CN114006080B - 一种地下放置式储能电池模块舱及储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地下放置式储能电池模块舱及储能系统，属于储能装置领域，包括舱体，设置在地面以下，底部开设若干通风口；若干通风管，竖直设置在舱体外壁，分别与通风口连通，通风管上端连通有水平设置的渐缩进风口，进风口位于地面以上；舱盖，设置在舱体顶部；通水层，设置在舱体内侧，与舱体的外壁之间构成储水腔；舱体外壁设置有与储水腔连通的进水口和出水口；两个环形管路，分别设置在通水层内侧顶部和底部，并通过多个水平过流管与储水腔连通；多个竖直过流管，其两端分别与两个环形管路连通；相邻两个水平过流管之间形成一个放置腔，每个放置腔内放置一个储能电池模块。本发明采用水、风一体温度控制的方式，避免了超温现象的发生。

Description

一种地下放置式储能电池模块舱及储能系统
技术领域
本发明属于储能装置领域，具体涉及一种地下放置式储能电池模块舱及储能系统。
背景技术
在碳中和、碳达峰-双碳背景下，可再生能源和分布式能源得到了快速的发展，但是，风光等可再生能源主要通过吸收自然的风、光进行发电，本身具有较大的波动特性，这使得发电侧和用电侧间不能够完全的耦合，需要储能系统吸收多余电量、释放欠缺电量对其波动性进行平抑；另一方面，分布式能源系统，其发电规模和稳定性较低，需要储能系统充当电力系统的蓄水池，提高分布式能源系统的稳定性和安全性。
目前，最成熟的储能系统形式是锂离子电池储能系统，与乘用车的动力电池使用形式不同，其广泛运用在电力系统的各个区域，采用固定式放置的方式进行使用，但是，主流的储能用锂离子电池如磷酸铁锂、三元锂电池具有很大的安全性隐患，其在短路、过充过放、超温、制造缺陷下都有可能发生着火、爆炸等现象，因此，如何保证其运行安全，降低其事故风险就成了一个重点的关注方向。
现阶段，锂离子电池在电力储能系统中的应用，一般将电池单体集成为电池模组、电池模组串联成一组电池簇，几个电池簇组成一个大的电池模块；储能系统集成舱一般采用集装箱形式，将电池模块、电池管理系统、电池冷却系统、功率转换设备等设备集成在其中，放置在地面上。由于储能电池有一定的安全性问题，在运行中可能会发生着火、爆炸等事故，容易造成巨大的人员、经济损失；另外，储能电池运行时的运行温度和保存时的保存温度对其性能影响很大，温度不能过高也不能过低，因此需要通过空调等温控手段维持其温度，这就造成了大量的系统用电，尤其是在冬季，若温度过低，需要通过温控手段升高整个储能舱的温度。总的来说，目前的集装箱放置形式存在以下问题：
(1)电池舱采用集装箱放置在地上的形式，在发生事故时，其事故影响范围很大，首先整个集装箱内的储能系统会被烧毁，另外很容易波及附近的人和设备，需要通过一些技术方案降低事故的影响范围和程度；(2)储能电池必须保存在最佳温度区间，因此温控系统需要一直工作以维持其温度，达到“冬暖夏凉”的效果，同时，储能电池在运行时会放出大量的热，若热量不得到有效的吸收，很容易发生超温-燃烧爆炸等事故。因此，在运行时，温控系统长时间运行耗电量很大，另外，由于一般采用集装箱的缘故，其保温性能较差。(3)目前，储能系统集成舱一般整体温度控制采用空调/风冷、暖的形式，电池模组本身采用风冷、水冷的形式，因为一般集装箱的形式很难采用整体的水冷系统，因此整体的散热性能较差，风和水同时运行的经济性也较差，同时一般集成舱主要关注散热问题，散热问题好解决，而加热难解决。(4)若采用水冷系统，在冬季零下低温地区，水冷系统还需要持续循环，保持流动已达到防冻的效果，必要时可能需引进外部热源进行加热，浪费辅助用电。(5)现有以储能集装箱为单位的储能系统容量增加，除电池规模增加外，功率转换设备、电池温度控制系统等设备数量都需要增加，容量上升造成的成本下降不明显。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种地下放置式储能电池模块舱及储能系统。
一种地下放置式储能电池模块舱，包括：
舱体，所述舱体主体设置在地面以下，部分露出地面，底部开设若干通风口；
若干通风管，所述通风管竖直设置在所述舱体外壁，分别与所述通风口连通，所述通风管上端连通有水平设置的渐缩进风口，所述渐缩进风口位于地面以上；
舱盖，所述舱盖设置在所述舱体顶部；
通水层，所述通水层设置在所述舱体内侧，与所述舱体的外壁之间构成储水腔；所述舱体外壁设置有与所述储水腔连通的进水口和出水口；
两个环形管路，两个所述环形管路分别设置在所述通水层内侧顶部和底部，并通过多个水平过流管与所述储水腔连通；
及多个竖直过流管，所述竖直过流管两端分别与两个所述环形管路连通；
相邻两个所述水平过流管之间形成一个放置腔，每个放置腔内放置一个储能电池模块。
作为本发明的进一步改进，每个所述竖直过流管均通过多个所述水平过流管与所述储水腔连通，相邻两个所述水平过流管与所述竖直过流管之间设置有换热翅片。
作为本发明的进一步改进，所述通水层顶部和底部分别距离所述舱体的顶部和底部具有间距；所述进水口靠近所述舱体顶部，所述出水口靠近所述舱体底部，所述进水口处安装有加压水泵。
作为本发明的进一步改进，所述出水口与竖直设置在所述舱体侧壁的L型出水导管连通，所述L型出水导管的水平端出水口与所述进水口处于同一高度。
作为本发明的进一步改进，所述储能电池模块包括互相连接的多个储能电池簇及电池模组水冷系统，多个所述电池模组水冷系统互相连通，所述通水层内壁开设有水冷入口和水冷出口；所述水冷入口用于给所述电池模组水冷系统供水，所述水冷出口用于使所述电池模组水冷系统的水流出进行所述储水腔进行循环，所述水冷入口和水冷出口上均安装有电控阀门。
作为本发明的进一步改进，所述舱体内壁沿周向设置有与水平方向呈45度夹角的螺旋状导流片，所述导流片的宽度小于所述通水层内壁和舱体内壁之间的水平距离。
作为本发明的进一步改进，所述舱盖呈圆台状，其上顶面开设有吹风口，所述吹风处出安装有风机中心处安装有风机，所述风机的出口连通有L型导风管。
作为本发明的进一步改进，所述渐缩进风口内部设置有过滤网。
一种地下储能系统，包括所述的地下放置式储能电池模块舱，及温控设备、水泵和流量分配器；所述地下放置式储能电池模块舱放置在储能坑中，其进水口和出水口上分别连接有进水管和出水管；
所述温控设备与水泵、流量分配器、机房换热器依次连通，所述进水管通过进水主管路与所述流量分配器连通，所述出水管通过出水主管路与所述温控设备连通；
所述流量分配器出水口分为两路，一路连接机房换热器，一路连接进水主管路，进水主管路连接所述进水管；所述机房换热器通过调温管路与温控设备连通。
作为本发明的进一步改进，多个所述地下放置式储能电池模块舱依次放置在不同的储能坑中；
多个所述地下放置式储能电池模块舱的进水口互相串联，出水口互相串联；或者，
前一个所述地下放置式储能电池模块舱的出水口与后一个所述地下放置式储能电池模块的进水口连通。
本发明提供的地下放置式储能电池模块舱及储能系统具有以下有益效果：
本发明采用埋地式安装方法，内部采用水、风一体温度控制的散热方式，电池模组温度控制较好，不容易发生相关的超温事故；另外，储能电池模块舱主体处于地下，若发生电池着火及爆照事故，并不会波及附近的其余事物，大大降低了事故损失；同时，电池模块舱内部通过散热翅片分割成了四个部分，散热翅片四周有水流管路分布，一部分的电池事故对其他部分的影响降低了，降低了各部分连锁事故的风险。本发明所述系统扩容时，主要只需要增加储能电池模块舱及其内部电池模块的量，其余功率转换设备、电池温度控制系统不需增加数量，只需提高设备参数，高参数下设备运行经济性更好、单位造价更便宜，成本下降更为明显。
进一步，本发明采用埋地式安装方法，储能电池模块舱主体处于地下，地层温度与实际的气温呈相反的状态，有“冬暖夏凉”的特点，在大部分地区地层温度的范围基本处于储能的最佳温度范围，因此在日常的温度保持时，可以大大减小温控系统的用电量；同时，由于储能电池模块舱主体处于地下，其保温效果更好，向空气的散热程度很低；另外，储能电池舱内部采用水、风一体温度控制的方式，除电池模组本身可以接入水系统外，舱壁面、舱内部翅片和管路都提供了显著的降温能力，同时也配备了相应的送风系统，综合避免了超温现象的发生。
进一步，本发明储能电池舱内部采用水、风一体温度控制的散热方式，水量大小和水温控制都由外部的水泵和温控设备进行实现，温控设备采用空气源热水泵等设备，很好解决水的加热问题。同时，夏季水温低、气温高，冬季水温高、气温低，这使得风系统和水系统可以在舱内、电池温度不同的情况下协调工作，例如冬季电池不工作时，主要由水系统保温，而工作时温度上升较快后，风系统将外部冷空气快速送入，快速降温，达到经济性运行的效果，其温控系统运行经济性大大提高。
进一步，本发明所有水系统管路都处于地下，地温可以起到很好地保温效果，不需要过多的保温措施。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的地下放置式储能电池模块舱的结构示意图；
图2为本发明实施例1的地下放置式储能电池模块舱的内部结构示意图；
图3为本发明实施例1的地下放置式储能电池模块舱的局部视图；
图4为本发明实施例1的地下放置式储能电池模块舱的俯视图；
图5为一种地下放置式储能电池模系统图；
图6为另一种地下放置式储能电池模系统图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
本发明提供了一种地下放置式储能电池模块舱及储能系统，包括：舱体，设置在地面以下，底部开设若干通风口；若干通风管，竖直设置在舱体外壁，分别与通风口连通，通风管上端连通有水平设置的渐缩进风口，进风口位于地面以上；舱盖，设置在舱体顶部；通水层，设置在舱体内侧，与舱体的外壁之间构成储水腔；舱体外壁设置有与储水腔连通的进水口和出水口；两个环形管路，分别设置在通水层内侧顶部和底部，并通过多个水平过流管与储水腔连通；多个竖直过流管，其两端分别与两个环形管路连通；相邻两个水平过流管之间形成一个放置腔，每个放置腔内放置一个储能电池模块。
本发明采用水、风一体温度控制的方式，避免了超温现象的发生。
以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明提供了一种地下放置式储能电池模块舱，具体如图1至4所示，包括：
舱体1，主体安装设置在地面以下，部分露出地面，，底部开设若干通风口；具体的，舱体1由防腐蚀、易导热材质制作，一般为圆柱体，其顶部为空，只有底面和侧面。
若干通风管2，竖直设置在舱体1外壁，分别与通风口连通，通风管2上端连通有水平设置的渐缩进风口3，渐缩进风口3位于地面以上；
舱盖4，设置在舱体1顶部；
通水层5，设置在舱体1内侧，与舱体1的外壁之间构成储水腔6；舱体1外壁设置有与储水腔6连通的进水口7和出水口8；
两个环形管路9，分别设置在通水层5内侧空间的顶部和底部中间位置，并通过多个水平过流管10与储水腔6连通；
多个竖直过流管11，其两端分别与两个环形管路9连通；
相邻两个水平过流管10之间形成一个放置腔，每个放置腔内放置一个储能电池模块12。
进一步地，本实施例中，每个竖直过流管11均通过多个水平过流管10与储水腔6连通，相邻两个水平过流管10与竖直过流管11之间设置有换热翅片13。通过增设存在于腔体内部空间的水平过流管10、竖直过流管11和换热翅片13，显著增大了模块舱内部的换热面积，起到了传热强化的作用。
进一步地，本实施例中，通水层5顶部和底部分别距离舱体1的顶部和底部具有间距；进水口7靠近舱体1顶部，出水口8靠近舱体1底部，进水口7处安装有加压水泵14。通水层5底部和顶部的间距用于为进入模块舱的通风管和电路提供空间。
进一步地，本实施例中，出水口8与竖直设置在舱体1侧壁的L型出水导管15连通，L型出水导管15的水平端出水口与进水口7处于同一高度；L型出水导管15的水平端出水口可以看作是整个地下放置式储能电池模块舱的最终出水口，在各电池模块舱连接时，上一个电池模块舱出水管出口连接下一个模块仓的进水口，两者之间的管道是埋地的，这样挖掘埋管地沟时只需挖到相同的深度即可，便于施工。出水口8设置在下方是避免进水口7和出水口8都设置在同一高度，因为流动区域是大空间，不是管道等小空间，若进水口7和出水口8都设置在同一高度，水流动的时候其他高度易形成流动死区导致传热效果下降、整体温度上升，既流动主要存在在进水口7和出水口8的高度，其他区域流动效果较差，进水口7和出水口8的对向高低差布置可以有效避免出现流动死区、导致整体散热效果较差的情况发生。
进一步地，本实施例中，当每个储能电池模块12的电池模组冷却形式为水冷时，每个储能电池模块12包括互相连接的多个储能电池簇及电池模组水冷系统，每个储能电池簇由架子和多个储能电池模组组成，各储能电池模组放置在架子上，并通过串并联相互连接后连通至相关电气系统，多个电池模组水冷系统互相连通，储能电池簇内各储能电池模组的水冷系统一般采用沿垂直高度方向各电池模组一一串联进行水冷系统连接，各簇的水入口和水出口分别位于最底部模组和最顶部模组，通水层5内壁开设有水冷入口16和水冷出口17，各电池簇间和水冷入口16和水冷出口17间采用串并联连接均可，即并联为水冷入口16分别连通各簇的水入口、水冷出口17连通各簇的水出口口，串联为水冷入口16连通一簇的水入口，各簇间的水入口和水出口首尾连接，最后一簇的水出口同水冷出口17连接；水冷入口16用于给电池模组水冷系统供水，水冷出口17用于使电池模组水冷系统的水流出进入储水腔6进行循环，水冷入口16和水冷出口17上均安装有电控阀门，可以切断通水层5和电池模组水冷系统的联系，水冷入口16和水冷出口17一般安装的垂直高度靠近底部，且水冷出口17靠近出水口8的位置，当电控阀门开放时，因为水冷出口17靠近出水口8，因此受出水口8处的负压影响较大，水流向水冷入口16内流动增强，有利于改进该部分流动不充分的流动死区问题。
进一步地，本实施例中，当每个储能电池模块12的个体冷却形式为风冷时，水冷入口16和水冷出口17及相关的水冷系统可不进行设置。
进一步地，本实施例中，舱体1内壁沿周向设置有与水平方向呈45度夹角的螺旋状导流片，导流片的宽度小于通水层5内壁和舱体1内壁之间的水平距离。通过设置螺旋状导流片可引导水流在储水腔6内均匀分布，避免流量死区，使水流在腔体内的分布更加均匀。
进一步地，本实施例中，舱盖4呈圆台状，其上顶面开设有吹风口，吹风口处安装有风机19，风机19的出口连通有L型导风管20。
进一步地，本实施例中，渐缩进风口3为喇叭形状，其内部设置有过滤网。
基于同一个发明构思，本实施例还提供了一种地下放置式储能系统，包括地下放置式储能电池模块舱，及温控设备21、水泵22和流量分配器23；地下放置式储能电池模块舱放置在储能坑中，其进水口7和出水口8上分别连接有进水管和出水管；
温控设备21与水泵22、流量分配器23、机房换热器24依次连通，进水管通过进水主管路与流量分配器23连通，出水管通过出水主管路与温控设备21连通；
温控设备21将流体的温度调整为设定温度后，通过水泵22将流体送入流量分配器23，流量分配器23将一部分流体分配给机房换热器24、将另一部分流体分配给主管路，通过主管路输送给进水管路；出水管路的流体和经过机房换热器24换热后的流体在温控设备21前汇流后重新再流回温控设备21进行调温。
进一步地，该系统包括多个地下放置式储能电池模块舱，多个地下放置式储能电池模块舱依次放置在不同的储能坑中；其中多个地下放置式储能电池模块舱的连通方式有两种：
实施例2
如图5所示，一种是前一个地下放置式储能电池模块舱的出水口8与后一个地下放置式储能电池模块12的进水口7连通，流量分配器23出口跟第一个储能电池模块舱的进水口7相连，其出水口8与下一个储能电池模块舱的进水口7相连，最后一个储能电池模块舱的出水口8通过管路直接连接到温控设备21前的汇流点。这种连通方式的好处是布置简单，视情况可少布置若干个加压水泵14，缺点是由于各模块舱串联，会使得先流经的模块舱的温度保持的好于后流经的模块舱，流体在流经各个模块舱时其温度会不断地上升/下降，会使得后流经模块舱的温控效果不明显，因此较适用于模块舱数量较少的情况。
实施例3
如图6所示，另一种是各地下放置式储能电池模块舱水流采用并联的关系，流量分配器23到温控设备21间有相应的主管路，从流量分配器23流出后进入进水主管路，进水主管路沿其流体的流动方向依次连通各储能电池模块舱的进水口7。各储能电池模块舱的出水口8均与出水主管路连通，沿进水主管路流体的流动方向在所有储能电池模块舱进水口7后，并按照各储能电池模块舱进水口7沿进水主管路流体流动方向连接顺序的逆序进行排列。这种连通方式的好处是流入各储能电池舱的温度相对一致，控温效果较好，缺点是管道铺设工程较为复杂，每个模块舱都需配备加压水泵14，流量分配需要精细控制。因此更适用于模块舱数量多、控温要求高的场景。
本发明采用埋地式安装方法，储能电池模块舱主体处于地下，地层温度与实际的气温呈相反的状态，有“冬暖夏凉”的特点，在我国大部分地区地层温度的范围基本处于储能的最佳温度范围，因此在日常的温度保持时，可以大大减小温控系统的用电量；同时，由于储能电池模块舱主体处于地下，其保温效果更好，向空气的散热程度很低；另外，储能电池舱内部采用水、风一体温度控制的方式，除电池模组本身可以接入水系统外，舱壁面、舱内部翅片和管路都提供了显著的降温能力，同时也配备了相应的送风系统，综合避免了超温现象的发生
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地下放置式储能电池模块舱，其特征在于，包括：
舱体(1)，所述舱体(1)主体安装设置在地面以下，底部开设若干通风口；
若干通风管(2)，所述通风管(2)竖直设置在所述舱体(1)外壁，分别与所述通风口连通，所述通风管(2)上端连通有水平设置的渐缩进风口(3)，所述渐缩进风口(3)位于地面以上；
舱盖(4)，所述舱盖(4)设置在所述舱体(1)顶部；
通水层(5)，所述通水层(5)设置在所述舱体(1)内侧，与所述舱体(1)的外壁之间构成储水腔(6)；所述舱体(1)外壁设置有与所述储水腔(6)连通的进水口(7)和出水口(8)；
两个环形管路(9)，两个所述环形管路(9)分别设置在所述通水层(5)内侧顶部和底部，并通过多个水平过流管(10)与所述储水腔(6)连通；
及多个竖直过流管(11)，所述竖直过流管(11)两端分别与两个所述环形管路(9)连通；
相邻两个所述水平过流管(10)之间形成一个放置腔，每个放置腔内放置一个储能电池模块(12)。
2.根据权利要求1所述的地下放置式储能电池模块舱，其特征在于，每个所述竖直过流管(11)均通过多个所述水平过流管(10)与所述储水腔(6)连通，相邻两个所述水平过流管(10)与所述竖直过流管(11)之间设置有换热翅片(13)。
3.根据权利要求1所述的地下放置式储能电池模块舱，其特征在于，所述通水层(5)顶部和底部分别距离所述舱体(1)的顶部和底部具有间距；所述进水口(7)靠近所述舱体(1)顶部，所述出水口(8)靠近所述舱体(1)底部，所述进水口(7)处安装有加压水泵(14)。
4.根据权利要求1所述的地下放置式储能电池模块舱，其特征在于，所述出水口(8)与竖直设置在所述舱体(1)侧壁的L型出水导管(15)连通，所述L型出水导管(15)的水平端出水口与所述进水口(7)处于同一高度。
5.根据权利要求1所述的地下放置式储能电池模块舱，其特征在于，所述储能电池模块(12)包括互相连接的多个储能电池簇及电池模组水冷系统，多个所述电池模组水冷系统互相连通，所述通水层(5)内壁开设有水冷入口(16)和水冷出口(17)；所述水冷入口(16)用于给所述电池模组水冷系统供水，所述水冷出口(17)用于使所述电池模组水冷系统的水流出进行所述储水腔(6)进行循环，所述水冷入口(16)和水冷出口(17)上均安装有电控阀门。
6.根据权利要求1所述的地下放置式储能电池模块舱，其特征在于，所述舱体(1)内壁沿周向设置有与水平方向呈45度夹角的螺旋状导流片，所述导流片的宽度小于所述通水层(5)内壁和舱体(1)内壁之间的水平距离。
7.根据权利要求1所述的地下放置式储能电池模块舱，其特征在于，所述舱盖(4)呈圆台状，其上顶面开设有吹风口，所述吹风处出安装有风机(19)中心处安装有风机(19)，所述风机(19)的出口连通有L型导风管(20)。
8.根据权利要求1所述的地下放置式储能电池模块舱，其特征在于，所述渐缩进风口(3)内部设置有过滤网。
9.一种地下储能系统，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的地下放置式储能电池模块舱，及温控设备(21)、水泵(22)和流量分配器(23)；所述地下放置式储能电池模块舱放置在储能坑中，其进水口(7)和出水口(8)上分别连接有进水管和出水管；
所述温控设备(21)与水泵(22)、流量分配器(23)、机房换热器(24)依次连通，所述进水管通过进水主管路与所述流量分配器(23)连通，所述出水管通过出水主管路与所述温控设备(21)连通；
所述流量分配器(23)出水口分为两路，一路连接机房换热器(24)，一路连接进水主管路，进水主管路连接所述进水管；所述机房换热器(24)通过调温管路与温控设备(21)连通。
10.根据权利要求9所述的地下储能系统，其特征在于，多个所述地下放置式储能电池模块舱依次放置在不同的储能坑中；
多个所述地下放置式储能电池模块舱的进水口(7)互相并联，出水口(8)互相并联；或者，
前一个所述地下放置式储能电池模块舱的出水口(8)与后一个所述地下放置式储能电池模块(12)的进水口(7)连通。
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