CN116581431B - 一种储能集装箱热管理系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储能集装箱技术领域，尤其涉及一种储能集装箱热管理系统及其工作方法，包括：温度调节机组，包括动力单元、温控单元、第一热交换段和第二热交换段；蓄能模块，设置于介质的循环通道的设定位置；控制模块，至少根据温度调节机组运行所需电能的成本高低，对温度调节机组进行功率的控制；以及，根据功率的控制结果对介质在第二热交换段的流通进行控制。本发明中的储能集装箱热管理系统具有结构简单、稳定可靠、容易维护等特点，适用于各种不同的储能场景和环境条件；相比传统的电能驱动方式，该系统可实现高效能存储和释放；控制模块可通过物联网技术与外部环境数据、电能价格等信息进行连接，实现智能化控制，最大程度地降低能耗的成本。
Description
技术领域
本发明涉及储能集装箱技术领域，具体涉及一种储能集装箱热管理系统及其工作方法。
背景技术
储能技术在智能电网和可再生能源系统等领域，均为较关键的技术之一。随着科技的不断进步，储能市场应用规模逐渐扩大，其使用范围也越来越广泛。为了提高能源利用效率，储能集装箱技术及装备的发展受到广泛关注；储能集装箱通常包括电池架以及所放置的电池包。目前针对使用场景的不同以及场景中环境温度的变化，储能集装箱所需的温控主要包括降温及加热两种不同的需求。
目前，在满足上述降温需求或是加热需求时，都基本以电能的使用来满足，该方法的能耗较高，特别是在电价处于峰值时更加明显。因此，如何寻找一种更经济、高效的储能集装箱热管理系统是目前需要解决的技术问题之一。
发明内容
本发明中提供了一种储能集装箱热管理系统及其工作方法，从而有效解决背景技术中所指出的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种储能集装箱热管理系统，包括：
温度调节机组，包括为循环流通的介质提供动力的动力单元，以及在循环通道的设定位置对所述介质进行温度调节的温控单元，所述循环通道包括安装于储能集装箱内的第一热交换段；
蓄能模块，设置于所述介质的循环通道的设定位置，通过蓄能材料对所述介质的至少部分冷能或热能进行存储，所述循环通道还包括安装于所述蓄能模块内的第二热交换段；
控制模块，至少根据所述温度调节机组运行所需电能的成本高低，对所述温度调节机组进行功率的控制；以及，根据所述功率的控制结果对所述介质在第二热交换段的流通进行控制。
进一步地，所述蓄能模块对冷能和热能的存储通过相变储能材料实现。
进一步地，所述蓄能模块包括蓄冷单元和储热单元；
所述第二热交换段包括并联设置的第一管路、第二管路和第三管路，以及设置于三条管路入口端的阀体组件；
所述第一管路贯穿所述蓄冷单元，且通过管壁与所述蓄冷单元内的相变材料进行热交换；
所述第二管路贯穿所述储热单元，且通过管壁与所述储热单元内的相变材料进行热交换；
所述控制模块与所述阀体组件连接，通过所述阀体组件对三条管路择一使用，且分别进行流通截面面积的控制，且控制的依据至少为所述温度调节机组的功率控制结果。
进一步地，所述控制模块对所述温度调节机组进行功率的控制，具体为，在电能的成本发生变化时，保持所述动力单元的功率不变；在电价为峰电时，关闭所述温控单元，当电价为平电或谷电时，控制所述温控单元以设定功率运行。
进一步地，所述控制模块对所述温度调节机组功率的控制，还根据所述储能集装箱内若干设定位置的温度采集结果。
进一步地，对若干所述设定位置的温度采集结果求取平均值，作为最终的温度采集结果。
一种如上所述的储能集装箱热管理系统的工作方法，包括：
确定所述温控单元功率变化的时间点；
在所述时间点通过所述阀体组件对工作中的所述第一管路或第二管路进行节流；
在节流设定时间段后，解除节流作用。
进一步地，在节流开始后，还包括：
确定蓄冷单元或储热单元相变储能材料的相变温度；
对到达所述第一管路或第二管路阀体组件的介质温度进行实时监测，获得实时介质温度；
当所述实时介质温度到达对应单元内相变储能材料的相变温度时，解除节流作用。
一种如上所述的储能集装箱热管理系统的工作方法，在所述温度调节机组运行所需电能的成本发生变化时，包括：
根据变化后的所述成本修订所述温度调节机组的功率，获得成本修订功率；
对所述储能集装箱内若干设定位置的温度进行采集，根据温度采集结果对所述成本修订功率进行二次修订而获得温度修订功率，对所述温度调节机组的功率控制依据于所述温度修订功率。
进一步地，对所述介质在所述第二热交换段的流通控制，依据于所述成本修订功率。
通过本发明的技术方案，可实现以下技术效果：
本发明中的储能集装箱热管理系统具有结构简单、稳定可靠、容易维护等特点，适用于各种不同的储能场景和环境条件；相比传统的电能驱动方式，该系统可实现高效能存储和释放；控制模块可通过物联网技术与外部环境数据、电能价格等信息进行连接，实现智能化控制，最大程度地降低能耗成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为温度调节机组、蓄能模块和储能集装箱的一种状态示意图；
图2为温度调节机组、蓄能模块和储能集装箱的另一种状态示意图；
图3为储能集装箱热管理系统的框架图；
图4为蓄能模块、控制模块和第二热交换段之间关系的框架图；
图5为由温控单元和蓄冷单元分割的三种不同温度介质的分段示意图；
图6为储能集装箱热管理系统工作方法的流程图；
图7为图6中步骤S3的优化流程图；
附图标记：100、温度调节机组；110、动力单元；120、温控单元；130、循环通道；131、第一热交换段；132、第二热交换段；132a、第一管路；132b、第二管路；132c、第三管路；132d、阀体组件；200、蓄能模块；210、蓄冷单元；220、储热单元；300、控制模块；400、储能集装箱；01、30℃介质段；02、15℃介质段；03、20℃介质段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1~3所示，一种储能集装箱热管理系统，包括：
温度调节机组100，包括为循环流通的介质提供动力的动力单元110，以及在循环通道130的设定位置对介质进行温度调节的温控单元120，循环通道130包括安装于储能集装箱400内的第一热交换段131；蓄能模块200，设置于介质的循环通道130的设定位置，通过蓄能材料对介质的至少部分冷能或热能进行存储，循环通道130还包括安装于蓄能模块200内的第二热交换段132；控制模块300，至少根据温度调节机组100运行所需电能的成本高低，对温度调节机组100进行功率的控制；以及，根据功率的控制结果对介质在第二热交换段132的流通进行控制。
本发明中，提供了一种能够有效实现储能集装箱400内温度调节的热管理系统，其中的调节包括升温调节及降温调节。上述调节以循环通道130内介质温度的调节来实现，当介质流通至循环通道130的第一热交换段131时，与储能集装箱400内部进行热交换，以此可实现储能集装箱400内部的温度调节；其中，较为常用且成本可控的介质可采用水，当然，这仅仅是较为常规的介质举例，其他能够满足使用要求的介质材料也均在本发明的保护范围内；针对动力单元110，可采用泵体结构，具体可参考介质的类型进行选择。
而针对蓄能模块200的设置，主要的目的在于适应电价为谷电、平电或峰电的情况，通过电能使用量的控制来降低热管理系统的运行成本；而本发明中整体的思路在于在温度调节机组100的升温调节和降温调节模式下，选择性的分别进行热能和冷能的存储或释放，且实现上述存储过程和放能过程的控制逻辑在于：电价相对较低时，通过温度调节机组100相对的大功率运行而在满足储能集装箱400温控要求的情况下，实现部分能量的低成本存储；而当电价相对较高时，控制温度调节机组100相对的低功率运行，而通过存储能量的释放来替代高价电能，从而参与到储能集装箱400的温控过程中以到达预定的控制目标。
蓄能模块200中第二热交换段132的设置即可满足通过热交换而实现能量存储或释放的目的，作为上述实施例的优选，蓄能模块200对冷能和热能的存储通过相变储能材料实现；相变储能材料可在特定温度下，通过相变来吸收和释放能量。具体地，为了适应本发明的应用场景而实现上述技术目的，作为蓄能模块200的一种具体的实施方式，如图4所示，蓄能模块200包括蓄冷单元210和储热单元220；第二热交换段132包括并联设置的第一管路132a、第二管路132b和第三管路132c，以及设置于三条管路入口端的阀体组件132d；第一管路132a贯穿蓄冷单元210，且通过管壁与蓄冷单元210内的相变材料进行热交换；第二管路132b贯穿储热单元220，且通过管壁与储热单元220内的相变材料进行热交换；控制模块300与阀体组件132d连接，通过阀体组件132d对三条管路择一使用，且分别进行流通截面面积的控制，且控制的依据至少为温度调节机组100的功率控制结果。
在上述优选方式中，蓄冷单元210和储热单元220中相变储能材料可根据实际的需要进行选择。当温度调节机组100的运行功率相对较大，使得介质获得较储能集装箱400温控所需的能量而多余的能量时，根据多余能量是冷能或热能来分别控制第一管路132a或第二管路132b的开启而储能，当然还需调节开启后的具体流通截面面积。
当温度调节机组100的运行功率相对较小，使得介质获得的能量较储能集装箱400温控所需的能量而欠缺时，根据欠缺的能量是冷能或热能来同样分别控制第一管路132a或第二管路132b的开启而放能，对于流通截面面积的调节与储能过程是相同的。第三管路132c可安装蓄能模块200内部，当然此种情况下其设置于蓄冷单元210和储热单元220的外部；或者，将第三管路132c安装于蓄能模块200的外部；上述两种情况需要保证的是第三管路132c相对于蓄冷单元210和储热单元220是独立的，而并不参与能量的存储和释放过程，而作为备用的管路，在蓄冷单元210或储热单元220发生故障等情况时使用。
其中，控制模块300对温度调节机组100进行功率的控制，具体为，在电能的成本发生变化时，保持动力单元110的功率不变；在电价为峰电时，关闭温控单元120，当电价为平电或谷电时，控制温控单元120以设定功率运行。通过上述优化，保证介质循环流通的动力不变，能够维持介质的稳定循环；此种情况下，温控单元120作为主要的耗能部分，实现相对于电价的适应性调节。
在实施过程中，电能的使用成本为本发明中对于功率进行控制的主要依据，而当为了实现更为精准的控制时，作为优选地，控制模块300对温度调节机组100功率的控制，还根据储能集装箱400内若干设定位置的温度采集结果。在具体实施时，可对若干设定位置的温度采集结果求取平均值，作为最终的温度采集结果。具体的控制过程中，可根据实时的电价和温度采集结果来综合对温度调节机组100的功率进行控制，通过温度采集结果的参与可综合环境温度相对于储能集装箱400热交换的影响，而实现更加精准的控制。其中，对温度调节机组100功率的控制，可包括对于动力单元110功率的控制，以及对于温控单元120功率的控制。
在本发明中，温控单元120可通过电加热的方式对循环通道130内的介质进行加热，例如电加热丝等形式；或者通过电能加热高温介质，并与循环通道130内的介质直接或间接实现热交换的方式，例如加热水的方式；当然，上述实施方式均是示例性的举例，其他能够满足升温温控需求的方式均在本发明的保护范围内。而对于温控单元120对循环通道130内的介质进行降温的方式，可通过散热风扇而实现，或者通过空调的原理所进行的降温形式等，也均在本发明的保护范围内。
在实际的应用场景中，电价的变化往往不是线性平缓变化的，而是在设定时间点切换，此种情况也会造成功率的变化较为突然，如图5所示，以下以介质通过相对低温对储能集装箱400内的温度进行降温，在电价由低变高前，经过温控单元120的介质会在流经温控单元120与蓄冷单元210之间的管路后，到达蓄冷单元210而进行冷能的存储为例：此种情况下，以图中最左侧一段为30℃介质段01，中间一段为15℃介质段02，最右侧一段为20℃介质段03为例，温控的结果形成30℃与15℃的介质温差，而储能的结果形成15℃与20℃的温差。
而当电价突变后，温控单元120与蓄冷单元210之间管路内的介质仍为15℃，因此到达蓄冷单元210后，部分冷能仍会被存储，若不进行其他控制，在15℃的介质流通完成后，30℃的介质会到达蓄冷单元210而快速的使其转换为放能状态，这种突变性对后续至少部分电池所处的温度环境容易造成冲击性的影响，为了解决此问题，一种如上所述的储能集装箱热管理系统的工作方法，如图6所示，包括：
S1：确定温控单元120功率变化的时间点；该时间点即为上述示例中，30℃的介质不再向15℃的介质转变的时间点，但是该时间点已经在温控单元120与蓄能模块200之间产生了15℃的介质；
S2：在时间点通过阀体组件132d对工作中的第一管路132a或第二管路132b进行节流；
此时在非故障状态下，第一管路132a和第二管路132b会处于择一使用的状态，本步骤中通过节流可实现的效果为：因节流作用，阀体组件132d后段的介质压力会因受阻而增大，此处的阻力会为部分15℃的介质和30℃的介质提供更多的预混时间，从而使得不同温度的介质获得较好的混合，上述混合的过程可实现介质温度的柔性变化；
S3：在节流设定时间段后，解除节流作用。
在本步骤中，节流作用的解除优选在瞬间完成，从而使得后段相对高压的介质瞬间被释放而进入蓄冷单元210，该过程速度是相对较大的，从而快速使得介质各处获得压力的均匀性；而在后续释压的过程中，速度也是逐渐减低的，这对于介质温度变化的均匀性也是有益的。
在上述过程中，通过温控单元120与蓄能模块200之间介质的流通控制实现了不同段介质温度间的混合，从而使得到达储能集装箱400的介质温度变化是更加平稳的；当温控单元120与蓄能模块200之间的距离更长时，可适当延长二者之间介质流通控制的时间，反之，则缩短控制的时间。
在实施的过程中，为了实现更加精准的控制，作为进一步地优选，如图7所示，步骤S3中包括：
S31：确定蓄冷单元210或储热单元220相变储能材料的相变温度；该步骤可在蓄能模块200设置完成后直接确定，通过存储并读取的方式即可获得使用；
S32：对到达第一管路132a或第二管路132b阀体组件132d的介质温度进行实时监测，获得实时介质温度；目的在于确定介质的温度何时到达蓄冷单元210或储热单元220接下来储能或放能状态开启的时间；
S33：当实时介质温度到达对应单元内相变储能材料的相变温度时，解除节流作用；相变温度的到达的时间即上述储能或放能状态开启的时间，这中间经过的时长往往与温控单元120与蓄能模块200之间的距离正相关，即，在相同的节流效果下，距离越短该相变温度会到达的越快；本步骤中，在此时完全解除节流作用，可在切换完成的储能或放能状态开始时，因介质流速较大，而相对少量的储能或放能，而伴随速度逐渐减低至正常而使得蓄能模块200平稳的过度到接下来的储能或放能状态。
作为上述实施例的优选，在温度调节机组100运行所需电能的成本发生变化时，包括：根据变化后的成本修订温度调节机组100的功率，获得成本修订功率；对储能集装箱400内若干设定位置的温度进行采集，根据温度采集结果对成本修订功率进行二次修订而获得温度修订功率，对温度调节机组100的功率控制依据于温度修订功率。
在上述控制方式中，实现了更加精准的功率控制，从而适应外部环境的变化；且以每次电能使用成本发生变化的时间点作为功率修订的时间点，使得温度调节机组100获得功率基数调整；作为上述实施例的优选，对介质在第二热交换段的流通控制，依据于成本修订功率；在此种控制方式中，根据电能使用成本所设定的成本修订功率是相对单一的，可降低蓄能模块200的控制难度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种储能集装箱热管理系统，其特征在于，包括：
温度调节机组，包括为循环流通的介质提供动力的动力单元，以及在循环通道的设定位置对所述介质进行温度调节的温控单元，所述循环通道包括安装于储能集装箱内的第一热交换段；
蓄能模块，设置于所述介质的循环通道的设定位置，通过蓄能材料对所述介质的至少部分冷能或热能进行存储，所述循环通道还包括安装于所述蓄能模块内的第二热交换段；
控制模块，至少根据所述温度调节机组运行所需电能的成本高低，对所述温度调节机组进行功率的控制；以及，根据所述功率的控制结果对所述介质在第二热交换段的流通进行控制；
所述蓄能模块对冷能和热能的存储通过相变储能材料实现；
所述蓄能模块包括蓄冷单元和储热单元；
所述第二热交换段包括并联设置的第一管路、第二管路和第三管路，以及设置于三条管路入口端的阀体组件；
所述第一管路贯穿所述蓄冷单元，且通过管壁与所述蓄冷单元内的相变材料进行热交换；
所述第二管路贯穿所述储热单元，且通过管壁与所述储热单元内的相变材料进行热交换；
所述控制模块与所述阀体组件连接，通过所述阀体组件对三条管路择一使用，且分别进行流通截面面积的控制，且控制的依据至少为所述温度调节机组的功率控制结果；
所述控制模块对所述温度调节机组进行功率的控制，具体为，在电能的成本发生变化时，保持所述动力单元的功率不变；在电价为峰电时，关闭所述温控单元，当电价为平电或谷电时，控制所述温控单元以设定功率运行；
储能集装箱热管理系统的工作方法，包括：
确定所述温控单元功率变化的时间点；
在所述时间点通过所述阀体组件对工作中的所述第一管路或第二管路进行节流；
在节流设定时间段后，解除节流作用。
2.根据权利要求1所述的储能集装箱热管理系统，其特征在于，所述控制模块对所述温度调节机组功率的控制，还根据所述储能集装箱内若干设定位置的温度采集结果。
3.根据权利要求2所述的储能集装箱热管理系统，其特征在于，对若干所述设定位置的温度采集结果求取平均值，作为最终的温度采集结果。
4.根据权利要求1所述的储能集装箱热管理系统，其特征在于，在节流开始后，还包括：
确定蓄冷单元或储热单元相变储能材料的相变温度；
对到达所述第一管路或第二管路阀体组件的介质温度进行实时监测，获得实时介质温度；
当所述实时介质温度到达对应单元内相变储能材料的相变温度时，解除节流作用。
5.一种如权利要求2所述的储能集装箱热管理系统的工作方法，其特征在于，在所述温度调节机组运行所需电能的成本发生变化时，包括：
根据变化后的所述成本修订所述温度调节机组的功率，获得成本修订功率；
对所述储能集装箱内若干设定位置的温度进行采集，根据温度采集结果对所述成本修订功率进行二次修订而获得温度修订功率，对所述温度调节机组的功率控制依据于所述温度修订功率。
6.根据权利要求5所述的储能集装箱热管理系统的工作方法，其特征在于，对所述介质在所述第二热交换段的流通控制，依据于所述成本修订功率。
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