成果報告書詳細
管理番号20090000000093
タイトル平成20年度成果報告書 風力発電電力系統安定化等技術開発 経年特性分析研究
公開日2009/8/26
報告書年度2008 - 2008
委託先名住友電気工業株式会社 北海道パワーエンジニアリング株式会社 北海道苫前町
プロジェクト番号P03039
部署名新エネルギー技術開発部 系統連系技術グループ
和文要約苫前ウィンビラ発電所において、平成17年度から平成19年度にかけて大規模ウィンドファームに蓄電池システムを併設してウィンドファーム総出力を対象に短周期の出力変動を抑制する実証研究が行われ、その有効性が示された。本研究は3年間の実証試験に供したレドックスフロー蓄電池システムの実証試験時の充放電特性等を分析するとともに、システムを構成する主要な要素である、セルスタック、電解液および電解液循環システムに関して、一部の機器、部材を現地よりサンプリングし、電気特性、機械特性、および組成等の分析を行い、実証試験による耐久性、信頼性、運用性等への影響の分析、評価を行ったものである。
従来の電力用蓄電池の主たる用途である昼夜間の負荷平準化を目的とした運用と異なり、風力発電出力平滑化運転では、充放電サイクル数が多い、平均的な充放電出力が小さい、充電状態が低い、稼働率が低い、起動停止回数が多い、といった特徴がある。これらの運用の違いによる蓄電池への経年変化特性への影響が、従来の負荷平準化用途の場合と異なるかという観点で各種調査を実施した。その結果、以下の成果が得られた。
セルスタックに関しては、現地より4台をサンプリングし、解体調査後、部材レベルでの電気特性や諸物性を分析した。その結果、負荷平準化用途と比較して1日あたり100倍以上の充放電切替回数を経験したにも係らず、最大の寿命要因であるイオン交換膜の劣化が抑制されている結果が得られた。これは、レドックスフロー電池がサイクル充放電に関して充分な耐性を有していることに加え、風力発電出力平滑化運転の特徴である低い充電状態での運転により、酸化力の高い高充電状態に曝される時間が相対的に少ないことによると考えられ、蓄電池の寿命に関して、風力発電出力平滑化運転が負荷平準化用途と比較して有利であることを確認できた。
電解液に関しては、現地の正負16組のタンクから電解液を採取し、充放電に伴う副反応などによる成分組成、価数の経年特性を分析したが、3年間の運用では寿命予測が可能なレベルの性能低下は認められず、容量低下がほとんどない電池であることを示唆するデータが得られた。この結果は、「レドックスフロー電池では電池反応が電解液中のイオンの価数変化のみであるため、固体活物質を使う場合のような活物質の脱落や電析などの寿命阻害要因がない」という原理を実証する結果であり、少なくとも電解液に関しては10年から20年の運用は許容できるものと考えられる。
電解液循環部材(ポンプ、タンクおよび配管)に関しても、現地からサンプリングした部材の解体調査や機械強度測定を行ったが、電解液同様に、顕著な経年劣化は認められず、10年から20年程度の使用は十分許容できると考えられる。設計時点で、電解液の酸化力に対して十分な耐性を有する材質を選定していること、また、電解液循環設計、配管レイアウト等は流体の機械挙動を考慮しており、本設計が化学面、機械面いずれにおいても問題がないことを確認できた。
レドックスフロー電池では電池システムを構成する各部材を個別に詳細に分析調査することが可能である。このため、劣化現象を部位別に詳細に評価でき、本事業の従来と異なる特徴を有する運用での蓄電池の経年劣化分析を評価するという観点では、対象とする蓄電池としてレドックスフロー電池が適していたと言える。また、本事業で得られた成果は、例えば低充電状態時間が長いことによる酸化劣化抑制効果等、他の蓄電池にも経年劣化の考え方等で役立つものである。
英文要約Title: Wind Power Stabilization Technology Development Project - Analyses of Aged Deterioration -
In the Tomamae Winvilla power plant, the proof research to stabilize total power of the large scale wind farm using the storage battery system was performed from 2005 to 2007, and the effectiveness was shown. To evaluate the aged deterioration of the storage battery operated for the wind power stabilization, the main components of the redox flow battery system supplied to the proof examination for three years, were sampled and the electrical property and various physical properties were analyzed in the present research.
As the characteristic of the storage battery operation in the wind power stabilizer usage, there are features with many electrical charge and discharge cycles, small an average electrical charge and discharge output, low state of charge, low utilization rates, and many start and stop frequencies, compared with the load-leveling usage which is the conventional usage of electric storage batteries. Various analyses were executed by the viewpoint of investigating the difference of the aged deterioration characteristic of the storage battery by the difference operation features. As a result, the following results were achieved.
Four cell stacks were sampled, and the electrical property and various physical properties were analyzed at the component level, after dismantlement investigations. As a result, deterioration in the ion-exchange membrane that is the biggest longevity factor of cell stacks is suppressed compared with the load leveling usage. This is because the time exposed to high oxidized electrolyte shortened on the condition of low state of charge that is the feature of wind power stabilizer operation. Moreover, it was shown that the battery had an enough cycle life because remarkable deterioration had not been admitted though alternation of about 180,000 times charge and discharges while examining proof. It was able to be confirmed that the wind power stabilizer usage is more advantageous than the load leveling usage for the longevity of the storage battery.
Electrolyte was sampled, and the change of element composition by the side reaction, oxidation state characteristics were analyzed. As a result, the performance decrease in three years operation is too little to estimate life prediction. From these results, it can be said that the redox flow battery is the battery with little capacity drop, and that the principle "there is no factor of longevity obstruction such as dropout or deposition of active material, because the cell reactions are only the valence changes of ions in electrolyte of the redox flow battery" is proved. The electrolyte can be allowed for 10-20 years operation.
As for the electrolyte circulation system, some components (pumps, pipes, and tanks) are sampled from the system, and the dismantlement investigation and the strength measurement were done. As a result, a remarkable aged deterioration is not admitted, and it can be said 10-20 years operation is allowed. The material of the circulation system were selected to have enough tolerance for the oxidization by electrolyte, and the circulation system and piping layout were designed taking account of the machine behavior of fluid. It can be confirmed that there was chemically and mechanically no problem in these selection and designs.
These results achieved in this research will be useful also for the idea of deterioration in other storage batteries applied to wind power stabilizer.
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