液流储能电池在电网运行中的效率分析

葛颖丰 贝斌斌 乐程毅 石贤伦

（国网浙江省宁波市镇海区供电公司，浙江 宁波 315000）

0 引言

在人类赖以生存与发展的过程中， 能源仍是至关重要的物质基础，就从目前的利用与消耗分析，煤、原油、天然气仍为当前三大主要消耗燃料，我国对其开采量和开采年限的探究表明，其存储量远远小于世界的平均水平。伴随当前化石燃料的消耗、环境污染情况日益加重以及人口不断增长，作为人口大国，未来还会发现新的化石能源，但能源的短缺依旧是不可逃避的事实。 同时，由于人们环保意识的缺失，生态环境逐渐恶化， 尤其是二氧化碳的排放加重了全球气候变暖，使得人类生存的环境受到严重威胁，这些都将会对能源的使用及行业的健康、持续发展带来诸多的挑战，由此开发和利用新能源发电成为一种必然趋势。

作为一种清洁能源，电能在人居生活和社会中扮演着不可或缺的角色，预估人类社会到2030 年，电能的消耗占比将上升到50%。 从以往配电网的运输情况来看， 我国电力系统的建设一直遵循着大机组的模式，采用集中供电的方式运行，但随着当前人们对电力需求的增加，其供需矛盾日益明显，人们对电能的利用、电网的可靠性差等问题也越发关注，尤其是储能电池，毋庸置疑，其在解决国家输送电及能源安全中起着重要的作用， 在节能减排中也有着诸多的需求，本文就其在电网运行中的效率进行简单的阐述。

1 关于液流电池的概述

1.1 液流电池的优势

液流电池的储能技术是一项规模比较大、效益较高的电化学储电新技术，它主要是利用反应物的价态转变来进行能量的储存，一般都是先把能量转变为化学能，然后再将之转换为电能。 与其他的储能技术相比起来，液流电池拥有如下优点：

（1）系统在设计方面具有较强的灵活性，功率输出和其容量之间是相互独立的，并不影响工作。

（2）电池的能量效率比较高，几乎可以超过百分之七十五。

（3）电池具有较高的使用周期，寿命长，在实际运行中具有较高的稳定性且安全可靠。

（4）具有较强的自我保护功能，能够持续、深度的放电，但不会损坏自身的性能，当整个输电系统关闭时，不会自己放电，且在运行时，自放电较低。

（5）在选址方面具有绝对的自由度，日常工作无污染，不会对居民的生活环境带来危害，且出现问题后，维护较简单，不会耗费较多的人工，节省了维修费用，同时其运营的成本较低，在电网经济运行中发挥着重要的作用。

（6）具有较高的安全系数，不会发生爆炸或是引发着火， 在居民生活和军用方面都有着较为广阔的前景。

1.2 关于液流电池工作的技术原理概述

生活中人们常见的电池是以固体作为电极的一种普通电池，液流电池和其是完全不同的，通常是通过活性物质反应，内部有流动性的电解质溶液，这种电解质溶液还会通过泵将储存在外部的电解质溶液输送到电池内部，从而完成相应的反应，因而其规模相较于普通的电池可以大幅提升，其内部的正负极是被离子交换膜隔开的，在充电或是放电的过程中，电极的表面会发生价态变化， 电池堆的大小决定了功率，电解液的大小决定了容量，通常情况下，如果想要增加电池的容量，可以增加电解液，也可以提高其浓度，只有电池工作时，电解液才会随之不断循环，当不使用电池时， 电解液就会被封存在两个不相同的储罐中， 不会像普通电池一样出现电解液变质的情况，如果长时间使用电池，需要注意其隔膜离子的选择性，否则会对电池放电产生一定的影响。 如图1 所示是液流电池的工作原理。

图1 液流电池的工作原理

当前，国际上存在的液流电池主要有四种，其中，钒电池是目前应用最为广泛的，其工作原理是外接的泵将溶液从储液槽中压入电池内部进行相应的化学反应， 完成反应后液体又会回到原来的储液槽中，如此不断进行循环， 其所有的反应物都会存留在溶液中， 输出的功率和电池的储存容量是没有关系的，因此，钒电池很容易实现扩容，本文就其系统及运行效率做详细的阐述。

2 钒液流电池的储能系统概况

2.1 储能系统

一般情况下，全钒电池支持的电解质主要是硫酸氢，单电池的电压一般在1.4 伏到1.5 伏之间，反应机制如下所示：

2.2 储能系统的效率分析

电池效率具有狭义和广义之分，通常意义上的狭义电池效率是指开始和结束状态一致的情况下，整个系统的输出和输入之间的比例关系，是用于系统性能评价的一大指标。 一般情况下，液流电池具有三种效率，有电压、库仑和能量效率，电压效率主要用于反映电解质溶液在参与化学反应时的活化性； 库仑效率则反映的是电池两极的反应性能；能量效率则是指整个电池系统的输入和输出的能力，三者之间又存在一定的关系，既电压和库仑的效率值相乘就是能量效率的数值，在整个工作系统中，三者之间成相互制约的关系。

而本文主要是从广义的效率出发研究液流储能电池，将其用于描述系统输出的结果和资源使用之间存在的关系，包含了整个系统在单位时间内的工作总量和资源的使用率，如果要用函数表示全钒电池的效率，则为：

效率=f（电势，支路的电流，单位时间内充电或放电的电流大小，电池充电或放电的时间）

2.3 运行效率的影响因素分析

2.3.1 电池充放电方面

一般情况下，储能电池的充电、放电模式较多，涵盖了恒定电流、恒定电压、方波、脉冲等，在联网储能中，通常会采用恒定功率的模式应用于电池，如果系统中用于抑制可再生能源发电的功率出现一定范围内的波动，就需要电池储能系统来供应原来几倍功率的输入和输出模式，才能更好地应对风电等因素带来的波动。 如果充放电的模式不相同，就会造成电池内部出现不同的工作状态， 当然即使是相同的模式，如果内部的参数设置不相同， 也会引起工作状态的不同，同时内部电解质溶液的扩散和溶液的浓度差异、不同模式下耗用的时间都会对系统效率造成影响，本文就对不同充放电模式下储能电池的系统进行了分析。

当充电和放电的时间一致的情况下，恒定电流充放的能量是最多的，从一个完整的充电、放电循环上看，锯齿波电流的能量效率相较于其他两种模式的效率要略高，但是循环的时间几乎是恒定电流模式下的两倍，同时，恒定功率和恒定电流两种模式相比较，恒定功率模式下产生的能量效率略高，需要的循环时间相对较短。 由此可以得出，在最初设计电池的储能系统时，要全面的考虑时间的尺度，只有选择合适的充放电模式，设置好相应的参数，才能确保工作效率的提升。

2.3.2 支路电流方面

和普通的化学电池比较，液流电池具有较为显著的特性， 主要体现在液流电池有自身的管路系统，无论电池堆选择哪种成组的方式，管路系统部分都可以采用并联的方式，让单个电池内部的活化物质形成一致性，这对于大规模的系统，具有较好的统一性，但是，管理系统的存在也有一定的弊端，在使用的过程中，一定会给系统带来相应的损耗，因此，其设计和后期的优化均会影响到液流储能电池系统的运行效率。

通常情况下，当电解液在经过管路系统进入到内部的总管道或是分支管道， 再由此进入到电池内部时，就会让电池带有离子通道，又因为电池在使用的过程中，和电网中相应的电气是互相连接的，因而又会使得电池带有电子通道，当电子和离子通道之间形成闭合的回路时，即便会出现意外，造成外电线路断开，但整个线路中还会有电流，这种电流是不用承载负荷的，通常就会将其当作支路电流，根据有关定律的研究，在输电系统中但凡是能对液相电阻或是电堆的电压造成一定影响的，一定也会对支路电流产生一定的影响，其中包含了电势、系统温度、内部电阻以及液路管道的长度等因素。

由于支路电流是可以通过实验进行观测的，因此，本文就根据其产生的原理，采用阶段法恒定电压充电的方式进行实验，通过将液流电池系统置于该充电模式，来测定当系统处于满电的状态时，其充电电流的最小值，以便发现其与电池系统的热损耗和自身放电之间的相关性。

2.3.3 自身放电方面

由于储能电池的活性反应物质分别存储在电堆体外部，所以其具有寿命长的特性，但是如果电池被用于整个电力系统的备用时，为能确保电池的正负两极的电解液保持循环状态，就需要开启液流系统的电泵，这样才能够很好的应对相应的投切。 在上述情况中，也难免会增加支路电流的损耗概率，还会致使自身放电受损，使得系统内部产生一定的损耗。

通常液流电池的自身放电是指其在开路的状态下，流过电堆内部的电解液通过一系列的化学反应而导致有效的反应物的浓度逐渐缩小，致使整个系统的实际输出能力逐渐降低的一种现象。 当前，测试电池自身放电情况，最为准确的方法是电化学专业实验中经常用到的一种，即电位滴定，但本文的实验条件较为有限，就此利用已有实验得出的相关结论——在开路状态时，电池的电压和电解液的荷电状态之间呈现出线性关系，并利用已经采集到的电压变化的曲线关系，得到储能电池中的自身放电性能，如图2 所示，其为截取的10 小时的实验数据， 从图中可以明显地看出，电池在热备用闲置时，其电压在13 小时内衰减，自此之后，电压一直维持在一种水平状态，再次证明了其支路电流发生损耗时将对电网的运行产生一定的影响。

图2 电池闲置时，电压衰减趋势

3 结语

综上，当电网中规模化的使用储能电池时，过电势将会对整个系统的能量效率产生较大的影响，同时支路电流等因素均会对其稳定性造成一定的影响，为能确保在应用中，电网运行的可靠性，提高系统的运行效率，有关储能用户，应该合理地制定保护的策略及后期的优化模式和方案，进一步研究如何权衡效率和泵损之间的关系，只有这样才能提高储能系统的整体工作效率，确保运行的稳定性和安全性。