CN112002105B - 基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电化学储能电站安全监控的技术领域，具体涉及一种基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，包括分子探针标签、摄像头和主机；本发明通过分子探针标签气体传感区的颜色变化实现对电化学储能器件故障实时的安全预警，并通过分子探针标签的位置标记区或摄像头正对分子探针标签时摄像头在滑轨上的位置实现对异常电化学储能器件的定位，从而使储能电站运维人员在第一时间获得预警信号，并且有针对性地采取相应的安全措施。分子探针技术具有免驱动、高灵敏、低成本、抗干扰等优势，对于大规模储能电站的运行安全有重要的应用价值。

Description

基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统
技术领域
本发明属于安全监控技术领域，具体涉及一种基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统。
背景技术
石油、煤炭、天然气的日益枯竭，催生了从非可再生到可再生转变的第三次能源革命。然而，太阳能、风能、海洋能等可再生能源通常受到季节、气象、地域等条件的影响，呈现明显的波动性和不连续性，可调节性也较差，所以可再生能源发出的电能不能直接接入电网或供用户使用。大规模高效的储能系统可以很好地平抑新能源发电的不稳定性，是支撑可再生能源发展和普及的关键技术，对电力系统发展和能源变革亦有重要作用，“新能源+储能”被认为是未来能源获取和利用的终极形态。
以锂离子电池为代表的电化学储能技术具有能量密度高、循环寿命长、绿色环保等优点，是大规模储能系统的主要应用技术。当前，基于锂离子电池等电化学电池技术的储能电站大多采用预制舱式，即若干个电池串并联构成一个电池模组，若干个电池模组串并联构成一个电池簇、若干个电池簇串并联后布置于预制舱中。一般而言，一个预制舱中的电池会达上万支。然而由于工艺技术等原因，各个电池的容量、内阻、开路电压等电化学参数存在一定的不一致性，长时间的集成化运行特别是大倍率、高频率的充放电循环使得电池的不一致性进一步加深，进而引发电池内部的热失控反应。因此，实时监测电池状态，对大规模储能系统的运行安全具有重要意义。
现有储能电站的安全监控主要依靠安装在预制舱顶部的烟感、温感传感器以及零散布置在电池模组中的热电偶进行。一方面，由于烟感、温感传感器价格较高，从建设成本考虑，一个预制舱中安装的传感器数量有限，使得传感器与电池模组之间存在一定的空间间隔，所以电池发生故障后传感器并不能迅速感知，当热失控发展到一定阶段，释放了大量的烟雾和热量之后才能被传感器探测。此外，这类传感器多为电化学型，其产生的感应电流容易受到舱内电磁波的干扰而产生误报。另一方面，热电偶测温虽然精度较高，但是探测面积有限，而且需要外部电能驱动，与控制模块之间还需要线路连接，单纯地提高热电偶的布置密度会增加电池模组内的电气复杂程度，也会影响运行过程中电池的散热。所以，现有的监控设施无法实现对规模化的储能系统进行及时、稳定、可靠的安全预警。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，可以解决电化学储能电站现有安全监测系统在电化学储能器件出现异常后难以及时进行感知并定位的问题，使储能电站运维人员可以在第一时间获得预警信号和异常电化学储能器件位置，并有针对性地采取安全措施，避免因危情发现不及时而蔓延造成较大损失，提升储能电站的安全运行水平。
为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：
本发明提供一种基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，包括分子探针标签、摄像头和主机；
所述分子探针标签数量为多个，分布设置于电化学储能器件组中，分子探针标签设有能够与气体发生特异性反应并产生颜色变化的气体传感区；
所述摄像头用于拍摄所有分子探针标签的实时图像信息并传送给主机；
所述主机用于根据分子探针标签气体传感区的实时图像信息识别异常电化学储能器件，以及，用于识别异常电化学储能器件的位置信息，并输出报警信号和异常电化学储能器件的位置信息。
优选的，所述气体传感区设有至少一个特异反应区，每个特异反应区表面均涂有能够与一氧化碳、一氧化氮和硫化氢中的一种或多种发生特异性反应并产生颜色变化的功能分子，所述特异性反应产生颜色变化所需的时间为1秒~30分钟。
优选的，所述分子探针标签还设有记载电化学储能器件位置信息的位置标记区；所述主机根据所述位置标记区的图像识别异常电化学储能器件的位置。
优选的，所述位置标记区记载电化学储能器件的位置信息，包括：电化学储能器件在储能电站中具体的预制舱编号、电化学储能器件组编号和电化学储能器件编号；所述位置信息采用中文、英文、一维码、二维码或者数字编号的形式印在位置标记区。
优选的，所述摄像头固定在预制舱内壁上。
优选的，所述摄像头固定安装在预制舱内设置的滑轨上。
优选的，所述主机还用于，
根据摄像头正对分子探针标签时摄像头在滑轨上的位置识别异常电化学储能器件的位置信息。
优选的，所述摄像头为可见光摄像头或荧光摄像头，所述摄像头通过有线通讯或无线通讯将所有分子探针标签的实时图像信息传送给主机。
优选的，所述主机具体用于，
根据分子探针标签气体传感区的实时图像信息，通过RGB三基色计色体系、YUV计色体系和HLS计色体系中的一种或多种计算分子探针标签气体传感区表面的颜色变化值；
将颜色变化值与预设阈值进行比较，识别出颜色变化值超过预设阈值的分子探针标签；
将颜色变化值超过预设阈值的分子探针标签所在区域的电化学储能器件判定为异常电化学储能器件。
优选的，所述电化学储能器件组由采用有机电解液的电化学储能器件组成。
优选的，所述电化学储能器件组包括，
锂离子电池、钠离子电池、铝离子电池、钾离子电池和镁离子电池金属离子电池中的一种或多种组成的电池簇或电池组；
或锂离子混合超级电容器和钾离子混合超级电容器金属离子混合超级电容器中的一种或两种组成的超级电容器组。
本发明的有益效果：
本发明提供的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，通过分子探针标签气体传感区的颜色变化实现对电化学储能器件故障实时的安全预警，并通过分子探针标签的位置标记区或摄像头正对分子探针标签时摄像头在滑轨上的位置实现对异常电化学储能器件的精准定位，从而使储能电站运维人员在第一时间获得预警信号，并且有针对性地采取相应的安全措施。分子探针技术具有免驱动、高灵敏、低成本、抗干扰等优势，对于大规模储能电站的运行安全有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统的结构图；
图2为本发明分子探针标签的结构图。
具体实施方式
下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，包括分子探针标签2、摄像头3和主机4。
参见图1，分子探针标签2布置于电化学储能器件组1中，可根据需要实现的故障定位精度调节分子探针标签2布置的密度，可以将分子探针标签2分布放置于每个电化学储能器件组1中或每个电化学储能器件上。如图2所示，分子探针标签2设有能够与气体发生特异性反应并产生颜色变化的气体传感区2-1，气体传感区2-1设有至少一个特异反应区，特异反应区表面均涂有能够与一氧化碳、一氧化氮和硫化氢中的一种或多种发生特异性反应并产生颜色变化的功能分子，例如具有芳香邻二胺基团的分子能够对一氧化氮进行特异性识别，钌配合物能够对一氧化碳进行特异性识别。气体传感区2-1工作时不需要外部能量驱动，当气体传感区2-1接触到一氧化碳、一氧化氮和硫化氢等气体时，气体传感区2-1表面颜色会发生明显变化。根据功能分子的成分，同一个分子探针标签2可以对一氧化碳、一氧化氮和硫化氢等气体中的特定一种发生变色反应，也可以对一氧化碳、一氧化氮和硫化氢等气体中的两种或两种以上同时发生颜色变化反应，也可以是同一个分子探针标签2上不同的特异反应区分别对一种或多种气体发生变色反应。实际使用中，由于功能分子的种类较多，对于同一种气体，气体传感区2-1会发生不同的变色反应，气体传感区2-1的具体颜色变化要根据功能分子的种类而定。根据功能分子的成分，特异性反应产生颜色变化所需的时间为1 秒~30 分钟，变色的速率和程度与功能分子接触到的一氧化碳、一氧化氮和硫化氢等气体的浓度有关。分子探针标签2还设有标记电化学储能器件位置信息的位置标记区2-2，位置信息可以以中文、英文或者以一维码、二维码、数字编号等形式印在分子探针标签2表面。电化学储能器件的位置信息，具体到发生故障的电化学储能器件在储能电站中具体的预制舱编号、电化学储能器件组编号、电化学储能器件编号等信息。
摄像头3安装在预制舱内，摄像头3将所有分子探针标签2的实时图像信息传送给主机4。具体的，摄像头3可根据气体传感区2-1表面涂有的功能分子配置，可以为普通可见光摄像头，也可以为荧光摄像头。摄像头3可以固定在预制舱内部的侧壁或顶壁，也可以安装在预制舱内设置的滑轨上，摄像头3根据拍摄需要可以安装一个或多个，确保能够拍到所有分子探针标签2的实时图像信息。摄像头3通过有线通讯或无线通讯将所有分子探针标签2的实时图像信息传送给主机4。
主机4根据分子探针标签2气体传感区2-1的实时图像信息识别异常电化学储能器件，主机4识别异常电化学储能器件的位置，并输出报警信号和异常电化学储能器件的位置信息。具体的，主机4根据分子探针标签2气体传感区2-1的实时图像信息，通过RGB三基色计色体系、YUV计色体系、HLS计色体系中的一种或多种计算分子探针标签2气体传感区2-1表面的颜色变化值；将颜色变化值与预设阈值进行比较，识别出颜色变化值超过预设阈值的分子探针标签2；将颜色变化值超过预设阈值的分子探针标签2所在区域的电化学储能器件判定为异常电化学储能器件。主机4可根据分子探针标签2的位置标记区2-2识别异常电化学储能器件的位置信息，也可根据摄像头3正对分子探针标签2时摄像头3在滑轨上的位置识别异常电化学储能器件的位置信息。主机4在检测出异常电化学储能器件后，释放出安全预警信号和异常电化学储能器件位置信息，使运维人员第一时间获得预警信号和异常电化学储能器件位置，有针对性地对异常电化学储能器件采取相应的安全措施。
本发明适用的电化学储能器件组1由采用有机电解液（如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等）的电化学储能器件组成。
具体的，电化学储能器件组1可以为锂离子电池、钠离子电池、铝离子电池、钾离子电池、镁离子电池等金属离子电池中的一种或多种组成的电池簇或电池组。
本发明对采用锂离子混合超级电容器、钾离子混合超级电容器等金属离子混合超级电容器中的一种或两种组成的超级电容器组同样适用。
本发明的工作原理如下：
对于已商用的锂离子电池、钠离子电池以及未来可能会普及的铝离子电池、钾离子电池、镁离子电池等金属离子电池，以及锂离子混合超级电容器、钾离子混合超级电容器等金属离子混合超级电容器，大多采用有机系的电解液，例如锂离子电池主要使用的电解液为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯。当电池在发生热失控的初期，有机电解液会在电池内部发生分解产生一氧化碳、一氧化氮和硫化氢等气体，并且能在电池安全阀打开之前逸出到环境空气中。因此，对一氧化碳、一氧化氮和硫化氢等特征气体进行实时监测，可以在电池出现异常的第一时间发出预警信号。本发明通过分子探针标签2对储能系统中的每个电化学储能器件组1甚至每个电化学储能器件进行分布式的特征气体监测，并通过分子探针标签2的位置标记区2-2或摄像头3正对分子探针标签2时摄像头3在滑轨上的位置实现对异常电化学储能器件的精准定位，就可以根据特征气体的释放源确定出异常电化学储能器件在储能系统的具体位置。
实施例1
本发明实施例提供一种基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，参见图1，电化学储能器件组1由6个锂离子电池模组组成，分子探针标签2粘贴在每个锂离子电池模组上，该分子探针标签2的位置标记区2-2采用二维码标记了分子探针标签2的位置信息，即对6个锂离子电池模组进行了标记，分子探针标签2的气体传感区2-1设有一个特异反应区，特异反应区表面涂有能够与一氧化碳气体产生特异性反应的钌配合物功能分子。安装在预制舱顶壁上的广角高清摄像头3能够观察到所有分子探针标签2，并将分子探针标签2的实时图像信息通过有线传输传送给主机4。主机4通过RGB三基色计色体系计算分子探针标签2气体传感区2-1表面的颜色变化值，即通过三原色值的变化量识别气体传感区2表面的颜色变化。
当其中一个模组内的锂离子电池发生异常，在锂离子电池热失控的初期，由于有机电解液中的碳酸乙烯酯分解，产生的一氧化碳气体逸出，涂在该模组上的分子探针标签2上的钌配合物功能分子与一氧化碳迅速反应，气体传感区2-1表面在10秒内颜色从黄色变成蓝色。气体传感区2-1表面的变色过程被主机4识别，主机4判定该模组中的电池已发生故障，读取分子探针标签2位置标记区2-2上的二维码，解析出该电池模组在储能系统中的位置是第二行第二列。主机4释放出该电池模组的预警信号和位置信息，站内运维人员收到预警信号和位置信息采取断电措施，在将故障电池模组更换后，储能系统重启工作。
实施例2
本发明实施例提供一种基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，电化学储能器件由6个钠离子电池模组组成，分子探针标签粘贴在每个钠离子电池模组上。分子探针标签采用数字编码标记位置信息，气体传感区的气体传感区设有一个特异反应区，特异反应区表面涂有能够与一氧化氮气体产生特异性反应的带有芳香邻二胺基团的功能分子。安装在预制舱内壁上的4000万像素的广角摄像头能够观察到所有分子探针标签，并将实时图像信息通过无线信号传送给主机。主机通过HLS计色体系计算分子探针标签气体传感区表面的颜色变化值，即通过亮度、色饱和度和色调的变化值识别气体传感区表面的颜色变化。
当其中一个模组的钠离子电池发生异常，在钠离子电池热失控的最初期，由于有机电解液碳酸二乙酯的分解，产生的一氧化氮气体逸出，涂在该模组上的分子探针标签上的带有芳香邻二胺基团的功能分子与一氧化氮迅速反应，在5秒钟之内气体传感区的颜色由绿色变成红色。气体传感区表面的变色过程被主机识别，主机判定该模组中的钠离子电池已发生故障，读取分子探针标签上的数字编码，解析出该电池模组在储能系统中的位置是第二行第二列。主机释放出该电池模组的预警信号和位置信息，站内运维人员根据预警信号和位置信息采取断电措施，在将故障电池模组更换后，储能系统重启工作。
本发明提供的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，通过分子探针标签气体传感区的颜色变化实现对电化学储能器件故障实时的安全预警，并通过分子探针标签的位置标记区或摄像头正对分子探针标签时摄像头在滑轨上的位置实现对异常电化学储能器件的精准定位，从而使储能电站运维人员在第一时间获得预警信号，并且有针对性地采取相应的安全措施。分子探针技术具有免驱动、高灵敏、低成本、抗干扰等优势，对于大规模储能电站的运行安全有重要的应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，包括分子探针标签、摄像头和主机；
所述分子探针标签数量为多个，分布设置于电化学储能器件组中，分子探针标签设有能够与气体发生特异性反应并产生颜色变化的气体传感区；所述气体传感区设有至少一个特异反应区，每个特异反应区表面均涂有能够与气体发生特异性反应并产生颜色变化的功能分子；
所述摄像头用于拍摄所有分子探针标签的实时图像信息并传送给主机；
所述主机用于根据分子探针标签气体传感区的实时图像信息识别异常电化学储能器件，以及，用于识别异常电化学储能器件的位置信息，并输出报警信号和异常电化学储能器件的位置信息；
所述主机用于根据分子探针标签气体传感区的实时图像信息，计算分子探针标签气体传感区表面的颜色变化值；
将颜色变化值与预设阈值进行比较，识别出颜色变化值超过预设阈值的分子探针标签；
将颜色变化值超过预设阈值的分子探针标签所在区域的电化学储能器件判定为异常电化学储能器件。
2.根据权利要求1所述的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，所述每个特异反应区表面均涂有能够与一氧化碳、一氧化氮和硫化氢中的一种或多种发生特异性反应并产生颜色变化的功能分子，所述特异性反应产生颜色变化所需的时间为1秒～30分钟。
3.根据权利要求1所述的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，所述分子探针标签还设有记载电化学储能器件位置信息的位置标记区；所述主机根据所述位置标记区的图像识别异常电化学储能器件的位置。
4.根据权利要求3所述的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，所述位置标记区记载电化学储能器件的位置信息，包括：电化学储能器件在储能电站中具体的预制舱编号、电化学储能器件组编号和电化学储能器件编号；所述位置信息采用中文、英文、一维码、二维码或者数字编号的形式印在位置标记区。
5.根据权利要求1所述的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，所述摄像头固定在预制舱内壁上。
6.根据权利要求1所述的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，所述摄像头固定安装在预制舱内设置的滑轨上。
7.根据权利要求6所述的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，所述主机还用于，
根据摄像头正对分子探针标签时摄像头在滑轨上的位置识别异常电化学储能器件的位置信息。
8.根据权利要求5或6所述的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，所述摄像头为可见光摄像头或荧光摄像头，所述摄像头通过有线通讯或无线通讯将所有分子探针标签的实时图像信息传送给主机。
9.根据权利要求1所述的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，所述主机具体用于，
根据分子探针标签气体传感区的实时图像信息，通过RGB三基色计色体系、YUV计色体系和HLS计色体系中的一种或多种计算分子探针标签气体传感区表面的颜色变化值。
10.根据权利要求1所述的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，所述电化学储能器件组由采用有机电解液的电化学储能器件组成。
11.根据权利要求10所述的基于分子探针的电化学储能电站安全预警及故障定位系统，其特征在于，所述电化学储能器件组包括，
锂离子电池、钠离子电池、铝离子电池、钾离子电池和镁离子电池金属离子电池中的一种或多种组成的电池簇或电池组；
或锂离子混合超级电容器和钾离子混合超级电容器金属离子混合超级电容器中的一种或两种组成的超级电容器组。
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