釩電池調(diào)研報(bào)告

1、1.帆電池的概念及原理帆電池定義釩電池全稱為全釩氧化還原液流電池（Vanadium RedoxBattery,縮寫為VRB），是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)的氧化 還原電池。帆電池的特點(diǎn)a）能量存儲(chǔ)于電解液中，增加電解液儲(chǔ)罐的體積或者提高電解液 的濃度均可增加電池容量。即對(duì)于相同功率輸出的帆電池，可 根據(jù)需求任意調(diào)整容量。非常適合大容量?jī)?chǔ)能應(yīng)用；b）輸出功率由電池堆中參與反應(yīng)的面積決定，可通過增加或減少 單電池和不同電池組串連和并聯(lián)調(diào)整滿足不同功率需求，目前 美國(guó)商業(yè)化示范運(yùn)行的帆電池的功率已達(dá)6000kW；c）充放電不涉及固相反應(yīng)，電解液的理論使用壽命無限，可以長(zhǎng) 期使用。鉛酸蓄電池充電過程中

2、，溶液中的鉛離子轉(zhuǎn)化為固態(tài) 氧化鉛沉積在電極表面，放電過程中固態(tài)氧化鉛電極重新溶解 進(jìn)入液相，充放電過程伴隨極板物質(zhì)的液相/固相轉(zhuǎn)化。為了 保證固態(tài)氧化鉛電極晶型的穩(wěn)定性，電池充放電程度需要嚴(yán)格 控制；電極結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致電化學(xué)性能逐漸劣化，原理上決定 了有限的充放電循環(huán)和電池壽命；d）反應(yīng)速度快，可在瞬間啟動(dòng)，在運(yùn)行過程中充放電狀態(tài)切換只 需要秒，響應(yīng)速度1毫秒；e）理論充放電時(shí)間比為1： 1（實(shí)際運(yùn)行：1），支持頻繁大電流充 放電，深度充放電對(duì)電池壽命影響不大，充放電狀態(tài)下電池正、 負(fù)極活性物質(zhì)均為液相，不會(huì)出現(xiàn)鎳氫電池、鋰離子電池等蓄 電池因電極上枝狀晶體的生長(zhǎng)而將隔膜刺破導(dǎo)致電池短路的

3、危險(xiǎn)；f）電池堆可與電解液相分離，存儲(chǔ)于電解液中的能量可長(zhǎng)期保存，不會(huì)因自放電損耗；g）能量循環(huán)效率高，充放電能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)75%以上，遠(yuǎn)高于鉛 酸電池的45%。電解液在充放電過程中不消耗，重復(fù)充放電不 影響電池容量；h）能量的存儲(chǔ)量可以精確地測(cè)量出來；i）正負(fù)極使用同一種金屬離子的電解液，避免了電解液交叉污染 問題，提高了電池的效率和壽命；j）電解液的流動(dòng)性，可使電池組中各個(gè)單電池狀態(tài)基本一致，可 靠性高；k）可以通過增加電解液或更換電解液的方式增加系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。通過更換電解液，可實(shí)現(xiàn)瞬間再充電，類似于汽車加油；l）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更換和維修容易，使用費(fèi)用低廉，維護(hù)工作量小；m）可全自動(dòng)封閉運(yùn)行，

4、無噪音，無污染，維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本低；n）可以同時(shí)對(duì)系統(tǒng)充電和放電，充放電方式可以根據(jù)不同的應(yīng)用 需求進(jìn)行調(diào)整?？梢酝瑫r(shí)有一種或多種電輸入，也可以輸出多 種電壓。如可以用串聯(lián)電池組的電壓放電，而充電則可以在電 池堆的另一部分用不同的電壓進(jìn)行。o）系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)，充放循環(huán)壽命可超過10000次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固 定型鉛酸電池的1000次。目前加拿大VRB Power Systems商 業(yè)化示范運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的釩電池模塊已正常運(yùn)行超過9年，充 放循環(huán)壽命超過18000次；p）安全性高：釩電池?zé)o潛在的爆炸或著火危險(xiǎn)，即使將正、負(fù)極 電解液混合也無危險(xiǎn)，只是電解液溫度略有升高；q）除離子膜外，材料價(jià)格便宜，來

5、源豐富，不需要貴金屬作電極 催化劑，成本低。批量化生產(chǎn)后成本甚至低于鉛酸電池；r）電解液可長(zhǎng)期使用，沒有污染排放，對(duì)環(huán)境友好。釩電池的工作原理全釩液流電池是一種新型儲(chǔ)能和高效轉(zhuǎn)化裝置，將不同價(jià)態(tài) 的釩離子溶液分別作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在各自 的電解液儲(chǔ)罐中，通過外接泵把電解液泵入電池堆體內(nèi)，使其在 不同的儲(chǔ)液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)，采用離子交換膜 作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué) 反應(yīng)，通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流，使儲(chǔ)存在溶液中的化學(xué)能 轉(zhuǎn)換成電能。這個(gè)可逆的反應(yīng)過程使釩電池可順利完成充電、放 電和再充電。釩電池的工作原理請(qǐng)見下圖。液流電池原理圖釩電

6、池性能容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）以其最大功率（kW）和所存儲(chǔ)的最大 電能（kWh ）作為其容量標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于釩電池來說，這兩個(gè)指標(biāo)是 相對(duì)獨(dú)立的。基本上，電堆及PCS系統(tǒng)決定了系統(tǒng)功率，電解液 濃度及體積決定了系統(tǒng)所能存儲(chǔ)的電量。釩電池一般實(shí)際能量密 度約為20-30Wh/l, 75kW - h容量大概需要2500-4000L電解液， 等量放置在正極和負(fù)極液罐中。對(duì)于給定功率級(jí)別系統(tǒng)來說，儲(chǔ) 能的增加成本主要是添加的電解液成本，在高的kW - h/kW的比例 下，釩電池可以得到更好的應(yīng)用，一般設(shè)計(jì)儲(chǔ)能時(shí)間約為4-10小 時(shí)。功率釩電池功率由電池在給定電流密度下的所表現(xiàn)出的電壓決 定，對(duì)任何電化學(xué)

7、電池來講，放電電流的增加都會(huì)導(dǎo)致電壓下降， 當(dāng)反應(yīng)物被消耗時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電壓下降。釩電池的開路電壓一般為 （滿電）一（完全放電），電壓也會(huì)隨電解液組成發(fā)生輕微變化， 放電時(shí)平均電壓約為。電池的電流容量由電極的表面積決定，面 積越大，額定電流越高，在多數(shù)釩電池中實(shí)際可用的最大電流密 度約為100mA/cm2,當(dāng)電流過大時(shí)，歐姆降產(chǎn)生的熱量可能會(huì)對(duì)電 池組件造成損害。過充過放從電池化學(xué)角度來講，過充會(huì)對(duì)釩電池的電解液及電池組件 產(chǎn)生不利影響，因?yàn)檫^充超過一定電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生水的電解，發(fā)生 析氫和析氧現(xiàn)象，大多數(shù)電池都會(huì)設(shè)計(jì)為可將生成氣體快速排放 到大氣中，盡量降低在電池中累積的危險(xiǎn)。與其他電池相比，釩 電

8、池在受過充影響方面還是具有一定的優(yōu)勢(shì)，由于通過各電池的 電解液處于同樣的SOC狀態(tài)，單個(gè)電池的電壓與電堆的的平均電 壓相同，因此可以自動(dòng)的維持電池平衡。大多數(shù)釩電池都會(huì)包含 控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測(cè)參考電池的電位，來控制整體電池不會(huì)被過 充。釩電池具有很好的過放性能?？臻g需求釩電池更適合應(yīng)用于對(duì)空間沒有過多限制的場(chǎng)合，最近的很 多設(shè)計(jì)致力于更有效的利用空間，從而降低由此帶來的用地及基 建成本。維護(hù)釩電池的評(píng)價(jià)壽命一般超過十年，在壽命期內(nèi)可以進(jìn)行比較 少的維護(hù)，例如間隔6個(gè)月進(jìn)行一次可視的巡檢，每年進(jìn)行外部 的清洗以及對(duì)螺栓扭矩的檢查，隨著技術(shù)的不斷成熟，可以將定 期檢查的間隔加長(zhǎng)。理論上，釩電解液不

9、會(huì)發(fā)生老化及變質(zhì)，但 在早期研究中建議在一定時(shí)間后對(duì)正負(fù)極電解液量進(jìn)行重新平衡 以消除通過隔膜的水遷移帶來的影響，但近期研究認(rèn)為，通過補(bǔ) 水來代替平衡液位更為必要，因?yàn)樵陂L(zhǎng)期的充電過程中電解液會(huì) 發(fā)生失水。壽命電堆是決定釩電池壽命的關(guān)鍵部件，會(huì)隨時(shí)間發(fā)生性能衰減， 需要進(jìn)行更新或更換，電堆內(nèi)限制壽命的部件為隔膜，會(huì)發(fā)生老 化或破裂，過充則會(huì)使電極發(fā)生老化。按照每年1000次循環(huán)計(jì)算， 電堆的期望壽命約為10-15年，泵的期望壽命也應(yīng)該至少在10-15 年，通過更換電堆，泵等其他部件，釩電池的期望運(yùn)行壽命超過 20年。效率作為能量轉(zhuǎn)換裝置，在釩電池運(yùn)行過程中會(huì)有一定的能量損 失，在計(jì)算電池性能時(shí)

10、有一下幾部分損失需要考慮在內(nèi)：1）變壓器損失；2）PCS損失：該部分損失同負(fù)載以及PCS設(shè)計(jì)相關(guān)，大概在 92%-96%，用于高電壓下PCS或運(yùn)行在較低切換頻率下的 GTO型逆變器可能會(huì)獲得更高的效率；3）電池?fù)p耗：電池材料以及充放電過程中極化產(chǎn)生的歐姆 降，會(huì)導(dǎo)致電池的損耗，DC-DC效率還同充放電倍率，溫 度及使用年限相關(guān)，一般研究者認(rèn)為實(shí)際DC-DC效率約為 70%到85%之間；4）附屬設(shè)施損耗：對(duì)于釩電池來講，附屬設(shè)施一般包括循環(huán) 泵及空調(diào)（溫控）系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，附屬設(shè)施 所占的功率比例也不相同，例如如果在極端的氣候條件 下，電池需要更多的功率用于加熱或冷卻系統(tǒng)。在考慮以 上

11、幾部分損耗的情況下，釩電池的AC-AC循環(huán)效率一般會(huì) 認(rèn)為在60%-70%之間。釩電池的系統(tǒng)組件2.1.電解液釩電池的兩種電解液都是由釩離子在極低pH值的硫酸溶液中 組成的，釩電池中的酸性水平同鉛酸電池基本相當(dāng)，電池中的酸 度基于兩個(gè)目的，一是用于提高電解液中的離子導(dǎo)電率，另外是 用來提供正極反應(yīng)中所需的氫離子。電解液可通過以下幾種工藝 之一進(jìn)行制備，通常情況下，將VO溶解在硫酸中，并在溶液中將2 5其還原成VO2+和V3+ ；初始溶液一般為1-3mol釩離子溶解在1-2mol 硫酸中，也有開發(fā)者聲稱可以制得在3mol硫酸中硫酸氧釩的溶液， 由于五氧化二釩在硫酸溶液中屬于微溶，因此在制備電解液

12、過程 中需要較為復(fù)雜且昂貴的化學(xué)及電化學(xué)處理工藝。Cellenium宣稱 其可以使用一種相對(duì)簡(jiǎn)單，廉價(jià)的方式生產(chǎn)釩電池電解液。將五 氧化二釩粉體，硫酸以及水連續(xù)的注入通過一個(gè)電解槽循環(huán)的釩 電解液中。這種方法據(jù)稱可以比較廉價(jià)、方便的生產(chǎn)電解液，可 以在線制備，節(jié)省了運(yùn)輸和處理成本。隨著溫度的降低，電解液 會(huì)變得粘稠導(dǎo)致液體流速降低，從而降低了系統(tǒng)功率，尤其是在 高SOC和低SOC狀態(tài)下。在另一個(gè)極端條件下，如果電解液在溫 度超過40度較長(zhǎng)的時(shí)間下，將會(huì)存在五氧化二釩在電解液中析出 的風(fēng)險(xiǎn)。因此電解液推薦的運(yùn)行溫度區(qū)間為0到40度。典型的電 解液為釩離子在硫酸中的溶液，酸度同鉛酸電池相當(dāng)，pH值

13、約為 到之間。電解液的體積 比能量約為20Wh-30Wh/l。2.2.電極釩電池中的電極由高比表面積的碳材料組成，這些材料可在 較寬的電壓范圍內(nèi)使用，很少有析氫析氧發(fā)生，并且在酸性介質(zhì) 中化學(xué)穩(wěn)定性較高，成本比較合理。碳材料的特性依賴于其加工 方法及工藝。商業(yè)化釩電池大多采用由人造絲或聚丙烯晴高溫分 解制得的炭氈或石墨氈。經(jīng)過處理的炭氈可增加表面的反應(yīng)面積， 而熱處理可以提高炭氈的結(jié)晶度和導(dǎo)電性。電極被放置在PVC框 中，使用PVC主要基于其對(duì)酸的耐蝕性。釘可做為電極催化劑使 用，鈮可涂覆在電極上用于避免析氫。離子交換膜每片電池中都會(huì)使用離子交換膜將兩個(gè)半電池隔開，交換膜 在物理上將兩側(cè)的釩離

14、子溶液隔開，防止自放電的同時(shí)，允許特 定離子通過形成電流回路，有幾種隔膜可以在釩電池中使用，其 中最常用的為杜邦的Nafion膜，該膜在燃料電池及其他電化學(xué)系 統(tǒng)中使用；由Asahi Glass公司生產(chǎn)的Flemion、Selemion隔膜 也被其他開發(fā)商采用，戴勒米克（Daramic）的隔膜也被考慮在該 技術(shù)中使用。雙極板雙極板被用于將各單電池分隔開，同時(shí)在電路上將相鄰兩節(jié) 電池連通，極板必須具有高導(dǎo)電性以及在強(qiáng)酸性介質(zhì)中的穩(wěn)定性， 同時(shí)能夠同電極材料之間以較低的接觸電阻進(jìn)行連接。大多數(shù)制 造商使用特有的碳塑電極用作雙極板。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)也稱逆變系統(tǒng)，絕大多數(shù)釩電池系統(tǒng)采

15、用外購(gòu) 方式從專業(yè)生產(chǎn)廠商處選取PCS,例如：Satcon Technology為 PacifiCorp在Castle Valley的項(xiàng)目提供了逆變系統(tǒng)。在釩電池 系統(tǒng)中，大多數(shù)項(xiàng)目使用了低壓的基于IGBT的逆變系統(tǒng)，該系統(tǒng) 相對(duì)比較簡(jiǎn)單，性能較好，且能夠達(dá)到95%以上的效率；在大系統(tǒng) 高壓條件下，使用基于GTO的逆變系統(tǒng)則可能會(huì)達(dá)到更高效率。儲(chǔ)液罐釩電解液被存儲(chǔ)在電堆之外的獨(dú)立液罐中，儲(chǔ)罐材料必須在 低pH值的環(huán)境下具有較好的耐蝕性。液罐最好包含二次承接容器 以防止液體泄漏。液罐一般采用現(xiàn)有的工程塑料或用于儲(chǔ)存汽油 的玻纖容器來存儲(chǔ)電解液。電解液罐可由PVC或其他耐酸腐蝕材 料涂覆玻纖組成，

16、在Castle Valley項(xiàng)目中使用了標(biāo)準(zhǔn)的，現(xiàn)成 的可用于存儲(chǔ)工業(yè)介質(zhì)的玻纖罐體，如下圖所示：圖Castle Valley項(xiàng)目中所使用的電解液罐一般會(huì)使用雙層罐壁的電解液儲(chǔ)罐來將泄漏的風(fēng)險(xiǎn)降到最 低，并在罐體上安裝傳感器來檢測(cè)泄漏。也有一些安裝的釩電池系統(tǒng)，使用一組垂直的液罐來代替一 個(gè)大罐，如下圖所示，為Tomamae風(fēng)場(chǎng)所使用的儲(chǔ)罐，這種方式 的優(yōu)點(diǎn)在于可以模塊化，便于生產(chǎn)或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可 在安裝區(qū)域留出空間，通過增加液罐數(shù)量來增加系統(tǒng)容量。圖Tomamae風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目中使用的儲(chǔ)液罐電堆大多數(shù)制造商采用螺栓壓力緊固PVC邊框的方式組裝電堆， 電堆可進(jìn)行水平組裝，電流沿電堆的中心軸

17、向流動(dòng)，電解液則在 循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)下由電堆底部向上流動(dòng)，并聯(lián)流入電堆內(nèi)部，經(jīng)電 堆頂部出口流回電解液罐。下圖為住友電工（SEI）提供給VRB Power 用于Castle Valley項(xiàng)目的電堆，電堆基本為立方體，三維尺寸 約為：（長(zhǎng)）*1m （寬）* （高）。電堆內(nèi)部液路為并聯(lián)設(shè)計(jì)，每個(gè) 電堆設(shè)計(jì)為100個(gè)單電池串聯(lián)，額定電壓為140V，額定功率為 42kW，峰值功率可達(dá)150kW。釩電池的應(yīng)用領(lǐng)域VRB全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)能夠經(jīng)濟(jì)地存儲(chǔ)并按照需求 提供大規(guī)模電力，主要模式是固定方式。它是一種長(zhǎng)壽命、低成 本、少維護(hù)、高效率的技術(shù)，支持電力與儲(chǔ)能容量的無級(jí)擴(kuò)展。 VRB全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)通過

18、存儲(chǔ)電能實(shí)現(xiàn)供需的最優(yōu)匹配，對(duì) 于可再生能源供應(yīng)商、電網(wǎng)企業(yè)和終端用戶尤為有效。VRB全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)能夠應(yīng)用于電力供應(yīng)價(jià)值鏈的各 個(gè)環(huán)節(jié)，可將諸如風(fēng)能、太陽能等間歇性可再生能源電力轉(zhuǎn)化為 穩(wěn)定的電力輸出；偏遠(yuǎn)地區(qū)電力供應(yīng)的最優(yōu)化解決方式；電網(wǎng)固 定投資的遞延，以及削峰填谷的應(yīng)用。VRB全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng) 也能夠作為變電站及通信基站提供備用電源得到應(yīng)用。VRB全釩液 流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境友好，在所有的儲(chǔ)能技術(shù)中對(duì)于生態(tài)影 響程度最低，同時(shí)不以鉛或鎘等元素為主要反應(yīng)物。釩電池具有功率大、容量大、效率高、成本低、壽命長(zhǎng)、綠 色環(huán)保等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，適合于大規(guī)模電能儲(chǔ)存，在風(fēng)力發(fā)電、 光伏發(fā)

19、電、電網(wǎng)調(diào)峰、分布電站、軍用蓄電、交通市政、通訊基 站、UPS電源等廣闊領(lǐng)域有著極其良好的應(yīng)用前景。由于全釩液流電池可以保持連續(xù)穩(wěn)定、安全可靠的電力輸出， 用于風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，解決其發(fā)電不連續(xù)、 不穩(wěn)定特性；用于電力系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)用戶端負(fù)載平衡，保證智能 電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；用于電動(dòng)汽車充電站，可避免電動(dòng)車大電流充電 對(duì)電網(wǎng)造成沖擊；用于高耗能企業(yè)，谷電峰用，可降低生產(chǎn)成本。 此外，它還可應(yīng)用于電信的通訊基站、國(guó)家重要部門的備用電站 等。風(fēng)力發(fā)電風(fēng)能發(fā)電自身所固有的隨機(jī)性、間歇性特征，決定了其規(guī)模 化發(fā)展必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來顯著影響，必須要 有先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)作支撐。研究

20、表明，如果風(fēng)電裝機(jī)占裝機(jī)總量的比例在10%以內(nèi)，依 靠傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)以及增加水電、燃?xì)鈾C(jī)組等手段基本可以保證電 網(wǎng)安全；但如果所占比例達(dá)到20%甚至更高，電網(wǎng)的調(diào)峰能力和 安全運(yùn)行將面臨巨大挑戰(zhàn)。目前為了減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，每一臺(tái) 風(fēng)機(jī)需要配備其功率4%的后備蓄電池。另外還需要大約相當(dāng)于其 功率1%的蓄電池用于緊急情況時(shí)風(fēng)機(jī)保護(hù)收風(fēng)葉用。電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電輸出平穩(wěn)性的要求已成為風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。隨著 風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電與電網(wǎng)的矛盾越來越突出。如果需要平滑 風(fēng)電90%以上的電力輸出，需要為風(fēng)電場(chǎng)配置20%左右額定功率 的儲(chǔ)能電池；如果希望風(fēng)電場(chǎng)還能具有削峰填谷的功能，將需要 配備相當(dāng)于40-50%功率的動(dòng)態(tài)

21、儲(chǔ)能電池；如果風(fēng)機(jī)離網(wǎng)發(fā)電，則 需要更大比例的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池。風(fēng)機(jī)現(xiàn)在使用的鉛酸電池容量小、壽命短、穩(wěn)定性差、維護(hù) 費(fèi)時(shí)費(fèi)力、污染大，釩電池所具備的優(yōu)點(diǎn)，完全可以取代現(xiàn)有的 鉛酸電池，成為風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)的主體。中國(guó)風(fēng)電資源經(jīng)初步探明10米高空約10億kW，其中陸上風(fēng) 電資源億kW，沿海風(fēng)電資源億kW；擴(kuò)展到50米高空，是20億 25 億 kW。根據(jù)國(guó)家中長(zhǎng)期能源規(guī)劃，風(fēng)電裝機(jī)目標(biāo)為2010年400萬kW， 2020年2000萬kW。但實(shí)際上2008年底中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)1215 萬kW，當(dāng)年風(fēng)電新增容量625萬kW；中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，2009年 全國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)為800萬kW，2009年底累

22、計(jì)裝機(jī)容量就將超過 2020年的規(guī)劃目標(biāo)2000萬kW。預(yù)計(jì)2020年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)會(huì)突破 1億kW，將占到全國(guó)發(fā)電量的10%左右。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是我國(guó)的多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)屬于“大規(guī) 模集中開發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送”，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行和控制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 大容量?jī)?chǔ)能產(chǎn)品成為解決電網(wǎng)與風(fēng)電之間矛盾的關(guān)鍵因素。即使 按照風(fēng)電調(diào)控最低要求計(jì)算，5%的風(fēng)電儲(chǔ)能比例，2009年儲(chǔ)能電 池的需求就將達(dá)到100萬kW, 2020年儲(chǔ)能電池的需求將達(dá)到500 萬kW；如果需要平滑90%以上的風(fēng)電輸出，儲(chǔ)能電池的需求還要 增加3倍以上。光伏發(fā)電2008年全球太陽能安裝總量已累計(jì)達(dá)1500kW，當(dāng)年新裝容量 達(dá)到了 550

23、萬kW以上，其中80%以上位于歐洲。2009年全球新安 裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)將達(dá)到400萬kW左右，大多數(shù)都在德國(guó)。德國(guó) 將安裝150萬kW，意大利為58萬kW，還有30-40萬kW將來自西 班牙、加州和日本。2008年中國(guó)太陽能電池產(chǎn)量達(dá)到約260萬kW， 占世界產(chǎn)量的%，但當(dāng)年中國(guó)的光伏電池安裝量只有4萬kW，預(yù)計(jì) 中國(guó)2020年太陽能發(fā)電裝機(jī)容量計(jì)劃達(dá)到2000萬kW。光伏發(fā)電依賴于太陽光，目前大型光伏發(fā)電場(chǎng)主要采用的是 并網(wǎng)發(fā)電，對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰能力有比較高的要求，目前我國(guó)電力系 統(tǒng)煤電比例較高，核電和熱電機(jī)組不能參與調(diào)峰，水電、燃?xì)獍l(fā) 電具有比較好的調(diào)峰性能，但所占比例不高，如果光伏發(fā)電占的

24、 比例大了，會(huì)給電網(wǎng)調(diào)控造成非常大的困難。光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能電池的作用是貯存太陽能電池方陣受光 照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。光伏發(fā)電對(duì)儲(chǔ)能電池的基 本要求是：自放電率低；b.使用壽命長(zhǎng)；c.深放電能力強(qiáng)；d. 充電效率高；e.少維護(hù)或免維護(hù)；f.工作溫度范圍寬；g.價(jià)格低 廉。目前與光伏發(fā)電相配套的儲(chǔ)能主要是鉛酸電池，由于功率、容量、壽命都不能滿足光伏發(fā)電配套需求，釩電池將作為未來光伏發(fā)電儲(chǔ)能電池的首選。電網(wǎng)調(diào)峰電網(wǎng)調(diào)峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。由于抽水蓄能電 站需建上、下兩個(gè)水庫(kù)，受地理?xiàng)l件限制較大，在平原地區(qū)不容 易建設(shè)，而且占地面積大，維護(hù)成本高。為應(yīng)對(duì)城市尖峰負(fù)荷，電力系統(tǒng)每

25、年都要新增大量投資用于 電網(wǎng)和電源后備容量建設(shè)，但利用率卻非常低。以上海為例，2004 2006年間，為解決全市每年只有小時(shí)的尖峰負(fù)荷，僅對(duì)電網(wǎng)側(cè) 的投資每年就超過200億元，而為此形成的輸配電能力的年平均 利用率不到2%。采用釩電池取代抽水蓄能電站，大容量?jī)?chǔ)能電池應(yīng)對(duì)城市尖 峰負(fù)荷，不受地理?xiàng)l件限制，選址自由，占地少，維護(hù)成本低。 還可提高能源利用效率，為國(guó)家節(jié)約巨額投資，其節(jié)地、節(jié)能、 減排的效果是其他調(diào)峰措施無法比擬的。通訊基站通信基站和通信機(jī)房需要蓄電池作為后備電源，且時(shí)間通常 不能少于10小時(shí)。對(duì)通訊運(yùn)營(yíng)商來講，安全穩(wěn)定可靠性和使用壽 命是最重要的，在這一領(lǐng)域，釩電池有著鉛酸電池?zé)o法

26、比擬的先 天優(yōu)勢(shì)。釩電池和鉛酸電池相比，在網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯：壽命 長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，能量存儲(chǔ)穩(wěn)定、控制精確、自放電少，可便捷調(diào) 整能量的存儲(chǔ)量，總體使用成本低。釩電池在通信應(yīng)用中能量存儲(chǔ)成本低的優(yōu)勢(shì)明顯。通信網(wǎng)絡(luò) 中的基站動(dòng)力系統(tǒng)中通常使用柴油發(fā)電機(jī)，在停電時(shí)提供長(zhǎng)時(shí)間 動(dòng)力。柴油機(jī)在備用動(dòng)力系統(tǒng)投資中占了很大一部分，而且需要 持續(xù)不斷的機(jī)械維護(hù)以保證其可靠性；在實(shí)際應(yīng)用中，柴油機(jī)的 利用率很低，因此其單位時(shí)間的使用成本比較高；系統(tǒng)中經(jīng)常使 用的鉛酸電池由于自放電的原因，也需要經(jīng)常維護(hù)。釩電池完全可以替代動(dòng)力系統(tǒng)中的鉛酸電池和柴油機(jī)的動(dòng)力 組合，提供高可靠性的直流電源的能量存儲(chǔ)解決方案。釩電

27、池還 可以很好地與網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域使用的地理分布很廣、數(shù)量眾多的太 陽能電池進(jìn)行很好的匹配，替代目前太陽能供電系統(tǒng)中通常使用 的鉛酸電池，降低維護(hù)量，減少成本，提高生產(chǎn)率。UPS 電源中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展帶來的UPS用戶需求分散化，使得 更多的行業(yè)和更多的企業(yè)對(duì)UPS產(chǎn)生了持續(xù)的需求。釩電池相對(duì) 于鉛酸電池，在功率、安全穩(wěn)定性、使用壽命上都有著絕對(duì)優(yōu) 勢(shì)。釩電池作為一個(gè)單一的能源存儲(chǔ)元件可以針對(duì)不同需求同時(shí) 提供多種不同的電壓，相對(duì)于傳統(tǒng)串聯(lián)型鉛酸或鎳鎘電池，這種 優(yōu)越性是顯著的。分布式電站大型電網(wǎng)自身的缺陷，難以保障電力供應(yīng)的質(zhì)量、效率、安 全可靠性要求，對(duì)于重要單位和企業(yè)，往往需要雙電源甚至

28、多電 源作為備份和保障。分布式電站可以減少或避免由于電網(wǎng)故障或 各種以外時(shí)間造成的斷電。醫(yī)院、指揮控制中心、數(shù)據(jù)處理和通 訊中心、商業(yè)大樓、娛樂中心、政府要害部門、制藥和化學(xué)材料 工業(yè)、精密制造工業(yè)等領(lǐng)域是分布式電站發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，釩電 池可以在分布式電站的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。軍用蓄電釩電池還可以在軍事基地、指揮中心等軍事部門的軍用蓄電 發(fā)揮重要作用。國(guó)外應(yīng)用案例美國(guó)猶他州Castle Valley項(xiàng)目項(xiàng)目概況Castle Valley 項(xiàng)目由 PacifiCorp 負(fù)責(zé)，PacifiCorp 為 一 個(gè)電力運(yùn)營(yíng)商，主要服務(wù)在西部六個(gè)州。猶他州的Castle Valley 位于其服務(wù)區(qū)域內(nèi)，相

29、對(duì)較為偏遠(yuǎn)的一個(gè)區(qū)域。由于該區(qū)域使用 的25KV電纜總長(zhǎng)度為209英里，影響了其電力質(zhì)量及可靠性，經(jīng) 常會(huì)接到投訴，另外，新增的大量負(fù)載影響了現(xiàn)有用戶的電壓穩(wěn) 定性。如果在該區(qū)域內(nèi)使用傳統(tǒng)的解決方法來增加容量或改善服 務(wù)質(zhì)量，則會(huì)使成本大量增加，主要原因是地區(qū)比較偏遠(yuǎn)，因此 PacifiCorp考慮使用其他方法來實(shí)現(xiàn)PacifiCorp選擇使用釩電 池來解決該問題。規(guī)格為250kW*8h，電池系統(tǒng)于2003年交付，并 于2004年開始運(yùn)行，經(jīng)過2004年的夏季用電高峰時(shí)期運(yùn)行，成 功驗(yàn)證了其調(diào)峰功能以及調(diào)壓功能。2004年9月，對(duì)PCS系統(tǒng)進(jìn) 行了一次升級(jí)，增大其功率級(jí)別，2005年1月，對(duì)電

30、堆進(jìn)行了更 換，以獲得更高的功率及更好的效率。Castle Valley項(xiàng)目設(shè)計(jì)示意圖上圖為Castle Valley項(xiàng)目的設(shè)計(jì)示意圖，系統(tǒng)占地約為 3800平方英尺(353m2)，設(shè)施包括空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)以保證5-40C 的優(yōu)化運(yùn)行溫度范圍。該項(xiàng)目運(yùn)行期間曾對(duì)電堆及逆變器進(jìn)行了更換，電堆進(jìn)行更 換的主要原因是為了獲得更高的電堆效率并降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)，在進(jìn) 行電堆更換后，系統(tǒng)的DC-DC效率為78%，有所改善；而對(duì)逆變器 的更換主要是由于其輸出功率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，將原有的250kW 逆變器更換為350kW逆變器。系統(tǒng)效率分析該項(xiàng)目為釩電池相對(duì)早期的示范項(xiàng)目，不能認(rèn)為釩電池技術(shù) 的典型代表，但從

31、其結(jié)果可以看出環(huán)境條件以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)怎樣 影響系統(tǒng)效率，同時(shí)，可以通過什么手段對(duì)效率進(jìn)行提高。Castle Valley項(xiàng)目的釩電池是在每天確定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行充電和放電， 在秋冬季節(jié)的用電高峰期，電池的使用計(jì)劃會(huì)受到負(fù)載情況影響。Castle Valley項(xiàng)目中釩電池在第一年內(nèi)實(shí)際運(yùn)行的AC-AC 效率，效率大概在34%-55%之間，總體平均效率約為45%。其中， 11月份較低的能量效率是由于電池充電完成后沒有馬上進(jìn)行放 電，自放電導(dǎo)致容量有一定損失。VRB Power為提高系統(tǒng)效率，對(duì)效率損耗進(jìn)行了深入的分析， 分析表明，損失主要來源于三個(gè)方面：系統(tǒng)自身負(fù)載，電池充放 電損耗以及PCS損耗，

32、系統(tǒng)負(fù)載在運(yùn)行損耗中占據(jù)了很大比例， 主要包含冬天供熱，夏天制冷以及泵損耗等。主要原因是該項(xiàng)目 位于猶他沙漠，氣候相對(duì)比較極端，冬天需要供熱，夏天需要制 冷，項(xiàng)目建設(shè)并沒有考慮環(huán)境影響，頂部為開放式，因此夏天外 部環(huán)境溫度達(dá)到55度時(shí)，即使電池沒有運(yùn)行，也需要很大的制冷 量對(duì)電解液進(jìn)行了冷卻。但VRB Power相信通過合理的建筑設(shè)計(jì) 以及絕熱設(shè)計(jì)，可以降低這一部分損耗，這方面的改進(jìn)已經(jīng)在King Island項(xiàng)目以及北海道項(xiàng)目中得到了印證。電池的效率在一年內(nèi)約為63%-77%之間，在年末時(shí)VRB Power 將電解液釩離子的濃度由提高至來改善系統(tǒng)效率，VRB Power希望 通過這一措施來將

33、AC-AC效率提高3-4個(gè)百分點(diǎn)，另外，通過調(diào) 節(jié)負(fù)載以及增加電堆來降低電流密度可以將電池能量效率提高 11%左右，VRB希望通過一系列措施包括降低PCS損耗等，使系統(tǒng) 的AC-AC效率在未來可超過70%。澳大利亞King Island項(xiàng)目King Island是位于塔斯馬尼亞的一個(gè)小島，共1500人，無 大型工業(yè)設(shè)施，白天總用電需求約為，晚上約為1MW。傳統(tǒng)電能 由柴油發(fā)電機(jī)提供，但較高的運(yùn)油成本促使當(dāng)?shù)卣紤]其他代 替措施包括風(fēng)力發(fā)電等。2003年，澳大利亞政府配備了兩臺(tái)850kW的Vestas風(fēng)機(jī)以及200KW的釩電池系統(tǒng)(Pinnacle VRB)。釩電池系統(tǒng)由6臺(tái)SEI生產(chǎn)的電堆組

34、成，要求可在200kW額定功率下 穩(wěn)定運(yùn)行4小時(shí)，400kW輸出功率時(shí)可支撐超過10s。項(xiàng)目在運(yùn)行期間曾發(fā)生堆損壞現(xiàn)象，其中包括電堆的端電極 所在的雙極板泄漏，#03-001電堆的C子堆中出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致的泄漏 以及#03-009電堆的B子堆的隔膜可能被損壞。住友電工與VRB Power等相關(guān)人員就此進(jìn)行了會(huì)談和討論。端電極所在的雙極板泄漏應(yīng)該是粘接處的開裂導(dǎo)致的，開 裂的可能原因主要?jiǎng)t是不同材料之間熱膨脹系統(tǒng)相差較大以及 粘接處的應(yīng)力集中等。在#03-001號(hào)C子堆中邊框的裂紋，認(rèn)為可能的原因包 括邊框生產(chǎn)質(zhì)量以及電堆在運(yùn)輸過程中受到不當(dāng)處理而導(dǎo)致?lián)p壞 等。測(cè)試的結(jié)果表明#003-009的庫(kù)倫效率較低，為，經(jīng)過 自放電測(cè)試發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是B子堆存在問題，可能是內(nèi)部隔膜遭到了 破