【正文】 中國的能源現(xiàn)狀 目前我國新能源發(fā)展過程中存在的諸多問題，一定程度上是技術(shù)的欠發(fā)達(dá)導(dǎo)致；伴隨的另一個(gè)原因還在于一系列機(jī)制體制欠協(xié)調(diào)：諸如產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)欠缺導(dǎo)致的企業(yè)投資一窩蜂；新能源電源發(fā)展與電網(wǎng)建設(shè)不匹配等等。 此次合作，雙方利用各自雄厚的技術(shù)力量，結(jié)合攀枝花豐富的的太陽能資源，共同打造光伏發(fā)電 —— 釩 電池蓄電示范工程，必將進(jìn)一步拓展攀鋼釩資源應(yīng)用領(lǐng)域，繼續(xù)使攀鋼保持釩鈦資源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)的領(lǐng)先地位。如果利用釩電池建成電站貯能系統(tǒng)，不僅可以節(jié)約能源，減少國家建設(shè)電站的巨額投資，同時(shí)為保護(hù)環(huán)境，提高電站效益發(fā)揮重要作用。然而，為了減少成本、增加企業(yè)的競爭性，都要通過減少維護(hù)量來削減運(yùn)行成本和人力。在通信站還經(jīng)常使用 UPS 來提供交流不間斷電源和直流不間斷電源，兩者都需要一個(gè)單獨(dú)的電池。從存儲(chǔ)的觀點(diǎn)看，這是因?yàn)椋唬写鎯?chǔ)起來的能量都在電解液中；＊可以輸出的動(dòng)力取決于電極（層）的尺寸；＊系統(tǒng)能量的密度可以從物理上和系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量 隔離開來；＊存儲(chǔ)起來的能量很穩(wěn)定。例如， VRB 電池可以用串聯(lián)電池層的電壓放電，而充電則可以在電池層的另一部分用不同的電壓進(jìn)行。 在 VRB 中，電解液在多個(gè)電池單元間流動(dòng)，電壓是各單元電壓串聯(lián)形成的。充放電時(shí)隨著兩種礬離于濃度的變化，電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換。 澳大利亞 Kinglsland 項(xiàng)目：該項(xiàng)目為 風(fēng)力發(fā)電機(jī)配以 200KW800KWh釩電池系統(tǒng)，用以平緩風(fēng)能發(fā)電機(jī)的短時(shí)間輸出 功率變化，并實(shí)施“負(fù)載轉(zhuǎn)移”以保證最優(yōu)化的風(fēng)電與柴油機(jī)的結(jié)合性能，進(jìn)而取代柴油發(fā)電機(jī)保證對(duì)島上用戶的用電供應(yīng)。 美國是最早發(fā)展分布式發(fā)電的國家之一，目前美國已有 6000 多座分布式能源站，分布式發(fā)電的市場(chǎng)已達(dá) 10 多億美元。由于太陽能和風(fēng)力發(fā)電常因自然天氣等因素，無法保證持續(xù)平穩(wěn)供電，而能夠大容量、長時(shí)間儲(chǔ)能、支持頻繁大電流充放電的釩電池可先行儲(chǔ)能，再進(jìn)行持續(xù)平衡供電。這意味著儲(chǔ)同樣的能量，需要 10 倍甚至數(shù)十倍體積或是重量于鋰電池；意味著為一個(gè)百兆瓦級(jí)的風(fēng)電場(chǎng)配套的釩電池可能需要挖空一座山來提供原料。目前加拿大 VRB Power Systems 商業(yè)化示范運(yùn)行時(shí)間最長 的釩電池模塊已正常運(yùn)行超過8 年，充放循環(huán)壽命超過 16000 次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固定型鉛酸蓄電池的 1000 次（ GB — 91）。釩電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作，操作成本低，維護(hù)周期長，維護(hù)簡 單。釩電池系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電，滿足負(fù)載需要。釩電池充放電次數(shù)超過 100,000 次，使用壽命達(dá)到 10 年以上。 UPS 電源 國內(nèi) UPS 市場(chǎng)出現(xiàn)了持續(xù)增長的態(tài)勢(shì)，主要原因是中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展帶來的 UPS 用戶需求分散化，使得更多的行業(yè)和更多的企業(yè)對(duì) UPS 產(chǎn)生了持續(xù)的需求。 光伏發(fā)電 據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，近幾年全球光伏組件的年均增長率高達(dá) 30％，光伏產(chǎn)業(yè)成為全球發(fā)展最快的 新興行業(yè)之一。 VE SS有潛力替代太陽能電池，減少成本，提高生產(chǎn)率。在通信站還經(jīng)常使用 UPS 來提供交流不間斷和直流不間斷電源，兩者都需要一個(gè)單獨(dú)的電池。 從系統(tǒng)維護(hù)的觀點(diǎn)，這是因 為： （ 1）可以通過添加電解液來增加系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)間； （ 2）系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)可以在任何時(shí)間增加，費(fèi)用只有鉛酸電池的 20％； （ 3）壽長， 5～ 10 年后只需更換部分零部件； （ 4）維護(hù)量很少。 VESS 是把 VRB 集成起來的、一個(gè)實(shí)用的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。 VRB 電池技術(shù)的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是：峰值功率取決于電池層總的表面積，而電池的電量則取決于電解液的多少。每個(gè)電池單元由兩個(gè)“半單元”組成，中間夾著隔膜和用于收集電流的電極。 VRB作為一種化學(xué)的能源存儲(chǔ)技術(shù)，和傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池相比，它在設(shè)計(jì)上有許多獨(dú)特之處，性能上也適用于多種工業(yè)場(chǎng)合，比如可以替代油機(jī)、備用電源等。在日本，用于電站調(diào)峰和風(fēng)力儲(chǔ)能的固定型（相對(duì)于電動(dòng)車用而言）釩電池發(fā)展迅速，大功率的釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已投入實(shí)用，并全力推進(jìn)其商業(yè)化進(jìn)程。 總體設(shè)計(jì) VRBESS 安裝總體設(shè)計(jì)由諸多 PVC 管路組成，這些 PVC 管路將儲(chǔ)液罐、電池電堆和泵連接起來，使電解液在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。 釩電解液和儲(chǔ)液罐 在氧化還原流體電池里，能量是通過稱為電解液的工作流體化學(xué)變化進(jìn)行儲(chǔ)存的，流體內(nèi)所包含的可溶性物質(zhì)可以通過電化學(xué)氧化或還原來儲(chǔ)存能量。例如：PLC 可以接收用電價(jià)格的真實(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)，并且根據(jù)允許的最大用電需求、充電狀態(tài) 以及用電高峰 /非高峰時(shí)的價(jià)格對(duì)比，決定怎樣快速地給電池系統(tǒng)重新充電。 5 第一章 釩電池定義及行業(yè)屬性分析 第一節(jié) 釩電池定義 釩電池全稱為全釩氧化還原液流電池 (Vanadium Redox Battery，縮寫為VRB)，是一種基于金 屬釩元素的氧化還原可再生燃料電池儲(chǔ)能系統(tǒng)釩電池電能以化學(xué)能的方式存儲(chǔ)在不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸電解液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內(nèi)，在機(jī)械動(dòng)力作用下，使其在不同的儲(chǔ)液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)，采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流，從而使得儲(chǔ)存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。這個(gè)可逆的反應(yīng)過程使釩電池順利完成充電、放電和再充電。這個(gè)決策是動(dòng)態(tài)的而且能夠根據(jù)具體情況優(yōu)化。VRBESS 里的電解液是由硫酸和乳化的釩粒子組成。如有需要，使用 HVAC 器件確 7 保電氣設(shè)備不暴露在極端的空氣溫度下，并使用熱交換器來維持電解液的運(yùn)行溫度。前期工作：我單位從 1995 年率先在國內(nèi)開始釩電池的研制。利用 VRB 技術(shù)設(shè)計(jì)制造的 VESS 系統(tǒng)（ VanadiumEnergy StorageSystem，即釩能源存儲(chǔ)系統(tǒng)），其設(shè)計(jì)和操作特性在 VRB 的基礎(chǔ)之上被優(yōu)化，而且集成了許多自動(dòng)化的智能控制和用于管理操作的電子裝置。兩個(gè)不同的“半單元”中盛放著不同離子形態(tài)的釩的電解液。在傳統(tǒng)的鉛酸和鎳福電池中，電極和電解液被放置到一塊，功率和能量強(qiáng)烈地依賴于極板面積和電解液的容量。該系統(tǒng)中采用的專家控制技術(shù)，可以使操作管理、容量管理、日常維護(hù)、糾錯(cuò)處理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視和外部通信自動(dòng)化。 和許多傳統(tǒng)的、二次電池技術(shù)相比， VRB 在成本上很有競爭性，而且以前認(rèn)為采用鉛酸電池技術(shù)會(huì)很貴或不可能實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用，現(xiàn)在用 VESS 就可以很容易實(shí)現(xiàn)。一些小站口使用一個(gè)電池供應(yīng)不間斷的直流電源，不間斷交流電源則通過逆變需得到。 在典型的通信應(yīng)用中，和鉛酸電池相比， VESS 有許多優(yōu)點(diǎn)； （ 1）自動(dòng)控制功能提供了自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)整流和系統(tǒng)控制界面； （ 2）內(nèi)部控制單元可以控制其它的系統(tǒng)部件； （ 3）能量 的存儲(chǔ)量可以很精確地直接讀出； （ 4）壽長，使用 5 年左右的時(shí)間后，只需更換部分零部件； 11 （ 5）能量的存儲(chǔ)量可以在任何時(shí)間添加，成本只有鉛酸電池的 20％，約為200 美元 /kWh。特別是 20xx 年，全球光伏發(fā)電裝機(jī)總量達(dá) 12 到 3 吉瓦。未來幾年， UPS 產(chǎn)品發(fā)展的方向是更高的可用性、安全性以及功能的集成化、智能化和人性化。 系統(tǒng)效率高。 自放電率低。 環(huán)保無污染。 (5)響應(yīng)速度快：釩電池堆里充滿電解液可在瞬間啟動(dòng)，在運(yùn)行過程中充放電狀態(tài)切換只需要 ，響應(yīng)速度 1ms（ VRB Power Systems）。 (3)釩電池造價(jià)昂貴。因此，市場(chǎng)前景非常廣闊。美國在 20xx 年頒布了IEEE_P1547/D08 “關(guān)于分布式電源與電力系統(tǒng)互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)草案”，并通過了有關(guān)的法令讓分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行和向電網(wǎng)售電，據(jù)美國分布式電力聯(lián)盟 (DPCA)的研究估計(jì)，未來 20 年中分布式能源將占未來新增發(fā)電容量的 20%，總量為幾十 GW，美國的電力研究院 (EPRI)估計(jì)， 20xx 年分布式能源的市場(chǎng)可達(dá) 年，美國能源部也制訂了相應(yīng)的發(fā)展目標(biāo)。 日本北海道札幌風(fēng)電項(xiàng)目：該項(xiàng)目為 32MW 的風(fēng)電場(chǎng)配以 4MW 釩電池系統(tǒng)，用以消除風(fēng)力發(fā)電的功率波動(dòng)性，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用效率，減少向電網(wǎng)供電的沖擊。 電池由兩個(gè)電解液池和一層層的電池單元組成。標(biāo)稱電壓是 。 VRB 電池用在通信中有以下這些 優(yōu)點(diǎn)：＊能量循環(huán)效率高；＊深度放電后壽 19 命不會(huì)受影響；＊不會(huì)由于電解液的腐蝕而使化學(xué)特性受到影響；＊電解液可以無限期使用（沒有處理的問題）；＊循環(huán)壽命是無限的（僅受隔膜的限制）；＊能量的存儲(chǔ)量可以精確地測(cè)量出來；＊在使用中對(duì)環(huán)境的影響很?。灰陨线@些特性為在各種各樣的通信應(yīng)用中發(fā)展直流能源存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從系統(tǒng)運(yùn)行的觀點(diǎn)看，這是因?yàn)椋海恳粋€(gè)單元都具有相同的帶電狀態(tài)；＊系統(tǒng)可以同時(shí)充電和放電；＊充電速度比鉛酸電池高：＊運(yùn)行時(shí)可以有一種或多種電輸入，而可以輸出多種電壓值，＊有自動(dòng)功能，可以自動(dòng)整流、自動(dòng)保護(hù)；從系統(tǒng)維護(hù)的觀點(diǎn)，這是因?yàn)椋海梢酝ㄟ^添加電解液來增加系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)間；＊系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)可以在任何時(shí)間增加，費(fèi)用只有鉛酸電池的 20％；＊壽命長， 5－ 10年后只需更換部分零部件；＊維護(hù)量很少；和許多傳統(tǒng)的二次電池技術(shù)相比， VRB 在成本上很有競爭性，而且以前認(rèn)為采用鉛酸電 池技術(shù)會(huì)很貴或不可能實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用，現(xiàn)在用 VESS 就可以很容易地實(shí)現(xiàn)。一些小站只使用一個(gè)電池供應(yīng)不間斷的直流電源，不間斷交流電源則通過逆變器得到。 VESS 則有潛力可以替代太陽能電池，減少成本，提高生產(chǎn)率。而我國豐富的釩資源更為釩電池的發(fā)展奠定了有利條件。 據(jù)悉，釩電池是目前發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保蓄電池之一，具有能量效率高、能深度放電、可靠性高、沒有正負(fù)極電解液離子間相互污染問題的特點(diǎn)，以及電池壽命長、環(huán)保、建設(shè)成本低等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于可再生能源儲(chǔ)能、電網(wǎng)調(diào)峰、備用電源、應(yīng)急電源等領(lǐng)域。 針對(duì)這些問題的解決，并結(jié)合國際減排的現(xiàn)狀，我國新能源產(chǎn)業(yè)制定了大步走的發(fā)展目標(biāo)，即爭取到 2020 年使新能源利用總量達(dá)到能源消耗的 20%。但是，將經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的可再生能源轉(zhuǎn)化并分配給用戶，迫切需要解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是高效率、長壽命、低成本的儲(chǔ)能問題。 攀鋼從事釩電池技術(shù)研究已達(dá) 10 余年之久，積累了豐富的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，取得了 10 項(xiàng)國家發(fā)明專利、 2 項(xiàng)實(shí)用新型專利，具有開發(fā)釩電池的資源優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，電解液制備技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，釩電池整機(jī)技術(shù)方面處于國內(nèi)先進(jìn)水平，并于今年成功研制組裝第 3 代樣機(jī)。同時(shí)，我國電站目前還沒有采用貯能系統(tǒng)，大量的電力資源白白地浪費(fèi)。太陽能供電系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)零件通常是鉛酸電池；這需要的維護(hù)量很大。 當(dāng)油機(jī)啟動(dòng)和預(yù)熱時(shí)，通常需要一個(gè)電池來提供短時(shí)間的動(dòng)力。相對(duì)于傳統(tǒng)的串聯(lián)型的鉛酸或鎳錫電池，這種優(yōu)越性是顯著的。給電池層充電和放電不一定需要用相同的電壓。當(dāng)從別＼部將電子輸送到電池內(nèi)部時(shí)，相反的過程就發(fā)生了，這就是給電池單元中的電解液充電，然后再由泵輸送回電解液池。由于這個(gè)電化學(xué)反應(yīng)是可逆的，所以VRB 電池既可以充電和也可以放電。 典型應(yīng)用案例： 釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已在美國、日本和澳大利亞等多個(gè)國家得到應(yīng)用驗(yàn)證，釩電池技術(shù)基本成熟，進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化階段。據(jù)國際分布式能源聯(lián)盟（ WADE）統(tǒng)計(jì)，截止 20xx 年底，世界部分國家的分布式發(fā)電占各國發(fā)電的比例為：德國 18%，日本 %，加拿大11%，英國 %，美國 %，法國 %。釩電池在支持再生能源發(fā)電、使用綠色能源上具有獨(dú)特意義。 (2)能量密度低。正、負(fù)極活性物質(zhì)分別存儲(chǔ)在 15 正、負(fù)極電解液儲(chǔ)槽中，避免了正、負(fù)極活性物質(zhì)通過離子交換膜擴(kuò)散造成的元素交叉污染及自放電消耗，可深度放電而不損傷電池，電池使用壽命長。 維護(hù)成本低。 充放電速度比為 :1。 圖表 1 全釩液流儲(chǔ)能電池工作原理圖 圖表 2 釩電池基本工作原理圖 釩電池的特性： 系統(tǒng)使用壽命長。對(duì)通訊運(yùn)營商來講，安全穩(wěn)定可靠性和使用壽命是最重要的，在這一領(lǐng)域，釩電池有著鉛酸電池?zé)o法比擬的先天優(yōu)勢(shì)。 由于風(fēng)機(jī)現(xiàn)在使用的鉛酸電池存在容量小、壽命短、穩(wěn)定性差、維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、污染大等嚴(yán)重缺陷，風(fēng)機(jī)制造廠家一直在尋找更好的可以替代鉛酸電池的產(chǎn)品，相信擁有眾多杰出優(yōu)點(diǎn)的釩電池完全可以取代現(xiàn)有的鉛酸電池，進(jìn)而構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)能源儲(chǔ)存系統(tǒng)，大幅度提高風(fēng)電場(chǎng)的效率和效益，推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)更好更快地發(fā)展。太陽能供電系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)零件通常是鉛酸電池，這需要的維護(hù)量很大。當(dāng)油機(jī)啟動(dòng)和預(yù)熱時(shí)，通常需要一個(gè)電池來提供短時(shí)間的動(dòng)力。 從系統(tǒng)運(yùn)行的觀點(diǎn)看，這是因?yàn)椋? （ 1）每一個(gè)單元都具有相同的帶電狀態(tài)； （ 2）系統(tǒng)可以同時(shí)充電和放電； （ 3）充電速度比鉛酸電池快； 10 （ 4）運(yùn)行時(shí)可以有一種或多種電輸入，而且可以輸出多種電壓值； （ 5）有自動(dòng)功能，可以自動(dòng)整流和自動(dòng)保護(hù)。這些特性為在各種各樣的通信應(yīng)用中發(fā)展直流能源存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了保障。電流密度由電池單元內(nèi)電流收集極的表面積決定，但是電流的供應(yīng)取決于電解液在電池單元間的流動(dòng)，而不是電池層本身。電解液地用于盛兩種不同的電解液。 釩電池（ VRB）是一種可以流動(dòng)的電池，目前正在逐步進(jìn)入商用化階段。早在 60 年代，就有鐵 — 鉻體系的氧化還原電池問世，但是釩系的氧化還原電池是在 1985 年由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的 Marria Kacos 提出，經(jīng)過十多年的研發(fā)，釩電池技術(shù)已經(jīng)趨近成熟。在半電池中，電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在惰性碳?xì)?、聚合物?fù)合材料與電極板上，從而產(chǎn)生電流用于電池的充放電。對(duì)無功功率以及有功與無功功率的任意需