通常做法:充放电过程中增加泵速提高流量,导致泵功率损失增加,降低VRFB系统的整体效率。
本文改进:确定动态最优流量模型,确保高效的热管理和提高VRFB的整体系统效率。
流速增加到300ml/s时,堆叠温度保持在安全范围内,但VRFB效率为83%。
SOC(10%-90%),流速(160-300ml/s),温度(35.8℃),VRFB整体效率达到88.55%,模型性能与实验结果吻合较好,最大误差为0.85%
可再生能源的间歇性限制了对配电网和公用事业电网的不断供电,一个大容量的能量储存系统可以解决这个问题,VRFB在可再生能源系统中具有(1)更大的容量扩展灵活性,而且
(2)无交叉污染和退化(3)生命周期长(4)深度放电能力和可再生能源都是电网长期运行的可靠性。
MATLAB/simulink的VRFB的系统模型
热特性模型
基于质量和能量守恒的动力学方程
公式5:1-4式进行修改得到的Nernst方程式,放热公式5
该模型的输入:环境温度Ta,预估的SOC
图1(c):电热模型框图:SOC在10%-90%之间,环境温度Ta:15-35℃之间,1KW,6h;Q+:正电解质流量,Q-:负电解质流量,Q:VRFB系统的流量
流量泵水力模型
VRFB系统采用两个流量泵,机械动力驱动电解液通过液压回路,搭建液压回路模型(研究相关压降,大部分压降是因为堆叠引起的,近70%的压力损失是在毡电极内部观察到的,毡电极视为多孔海绵,提供的水阻力由公式13给出)
堆叠的总压降=单个电池的总压降,电解质在堆叠内部的每个电池中平行流动公式14
公式18:雷诺系数:确定通过管道的流动性质,即层流和湍流,雷诺系数的不同,就可以计算摩擦因数f
公式22:水力功率得到后,就可估计泵的电能消耗,计算出泵功率
热管理模型
为将VRFB堆叠温度控制在安全工作范围内,充放电时,要根据堆叠内部的温度变化来控制电解液的流速,温度过高,会引起热沉淀和膜降解
通过控制泵的转速来控制热量载体的流量,从堆栈到储罐,控制方案图2
图2:采用变频驱动(VFD)控制VRFB的感应泵的转速,首先对堆叠温度(Tstack)利用温度传感器进行检测,将检测到的Tstack与参考温度(Tref)进行比较 ,所产生的温度的动态误差反馈给控制器,控制器提供适当的开关信号给VFD,VFD提供变频驱动泵的转速
控制器:控制器中嵌入了一个由流量和泵功率组成的查找表,用于优化流量,实现最大的VRFB整体系统效率,该方案实现了流量的在线控制。超声波流量计固定在罐体两侧的管道外表面。
表1:仿真参数,图4:实验结构示意图
为降低充电控制器电流和电压纹带来的噪声,设计一个合适的LC滤波电路。