新一代锌镍单液流电池流道结构的优化分析(附件)【字数：14164】
摘 要摘 要随着能源利用的多样化，高效的储能设备成为充分利用可再生能源的重要基础。锌镍液流电池作为新型储能设备，拥有系统简单，安装方便，操作灵活等优点，在目前主流的储能技术中脱颖而出，为可再生能源的有效利用提供了保证。本文以智电公司的第三代锌镍单液流电池作为研究对象，在已有电池的基础上，首先建立物理模型和数学模型，然后利用ANSYS自带的MESH软件对模型进行网格划分，再借助FLUENT软件，模拟在入口流场均匀的情况下锌镍单液流电池电堆内部流场的均匀性，然而由于桨叶的存在，电解液在进入电堆时不可能完全均匀，最后改变桨叶结构和桨叶距离挡板的位置来模拟锌镍单液流电池内部流场的均匀性，模拟与进入电堆时电解液完全均匀时的模拟结果进行对比。模拟结果表明，当桨叶选取为四叶且桨叶位置距离挡板距离为33mm时，电堆内部流场的均匀性最好。关键词锌镍单液流电池；内部结构优化；桨叶；流场
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2液流电池的国内外发展状况 1
1.3 液流电池的研究目的及意义 3
1.4 课题研究内容 4
第二章 数值模拟理论基础 6
2.1 SOLIDWORKS概述 6
2.2 PROE概述 6
2.3 CFD概述 7
2.4 CFD的数值解法 8
2.5 CFD的控制方程 8
2.6 CFD软件结构 9
2.7 CFD的求解流程 9
2.8 前处理软件MESH 10
2.9 求解软件 FLUENT 11
2.9.1 FLUENT软件介绍 11
2.9.2FLUENT软件求解 12
2.9.3 FLUENT求解流程 13
第三章 锌镍液流电池结构进行优化分析 15
3.1 物理模型 15
3.1.1 电堆模型 15
3.1.2叶轮结构的优化设计 16
3.2网格划分 17
3.3数值求解流程 20
3.4模拟结果分析 21
3.5桨叶叶片数量对流场均匀性分析 23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3.6桨叶与挡板之间的距离对流场的影响 29
第四章 总结与展望 35
4.1总结 35
4.2展望 35
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1 研究背景
现代社会，经济技术飞速发展，电能成为经济和社会发展中的主要能源之一。然而传统的方法虽然带来了可观的电能，但是这同时也带来了像能源枯竭、大气污染、臭氧空洞等严重的社会问题。为了能够实现低碳环保的社会经济，实现可持续发展的社会道路，我们这一代人需要努力开发和推广一系列可再生能源像太阳能、潮汐能、风能等[1]。然而，现有的可再生能源都具有一系列非稳态特征，如不连续性，不稳定性和不可控制性，因此大规模的储能技术应运而生，以此来满足能源利用的要求[2]。我们可以利用大型储能设备的储能技术来解决在太阳能发电无阳光，风力发电无气流供应以及电网用电出现高低峰值等一系列问题[3]。传统化学电池虽然有可以随意分布，不受地理位置限制的有点，但其能量密度、储存效率低以及经济性差等缺点并不能忽略，因此不适合进行大规模的使用[4]。从上世纪七十年代出现的氧化还原电池的概念到现如今来看，已经有了很大的发展。氧化还原液流电池在使用中还可以调峰电网，因此积极开发出电池系统，尤其是超大容量的储能液流电池，可以用来作为利用风力发电或太阳能发电的储能设备，从而这些风力发电厂和太阳能电厂的发电功效可以达到中等及以上的发电厂水准。
北京防化研究院在传统锌镍电池和单液铅酸电池的基础上，基于他们的优缺点提出了新型锌镍单液流电池（ZNB）[5]。锌镍氧化还原单液流电池，很少使用数值模拟的方法进行研究，现在主要研究其物理化学性质的方法是实验[67]，研究锌镍氧化还原液流电池内的电堆流道均匀性等物理场，因而本文使用数值模拟的方法对锌镍单液流电池内部流场情况进行数值模拟。
1.2液流电池的国内外发展状况
在二十世纪七十年代中期，由于能源危机，作为一种新型的电化学蓄能电池，氧化还原电池的实际应用首先在刘易斯研究中心诞生了，氧化还原液流电池有着传统电化学电池的特点，正极材料和负极材料也很明确，它们分别是一种金属离子氧化物和一种金属离子可还原体，它们溶解在电解液中，然后储存在正极和负极活性物质中。
在1974年， Thaller在前人的基础上，铁铬氧化还原液流电池模型被提出来了，到目前为止，这一直都受研究者的欢迎，成为液流电池研究的重点[8]。
1980年，日本工业科学院和新能源开发组织（NEDO）也开发了铁铬氧化还原电池。后来，在日本各界的支持下，这个项目成为三井工程和造船公司承担的日本“月光工程”的一部分，该项目的最终目标是通过装备一个1MW/8MWh具备70%的ACAC能量转换效率和1500次循环寿命的高能储能实验，同时在1991年底之前验证铁铬流动池在实际应用中的可行性，。
1984年，M.Skyllas kazacos提出全钒氧化还原液流电池的概念。
1985年，E.Sum等首先研究了玻璃碳电极上V2 + / V3 +和V4 + / V5 +氧化还原的电化学。在前人的基础上进行了有效的发展，所有的全钒液流电池技术，在国外的研究成果中已经越来越完善[13]。目前市场上最成熟的液流电池技术就是全钒电池是技术，它的一系列研究成果的突破使得它是目前世界上仅有的可以在风力发电时幅度调制，调频流畅输出和网络应用等领域的液流电池，现已进入大规模商业示范运行和市场开拓阶段。
1984年美国气体技术研究所开发了一种多硫化物/溴化拖拉机（PSB）。二十世纪九十年代初，英国的Innogy公司开发了PSB流动电池，这种电池在放电状态下，溴化钠为正极发生反应，而四硫化钠是作为负极进行反应 [9]。
2002年，C.H.Bae等提出了一种全铬体系液流电池，其基于Cr3 +离子的电荷转移。
2004年，由于V3+/V2+在HBr溶液中溶解度高，M. S. Kazacos等提出了能量密度较高的钒/多卤化物新体系。同年，在传统铅酸二次电池的基础上Pletcher课题组提出全沉积型液流储能电池体系 [10]。
20世纪80年代末，中国开始对液流储能电池进行研究。建立了世界上早就进行研究，而且如今成果也已经较为成熟的全钒液流电池的模型，虽然只是停留在实验室，但是其对全钒液流电池的充放电性能进行了测试，对中国液流电池的发展起到了强有力的推动作用。广西大学在老师和学生的共同努力下，通过实验测试出全钒液流电池的各项性能，电极材料的改变对电化学可逆性的影响，还有对充放电能力的改变[10]
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第一章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2液流电池的国内外发展状况 1
1.3 液流电池的研究目的及意义 3
1.4 课题研究内容 4
第二章 数值模拟理论基础 6
2.1 SOLIDWORKS概述 6
2.2 PROE概述 6
2.3 CFD概述 7
2.4 CFD的数值解法 8
2.5 CFD的控制方程 8
2.6 CFD软件结构 9
2.7 CFD的求解流程 9
2.8 前处理软件MESH 10
2.9 求解软件 FLUENT 11
2.9.1 FLUENT软件介绍 11
2.9.2FLUENT软件求解 12
2.9.3 FLUENT求解流程 13
第三章 锌镍液流电池结构进行优化分析 15
3.1 物理模型 15
3.1.1 电堆模型 15
3.1.2叶轮结构的优化设计 16
3.2网格划分 17
3.3数值求解流程 20
3.4模拟结果分析 21
3.5桨叶叶片数量对流场均匀性分析 23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
3.6桨叶与挡板之间的距离对流场的影响 29
第四章 总结与展望 35
4.1总结 35
4.2展望 35
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1 研究背景
现代社会，经济技术飞速发展，电能成为经济和社会发展中的主要能源之一。然而传统的方法虽然带来了可观的电能，但是这同时也带来了像能源枯竭、大气污染、臭氧空洞等严重的社会问题。为了能够实现低碳环保的社会经济，实现可持续发展的社会道路，我们这一代人需要努力开发和推广一系列可再生能源像太阳能、潮汐能、风能等[1]。然而，现有的可再生能源都具有一系列非稳态特征，如不连续性，不稳定性和不可控制性，因此大规模的储能技术应运而生，以此来满足能源利用的要求[2]。我们可以利用大型储能设备的储能技术来解决在太阳能发电无阳光，风力发电无气流供应以及电网用电出现高低峰值等一系列问题[3]。传统化学电池虽然有可以随意分布，不受地理位置限制的有点，但其能量密度、储存效率低以及经济性差等缺点并不能忽略，因此不适合进行大规模的使用[4]。从上世纪七十年代出现的氧化还原电池的概念到现如今来看，已经有了很大的发展。氧化还原液流电池在使用中还可以调峰电网，因此积极开发出电池系统，尤其是超大容量的储能液流电池，可以用来作为利用风力发电或太阳能发电的储能设备，从而这些风力发电厂和太阳能电厂的发电功效可以达到中等及以上的发电厂水准。
北京防化研究院在传统锌镍电池和单液铅酸电池的基础上，基于他们的优缺点提出了新型锌镍单液流电池（ZNB）[5]。锌镍氧化还原单液流电池，很少使用数值模拟的方法进行研究，现在主要研究其物理化学性质的方法是实验[67]，研究锌镍氧化还原液流电池内的电堆流道均匀性等物理场，因而本文使用数值模拟的方法对锌镍单液流电池内部流场情况进行数值模拟。
1.2液流电池的国内外发展状况
在二十世纪七十年代中期，由于能源危机，作为一种新型的电化学蓄能电池，氧化还原电池的实际应用首先在刘易斯研究中心诞生了，氧化还原液流电池有着传统电化学电池的特点，正极材料和负极材料也很明确，它们分别是一种金属离子氧化物和一种金属离子可还原体，它们溶解在电解液中，然后储存在正极和负极活性物质中。
在1974年， Thaller在前人的基础上，铁铬氧化还原液流电池模型被提出来了，到目前为止，这一直都受研究者的欢迎，成为液流电池研究的重点[8]。
1980年，日本工业科学院和新能源开发组织（NEDO）也开发了铁铬氧化还原电池。后来，在日本各界的支持下，这个项目成为三井工程和造船公司承担的日本“月光工程”的一部分，该项目的最终目标是通过装备一个1MW/8MWh具备70%的ACAC能量转换效率和1500次循环寿命的高能储能实验，同时在1991年底之前验证铁铬流动池在实际应用中的可行性，。
1984年，M.Skyllas kazacos提出全钒氧化还原液流电池的概念。
1985年，E.Sum等首先研究了玻璃碳电极上V2 + / V3 +和V4 + / V5 +氧化还原的电化学。在前人的基础上进行了有效的发展，所有的全钒液流电池技术，在国外的研究成果中已经越来越完善[13]。目前市场上最成熟的液流电池技术就是全钒电池是技术，它的一系列研究成果的突破使得它是目前世界上仅有的可以在风力发电时幅度调制，调频流畅输出和网络应用等领域的液流电池，现已进入大规模商业示范运行和市场开拓阶段。
1984年美国气体技术研究所开发了一种多硫化物/溴化拖拉机（PSB）。二十世纪九十年代初，英国的Innogy公司开发了PSB流动电池，这种电池在放电状态下，溴化钠为正极发生反应，而四硫化钠是作为负极进行反应 [9]。
2002年，C.H.Bae等提出了一种全铬体系液流电池，其基于Cr3 +离子的电荷转移。
2004年，由于V3+/V2+在HBr溶液中溶解度高，M. S. Kazacos等提出了能量密度较高的钒/多卤化物新体系。同年，在传统铅酸二次电池的基础上Pletcher课题组提出全沉积型液流储能电池体系 [10]。
20世纪80年代末，中国开始对液流储能电池进行研究。建立了世界上早就进行研究，而且如今成果也已经较为成熟的全钒液流电池的模型，虽然只是停留在实验室，但是其对全钒液流电池的充放电性能进行了测试，对中国液流电池的发展起到了强有力的推动作用。广西大学在老师和学生的共同努力下，通过实验测试出全钒液流电池的各项性能，电极材料的改变对电化学可逆性的影响，还有对充放电能力的改变[10]
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