CN109509898A - 适用于液流电池的热量回收系统及回收方法 - Google Patents

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Abstract

适用于液流电池的热量回收系统及回收方法，属于热量回收领域，用于解决全钒液流电池系统能量效率提升的问题，技术要点是：包括电堆、与电堆分别连接的负极电解液储罐及正极电解液储罐，所述负极电解液储罐、正极电解液储罐中的至少一个连接于热泵以将在其储罐中流动的电解液与存储介质换热。效果是：所述热量回收系统将热泵与液流电池系统进行了结合，既能实现液流电池电解液的冷却，又能回收液流电池工作中产生的热量，从而提高液流电池系统的整体能量效率。

Description

适用于液流电池的热量回收系统及回收方法
技术领域
本发明属于热量回收领域，涉及一种液流电池的热量回收系统及回收方法。
背景技术
液流电池以其环境友好、安全可靠、功率和容量可灵活设计组合等优点，在大规模储能领域具有极大的应用价值。液流电池中，储能介质通常为电解质的水溶液，电解质溶解度在不同温度下差异较大。此外，电池内电化学反应速率也受温度的直接影响。为保证液流电池的安全稳定运行，需要对液流电池电解液的温度进行严格的控制。
液流电池在充放电过程中，电能与化学能的转换过程存在一定的能量损失，该损失能量中的绝大部分都存留于电解液中引起电解液温度的升高。在连续充放电运行的液流电池系统中，需要采取措施对电解液进行降温。
在目前常见的液流电池系统中，多采取在电解液回路中增加空冷散热器或空调制冷机等散热制冷设备来对电解液进行降温。这种冷却方式，只是将热量散失到环境中，并不能对这些热量进行有效利用，而散热环节还为液流电池系统增加了循环泵和制冷机的电耗，进一步降低了整体能量效率。
热泵作为余热回收领域的常见技术设备，能够以较小的高品位电能的消耗，回收大量的低温热能，在低品位热量回收场景中得到了广泛应用。如在液流电池中引入热泵形式的余热回收装置，并结合液流电池运行模式的工况特点，开发热泵热量回收控制策略及方法，在满足电解液降温需求的同时，将液流电池能量转换损失的大部分能量进行回收，可显著提升液流电池系统能量效率及输出外特性。
发明内容
为了解决对全钒液流电池系统能量效率提升的问题，本发明提出如下技术方案：
一种适用于液流电池的热量回收系统，包括电堆、与电堆分别连接的正极电解液储罐及负极电解液储罐，所述负极电解液储罐、正极电解液储罐中的至少一个连接于热泵以将在其储罐中流动的电解液与存储介质换热。
进一步的，正极电解液储罐、负极电解液储罐分别通过管道经电解液循环泵与电堆入口相连接；电堆出口通过管道经第一蒸发器进液阀与热泵蒸发器的热源介质入口相连接，热泵蒸发器的热源介质出口经第一蒸发器出液阀的阀门与正极电解液储罐相连接，电堆出口还通过管道经第一蒸发器旁路阀与正极电解液储罐直接连接。
进一步的，正极电解液储罐、负极电解液储罐分别通过管道经电解液循环泵与电堆入口相连接；电堆出口通过管道经第二蒸发器进液阀与热泵蒸发器的热源介质入口相连接，热泵蒸发器的热源介质出口经第二蒸发器出液阀的阀门与负极电解液储罐相连接，电堆出口还通过管道经第二蒸发器旁路阀与负极电解液储罐直接连接。
进一步的，所述热泵，其热泵蒸发器循环介质出口经管道与热泵压缩机的入口连接，热泵压缩机的出口经管道与热泵冷凝器的循环介质入口连接，热泵冷凝器的循环介质出口经管道与热泵节流阀的入口连接，热泵节流阀的出口经管道与热泵蒸发器循环介质入口连接。
进一步的，所述存储介质为蓄水箱中的循环水，蓄水箱的循环水出口经水循环泵与热泵冷凝器的循环水入口连接，热泵冷凝器的循环水出口与蓄水箱的循环水入口连接，蓄水箱冷水进水口、热水出水口与外部连接。
进一步的，所述存储介质为循环水，冷水进水与热泵蒸发器的循环水入口连接，热水出水与热泵蒸发器的循环水出口连接。
本发明还涉及一种所述适用于液流电池的热量回收系统的回收方法，其特征在于，电池放电使电堆内产生热量，由电解液携带出电堆，当电解液温度偏高时，从电堆流出的电解液先进入热泵蒸发器降温，再进入电解液储罐。
进一步的，所述电解液进入热泵蒸发器降温时，热泵内的循环介质在热泵蒸发器和热泵冷凝器之间循环以对电解液的热量进行收集，连同热泵压缩机输入的能量，转移到流经热泵冷凝器的存储介质中。
进一步的，所述存储介质是蓄水箱内的循环水，该循环水经循环水泵升压，进入热泵冷凝器并得到加热，升温后的循环水返回蓄水箱，来自外部的冷水和供给外部的热水分别通过各自管道流入和流出蓄水箱。
本发明还涉及一种适用于液流电池的热量回收的控制方法，包括如下步骤：
A1：准备工作，执行A2；
A2：判断蒸发器进液阀、蒸发器出液阀是否开启，蒸发器旁路阀是否关闭，是则执行A4，否则执行A3；
A3：开启蒸发器进液阀、蒸发器出液阀，关闭蒸发器旁路阀，执行A2；
A4：启动电解液循环泵和电控设备，接受用户指令进行充放电，执行A5；
A5：电解液温度传感器实时检测电解液温度，执行A6；
A6：判断电解液温度是否达到温度上限，是则执行A9，否则执行A7；
A7；判断电解液温度是否低于温度下限，是则执行A6，否则执行A8；
A8：判断电池是否处于充电状态，是则执行A9，否则执行A6；
A9：启动热泵压缩机，启动水循环泵，执行A10；
A10：判断电解液温度是否低于温度中间值，是则执行A11，否则执行A10；
A11：判断电池是否处于充电状态，是则执行A12，否则执行A13；
A12：判断电解液温度是否低于温度下限值，是则执行A13，否则执行A11；
A13：关闭热泵压缩机，关闭水循环泵。
有益效果：本发明将所述热量回收系统将热泵与全钒液流电池系统进行了结合，既能保证液流电池电解液的冷却，又能回收液流电池工作中产生的热量，从而提高系统的整体能量效率。特别是本发明提出的控制方式，能够通过合理控制热泵压缩机和水循环泵的启停，减小放电时段电池系统自身消耗的电功率，同等条件下增加放电时段输出的电功率，从而增强电池系统整体的放电功率的调节能力和对电力用户尖峰负荷的保障能力，同时实现了与电能供需情形一致的经济运行。以全钒液流电池为例，上述系统实施后，理论上可将电池系统能量效率由目前的70％左右提升至90％左右。
附图说明
图1为本发明的适用于液流电池的热量回收系统的结构示意图；
图2为适用于液流电池的热量回收系统的回收方法的流程图。
其中：1-负极电解液储罐，2-电堆，3-正极电解液储罐，4-第一蒸发器旁路阀门，5-第一蒸发器进液阀，6-第一蒸发器出液阀，7-热泵蒸发器，8-热泵压缩机，9-热泵冷凝器，10-水循环泵，11-蓄水箱，12-热泵节流阀，13-电解液温度传感器，14-电解液循环泵，15-第二蒸发器旁路阀门，16-第二蒸发器进液阀，17-第二蒸发器出液阀。
具体实施方式
实施例：适用于液流电池的热量回收系统及回收方法，其中：
如图1所示的适用于液流电池的热量回收系统中，电堆2、负极电解液储罐1、正极电解液储罐3、电解液循环泵14及相应管路构成液流电池本体；热泵蒸发器7、热泵压缩机8、热泵冷凝器9、热泵节流阀12以及相应管路共同构成的热泵本体。热泵蒸发器7包含循环介质入口、循环介质出口、电解液入口、电解液出口，热泵冷凝器7包含循环介质入口、循环介质出口、循环水入口、循环水出口。正极电解液储罐3和负极电解液储罐1内安装有温度传感器13。
正极电解液储罐3和负极电解液储罐1通过管道经电解液循环泵14与电堆2入口相连接；电堆2出口通过管道经第一蒸发器进液阀5与热泵蒸发器7热源介质入口相连接，热泵蒸发器7热源介质出口经第一蒸发器出液阀6与正极电解液储罐3相连接，电堆2出口还通过管道经第一蒸发器旁路阀4与正极电解液储罐3直接连接。
在同类方案中，也可以选择以相似形式将电堆2出口至负极电解液储罐1的管道连接至热泵蒸发器5(图1中虚线)，即电堆2出口通过管道经第二蒸发器进液阀16与热泵蒸发器7的热源介质入口相连接，热泵蒸发器7的热源介质出口经热泵出液阀17与负极电解液储罐1相连接，电堆3出口还通过管道经第二蒸发器旁路阀15与负极电解液储罐1直接连接。
热泵蒸发器7循环介质出口经管道与热泵压缩机8入口连接，热泵压缩机8出口经管道与热泵冷凝器9循环介质入口连接，热泵冷凝器9循环介质出口经管道与热泵节流阀12入口连接，热泵节流阀12出口经管道与热泵蒸发器7连接。
蓄水箱11循环水出口经水循环泵10与热泵冷凝器9循环水入口连接，热泵冷凝器9循环水出口与蓄水箱11循环水入口连接，蓄水箱冷水进水口、热水出水口与外部连接。在同类方案中，外部冷水进水、热水出水还可直接与热泵蒸发器5循环水入口、出口连接。
以上罐体、水箱、管路等均具有保温措施。
电池系统正常放电时，电堆2内将产生热量，由电解液携带出电堆。当电解液温度传感器13检测到电解液温度偏高时，从电堆2流出的正极(或负极)电解液，直接进入热泵蒸发器7，降温后进入正极(或负极)电解液储罐3(或1)。在电解液无需降温时，可以操作阀门使电解液直接从电堆返回电解液储罐。该方案中，对于当电解液温度偏高时，作出如下说明，认为该温度处于40摄氏度以上时处于偏高状态，目前的工程中，该偏高温度的范围往往设定为40-45摄氏度，当然，在其他的方案中，根据工艺条件的不同，可以设定低于40摄氏度时也为偏高状态，或者将该偏高温度的设置点提高，如46摄氏度以上才算偏高，由工程实际需要自行设定即可。
热泵内循环介质在热泵蒸发器7和热泵冷凝器9之间循环，实现对上述电解液热量的收集，连同热泵压缩机输入的能量，一同转移到流经热泵冷凝器9的循环水中。
蓄水箱11内的循环水经循环水泵10升压，进入热泵冷凝器9并得到加热，升温后的循环水返回蓄水箱11。来自外部的冷水和供给外部的热水分别通过各自管道流入和流出蓄水箱11。在同类方案中，还可以根据实际情况取消蓄水箱11，来自外部的冷水直接进入热泵冷凝器9，加热后直接作为热水供给外部。
如图2所示的适用于液流电池的热量回收系统的回收方法，需要对电解液温度设定三个控制值，分别是温度上限、温度下限和温度中间值，其中温度中间值是介于温度上限和温度下限之间的某一中间数值。该方法的具体步骤如下：
A1：准备工作，执行A2；
A2：判断蒸发器进液阀、蒸发器出液阀是否开启，蒸发器旁路阀是否关闭，是则执行A4，否则执行A3；
A3：开启蒸发器进液阀、蒸发器出液阀，关闭蒸发器旁路阀，执行A2；
A4：启动电解液循环泵和电控设备，接受用户指令进行充放电，执行A5；
A5：电解液温度传感器实时检测电解液温度，执行A6；
A6：判断电解液温度是否达到温度上限，是则执行A9，否则执行A7；
A7；判断电解液温度是否低于温度下限，是则执行A6，否则执行A8；
A8：判断电池是否处于充电状态，是则执行A9，否则执行A6；
A9：启动热泵压缩机，启动水循环泵，执行A10；
A10：判断电解液温度是否低于温度中间值，是则执行A11，否则执行A10；
A11：判断电池是否处于充电状态，是则执行A12，否则执行A13；
A12：判断电解液温度是否低于温度下限值，是则执行A13，否则执行A11；
A13：关闭热泵压缩机，关闭水循环泵。
该控制方式，能够通过合理控制热泵压缩机和水循环泵的启停，减小放电时段电池系统自身消耗的电功率，同等条件下增加放电时段输出的电功率，从而增强电池系统整体的放电功率的调节能力和对电力用户尖峰负荷的保障能力，同时实现了与电能供需情形一致的经济运行。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于液流电池的热量回收系统，包括电堆、与电堆分别连接的正极电解液储罐及负极电解液储罐，其特征在于，所述负极电解液储罐、正极电解液储罐中的至少一个连接于热泵以将在其储罐中流动的电解液与存储介质换热。
2.如权利要求1所述的适用于液流电池的热量回收系统，其特征在于，正极电解液储罐(3)、负极电解液储罐(1)分别通过管道经电解液循环泵(14)与电堆(2)入口相连接；电堆(2)出口通过管道经第一蒸发器进液阀(5)与热泵蒸发器(7)的热源介质入口相连接，热泵蒸发器(7)的热源介质出口经第一蒸发器出液阀(6)与正极电解液储罐(3)相连接，电堆(3)出口还通过管道经第一蒸发器旁路阀(4)与正极电解液储罐(3)直接连接。
3.如权利要求1所述的适用于液流电池的热量回收系统，其特征在于，正极电解液储罐(3)、负极电解液储罐(1)分别通过管道经电解液循环泵(14)与电堆(2)入口相连接；电堆(2)出口通过管道经第二蒸发器进液阀(16)与热泵蒸发器(7)的热源介质入口相连接，热泵蒸发器(7)的热源介质出口经第二蒸发器出液阀(17)与负极电解液储罐(1)相连接，电堆(3)出口还通过管道经第二蒸发器旁路阀(15)与负极电解液储罐(1)直接连接。
4.如权利要求1所述的适用于液流电池的热量回收系统，其特征在于，所述热泵，其热泵蒸发器(7)循环介质出口经管道与热泵压缩机(8)的入口连接，热泵压缩机(8)的出口经管道与热泵冷凝器(9)的循环介质入口连接，热泵冷凝器(9)的循环介质出口经管道与热泵节流阀(12)的入口连接，热泵节流阀(12)的出口经管道与热泵蒸发器(7)循环介质入口连接。
5.如权利要求1所述的适用于液流电池的热量回收系统，其特征在于，所述存储介质为蓄水箱(11)中的循环水，蓄水箱(11)的循环水出口经水循环泵(10)与热泵冷凝器(9)的循环水入口连接，热泵冷凝器(9)的循环水出口与蓄水箱(11)的循环水入口连接，蓄水箱冷水进水口、热水出水口与外部连接。
6.如权利要求1所述的适用于液流电池的热量回收系统，其特征在于，所述存储介质为循环水，冷水进水与热泵蒸发器(7)的循环水入口连接，热水出水与热泵蒸发器(7)的循环水出口连接。
7.一种权利要求1-6中任一项所述适用于液流电池的热量回收系统的回收方法，其特征在于，电池放电使电堆内产生热量，由电解液携带出电堆，当电解液温度偏高时，从电堆流出的电解液进入热泵蒸发器降温，电解液降温后进入电解液储罐。
8.如权利要求7所述的适用于液流电池的热量回收系统的回收方法，其特征在于，所述电解液进入热泵蒸发器降温时，热泵内的循环介质在热泵蒸发器和热泵冷凝器之间循环以对电解液的热量进行收集，连同热泵压缩机输入的能量，转移到流经热泵冷凝器的存储介质中。
9.如权利要求7所述的适用于液流电池的热量回收系统的回收方法，其特征在于，所述存储介质是蓄水箱内的循环水，该循环水经循环水泵升压，进入热泵冷凝器并得到加热，升温后的循环水返回蓄水箱，来自外部的冷水和供给外部的热水分别通过各自管道流入和流出蓄水箱。
10.一种适用于液流电池的热量回收的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
A1：准备工作，执行A2；
A2：判断蒸发器进液阀、蒸发器出液阀是否开启，蒸发器旁路阀是否关闭，是则执行A4，否则执行A3；
A3：开启蒸发器进液阀、蒸发器出液阀，关闭蒸发器旁路阀，执行A2；
A4：启动电解液循环泵和电控设备，接受用户指令进行充放电，执行A5；
A5：电解液温度传感器实时检测电解液温度，执行A6；
A6：判断电解液温度是否达到温度上限，是则执行A9，否则执行A7；
A7；判断电解液温度是否低于温度下限，是则执行A6，否则执行A8；
A8：判断电池是否处于充电状态，是则执行A9，否则执行A6；
A9：启动热泵压缩机，启动水循环泵，执行A10；
A10：判断电解液温度是否低于温度中间值，是则执行A11，否则执行A10；
A11：判断电池是否处于充电状态，是则执行A12，否则执行A13；
A12：判断电解液温度是否低于温度下限值，是则执行A13，否则执行A11；
A13：关闭热泵压缩机，关闭水循环泵。
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