摘 要

当今世界，对电能存储系统和可再生能源的需求快速扩大，液流电池储能技术具有使用寿命长、运行安全可靠、功率和容量相互独立、能量效率高、易于规模化集成放大、不会对环境造成太大损害等明显优点，所以液流电池储能技术是目前需要大规模的储能时经常被采用的热门技术。根据目前的情况来看，液流电池在全世界都得到了广泛的应用。全钒氧化还原液流电池被开发出来已经有40多年的历史，它解决了其它液流电池的固有缺点：交叉污染，因此全钒液流电池现在的应用越来越广泛。

影响全钒液流电池性能好坏的因素有很多，其中有两个比较重要，它们分别是电池工作时的参数以及模型的建立。为了能够更好地研究流量的大小对电池的影响，通过对比较简单的等效电路模型进行研究，提出了全钒液流电池的结合流体力学的模型。用该模型来分析电池运行时，参数如果改变，电池性能的变化规律。经过探究可以得到，根据荷电状态SOC 在电池运行时会发生改变，并且这种改变是有规律可循的，所以可以对电池的流量进行分段控制，根据流量与荷电状态的关系进行优化，这样能够可以提高全钒液流电池的工作效率。

关键词：全钒液流电池；等效模型的建立；运行参数计算；优化策略分析

Abstract

In today's world, the demand for electrical energy storage systems and renewable energy rapidly expand, flow battery energy storage technology has a long service life, safe and reliable operation and independent power and capacity, high energy efficiency, easy to large-scale integrated amplifier, won't cause too much damage to the environment and other obvious advantages, so flow battery energy storage technology is the need to large-scale energy storage is often used when hot technology. According to the current situation, the liquid flow battery has been used in many applications all over the world, and its functions are also multifarious. All-vanadium REDOX fluid-flow batteries have been developed for more than 40 years to address the inherent disadvantage of other fluid-flow batteries: cross-contamination, so all-vanadium fluid-flow batteries are now being used more and more widely.

There are many factors that affect the performance of all-vanadium fluid-flow batteries, among which two are more important. In order to better study the influence of flow rate on the battery, a combined hydrodynamics model of all-vanadium liquid-flow battery was proposed by studying the simple equivalent circuit model. This model is used to analyze the variation rule of battery performance when the parameters are changed. After investigation, it can be found that the SOC will change when the battery is running according to the SOC under the charged state, and the change is regular. Therefore, the flow rate can be controlled in sections and optimized according to the relationship between the flow rate and the charged state. In this way, the working efficiency of all-vanadium liquid-flow battery can be improved.

Keywords: All-vanadium liquid flow battery; The establishment of equivalent model; Operation parameter calculation; Optimization strategy analysis

目录

第一章 绪论 1

1.1课题的研究背景 1

1.2全钒液流电池的发展及现状 2

1.3 本文主要研究内容与方向 3

第二章 全钒液流电池的工作原理与特性 4

2.1 全钒液流电池的工作原理 4

2.2电池电动势 5

2.3电堆大小 5

2.4全钒液流电池的副作用 6

2.4.1泵的功率损耗和支路电流 6

2.4.2交叉效应 6

2.4.3功率和能量密度 7

2.5本章小结 7

第三章 全钒液流电池的等效模型与仿真 8

3.1 模型的分类 8

3.2等效电路模型 8

3.2.1电堆电压的计算 8

3.2.2固定电阻和电容 9

3.2.3 反应损耗和内阻损耗的计算 9

3.3流体力学模型 10

3.3.1电堆压力损失 10

3.3.2管道压力损失 11

3.5本章小结 14

第四章 钒电池的优化策略 15

4.1电池的充放电过程 15

4.2电池性能受电池运行参数的影响 15

4.2.1电池性能受充放电电流的影响 15

4.2.2电池性能受流量的影响 16

4.3流量的优化控制 17

4.3.1充电期间的最优流量 17

4.3.2放电期间的最优流量 18

4.3.3电池流量的优化策略 18

4.4本章小结 20

第五章 总结 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1课题的研究背景

人类要发展，必然要消耗能源，能源是人类赖以生存发展的、不可或缺的物质基础。我国的经济多年来一直保持着快速持续发展,能源的消耗量也随之不断增长,这也导致了石油进口量和煤炭开采量逐年大幅增涨,能源问题需要得到有效的解决。在本世纪初期，有数据显示，全世界范围内的能源消费中，煤、石油、天然气这三种传统能源占低级的能源消耗约八成；而可再生能源（风能、潮汐能和太阳能等）所占的比例却不到3%^[1]。因此，为了更好的开发新能源，减少对环境的污染，我国开始重视可再生能源的开发与利用，其中，风能、太阳能、潮汐能应该重点关注。2004年，国家发改委考虑到这些问题,计划投资两千多亿人民币,用来建设小型的水电站，大型的风力发电场，太阳能光伏发电场等发电场所。因为我国的资源分布很不均匀，在沿海地区，水资源比较丰富，而在西部地区水资源计较缺乏，但是富有风能和太阳能。经过十几年的发展壮大，我国目前对清洁能源的合理应用已经达到了一个较高的水平，但是我国的能源消费结构还是处于一个比较初级的状态。在大多数场合，我们使用的主要还是化石能源。例如，虽然核电、风电和太阳能发电技术已经相对成熟，但是火力发电占比仍然很高。可是，化石能源属于不可再生能源，储量是有限的，而且，化石能源并不清洁，它的使用往往带来环境的污染，不符合绿色发展的要求。前几年雾霾猖獗是与化石能源的不合理、无节制使用脱不了干系，所以目前，加大对清洁能源的重视和合理利用是解决环境问题的重要手段。众所周知，清洁能源的利用较少与其自身的缺点是分不开的。例如，它们往往不容易开发，对技术要求很高，受到时间和空间的限制比较大。因此，为了充分利用这些新能源，需要从发电技术方面去突破，大的储能装置就开始走入人们的视线，这些相关技术也正在研究完善。

现在，储能技术主要可以分成超导储能、物理储能和化学储能这三种^[2]。顾名思义，超导储能的容器是磁铁，这些磁铁属于超导体，可以把能量储存起来，需要用到的时候，超导储能系统能输出能量。一般用在需要短时间获得能量的场合，这既是它的优势也是它的缺点。物理储能是通过一些物理设备将动能、势能储存起来，这种储能方式有很多优点，例如，它们的结构一般较为简单，这也使得它们的效率不高，能量损失较多。大多数情况下，技术越复杂，设备的维护成本越高，由于物理储能的简单使得它的故障率低，维护成本也相对下降。但是物理储能的设备往往很大，所以建造时要考虑场地的限制。化学储能就是把能量储存在化学物质中，充放电是通过氧化还原反应得失电子来完成的，化学储能的主要形式是电池储能系统。其中，铅酸电池的工作寿命比较短，所能存储的能量也较少，使用过后，废弃的电池还会对环境有损害。钠硫电池的工作条件比较苛刻，它无法在低温条件下有效运行，对工作温度的要求比较高，同时，钠硫电池的运行和维护时有较大风险。锂离子电池最近的发展比较迅速，在手机方面得到了广泛运用，这也得益于它的体积较小，方便携带，但是它也有缺点，因为原材料价格和制作工艺，导致其价格较高，而且锂电池不适合在高温的场合工作。氧化还原液流电池与其它种类的电池不同，它的电化学物质在溶液中储存，电活性物质能够根据需要添加，需要大容量电池时，就增加电池中电活性物质的数量，这样，电池的容量就比较好控制了，受到电堆大小的约束就会降低。液流电池的电解液分为正极电解液和负极电解液，它们被分开存放，所以它们一般不会出现大量自放电的情况，由于液流电池的独特优势，电池的有效运行时间很长，性价比很高，关键是这种方案的能量转化效率也很高，避免无谓的能量损失。因此，液流电池在光伏发电、UPS电源、风力发电、交通市政、电网调峰、通讯基站、军用蓄电及偏远山区供电等方面存在巨大的应用前景。^[3-4]