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液流电池储能模块的设计和优化

陈晖  
【摘要】:液流电池是最适合大规模储能的电化学技术之一,通常由一定数量的大型储能模块构成,每个模块包含多台电堆。因此,储能模块的设计优化和性能提升对液流电池的研究和应用具有重要意义。本论文以液流电池中应用程度最高、最接近商业化的钒电池作为研究载体,通过建立多物理场耦合的储能模块动态模型,结合实验验证,系统分析并阐明液流电池储能模块中多电堆成组特性,特别是阐明多电堆模块中电解液传输延时、模块排布方式和传热行为对其性能的影响机制,有助于优化大型钒电池储能模块的设计和运行管理,对提升模块的效率、容量和可靠性起到至关重要的作用。本论文针对大功率钒电池储能模块的设计和优化,开展了以下研究:首先,建立了基于质量守恒和能量守恒的液流电池储能模块动态模型,成功的将原有的液流电池模型从电堆层面提升至模块层面,为大型储能系统的设计和优化提供了有效的模拟分析方法。接着,通过实验和模拟分析证实了传输延时在液流电池系统中实际存在,而且影响系统的浓度分布、电压分布、电解液利用率和系统效率等关键指标。通过管路系统的设计和运行控制的优化可以减小传输延时的负面影响,主要措施包含:提升流量并采用变流量的控制方式、适当减小管路的长度和半径以及采用异侧进液的方式。然后,深入探讨了大功率储能模块的布局方式对模块性能的影响。以实际32 kW电堆和250 kW模块的测试数据为基础,辅以实验室液流电池和小型模块的实验结果,揭示了电堆在模块中的布局方式是影响模块性能的重要因素;再通过动态模型,以四串两并的250 kW储能模块作为研究对象,考察全部35种排布方式的模块效率和容量。结果表明,将内阻接近的电堆放置于同一支路,可以有效提升充电容量;在此布局基础上,提升内阻最大电堆的流量,充电容量可进一步提升。最后,通过基于能量守恒的传热模型,全面研究模块的传热行为和温度特性,重点分析模块的温度变化规律,并对影响传热行为的关键因素进行优化。结果表明:运行中,模块的温度变化分为三个阶段,分别是快速上升、缓慢上升和维持稳定;减小电流、增加储能时间、降低环境温度、增加储罐表面积和提升流量是控制模块温度的有效手段。


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