,涉及全钒液流电池在工作过程中电荷、质量、动量和能量的守恒及电化学、反应动力学和流体力学等原理,精度较高。全钒液流电池的电化学模型能够直观描述实验中难以准确测量的关键参数,如过电势损耗、各价钒离子浓度和交换电流密度等关键运行参数在电极空间内的分布情况,适用于电池的材料优选及流道设计等[8]。Shah等人[9]建立了综合考虑电荷、质量、动量和能量守恒与电化学反应中动力学因素的VRB系统二维模型,并准确计算了过电势损耗、钒离子浓度以及交换电流密度在空间中的动态分布。Blanc和Rufer[10]建立了包含电化学、电气和流体力学等多物理场耦合的VRB系统模型,计算了电池的能量转化效率并提出了一种通过优化功率来提升VRB性能的方法。目前,针对全钒液流电池的负荷响应特性开展的研究工作较少。Tang[11]等人建立了浓度过电位与电解液流量的函数关系,提出了一种优化流量以提高系统效率的方法。Fu等人[12]建立了考虑电池浓度过电位和轴功的VRB模型,研究了电解液流量对电池效率的影响规律,提出了一种在变功率充/放电条件下的流量优化方法。Wang等人[13]在Fu等人[12]的基础上,进一步结合电解液流量对系统传质和温升的影响,建立了VRB系统的瞬态模型,提出了一种动态流量控制策略以提升系统性能。但上述研究在讨论泵功对系统性能的影响时,忽略了泵损对电池效率的影响,同时也未考虑电解液在管道内的流动状态。因此,本文基于自放电效应建立了全钒液流电池电化学模型和不同流动状态下包含泵损的泵功模型,研究了电池的充/放电形式和电解液流量对电池性能的影响规律,进而建立了微网负荷的优化调度模型,并提出了一种微网中逐时响应需求侧负荷波动的最优电解液流量计算流程和优化运行方法。研究结果可为全钒液流电池系统的优化运行提供理论参考。

1 全钒液流电池建模

全钒液流电池的正/负极电解液由质子交换膜分隔,并分别储存在正/负极储液罐中,通过蠕动泵驱动在系统中进行循环,电池的容量取决于电解液的体积和浓度,功率取决于单电池数量和电极板尺寸。图1为全钒液流电池的系统结构图。如图1所示,全钒液流电池的正极电解液为VO2+/VO2+电对,负极电解液为V2+/V3+电对。

图1 全钒液流电池系统结构
Fig.1 The system structure of the vanadium redox flow battery

在电池的充/放电过程中,全钒液流电池除了在电极上发生主要的氧化还原反应之外,各价钒离子还会透过质子膜,分别在正/负极电解液中发生自放电反应,引起电池的浓度损耗。同时,蠕动泵作为全钒液流电池系统中唯一的耗功部件,其功率大小将直接影响电池的系统效率。本文基于自放电反应、Nernst方程、Butler-Volmer方程和Fick扩散定律建立了全钒液流电池的电化学模型,同时建立了不同流动状态下包含泵损的电池泵功模型。

1.1 全钒液流电池的电化学模型

全钒液流电池充/放电时的电极反应如下:

正极:

负极:

总反应:

由于钒离子会透过质子交换膜,引起正/负极电解液的掺混现象,使电池发生自放电反应[14-15],如式(4) —(7)所示。

正极

自放电: