全钒氧化还原液流电池VRB

　 一些能源产生系统，如风力发电、太阳能等，由于受到气候变化、风力大小等自然条件的影响，电能输出具有不稳定性和间断性地特点，进而造成机械功率大幅变化，会使发电机输出的有功和无功产生波动，而且使电网的电能质量下降，同时造成电能浪费。目前，国际上一项风电存储新技术――全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Battery，VRB）进入实用性阶段，通过对能源高效转换存储，保证稳定的电功率输出，改善电网安全性和可靠性。
VRB技术原理和发展
全钒氧化还原液流电池（VRB）的原理最早在1984年，由新南威尔士大学的Maria Skyllas-Kazacos等研究人员提出，之后经技术转让和发展，在澳大利亚、日本和加拿大得到深入研究。目前，加拿大的VRB Power Systems公司和日本住友电工研发的全钒液流电池技术进入实用化阶段。下面就根据加拿大的VRB Power Systems公司最新的VRB Energy Storage System（VRB-ESS）储能系统介绍全钒液流电池的技术原理和特点。

VRB-ESS储能系统是VRB Power Systems公司在新南威尔士大学研究人员提出的全钒液流电池技术基础上发展出来的储能系统，将化学能和电能相互转换。化学能存储于不同阶态的钒离子中，电解质溶液为钒离子硫酸电解液，电解液通过泵从两个独立的塑料存储罐中流入两个半电池组单元，采用一个质子交换膜（PEM）作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流。这个反应过程可以逆反进行，对电池进行充电、放电和再充电。

图1： VRB-ESS系统原理结构

图片来源：VRB Power Systems公司资料

从上图可以看出，VRB-ESS系统包括两个具有不同氧化状态钒离子的电解液存储罐，分别是正极V(Ⅳ)/V(Ⅴ)和负极V(Ⅱ)/V(Ⅲ)氧化还原电极对。电解液由泵在存储罐和电堆之间循环输送。电堆包括多个电池组，每个电池组具有两个半电池部分，由质子交换膜隔开。在半电池组中，电化学反应是在碳板电极上进行的，产生电流对电池进行充放电。
VRB-ESS系统技术优势
VRB-ESS储能系统在设计建造、运行维护、系统性能等方面具有很多技术优势：

1、设计和建造

（a）采用快速设计和建造，包括环境许可，通常为6－8个月。

（b）现有系统快速升级，只需通过增加电解液容量来实现提高存储容量，实现成本低；并可通过增加电堆数量来提高输出功率。

2、运行与维护

（a）运行温度低，环境温度变化影响小。

（b）数据采集监控系统SCADA接口支持互联网连接或拨号连接。Modbus总线接口可支持与其他辅助系统的互联。

（c）电力控制采用先进的多象限电流控制技术，允许输出电力相位控制、电压漂移补偿、低谐波失真、反应电流补偿（PFC）、瞬时高负载容量，增加系统的性能稳定。并具有多层、加密控制PLC。

（d）低成本维护。VRB-ESS系统维护成本为$0.008/kWh。

3、系统性能

（a）电池寿命长。电池正负极反应均在液相中完成，充放电过程仅仅改变溶液中钒离子状态，没有外界离子参与电化学反应，重复充放电不会造成电池容量下降，VRB-ESS系统充放电可超过10000次（20%－80%SOC）。

（b）系统效率高。由于正负半电池电解液中的活性物质分别储存在不同的储槽中，完全避免电解液保存过程的自放电消耗。系统循环效率可达65－75%。

（c）理论充放电速度比为1:1（实际为1.8:1），允许非高峰时间充电，高峰时间放电，将不稳定的电能输入变为连续、安全可靠的电能输出，改善电网安全性和可靠性，是风力发电领域理想的储能系统。
VRB-ESS系统应用案例
VRB Power Systems公司将VRB-ESS储能系统应用于澳大利亚King Island风力发电系统，提供稳定、可靠的电力输送。

King Island位于澳大利亚南海峡，具有丰富的风力资源，原本采用的是4个1500kW柴油机发电机组，后来增加了3个250kW和2个850kW的风力发电机组。但风电机组由于输出电力不持续稳定，因此采用VRB-ESS储能系统解决这一问题。

VRB-ESS储能系统用于稳定风力发电中短时电力输送变化和负载变化，提供频率和电压控制，实施系统“负荷转移”，优化柴油机和风力发电混合系统的运行性能。VRB-ESS系统的应用减少了柴油机发电机组的运行负荷，因此减少了燃料的成本和柴油机组排出的废气污染。同时也提供了King Island地区工业和民用需要的稳定电力供应。

VRB-ESS储能系统基本参数：

储能容量：1100kWh

持续输电功率：200kW（4小时）

峰时最大输出功率：400kW（10秒）、300kW（5分钟）

表1：经济和环境效益
效益项目 效益量 效益 年收益
减少热备用 8小时/日 节约燃料440L/日 $91,500
提高运行效率 25L/小时低燃料消耗 节约燃料440L/日 $83,200
捕捉溢出风力 1100kWh/日 节约燃料260L/日 $51,200
减少维护成本 每日减少机组12运行小时 延长维护周期 $23,000
总计                                       $248,900（3.5年收回成本）

减少排放 4,000,000 kg/yr CO2
99,000 kg/yr NOx
75,000 kg/yr未燃碳氢化合物

图表来源：VRB Power Systems公司资料

可以看出VRB-ESS储能系统的应用，不仅可以稳定风电机组供电性能、改善电网可靠性，而且具有很好的经济效益和环保效益。
我国VRB技术发展现状与不足
目前中国工程物理研究院、中国科学院大连化学物理研究所、清华大学等不少研究机构已经对全钒液流电池开展了一系列相关研究，并取得一定成果。

1995年，中国工程物理研究院电子工程研究所首先在国内展开VRB电池的研究，研制成功500W、1kW的样机，拥有电解质溶液制备、导电塑料成型等专利。

2006年3月中国科学院大连化学物理研究所研发成功10 kW试验电堆，并通过国家科技部验收，标志着我国的全钒液流电池系统取得阶段性进步。

清华大学利用在膜分离功能材料制备、膜过程与设备设计等方面近二十年的研究经验和技术积累，以及电解质溶液热力学、功能膜材料物理化学、化工过程传质学的丰富理论研究成果，在电堆流道设计、电堆密封结构、锁紧方式方面取得研究成果，已经申报3项专利。并研发成功全钒液流电池测试平台。

我国的全钒液流电池研究相对于国外，在液流电池关键材料，包括离子交换膜、电极材料、高浓度电解液以及工程放大技术等方面，尚处于起步阶段，需要积极努力，争取在近年取得突破性进展。

全钒液流电池在大型电力公司供电、边远地区及中型电力用户、普通居民用户用电储能等方面都具有良好的应用前景，其高效、节能的技术特点，对于我国新能源的开发具有长远的影响。

参考文献

1．The VRB Energy Storage System - An Introduction to Wind & Integration of VRB-ESS
http://www.vrbpower.com

2．REMOTE AREA POWER SYSTEMS: KING ISLAND
http://www.vrbpower.com