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全釩液流電池技術(shù)助力儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)

字體: 放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2018-01-26  瀏覽次數(shù):2483

作為人類(lèi)生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),能源是事關(guān)國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略性資源。隨著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)能源的需求日益增加?;茉吹拇罅肯脑斐闪藝?yán)重的環(huán)境污染,重度霧霾天氣頻發(fā),嚴(yán)重影響人們的身體健康和生存環(huán)境。

最近,國(guó)家提出了推動(dòng)能源消費(fèi)革命、推動(dòng)能源供給革命、推動(dòng)能源技術(shù)革命、推動(dòng)能源體制革命的戰(zhàn)略思想。大力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整,提高化石能源利用效率,普及應(yīng)用可再生能源,是實(shí)現(xiàn)我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,也是解決我國(guó)能源安全和環(huán)境污染,落實(shí)節(jié)能減排、提高全社會(huì)綠色低碳化水平國(guó)策的戰(zhàn)略需求。

但是,風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控等特性,大規(guī)模并入電網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重沖擊,造成大量棄風(fēng)、棄光。

然而大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)可以有效解決可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)平滑功率輸出、跟蹤計(jì)劃發(fā)電,從而提高電網(wǎng)對(duì)可再生能源發(fā)電的消納能力,解決棄風(fēng)、棄光問(wèn)題。同時(shí),對(duì)電網(wǎng)調(diào)平、調(diào)峰也會(huì)發(fā)揮重要作用。

為滿(mǎn)足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要,行業(yè)內(nèi)已經(jīng)研究開(kāi)發(fā)出多種儲(chǔ)能技術(shù),摸索出了各種儲(chǔ)能技術(shù)及其適用范圍,這些儲(chǔ)能技術(shù)具有各自的特點(diǎn)和適用領(lǐng)域。一般說(shuō)來(lái),風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的功率和可逆存儲(chǔ)容量有較高的要求。抽水儲(chǔ)能技術(shù)、液流電池技術(shù)、鋰離子電池技術(shù)、超級(jí)鉛酸電池技術(shù)等在大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

八大技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與其他大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)相比,全釩液流電池技術(shù)具有眾多優(yōu)勢(shì)。

第一,全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠,可循環(huán)利用,生命周期內(nèi)環(huán)境負(fù)荷小、環(huán)境友好。全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能介質(zhì)為電解質(zhì)水溶液,安全性高。

第二,全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率和儲(chǔ)能容量相互獨(dú)立,設(shè)計(jì)和安置靈活。輸出功率的大小由電堆的大小和數(shù)量決定,而儲(chǔ)能容量的大小由電解質(zhì)溶液中釩離子的濃度和體積決定。全釩液流電池系統(tǒng)的輸出功率在數(shù)百千瓦至數(shù)百兆瓦范圍,儲(chǔ)能容量在數(shù)百千瓦時(shí)至數(shù)百兆瓦時(shí)范圍。

第三,全釩液流電池的工作原理是通過(guò)電解液中釩離子價(jià)態(tài)的變化,實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。反應(yīng)的可逆性好,無(wú)相變化,電解液在電池內(nèi)部的電極內(nèi)連續(xù)流動(dòng),充放電狀態(tài)切換響應(yīng)迅速。充放電循環(huán)次數(shù)在15000次以上,使用年數(shù)在15年到20年,生命周期的性?xún)r(jià)比高。

第四,全釩液流電池中正負(fù)極電解質(zhì)溶液均為同種元素,電解質(zhì)溶液可以通過(guò)在線(xiàn)再生反復(fù)循環(huán)使用。電堆及電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是由碳材料、塑料和金屬材料組合而成的,當(dāng)全釩液流電池系統(tǒng)廢棄時(shí),金屬材料可以持續(xù)使用,碳材料、塑料可以作為燃料來(lái)加以利用。因此,全釩液流電池系統(tǒng)全生命周期內(nèi)環(huán)境負(fù)荷較小、環(huán)境非常友好。

第五,價(jià)格便宜。近年來(lái),隨著全釩液流電池材料技術(shù)和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步,電池性能不斷提高,電堆的能量效率可保持在80%以上,工作電流密度由原來(lái)的60-80mA/c提高到150mA/c。電池的功率密度提高了1倍,而且在此條件下,成本大幅度降低。盡管研究開(kāi)發(fā)周期很短,國(guó)家的投入很低,對(duì)于1MW/5MW規(guī)模的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已由2013年的7000元/kWh下降到2016年3500元/kWh。而且,充放電循環(huán)次數(shù)在16000次以上,所以,其生命周期的成本是非常低的。

第六,全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),便于系統(tǒng)集成和規(guī)模放大。全釩液流電池電堆是由多個(gè)單電池按壓濾機(jī)方式疊合而成。全釩液流電池單個(gè)電堆的額定輸出功率一般20千瓦到40千瓦之間;全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通常是由多個(gè)單元儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊組成,單元儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊額定輸出功率一般在100千瓦到300千瓦之間。與其它類(lèi)型的電池相比,全釩液流電池電堆和電池單元儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊額定輸出功率大,便于全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成和規(guī)模放大。

第七,具有較強(qiáng)的過(guò)載能力和深放電能力。全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),電解質(zhì)溶液通過(guò)循環(huán)泵在電堆內(nèi)循環(huán),電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)擴(kuò)散的影響較小;而且,電極反應(yīng)活性高,活化極化較小。所以,全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有很好的過(guò)載能力。而且,全釩液流電池放電沒(méi)有記憶效應(yīng),具有很好的深放電能力。

第八,液流電池的能量密度偏低,全釩液流電池更適于固定式的大規(guī)模儲(chǔ)能電站。

產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用看好

液流電池的概念是由L.H.Thaller(NASA Lewis Research Center, Cleveland, United States )于1974年提出的,該類(lèi)電池通過(guò)正、負(fù)極電解質(zhì)溶液中的活性物質(zhì)在電極上發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)(即價(jià)態(tài)的可逆變化)實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。

充電時(shí),正極發(fā)生氧化反應(yīng)、活性物質(zhì)價(jià)態(tài)升高;負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)、活性物質(zhì)價(jià)態(tài)降低;放電過(guò)程與之相反。

液流電池的正極和負(fù)極電解質(zhì)溶液儲(chǔ)存于外部的儲(chǔ)罐中,通過(guò)泵和管路輸送到電池內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)。從理論上講,不同氧化還原電堆可以組成多種液流電池。

全釩液流電池則是以不同價(jià)態(tài)的釩離子作為活性物質(zhì),通過(guò)釩離子價(jià)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)變。

大規(guī)模電池儲(chǔ)能技術(shù)需要滿(mǎn)足一些基本的要求,即安全性高;生命周期的性?xún)r(jià)比高;經(jīng)濟(jì)性好;生命周期的環(huán)境負(fù)荷低,環(huán)境友好等。

相比之下,在眾多的儲(chǔ)能技術(shù)中,液流電池儲(chǔ)能技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、蓄電容量大、選址自由、可深度放電、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),成為大規(guī)模高效儲(chǔ)能的首選技術(shù)之一。而在眾多液流電池中,全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最多的液流電池儲(chǔ)能技術(shù)。

 
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