CN202144772U

CN202144772U - 产生和储存电力的发电系统

Info

Publication number: CN202144772U
Application number: CN2008900000851U
Authority: CN
Inventors: 马里亚·斯凯拉斯-卡扎科斯
Original assignee: FUEL Pty Ltd
Current assignee: NewSouth Innovations Pty Ltd
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: WO2008148148A1

Abstract

一种产生和储存电力的发电系统，其包括：钒液流电池，其耦联于具有阳极电解液溶液和阴极电解液溶液的阳极电解液储液器和阴极电解液；阳极电解液泵，其耦接于阳极电解液泵管道，以在钒电池和阳极电解液储液器之间提供阳极电解液流；阴极电解液泵，其耦接于阴极电解液管道，以在钒电池和阴极电解液储液器之间提供阴极电解液流；开路电池，其通过液体连接到阴极电解液管道和阳极电解液管道，以监控阴极电解液溶液和阳极电解液溶液之间的势差；控制系统，其与钒电池、开路电池、电解液泵和电流传感器电连通，其中，控制器调整电解液流量，决定何时停止给钒电池充电，以防止损害阳极，并决定何时进行紧急放电或部分电解液再混合，以防止钒离子从电解液析出析出。

Description

产生和储存电力的发电系统

技术领域

本发明描述了一种储能系统，该储能系统包含钒氧化还原液流电池(VFB)，以从电网储存可再生能源或非高峰期的电力，以便在高电价、低日照或低风速的时间段里，给负载提供电力。该钒氧化还原液流电池被整合到使用风轮机、光电池阵列、波浪发电机、柴油发电机或其他发电设备的系统中，用或不用逆变器将电池的直流电转换为交流电，或将来自发电机的交流电转换为给电池充电所需的直流电。

该VFB可用于风力-柴油发电机电网，以便减少在低风速时段运行柴油发电机时的柴油消耗和温室气体排放。对于与电网连接的系统，该VFB可用于电力套利，其使得电力零售商能够在现货价格低的时候从电网买入电力，而在现货价格高的时候向电网卖出电力。在该系统中，VFB系统通过链接于电力现货价格信息的智能控制系统连接到电网。当现货价格低时，控制系统使用电网电力给VFB充电。当电力现货价格高时，控制系统从VFB向电网卖出电力。

VFB还可以用于向使用风轮机和太阳能电池组的边远地区电力系统提供备用电源。通过在VFB中装入相当于2-10天储备的足够的电解液容量，该系统可以在在持续多云和/或低风速时，不需要柴油发电机便可满足供电需求。一般来说，建立VFB-风力-PV系统是为了向边远地区的电信设备提供直流电，但是也可以连接到直流-交流变换器以便向边远的未连接电网的房屋或农场的交流负载供电。

对于个人住宅、商业或工业用户，VFB系统与时钟或预设的计时器一起使用，所述时钟或预设的计时器切换为使用来自电网的非高峰电力给VFB充电。另一个VFB的与电网连接的应用是在失去来自电网或其他电源的交流电时，用于向IT、计算机或服务器房间提供紧急备用电源。在每个系统中，VFB连接到智能控制系统，该智能控制系统包括充电和放电率监视器以及电池和堆电压测量器，以决定何时切断充电以避免电池过量充电，并通过给每个堆设置最佳电解液流量以使抽运能量损耗最小。

背景技术

两种在两个半电池(half-cell)中均使用钒电解液的氧化还原液流电池已经被描述过。以下专利中描述的全-钒氧化还原液流电池(V-VFB)：澳大利亚专利575247，、AU 696452、AU 704534、US专利6143443和US专利6562514，在两个半电池中均使用了硫酸钒溶液，并且在负半电池中使用V(II)/V(III)电偶，而在正半电池中使用V(IV)/V(V)电偶。在PCT/AU02/01157、PCT/GB2003/001757和PCT/AU2004/000310中描述了溴化钒氧化还原电池(V/Br)。两种电池均在两个半电池中使用了钒电解液溶液，但是在这种情况下，电池在负半电池中使用溴化钒电解液与V(II)/V(III)电偶，而在正半电池电解液中使用Br^-/Br₃ ^-或Br^-/ClBr₂ ^-电偶。这些系统具有共同的特性，即消除了通过将电池堆中的每个半电池分开的隔膜扩散而导致的两个半电池电解液的交叉污染。由于没有交叉污染，电解液具有无限寿命，从而实现了低寿命周期成本。在发展新的用于V-VFB和V/Br的低成本薄膜的过程中的新发展，例如2006年6月提交的PCT申请PCT/AU2006/000856号“Improved Membranes and Electrolytes forRedox Cells and Batteries”，已经能够以这样的价格生产堆和电池，所述价格允许堆和电池进入市场以用于之前被认为不经济的应用中。这些应用包括由能够购买非高峰电力以给电池充电以便在高电费时使用的电力批发商、个体住宅和商业消费者进行的电力套利。

说明书中使用术语VFB来共同地描述V-VFB和V/Br单元或电池。VFB可以整合到使用光电池阵列、风轮机、波浪发电机、柴油发电机或其他发电设备的能源系统中。发电系统可以包括一个或多个风轮机发电机和钒氧化还原电池以便在低电力需求时期从风轮机储存能量，并在高电力需求时期向电网提供电力。专利申请WO2007001416号“Power GenerationSystem Incorporating a Vanadium Redox Battery and a Direct Wind TurbineGenerator”描述了将V-VFB集成到直流风轮机。然而，多数大型风电场使用交流风轮机，并且来自风电场的电力在产生时就输送给电网。如果这发生在低需求时期，那么必需关闭风力发电机，这将导致巨大的能量浪费。专利申请WO2006086015号“Method for Retrofitting Wind TurbineFarms”引入用于从风轮机发电机吸收多余能量的V-VFB以确保不超过预定的额定极限。该方法包括用集体能源输出超过了额定极限的具有增加的集体能量输出的替代风轮机发电机替换具有集体能量输出的风轮机发电机。然而，大多数情况下，不必替换已有的风轮机发电机便可从能源储存获益。通过将VFB存储系统和风电场结合安装，在低需求时期由风电场产生的能源可以储存在VFB中，以便在高需求的时候释放到电网中。VFB系统还可以安装在新的风电场以使得可再生能源的应用和供应的可靠性最大化。通过仅在高需求时期向电网提供电力，风电场所有者可以为他们所生产的电力商议较高的价格。电力交易商也可以使用VFB储能系统进行电力套利，从而实现类似的财务利益。因此，为了最优化这种风能储存或电力套利系统的运行，在VFB储能系统和电网之间整合了控制器，该控制器链接于本地电力现货价格。当电力现货价格跌至预设值，通过交流-直流变换器使用来自电网的电力对VFB充电。当现货价格超过预设值，VFB通过直流-交流逆变器向电网释放其储存的电能。

发电系统还可以包括一个或多个风轮机发电机和一个或多个柴油发电机。专利申请WO2006088509“Vanadium Redox Battery Energy Storageand Power Generation System Incorporating and Optimising Diesel EngineGenerators”描述了一种VFB系统，其和一个或多个风轮机以及一个或多个柴油发电机一起接入控制系统，借此控制系统可管理发电机和VFB的运行以便控制系统稳定性、系统频率和电压。然而在本发明中，该控制系统管理钒氧化还原液流电池的吸收和电力的产生，并且仅在VFB的充电状态跌至预设值时，才切换到柴油发电机或发电机组。这就使得柴油消耗减少并且使得二氧化碳排放最小化。

该发电系统可以包括光电池或太阳能电池组和钒氧化还原液流电池以使发电量和负载需求量相匹配，或存储太阳能以便可以在夜晚或多云的日子中使用。太阳能电池组提供可能用来给钒氧化还原液流电池充电的直流电。产生的直流电还可以用于配电，并且如果需要的话，由来自钒氧化还原液流电池的直流电补充。发电系统与控制系统连接，以获得最佳性能和效率。

根据在专利申请WO2007001416、WO2006086015和WO2006088509中所描述的现有技术，用于每种所描述的应用和系统中的钒氧化还原液流电池在两个使用不包括HCl的硫酸支持电解液的半电池中均使用了钒电解液。在本发明中，溴化钒氧化还原电池(V/Br)整合到直流风轮机发电机中，以储存电能以便在低风速时期使用。该V/Br在HBr和HCl的支持电解液中使用溴化钒溶液。不同于不包括HCl的V-VFB，V/Br使用允许较高钒电解液浓度的HBr/HCl支持电解液，从而提供较高的能量密度。与钒硫酸盐相比，溴化钒具有较高的可溶性，还使得V/Br能够耐受更大的温度范围，一般是-5℃到50℃，而V-VFB是10℃到40℃。因此，V/Br可以整合到具有或不具有太阳电池组的直流或交流风轮机中，以便在昼夜间的极端温度气候条件下，为边远地区用于电信设备的电力系统储存电能，并且没有V-VFB所发生的钒离子析出的风险。

本发明还涉及钒氧化还原液流电池储能系统和相关的用于优化性能的自动控制系统。根据WO2006076059“System and Method for OptimisingEfficiency and Power Output from a Vanadium Redox Battery EnergyStorage System”，描述了用于VFB的控制系统，其使用开路电压和温度测量计算所需的阳极电解液和阴极电解液的泵速。这种系统需要使用昂贵的流量计，以确定流量并反馈给控制器。或者或者，可以使用压力传感器间接地确定流量，但是与SOC有关的电解液密度和粘度的变化使得这种方法对于流量确定非常不精确。本发明描述了一种不需使用流量计或压力传感器便可控制电解液流量的方法。

贯穿本说明书，术语氧化还原单元(redox cell)还可称为氧化还原电池(redox battery)。溴化钒氧化还原单元可以称为溴化钒氧化还原或电池或V/Br单元或电池。充电期间在V/Br的阳极半电池电解液中产生的离子Br₃ ^-或C1Br₂ ^-称为多卤化物。V-VFB和V/Br共同地称为钒氧化还原电池(VRB)或钒液流单元或电池(VFB)。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种产生和储存电力的发电系统，其包括发电机和钒液流电池储能装置。所述发电系统包括：钒液流电池或电池堆，其耦接于具有阳极电解液的阳极电解液储液器和具有阴极电解液溶液的阴极电解液；阳极电解液泵，其耦接于阳极电解液管道，以提供所述钒液流电池或电池堆与所述阳极电解液储液器之间的阳极电解液流；阴极电解液泵，其耦接于阴极电解液管道，以提供所述钒液流电池或电池堆与所述阴极电解液储液器之间的阴极电解液流；开路电池，其通过液体连接于所述阴极电解液管道和所述阳极电解液管道，以监控所述阴极电解液溶液与所述阳极电解液溶液之间的电势差；控制系统，其与所述钒液流电池或电池堆、所述开路电池、所述电解液泵和电流传感器电连通；其中，所述控制器调整电解液流量，决定何时停止给钒液流电池或电池堆充电，以防止损害阳极，并决定何时指示进行紧急放电或部分电解液再混合，以防止钒离子从所述电解液析出。

在根据本发明的另一实施例中，通过监控所述电池堆中的个体电池电压，并当任何个体电池电压超过预定极限时中断所述电池充电，所述控制系统保护所述钒液流电池免于因过量充电而引起的电极损坏。

在根据本发明的另一实施例中，所述控制系统监控电解液温度和充电状态，并决定何时进行紧急放电，以使所述电池的所述充电状态处于安全范围以内，以防止钒离子从所述电解液析出。

在根据本发明的另一实施例中，所述钒液流电池或电池堆包括硫酸钒阳极半电池和硫酸钒阴极半电池。

在根据本发明的另一实施例中，所述钒液流电池或电池堆包括溴化钒阳极半电池和溴化钒阴极半电池。

在根据本发明的另一实施例中，所述发电机包括：至少一个风轮机发电机，其与所述钒液流电池或电池堆和交流-直流变换器电连通，以产生直流风电给所述钒电池充电；以及控制系统，其与所述钒液流电池或电池堆和所述风轮机发电机电连通，以决定从所述风轮机向所述电池的电力输入以及从所述电池向负载的电力输出。

在根据本发明的另一实施例中，所述钒液流电池或电池堆是溴化钒电池，且所述风轮机是直流风轮机。

在根据本发明的另一实施例中，所述发电机包括：风轮机发电机，其产生风电；以及光电池阵列；并且，其中，与钒液流电池或电池堆电连通的控制系统用于决定从所述风轮机或太阳能电池阵列向所述钒液流电池或电池堆的电力输入和从所述钒液流电池或电池堆到负载的电力输出。

在根据本发明的另一实施例中，所述钒液流电池或电池堆是溴化钒氧化还原电池，且所述风轮机是直流风轮机。

在根据本发明的另一实施例中，所述发电机包括：风轮机发电机，其产生风电；以及燃料发电机，其产生燃料电力；并且，其中，与所述钒氧化还原电池电连通的控制系统用于决定从所述风轮机或所述燃料发电机向所述钒液流电池或电池堆的电力输入和从所述钒液流电池或电池堆到负载的电力输出。

在根据本发明的另一实施例中，所述发电机是光电池阵列以产生电力；并且，其中，与所述钒液流电池或电池堆和所述光电池阵列电连通的控制系统用于控制所述电池从光电池阵列充电以及从所述钒液流电池或电池堆向负载输出电力。

在根据本发明的另一实施例中，所述钒液流电池或电池堆是溴化钒氧化还原电池。

在根据本发明的另一实施例中，所述钒液流电池或电池堆通过交流-直流变换器与所述电网电连通，并通过直流-交流逆变器与负载电连通，并且，其中所述电池控制系统包括计时器和时钟，以决定何时用来自所述电网的非高峰电力给所述钒电池充电，以及何时在峰值收费时间段给所述负载供电。

在根据本发明的另一实施例中，所述负载是所述电网。

在根据本发明的另一实施例中，所述钒液流电池或电池堆与所述电网电连通，并且，所述控制系统与提供电力现货价格信息的计算机电连通，以使得所述发电系统能够决定何时在低电力现货价格时间段从所述电网购买电力给所述钒液流电池或电池堆充电，以及何时在高电力现货价格时向所述电网卖出电力。

在根据本发明的另一实施例中，在所述钒液流电池或电池堆的入口和所述钒液流电池或电池堆的出口包括开路电池，并且以所述入口和出口电解液充电状态之间的预设差分用于计算微分开路电池电势，以输入所述控制系统，进而控制所述电解液流量。

在根据本发明的另一实施例中，所述控制系统监控堆电压和电流，以决定何时启动或关闭泵，从而使寄生泵浦能量最小化并提高能量效率。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于储存来自电网的低成本电力以便可以在高电力价格时使用的储能系统，其包括：VFB；交流-直流变换器，其连接在该VFB和交流电源之间；控制系统，其与该VFB连接；控制器，其编程为在相应于非高峰电费价格的时间段启动向VFB充电，并在高电力价格的时间段将VFB放电；直流-交流逆变器，其连接在该VFB和负载之间。

在本发明的第二个方面中，该控制器包括时钟和计时器，以决定何时开启从交流电源的充电以及何时向负载放电。计时器根据本地的非高峰的和高峰电费时段设置。

在本发明的第三个方面中，该VFB连接到主电网并且该控制器连接到链接于电力现货市场价格的计算机。当现货价格低于预设值，VFB从电网获取电力给钒溶液充电。当现货价格高于预设值，则VFB放电并且将存储在已充电溶液中的电能返售给电网。

在本发明的第四个方面，VFB整合到包括光电池阵列和一个或多个风轮机的能源或发电系统中，以便向负载供给电能。第四个方面的VFB使用在每个半电池中使用相当于3-10天储备的大电解液容量，从而不再需要柴油发电机或电网作为备用电源。发电系统与控制系统连接，以获得最佳性能和效率。控制系统监控充、放电电流和电池电压，以决定何时开启或关闭泵，以便将泵的能耗控制为最小。

在本发明的第五个方面中，V/Br整合到直流或交流风轮机中，以在超过V-VFB的作业极限条件的高温度极端的气候条件下(-5℃至50℃的范围)，在低风速期间储存能量。V/Br与控制系统连接，以获得最佳性能和效率。

在本发明的第六个方面中，V/Br整合到太阳电池组中以储存能量，以便在超过V-VFB的作业极限条件的高温度极端的气候条件下(-5℃至 50℃的范围)，在夜晚或低日照期间提供电力。V/Br与控制系统连接，以获得最佳性能和效率。

在第一至第四方面中，VFB限定为包括：

阳极半电池，其包含阳极半电池溶液，所述阳极半电池溶液含有选自H₂SO₄、HBr或HBr/HCl混合物的支持电解液和选自钒(III)、钒(IV)、钒(V)和多卤化物的一种或多种离子；

阴极半电池，其包含阴极半电池溶液，所述阴极半电池溶液含有选自H₂SO₄、HBr或HBr/HCl混合物的支持电解液和选自钒(II)、钒(III)和钒(IV)的一种或多种钒离子；

在本发明的第五和第六方面中，V/Br限定为包括：

在第一至第六方面的每一方面中，VFB包括控制系统，其可以在电池堆或堆组的输入和输出电解液线路中都包括开路电池。通过监控输入和输出开路电势，控制系统可以计算出单程转化率(conversion per pass)，并据此调整充电的特殊状态所需的电解液流量和充电或放电电流。这使得抽运能量需求最小化，从而在不使用压力传感器或昂贵且不精确的流量计的情况下，增加了VFB的总能量效率。

本发明涉及钒氧化还原液流电池储能系统和相关的自动控制系统，所述自动控制系统可获得最优性能、使得化石燃料的消耗最小化或使用户的财富回报最大化。世界范围的环境担忧与新技术进步以及不断增加的电力需求的结合使得太阳能和风力电厂成为代替传统的煤或燃气电厂的可行的电力选择。例如可再充电电池的储能系统是由风轮机发电机或光电池阵列供电的边远电力系统的基本需要。储能系统还用于实现在峰值费用期间卖出电力并在非峰值时间段购买电力的电力套利。钒氧化还原储能系统可以做到廉价且具有长寿命、设计灵活、高可靠性和低运行及维护成本的诸多特性。

由于VFB储能系统的可扩展性，电力消费者以及电力零售商和批发交易商都适合使用VFB储能系统。随着在住宅、商业和小工业设施中广泛安装定时电表，个人和小公司在晚上的非峰值期间从电网购买电力，将这些电力储存在例如VFB的储能系统中，然后在高电力价格的时间段使用这些储存的电能供给他们的设备的机会有所增加。VFB是这种应用的理想选择，因为它可以设计用来提供从1到20或更多小时的容量的任意电量，允许消费者选择他们的最佳存储容量用于他们的特殊需要。影响钒氧化还原储能系统的高效运行和功率输出的因素包括电解液流量、内部温度、压力、充电和放电时间。通过将VFB连接到智能电池控制器，该VFB还可以设计成自动操作，使用户输入最小化。因此还公开了用于对使用本发明的钒氧化还原液流电池的钒氧化还原储能系统的效率进行优化的系统和方法。该电池控制系统设计为消除可能导致破坏导电塑料电极基板的任何电池过量充电，降低在温度高于40和低于10℃情况下的钒盐析出的风险，并通过决定何时将泵打开或关闭，使得与电解液泵有关的寄生损耗降到最低。

在更完善的控制系统中，可以在不需要昂贵的流量计的情况下确定并设置最佳电解液流量。这可以通过在每个电池堆的入口和出口都设置开路电池以确定进入和流出该电池堆的电解液的充电状态(SOC)来实现。然后，将测得的SOC的差分(ΔSOC)反馈给控制器，所述控制器调整电解液泵速度以维持所需的单程转化率。

来自一台或一组风轮机发电机的功率输出作为风速的函数而变化。由于自然界的风速是变化的，这就降低了风能的可用性和可靠性。因为不能保证功率输出，其价值会打折扣。可用分能充电的钒氧化还原电池可以增加电力有效性并提高风能可收取的价值和价格。因此，本发明使用溴化钒氧化还原电池以从风轮机发电机提供稳定的和恒功率输出优于现有技术，与其他氧化还原电池储能系统(包括V-VFB)相比，本发明的溴化钒氧化还原电池可以获得更低的成本、更长的寿命、更小的基底面和更宽的温度范围。

本发明的钒氧化还原液流电池储能系统(VBES)包括按绝对KVA率和按小时计的能量储存持续时间的各种尺寸的钒氧化还原电池。该VBES包括储存钒电解液的储液器、定义为电池或电池堆的能量转换机构、管道和泵流系统和电力转换系统(PCS)。该VBES与控制系统电连通，该控制系统监控重要的参数并控制该VBES组件的运行，从而最大化循环寿命并最优化效率和安全运行。为了最优化V/Br和V-VFB的整体性能，本发明使用了这样的控制系统，该控制系统使用能使VBES以自动模式运行的算法和控制逻辑以确保安全运行并最大化循环寿命。该控制系统包括上部堆和电池电压极限，所述上部堆和电池电压极限用于限制充电并防止可能导致不可逆地损害阳极从而减少电池寿命的电池过量充电。对V-VFB而言，还要监控电解液温度，并且据此重设上下开路电压极限，以保证在升高的温度下阳极半电池电解液中不发生钒(V)的加热析出，并防止在温度低于5℃时在阴极电解液中的钒(II)或钒(III)离子的析出。如果该控制器检测到电解液温度超出该范围，则指示VFB进行电学上或化学上的紧急放电，或通过紧急放电负载释放电力直到达到充电的安全状态。该VFB的充电状态可使用开路电池进行监控，或通过监控每个半电池电解液的传导率的变化进行监控。另一个控制参数是阳极电解液和阴极电解液的完全或部分的再混合，以便补偿由于电解液的交叉或离子透过薄膜的有差别扩散导致的溶液成分或电解液储液器水平的变化。这包括通过打开连接阳极电解液液罐和阴极电解液液罐的阀门放液预设时间进行的简单重力均衡化。如果电解液温度超过或低于电池的安全运行极限，类似的电解液部分混合还可以用于化学上的紧急放电过程，从而避免在高SOC极限和温度极限的情况下的不希望的钒化合物析出。

在现有技术中，WO2006076059描述了一种用于V-VFB的控制系统，如果温度超过预设极限，其决定换热器何时开启以冷却阳极电解液溶液和阴极电解液溶液。通过使用部分电解液混合作为紧急放电方法以将阳极电解液和阴极电解液的SOC降至对应温度的安全水平，本发明避免了使用热交换系统。允许电解液混合延续到测得的SOC低于对应温度的安全水平。

在另一个示例中，发电系统包括一个或多个连接到V/Br的直流风轮机发电机。和V-VFB相比，V/Br所具有更高的能量密度和更宽的工作温度范围，使得其可以工作在极端气候条件下并且可以使用较小的基底面，从而减少土地和房屋成本。直流风力发电机可以与V/Br和整流器直接电连通，以向配电系统或V/Br提供直流电。或者，该直流风力发电机可以与该V/Br间接电连通。该发电系统还包括控制器，该控制器与该V/Br和直流风轮机发电机电连通以控制它们各自的操作。该控制器管理该V/Br和该风轮机发电机的运行，以使得循环寿命和安全操作最大化。

为了补偿风速波动，还可以将柴油发电机整合到该供电系统中。这对边远地区的电力供应(RAPS)尤其有用，在边远地区，在长期没有或几乎没有风的时期，连接到扩展电网对备用电源而言是不可行的。

附图说明

图1图示了钒氧化还原液流电池，其使用浇铸全氟阳离子交换膜1来隔开阳极半电池和阴极半电池。每个半电池包括作为阴极2流通式电极或阳极3流通式电极的多孔石墨毡或遮片，每一个流通式电极与导电基板或集流器4和5电接触。阴极电解液半电池溶液和阳极电解液半电池溶液储存在分离的外部储液器6和7中，并且泵8和9用于通过相应的发生充放电反应的半电池抽运电解液。为了实际应用，在电池堆中，使用双性电极将大量电池以串联方式电连接，以提供所需的堆电压。每个双性电极的面积决定了在放电和充电期间该堆分别可以输送或接受的电流。

图2图示了系统的布局，该系统包括VFB、风轮机和太阳电池组，用于向直流负载提供电力。

图3图示了在与电网连接的应用中使用VFB，其中该VFB连接到控制器/计时器，所述控制器/计时器用于决定何时使用低价的或非峰值电力以给电解液充电，以及在高电价时段何时将VFB的电能释放以给交流或直流负载供电，以减少消费者的电费。

图4图示了使用通过智能控制器连接到电网的VFB，该智能控制器链接到现货电力价格数据，以决定何时从电网买电给该VFB充电，以及在电力现货价格高的时期何时向电网卖出所储存的电力。

图5图示了VFB储能系统，该VFB储能系统用作紧急备用电源，以保护IT服务器和计算机系统免受断电的影响。

图6图示了入口开路电池和出口开路电池的配置，所述配置用于监控整个电池堆的充电状态的变化，以调整电解液流量，从而使抽运能量损失最小化。

图7示出了入口开路电池和出口开路电池的电势值之间的差值的图，所述差值是用于表示入口和出口电解质溶液之间的微分充电状态的差值的入口充电状态的函数。对一组跨越电池堆的微分充电状态，计算得到的ΔE_cell值可用于调整泵速并控制电解液流量。

具体实施方式

钒氧化还原单元或电池电连接到选自于电网电力、交流或直流风力发电机、光电池阵列、柴油发电机或波浪发电机的一个或多个适当电源，并使用来自可再生能源的过剩电力或非高峰电力给两个半电池电解液充电，以便在低风速、低日照或高电价时使用或转卖储存的电能。该VFB连接到电池组控制器，该电池组控制器管理该VFB的运行，以防止可能损害电极或电解液的过量充电或在极端温度下运行。控制系统监控电解液温度和电池开路电势或电解液传导率，以决定是否需要紧急放电以便将系统充电状态降至能够防止钒离子析出的水平，钒离子析出会阻断电解液通路并降低电池容量。这样就不需要使用致冷或冷却系统来控制电解液温度。该控制系统还监控充电或放电电流和堆电压，以决定何时开启和何时关闭电解液泵，以减少寄生能量损失。

包括VFB的发电系统可用于连接电网的或未连接电网的应用，其中该系统与其他发电机站隔离并且充当边远地区电力系统(RAPS)。该VFB向耦合电路和逆变器提供直流电以将该直流电转换为交流电。该发电系统可以包括一个或多个风轮机发电机，每一个风轮机发电机与升压变压器相通。用于RAPS应用的发电系统可以进一步包括光电池阵列和一个或多个柴油发电机。用于连接电网和未连接电网的应用的发电系统还包括与VFB、风轮机发电机和燃料发电机以接口连接以控制它们各自的运行的控制系统。

示例1

钒氧化还原储能系统用于在未连接电网的无线电通讯中继站或移动式电话塔中储存能量，所述无线电通讯中继站或移动式电话塔由光电池阵列和直流风轮机供电。通过给钒氧化还原液流电池使用相当于2-5天储备的大电解液容量，可以不需要柴油发电机备份就能运行该系统，从而为边远地区的电信设备提供完全独立的电力系统。图2图示了由直流风轮机和PV排列供电的边远直流负载的设备布局。任何来自风轮机或PV排列的剩余电力用于给VFB充电。在夜晚或多云的天气里，该设备由风轮机供电。然而，如果风速太低，则VFB放电以给直流负载供电。根据位置和相应的日照以及平均风速，选择每个半电池中的电解液容量，以保证总是有足够的电能储存能力用来给负载连续供电，而不需要将永久性的柴油发电机连接于该系统。

电池控制器设计为一旦堆电压到达预设上限，则通过切断所有充电，以保证VFB的高效运行，并通过决定何时开启或关闭泵来使电解液泵的寄生能量损失最小化。当泵关闭时，电池堆内容纳的电解液可以储存或产生电能。为保证堆总是充满电解液并且当泵处于断路位置时不流失，将该堆放置成使得储液器中的电解液水平总是在该堆之上。例如，如果进入VFB的充电电流或来自VFB的放电电流大于10安培，则该泵保持关闭并且充电和放电反应只使用电池堆内部的溶液。一旦控制系统检测到在充电期间堆电压每单元超过1.5伏，或在放电期间每单元低于1.2伏，则将泵开启3-5分钟以将电池堆中再装满电解液，然后再次切断，直到超过电流和/或电压极限。为了不再需要在每个液罐中安置电解液水平检测器，将溢流管安装在液罐中，以允许电解液自动地从一个液罐流出到另一个液罐，从而补偿任何在系统正常运行期间的电解液不平衡。

为了防止在电池过量充电期间损害阳极，使得堆中的每个电池电连接并且控制系统监控每个个体电池的电压。一旦任何个体电池的电压超过预定的断开值，则切断充电电流以保证没有电池过量充电。这就避免了监控全部堆电压时的问题，监控全部堆电压时，平均效应可以隐瞒先前已经处于过度充电的电池，从而导致双性电极的分层和对电池的不可逆损害，进而影响全部堆的运行。

同样的系统还可以用来给没有连接到电网的孤立房屋或农场供电。如果系统使用交流负载，那么直流-交流逆变器连接在直流电源和该负载之间以将来自风轮机、PV排列和VFB的电力转换为负载使用的交流电。如果房屋或农场具有不能由风轮机、PV排列和VFB单独满足的过多电力需求量，则可以将一个或多个柴油发电机连接到该系统作为备用电源。如果储存在VFB系统的电能在长期云层覆盖且几乎没有风的期间耗尽，则可以接通柴油发电机给电池充电并给家庭或其他负载供电，直到PV排列和风力发电机可以开始为该系统产生足够的电力。

示例2

VFB储能系统用于在非峰值期间在与电网连接的住宅的、工业的或商业的建筑中储存电能，并在高峰期间给负载供电。图3图示了包括控制系统和计时器的VFB储能系统的使用，所述控制系统和计时器用于决定何时用非高峰电力给VFB充电以及在峰值电费期间何时将其放电供给负载使用。将计时器调节为与本地电力零售商的费用峰值和非峰值费用期间相符，以便使用户节省他们的日常电力成本。该VFB系统根据个体用户的日常电力需要设定大小。一般地，住宅用户可以安装具有达到6-8小时储备的5千瓦的VFB，其能够在峰值期间提供达到30-40千瓦时的电力。

示例3

如图4所示，通过当电力现货价格低的是很使用电网电力给电池充电，而在现货价格高的时候向电网提供电力，电力交易商可以使用VFB储能系统来进行电力套利。VFB储能系统经由智能控制器连接，该智能控制器可以连接到即时电力现货市场价格信息，所述信息使智能控制器能够决定何时从电网购买电力给VFB充电，以及何时从VFB向电网卖出电力。根据提供给电力交易商的利润率的计算值，设置用于触发充电或放电的所选择的购买和卖出价格。

示例4

VFB储能装置用作紧急备用电源，用于保护IT服务器和计算机系统免受断电的影响。系统组件在图5中图示。当来自电网的电流电发生中断，VFB自动地切入，从而实现对IT服务器或计算机不间断供电。VFB可以连接到控制系统，该控制系统监控交流电并决定何时切换到VFB备用电源系统。

示例5

含有钒液流电池储能装置的发电系统包括连接到风力发电厂的VFB，所述风力发电厂包括大量连接到主电网的交流和直流风轮机的。在电网的低电力需求期间或低电力价格期间，来自风轮机的电力用来给VFB充电。在高需求或高电价期间，VFB对电网释放所储存的电能，以补充其他电源的电力，并使得可再生能源的渗透最大化。

示例6

V/Br通过交流-直流变换器连接到风力-柴油发电机网，所述风力-柴油发电机网包含一个或多个风轮机和一个或多个柴油发电机。连接于V/Br、风轮机和柴油发电机的控制系统使每个组件的运行最优化。

示例7

如图6所示，VFB连接到控制系统，该控制系统在电池堆的入口和出口均含有开路电池。对于在每个半电池中使用2M钒溶液的VFB，化学计量的流量Fs由下式给出：

F_{s} = \frac{Current (Amps)}{3.2 \times SOC}

毫升/分钟/单元

因此，如果从电池得到10安培的电流，如果电池充满电(SOC＝1.0)，那么化学计量的流量(在电池的入口和出口之间的电活性物种的全转换所需的最小的流量)是每个单元3.1毫升/分钟，但是当电池只充电10％时，则是每个单元31毫升/分钟(SOC＝0.1)。为了使液流电池中的抽运能量需求最小化，电解液流量可以随SOC和电流变化，然而，这需要在每个阳极电解液管道和阴极电解液管道中安装管内流量计，从而增加VFB系统的费用。一种替代方法不需要用于泵控制的压力传感器或流量计，该方法中在电池堆的入口和出口设有开路电池。在入口的开路电池电势由下式给出：

E^IN _cell＝E^o _cell-(RT/nF)In{([V⁴⁺ _IN][V³⁺ _IN])/([V⁵⁺ _IN][V²⁺ _IN])}

类似地，在出口的开路电池电势是：

E^OUT _cell＝E^o _cell-(RT/nF)In{([V⁴⁺ _OUT][V³⁺ _OUT])/([V⁵⁺ _OUT][V²⁺ _OUT])}

其中，[V_IN]和[V_OUT]分别是入口管道和出口管道的钒离子浓度。

如果x＝入口电解液的充电状态，即SOC_IN

y＝出口电解液的充电状态，即SOC_OUT

z＝单程的转换系数

ΔSOC＝y-x＝SOC_OUT-SOC_IN

那么，E^IN _cell＝E^o _cell-(2RT/nF)In[(1-x)/x]

并且，E^IN _OUT＝E^o _cell-(2RT/nF)In[(1-y)/y]

ΔE_cell＝E^IN _OUT-E^IN _cell

并且，E^OUT _cell＝E^o _cell-(2RT/nF)In{[(1-x)+xz]/[x-xz]}

因此，可通过设置特定的单程转化率，以计算所需的出口开路电池电势，从而对电解液流量进行调节。或者，在出口和入口电解液之间设置所需的充电状态微分ΔSOC，并且该ΔSOC用于计算相应出口开路电池电势，将相应出口开路电池电势输送给控制器以使其能够持续调整泵速，以便维持计算得到的入口和出口开路电池电势之间的ΔE_cell值。这样，如果需要0.1的微分SOC值，对于100％或1.0的入口电解液SOC，出口电解液将会具有放电模式下90％或0.9的SOC。或者，在充电模式下，对于0.1或10％的入口SOC，出口SOC将是0.2或20％。于是，在入口和出口到电池堆的开路电势值分别是1.287伏和1.329伏，ΔE_cell的值为0.042伏。已经针对不同的ΔSOC条件计算出ΔE_cell值，并且在图7中，这些数值作为入口电解液SOC的函数已经绘制成曲线。根据堆设计和电池几何形状，需要最佳流量，以获得最小浓度极化和最大电压效率。对于特定的堆设计，一旦流量因数确定下来，就可以确定相应的ΔSOC的值，并且将其作为一组数值输入到控制系统中。然后，控制器监控入口开路电池电势，并确定所需的ΔSOC值或出口开路电池电势，以提供充电状态微分。通过将该数值反馈给泵控制器，从而不再需要用于流量控制的质量流量计。

示例8

当使用2M钒电解液运行钒液流电池时，控制系统需要连续地监控电解液温度以保证它们维持在15到35℃之间，以便避免高温下阳极半电池和电解液管道中可能出现的V₂O₅的加热析出以及较低温度下V²⁺或V³⁺硫酸盐的析出。以前的研究显示，将充电状态维持在20％至80％的范围，则可以将不发生析出的温度范围扩大到10到40℃。以前的防止析出的方法包括使用换热器或制冷系统来将温度维持在所需的范围。然而，这包括额外的昂贵设备，因此替换的方法监控温度并限制高低充电状态，从而避免进入不安全运行状态。尽管可以在充放电期间分别重设上下SOC极限，然而当温度超过安全极限时，如果电解液已经处于高SOC状态怎么办？如果电池没有在短时间内进行正常放电，则存在析出的危险，从而导致电解液通路和管道中的堵塞。在本系统中，控制器被用来监控温度和电解液SOC，并且如果检测到不安全的运行条件，那么控制系统发起紧急放电过程，以便使电解液SOC进入相应温度的安全水平。这可能包括通过紧急放电负载的放掉能量。然而在本示例中，将VFB充电到95％的SOC，然后进行加热以将电解液温度从34℃增加到不安全的42℃。当控制系统检测到这个条件时，则打开在两个半电池电解液管道之间的阀门，从而允许电解液快速地混合并自放电直到SOC跌至50％SOC，此时，析出降低到安全水平。

Claims

1.一种产生和储存电力的发电系统，其包括发电机和钒液流电池储能装置；所述系统包括：

钒液流电池或电池堆，其耦接于具有阳极电解液的阳极电解液储液器和具有阴极电解液溶液的阴极电解液，

阳极电解液泵，其耦接于阳极电解液管道，以提供所述钒液流电池或电池堆与所述阳极电解液储液器之间的阳极电解液流，

阴极电解液泵，其耦接于阴极电解液管道，以提供所述钒液流电池或电池堆与所述阴极电解液储液器之间的阴极电解液流，

开路电池，其通过液体连接于所述阴极电解液管道和所述阳极电解液管道，以监控所述阴极电解液溶液与所述阳极电解液溶液之间的电势差，

控制系统，其与所述钒液流电池或电池堆、所述开路电池、所述电解液泵和电流传感器电连通，

其中，所述控制器调整电解液流量，决定何时停止给钒液流电池或电池堆充电，以防止损害阳极，并决定何时指示进行紧急放电或部分电解液再混合，以防止钒离子从所述电解液析出。

2.根据权利要求1的所述发电系统，其中，通过监控所述电池堆中的个体电池电压，并当任何个体电池电压超过预定极限时中断所述电池充电，所述控制系统保护所述钒液流电池免于因过量充电而引起的电极损坏。

3.根据权利要求2的所述发电系统，其中，所述控制系统监控电解液温度和充电状态，并决定何时进行紧急放电，以使所述电池的所述充电状态处于安全范围以内，以防止钒离子从所述电解液析出。

4.根据权利要求1至3的任一项的所述发电系统，其中，所述钒液流电池或电池堆包括硫酸钒阳极半电池和硫酸钒阴极半电池。

5.根据权利要求1至3的任一项的所述发电系统，其中，所述钒液流电池或电池堆包括溴化钒阳极半电池和溴化钒阴极半电池。

6.根据权利要求4的所述发电系统，其中，所述发电机包括：

至少一个风轮机发电机，其与所述钒液流电池或电池堆和交流-直流变换器电连通，以产生直流风电给所述钒电池充电；以及

控制系统，其与所述钒液流电池或电池堆和所述风轮机发电机电连通，以决定从所述风轮机向所述电池的电力输入以及从所述电池向负载的电力输出。

7.根据权利要求6的所述发电系统，其中，所述钒液流电池或电池堆是溴化钒电池，且所述风轮机是直流风轮机。

8.根据权利要求4的所述发电系统，其中，所述发电机包括：

风轮机发电机，其产生风电；以及

光电池阵列；

并且，其中，与钒液流电池或电池堆电连通的控制系统用于决定从所述风轮机或太阳能电池阵列向所述钒液流电池或电池堆的电力输入和从所述钒液流电池或电池堆到负载的电力输出。

9.根据权利要求8的所述发电系统，其中，所述钒液流电池或电池堆是溴化钒氧化还原电池，且所述风轮机是直流风轮机。

10.根据权利要求4的所述发电系统，其中，所述发电机包括：

风轮机发电机，其产生风电；以及

燃料发电机，其产生燃料电力；

并且，其中，与所述钒氧化还原电池电连通的控制系统用于决定从所述风轮机或所述燃料发电机向所述钒液流电池或电池堆的电力输入和从所述钒液流电池或电池堆到负载的电力输出。

11.根据权利要求10的所述发电系统，其中，所述钒液流电池或电池堆是溴化钒氧化还原电池，且所述风轮机是直流风轮机。

12.根据权利要求4的所述发电系统，其中，所述发电机是光电池阵列以产生电力；并且，其中，与所述钒液流电池或电池堆和所述光电池阵列电连通的控制系统用于控制所述电池从光电池阵列充电以及从所述钒液流电池或电池堆向负载输出电力。

13.根据权利要求12的所述发电系统，其中，所述钒液流电池或电池堆是溴化钒氧化还原电池。

14.根据权利要求4的所述发电系统，其中，所述钒液流电池或电池堆通过交流-直流变换器与所述电网电连通，并通过直流-交流逆变器与负载电连通，并且，其中所述电池控制系统包括计时器和时钟，以决定何时用来自所述电网的非高峰电力给所述钒电池充电，以及何时在峰值收费时间段给所述负载供电。

15.根据权利要求14的所述发电系统，其中，所述负载是所述电网。

16.根据权利要求4的所述发电系统，其中，所述钒液流电池或电池堆与所述电网电连通，并且，所述控制系统与提供电力现货价格信息的计算机电连通，以使得所述发电系统能够决定何时在低电力现货价格时间段从所述电网购买电力给所述钒液流电池或电池堆充电，以及何时在高电力现货价格时向所述电网卖出电力。

17.根据权利要求4所述的发电系统，其中，在所述钒液流电池或电池堆的入口和所述钒液流电池或电池堆的出口包括开路电池，并且以所述入口和出口电解液充电状态之间的预设差分用于计算微分开路电池电势，以输入所述控制系统，进而控制所述电解液流量。

18.根据权利要求4的所述发电系统，其中，所述控制系统监控堆电压和电流，以决定何时启动或关闭泵，从而使寄生泵浦能量最小化并提高能量效率。