全钒液流电池电堆建模及换热效率分析

在智能电网系统中,大型存储设备对现有微网基础设施的效率和灵活性要求越来越高。大型电网储能电池不仅需要满足循环效率高、充放电次数多和投资成本少的要求,而且需要具有输入或负载变化时电池能够快速响应的性能。

和传统电池相比,全钒液流电池因为其特有的结构,具备良好的电化学可逆性、效率高、可深度充放电、功率和容量可独立设计等优点,在大规模能量存储系统中得到关注。电堆是全钒液流电池的核心,而现有的模型很少对钒电池的电堆热力学模型进行研究,为了更好地了解电堆的特性,本文通过热力学仿真软件Thermolib实现电堆模型的搭建,从而实现电堆的特性分析和换热效率优化,主要的研究内容如下:首先,对钒电池的研究背景、意义、国内外现状、经典模型及应用进行了介绍。

为了更好地了解钒电池的特性,在不增加样机成本和研究时间的前提下,搭建模型是一种有效的方法,然而目前对电堆进行热力学建模的相关研究还很欠缺。本文通过对三维几何模型、电热模型、电化学模型的详细分析,为后面的电堆模型搭建奠定了基础。

其次,用Thermolib软件实现全钒液流电池电堆模型的搭建。通过NASA多项式系数、液体热容系数和安东尼常数这些主要参数构建电堆模型;然后,对电流模块、功率模块、正负极模块、温度模块和换热器模块进行了建模,其中针对换热器模块部分,分别对顺流和逆流两种情况进行了建模。

再次,对电堆的重要特性进行了详细分析。首先对荷电状态SOC在一个充放电周期内的变化情况进行了仿真,曲线表明由于钒电池充放电特性效率高,呈现线性化的趋势。

接着分析电堆在不同电流强度的情况下电堆电压随时间的变化情况和恒流时电堆的流速优化控制。最后对电堆的另一个重要状态参量——表征物质系统能量的焓进行了阐述。

本热模型可用来研究电堆特性,从而为全钒液流电池的结构材料设计提供参考。最后,对降低电堆温度的换热器模块在一定的传热系数下进行顺流和逆流下的效率分析。

电堆在运行过程中,无论外界条件如何,反应内部的温度都会增加,而温度的变化情况直接影响着化学反应的快慢,对电池的性能有相当大的影响。电堆换热器的优化的核心思想是在热力学定律的基础上得出电堆温度作为时间函数的热模型,并建立传热有效度?与传热单元数、冷热流体温度、传热功率参数之间的函数关系,在函数的约束下,分析在给定传热系数的条件下效率如何达到最优。