中國儲能網(wǎng)訊：摘要：通過matlab/simulink仿真軟件建立20kW等級釩電池系統(tǒng)壓損模型，發(fā)現(xiàn)釩電池系統(tǒng)壓損主要取決于電堆的碳?xì)挚紫堵省⒐艿乐睆?、電解液流量；通過對自制的20kW等級釩電池系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，驗證了系統(tǒng)仿真模型的可靠性；通過考察電解液流量對電堆性能影響，流量從30L/min增加到50L/min，釩電池能量效率從79.6%增長到82.4%，電解液輸出能量從2300Wh提升到4080Wh，容量提高了77.4%，釩電池系統(tǒng)效率與泵功耗存在最佳效率點，當(dāng)電解液流量為50L/min時，釩電池系統(tǒng)效率達(dá)到78.7%。
風(fēng)電、太陽能等新能源發(fā)電的快速發(fā)展并網(wǎng)，風(fēng)電、光電的隨機(jī)性、波動性特點勢必導(dǎo)致電網(wǎng)的短時能量不平衡。開展儲能技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)頻變的愈加重要，釩液流電池作為一種新型電化學(xué)儲能電池，具有功率、容量相互獨(dú)立、設(shè)計靈活、相應(yīng)速度快、安全性好、長壽命等優(yōu)點，受到人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的電池技術(shù)不同，釩電池的功率等級和電能容量相互獨(dú)立，電能容量與電解液濃度、體積相關(guān)，電池節(jié)數(shù)、電流密度則決定了釩電池的功率等級。電解液通過泵打入電堆，在電堆內(nèi)部進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，通過釩離子價態(tài)變化實現(xiàn)電能的存儲、釋放。釩電池的系統(tǒng)效率可由式（1）得出：
研究表明：電解液循環(huán)泵作為釩電池的系統(tǒng)核心部件之一，泵的能量消耗占到整個釩電池系統(tǒng)能量的5%~14%，優(yōu)化降低泵功耗是非常有意義的。
本文通過Matlab/Simulink仿真軟件，建立一套20 kW等級釩電池系統(tǒng)壓損模型，為電堆系統(tǒng)、管道設(shè)計提供依據(jù)。并對自制的20 kW等級釩電池系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，驗證系統(tǒng)仿真模型的可靠性，同時通過考察電解液流量對釩電池性能影響，進(jìn)一步優(yōu)化提升電池系統(tǒng)效率、電解液容量。
1、系統(tǒng)壓損計算
1.1管道壓力損失
管道壓力損失由電解液在外部管道內(nèi)流動產(chǎn)生，可表示為：
式中，ΔPpipe為沿程損失，ΔPform為管道局部損失。
式中，ρ為電解液密度；ν為外部管道內(nèi)電解液平均流速；λ為流動摩擦系數(shù)；L為外部管道長度；D為管道直徑；f為局部損失系數(shù)，不同管道部件局部損失系數(shù)見表1。
式中，μ為電解液動力黏度系數(shù)。
式中，Dp表示水力直徑；A為電解液的橫截面積；s為電解液與管道接觸的周長。摩擦系數(shù)λ的計算，首先通過雷諾系數(shù)Re值判斷電解液在管道中是層流還是湍流，再根據(jù)式（7）計算得出。
1.2電堆壓力損失
釩電池由N個平行的單體電池串聯(lián)構(gòu)成，每個單體電池由雙極板、離子交換膜、碳?xì)侄嗫纂姌O、液流框等部件組成。電堆中壓力損失主要為碳?xì)蛛姌O的壓力損失。其中，碳?xì)蛛姌O內(nèi)部類似于多孔海綿結(jié)構(gòu)，其壓力損失ΔPfelt可采用達(dá)西方程計算：
式中，l為電解液在碳?xì)蛛姌O中的流經(jīng)長度，Qh-cell為單個電池碳?xì)直砻骐娊庖旱牧髁浚籄為垂直于電解液流動方向的碳?xì)謾M截面積；κ為釩液流電池電極滲透率，可由Kozeny-Carman方程求得：
式中，df為碳?xì)掷w維的直徑；K為Kozeny-Carman常數(shù)；ε為碳?xì)蛛姌O孔隙率。
1.3釩電池性能和效率
釩電池的性能參數(shù)主要包括庫倫效率、電壓效率、能量效率以及系統(tǒng)效率，其計算公式如下：
1.4模型仿真
本文通過Matlab/Simulink仿真軟件對20 kW等級釩液流電池系統(tǒng)的壓力損失進(jìn)行仿真計算，整個系統(tǒng)壓力損失主要分為Pstack電堆內(nèi)部壓損、Ppipe沿程損失、Pform局部損失三部分。其Simulink仿真模型如圖1所示，仿真所用參數(shù)見表2。
為驗證仿真模型的有效性，將仿真結(jié)果與實際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實驗充放電測試條件為：測試溫度：25~30℃，電解液為1.7 mol/L V3.5++3.5mol/L的H2SO4水溶液；充放電電流：400A，充電截止電壓：62V，放電截止電壓：44V。電解液體積：正、負(fù)極電解液各125L。
2、實驗結(jié)果分析
圖2為simulink仿真與實驗測試數(shù)據(jù)對比圖。
從圖2可以看出：實測值比理論仿真值有所增加，但理論仿真值與實測數(shù)據(jù)具有相似的規(guī)律，隨著流量的不斷增大，系統(tǒng)壓力損失ΔP也相應(yīng)的呈線性增加。從30L/min流量到60L/min流量，對應(yīng)ΔP壓力損失增大了近1倍。
圖3為系統(tǒng)壓損仿真圖。
從圖3中得出，隨著流量的逐步增大，管道壓損和電堆壓損也相應(yīng)增大，而電堆壓損在釩電池系統(tǒng)壓力損失中占比近90%，這主要是由于電解液流經(jīng)電堆碳?xì)?，引起的壓力損失。因此，降低碳?xì)謮簱p是減少系統(tǒng)壓損的關(guān)鍵。
圖4為碳?xì)挚紫堵蕦ο到y(tǒng)壓損的影響曲線圖。
從圖4仿真結(jié)果：碳?xì)值目紫堵蕦﹄姸褖毫p失有很大影響?？紫堵试酱?，對應(yīng)電堆壓力損失越小。隨著流量的不斷增大，不同孔隙率的電堆壓力損失差別愈加明顯。影響碳?xì)挚紫堵实囊蛩刂饕刑細(xì)肿陨砜紫堵室约疤細(xì)謮嚎s比兩個方面，在實際碳?xì)诌x擇、電堆設(shè)計中，盡管碳?xì)謮嚎s會降低孔隙率，導(dǎo)致壓損增加，但碳?xì)謮嚎s也會減少電堆碳?xì)峙c膜、雙極板的接觸電阻，有利于減少電池極化電壓。
圖5為管徑對泵壓損的影響曲線圖。
從圖5得出，釩電池系統(tǒng)管徑的選擇，對系統(tǒng)壓損有較大影響，管徑越小，系統(tǒng)壓損越大，這主要是管徑越小，電解液流速越快，對應(yīng)的管道內(nèi)流動摩擦損失越大。管徑在DN32~50范圍時，電堆系統(tǒng)壓損差別較小，但當(dāng)管徑減少到DN20~25時，電堆泵壓損開始急劇增大。因此，本實驗中優(yōu)選DN32管徑。
圖6為流量對釩電池性能影響的曲線圖。
從圖6得出，隨著電解液流量的不斷增大，釩電池的電壓效率、能量效率明顯提升，流量從30L/min提升到50L/min，釩電池電壓效率從80.9%提升到84.9%，能量效率從79.6%增長到82.4%，這主要是由于電解液流量增大，釩電池內(nèi)部由于釩離子濃差極化引起的極化電壓減小，電池自身極化內(nèi)阻也相應(yīng)減小，電壓效率因此得以提升。而流量從50L/min增加到60L/min，釩電池能量效率維持在82.38%，電池能量效率，電壓效率趨于平衡。說明當(dāng)電解液流量達(dá)到50L/min后，釩電池的濃差極化已經(jīng)相對趨于穩(wěn)定。
圖7顯示了不同電解液流量對電池容量的影響，相同截止電壓（充電：62V，放電：44V）條件下，電解液流量增大，電池的儲能容量不斷增加。流量從30L/min提升到50L/min，釩電池的電壓逐漸降低，電池極化電壓減少，電解液容量從46Ah提升到75.2Ah，這說明提高電解液流量，可以有效提高電解液的儲電容量。
圖8為不同電解液流量對電池效率、輸出能量的影響。
其進(jìn)一步說明了不同電解液流量對電池效率輸出能量的影響流量提高，電解液輸出能量從30L/min對應(yīng)的2300Wh提升到50L/min對應(yīng)的4080Wh，容量提高了77.4%。電解液利用率達(dá)到大幅提升。盡管流量的提高有利于釩電池能量效率、電解液儲電容量的提升，但流量提高同樣會導(dǎo)致泵功耗的增加，流量從30L/min提升到50 L/min，釩電池的系統(tǒng)效率從77.7%提高到78.7%，說明此階段電池的能量效率提升值大于泵功耗增加值；流量在50L/min時，系統(tǒng)效率開始出現(xiàn)拐點，隨著流量繼續(xù)增加，泵功耗值繼續(xù)增大，而釩電池能量效率趨于平衡，所以釩電池系統(tǒng)效率開始加速下降。
3、實驗結(jié)論
本實驗通過搭建Simulink仿真模型，并通過對20 kW釩電池進(jìn)行實驗測試，得出以下結(jié)論：
（1）釩電池系統(tǒng)壓損主要取決于電堆的碳?xì)挚紫堵省⒐艿乐睆?、電解液流量等。通過Simulink仿真，可以為前期工程管道設(shè)計，以及泵型選擇提供理論依據(jù)；
（2）工程實際運(yùn)行中，電解液流量對釩電池性能、電解液容量影響很大，電解液流量增加，有利于釩電池性能提升，流量從30L/min增加到50L/min，釩電池能量效率從79.6%增長到82.4%。電解液輸出能量從2300Wh提升到4080Wh，容量提高了77.4%。
（3）釩電池系統(tǒng)效率與泵功耗存在最佳效率點，當(dāng)電解液流量為50 L/min時，釩電池系統(tǒng)效率最佳，達(dá)到78.7%。
