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全钒液流电池技术助力储能产业

2018-02-02 09:27:33   来源:网络   打印 发表评论

作为人类生存和发展的重要物质基础,能源是事关国计民生的战略性资源。随着我国社会、经济的快速发展,对能源的需求日益增加。化石能源的大量消耗造成了严重的环境污染,重度雾霾天气频发,严重影响人们的身体健康和生存环境。
  最近,国家提出了推动能源消费革命、推动能源供给革命、推动能源技术革命、推动能源体制革命的战略思想。大力推进能源结构战略调整,提高化石能源利用效率,普及应用可再生能源,是实现我国社会和经济可持续发展的必然选择,也是解决我国能源安全和环境污染,落实节能减排、提高全社会绿色低碳化水平国策的战略需求。
  但是,风能、太阳能等可再生能源发电具有不连续、不稳定、不可控等特性,大规模并入电网会给电网的安全、稳定运行带来严重冲击,造成大量弃风、弃光。
  然而大规模储能技术可以有效解决可再生能源发电的随机性、间歇性和波动性等问题,实现平滑功率输出、跟踪计划发电,从而提高电网对可再生能源发电的消纳能力,解决弃风、弃光问题。同时,对电网调平、调峰也会发挥重要作用。
  为满足不同应用领域的需要,行业内已经研究开发出多种储能技术,摸索出了各种储能技术及其适用范围,这些储能技术具有各自的特点和适用领域。一般说来,风能、太阳能等可再生能源发电系统对储能技术的功率和可逆存储容量有较高的要求。抽水储能技术、液流电池技术、锂离子电池技术、超级铅酸电池技术等在大规模储能技术领域具有较好的应用前景。
  八大技术优势
  与其他大规模储能技术相比,全钒液流电池技术具有众多优势。
  第一,全钒液流电池储能系统运行安全可靠,可循环利用,生命周期内环境负荷小、环境友好。全钒液流电池储能系统的储能介质为电解质水溶液,安全性高。
  第二,全钒液流电池储能系统的输出功率和储能容量相互独立,设计和安置灵活。输出功率的大小由电堆的大小和数量决定,而储能容量的大小由电解质溶液中钒离子的浓度和体积决定。全钒液流电池系统的输出功率在数百千瓦至数百兆瓦范围,储能容量在数百千瓦时至数百兆瓦时范围。
  第三,全钒液流电池的工作原理是通过电解液中钒离子价态的变化,实现电能的存储和释放。反应的可逆性好,无相变化,电解液在电池内部的电极内连续流动,充放电状态切换响应迅速。充放电循环次数在15000次以上,使用年数在15年到20年,生命周期的性价比高。
  第四,全钒液流电池中正负极电解质溶液均为同种元素,电解质溶液可以通过在线再生反复循环使用。电堆及电池储能系统主要是由碳材料、塑料和金属材料组合而成的,当全钒液流电池系统废弃时,金属材料可以持续使用,碳材料、塑料可以作为燃料来加以利用。因此,全钒液流电池系统全生命周期内环境负荷较小、环境非常友好。
  第五,价格便宜。近年来,随着全钒液流电池材料技术和电池结构设计制造技术的不断进步,电池性能不断提高,电堆的能量效率可保持在80%以上,工作电流密度由原来的60-80mA/c提高到150mA/c。电池的功率密度提高了1倍,而且在此条件下,成本大幅度降低。尽管研究开发周期很短,国家的投入很低,对于1MW/5MW规模的全钒液流电池储能系统已由2013年的7000元/kWh下降到2016年3500元/kWh。而且,充放电循环次数在16000次以上,所以,其生命周期的成本是非常低的。
  第六,全钒液流电池储能系统采用模块化设计,便于系统集成和规模放大。全钒液流电池电堆是由多个单电池按压滤机方式叠合而成。全钒液流电池单个电堆的额定输出功率一般20千瓦到40千瓦之间;全钒液流电池储能系统通常是由多个单元储能系统模块组成,单元储能系统模块额定输出功率一般在100千瓦到300千瓦之间。与其它类型的电池相比,全钒液流电池电堆和电池单元储能系统模块额定输出功率大,便于全钒液流电池储能系统的集成和规模放大。
  第七,具有较强的过载能力和深放电能力。全钒液流电池储能系统运行时,电解质溶液通过循环泵在电堆内循环,电解质溶液活性物质扩散的影响较小;而且,电极反应活性高,活化极化较小。所以,全钒液流电池储能系统具有很好的过载能力。而且,全钒液流电池放电没有记忆效应,具有很好的深放电能力。
  第八,液流电池的能量密度偏低,全钒液流电池更适于固定式的大规模储能电站。
  产业化应用看好
  液流电池的概念是由L.H.Thaller(NASA Lewis Research Center, Cleveland, United States )于1974年提出的,该类电池通过正、负极电解质溶液中的活性物质在电极上发生可逆氧化还原反应(即价态的可逆变化)实现电能和化学能的相互转化。
  充电时,正极发生氧化反应、活性物质价态升高;负极发生还原反应、活性物质价态降低;放电过程与之相反。
  液流电池的正极和负极电解质溶液储存于外部的储罐中,通过泵和管路输送到电池内部进行反应。从理论上讲,不同氧化还原电堆可以组成多种液流电池。
  全钒液流电池则是以不同价态的钒离子作为活性物质,通过钒离子价态变化实现化学能和电能相互转变。
  大规模电池储能技术需要满足一些基本的要求,即安全性高;生命周期的性价比高;经济性好;生命周期的环境负荷低,环境友好等。
  相比之下,在众多的储能技术中,液流电池储能技术具有能量转换效率高、蓄电容量大、选址自由、可深度放电、安全环保等优点,成为大规模高效储能的首选技术之一。而在众多液流电池中,全钒液流电池储能技术是产业化应用最多的液流电池储能技术。

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