CN203134898U - 一种兆瓦级液流电池的换热系统 - Google Patents

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张华民
许晓波
马相坤
权颖
王宏博
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Abstract

本实用新型涉及一种兆瓦级液流电池的换热系统，属于液流电池领域。该系统包括：至少一个接收来自用于冷却液流电池电解液的换热装置的冷却水的冷却塔，所述换热装置与电解液储罐相连；至少一个通过接收来自冷却塔的冷却水而与冷却塔相连的用于存储冷却水的容器；至少一个接收来自所述用于存储冷却水的容器的流体输送装置，所述换热装置通过接收来自所述流体输送装置的冷却水而与流体输送装置相连；用于连接各个系统单元的管道和用于控制管道的阀门。本实用新型针对液流电池包括多套子系统单元这一特点，提供一种更加优化的处理方法，减小冷却循环水设计规模，降低运营能耗，提高整个液流电池系统的效率。

Description

一种兆瓦级液流电池的换热系统
技术领域
本实用新型涉及一种兆瓦级液流电池的换热系统，特别涉及1MW及其以上级液流电池的换热系统及其冷却方法，属于液流电池领域。
背景技术
电能难以储存而又不可缺少，任何时刻它的生产都要满足用电需求，因此人们一直在寻找既经济又可行的储能技术来解决电力供求之间的矛盾。另外电能存储在电能管理、电网辅助服务、电压控制、再生能源利用、大型不间断电源等方面都有着重要作用，若与大型火力发电联合，可降低电站峰值容量、降低发电成本以及减小污染。若与风力、潮汐能等可再生能源发电联合，可实现电能的连续平稳供给，满足用户需求。由于液流电池具有功率与容量可独立设计、可深度充放电，寿命较长等优点，逐渐成为最有前途的规模电力存储的首选之一，备受人们的关注和重视。
然而，在液流电池运转期间，由于电化学反应放热，漏电电流生热，循环泵运转放热等，电解液的温度会升高，高温会使电解液中的化学物质发生变化，有些变化很难处理甚至是不可逆的，这将给电池系统带来严重损坏。为了保证电池系统在运行过程中保持良好的状态，目前往往使用水冷换热器等方式将电池系统产生的热量直接带出。对于小功率的电池系统，此种方法是可行的，但是对于1MW级以上的大型液流电池系统中，往往含有多套KW级子系统单元，根据液流电池的工作特点和应用模式，这些子单元并不一定同一时段需要冷却水，若按照最大设计能力进行冷却水循环系统的设计，往往会带来一次性投资大、后期运营维护工作量大、能耗大等一系列问题。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种兆瓦级液流电池的换热系统，本实用新型针对液流电池包括多套子系统单元这一特点，提供一种更加优化的处理方法，减小冷却循环水设计规模，降低运营能耗，提高整个液流电池系统的效率。
一种兆瓦级液流电池的换热系统，所述系统包括下述系统单元：
至少一个接收来自用于冷却液流电池电解液的换热装置的冷却水的冷却塔，所述换热装置与电解液储罐相连；
至少一个通过接收来自冷却塔的冷却水而与冷却塔相连的用于存储冷却水的容器；
至少一个接收来自所述用于存储冷却水的容器的流体输送装置，所述换热装置通过接收来自所述流体输送装置的冷却水而与流体输送装置相连；
用于连接各个系统单元的管道和用于控制管道的阀门。
本实用新型所述兆瓦级液流电池的换热系统所述换热装置为本领域熟练技术人员所知的用于流体换热的装置，包括间壁式换热器、混合式换热器等。
本实用新型所述冷却塔为本领域熟练技术人员所知的用于流体换热的冷却塔，包括水冷式、风冷式或水冷风冷结合式冷却塔，优选水冷风冷结合式冷却塔。
本实用新型所述用于存储冷却水的容器为本领域熟练技术人员所知的用于流体存储的容器，优选为冷却水储槽或冷却水储罐。
本实用新型所述流体输送装置为本领域熟练技术人员所知的用于流体传输的泵，如离心泵。
本实用新型所述兆瓦级液流电池的换热系统进一步包括用于连接各设备单元的管道及管道连接件，所述管道及其连接件的选择为本领域的公知常识，本领域熟练技术人员可以根据系统的总体流量确定所需管道的材质、型号、截面积等参数；本实用新型所述用于控制管道的阀门的选择为本领域的公知常识，包括流量控制阀、磁控阀门、电控阀门等。
本实用新型所述兆瓦级液流电池的换热系统还包括控制系统，所述控制系统用于控制阀门、流体输送装置、冷却塔的运行状态。所述控制系统为本领域的现有技术，本领域熟练技术人员可以通过本系统控制流体输送装置和冷却塔运行状态的需求确定所述控制系统选择及与各涉及装置的连接及控制情况。
本实用新型所述系统进一步包括温度传感装置，所述温度传感装置为本领域熟练技术人员所知的温度传感装置，包括温度传感器等，所述温度传感装置用于检测进入换热装置和/或流出换热装置的冷却水的温度，显示温度参数并将其传送给控制装置，用于控制进入换热器的冷却水的量和温度。
本实用新型所述系统进一步包括流量计量装置，所述流量计量装置为本领域熟练技术人员所知的流量计量装置，如流量计等，所述流量计量装置用于显示管道中的流体流量，并将其传送给控制装置，用于控制进入换热器的冷却水的量和温度。
本实用新型一个优选的技术方案为：一种兆瓦级液流电池的换热系统，所述系统包括下述设备单元：三个冷却塔通过冷却水出口母管连接各个换热装置的冷却水出口管道，所述各个换热装置的冷却水入口管道与冷却水入口母管相连；三个冷却塔供给冷却水的出口通过管道与冷却水储罐相连，冷却水储罐出口通过管道连接三台输送泵，输送泵出口通过管道连接冷却水入口母管；在所述冷却水入口母管上设置温度传感装置和流量计量装置；所述各个换热装置电解液入口管道均设有温度传感装置和控制阀门。
上述系统还设有控制装置，所述控制装置用于控制流体输送装置和冷却塔运行状态的控制装置。
本实用新型所述兆瓦级液流电池的换热系统适用的1MW级以上的液流电池系统，1MW级以上的液流电池系统由多个子系统组成，各子系统有独立的电解液循环管路，换热装置安装在这些独立的管路上，从电池中流出的高温电解液，通过这些换热装置与低温的冷却水进行换热，所述换热装置为本领域熟练技术人员所知的液-液换热设备，如管壳式换热器。多台冷却水循环泵为冷却水的循环提供动力，冷却水的水源来自一台共用的冷却水储存容器，多台冷却水循环泵将冷却水从储存容器泵入冷却水入口母管，在经过各子系统冷却水分管路进入其换热设备，从换热设备出口排出后的高温水汇入出口母管，再分流进入多套冷却塔，经冷却后的低温冷却水回到共用的冷却水存储容器，完成一个循环。
各子系统换热设备的循环冷却水管路带有可远程控制的阀门，允许或禁止冷却水的进入，该阀门开启或关闭由其对应子系统电解液的温度决定的。
利用上述冷却系统时，在操作时根据各液流电池子系统对冷却水的需求状态（该状态根据系统内电解液温度传感器测量值确定），可以得到冷却水的需求量，控制系统根据该需求量及流量计量装置提供的实时流量数据，通过改变循环泵投入使用的个数或工作频率，改变冷却水的流量，以满足系统需求。无论冷却水需求量如何改变，所有的冷却塔均同时投入使用，即使冷却水量减小，冷却塔的换热面积保持不变，可以减少冷却塔强制制冷（二次水泵和风机）开启的次数，同时冷却水在冷却塔中流通截面积不变，可以在冷却水流量较小时降低管路阻力，减少冷却水循环系统能耗。冷水塔是否开启强制制冷模式，是根据入口母管中冷却水温度决定的。
本实用新型的另一目的是提供应用上述换热系统的兆瓦级液流电池。
本实用新型的有益效果是：考虑到1MW级以上规模的液流电池实际应用时的特点：绝大部分情况下并不是满负荷工作，因此冷却水处理系统可以适当缩小规模，该实用新型所提供系统，冷水塔与循环水泵以及各子系统之间不存在对应关系，因此可以在设计时按一定比率缩小冷却水处理量，根据各子系统电解液的温度控制其换热设备冷却水管路阀门，更加合理利用冷却水。当有个别循环泵或冷水塔发生故障时，它的工作负荷会由其它同类设备分担，减小对电池系统的影响。减少冷却水流量时，投入使用的冷水塔数量不变，即不减少散热面积，这就在不增加功耗的同时降低入口母管中冷却水的温度，提高整套排热系统的效率。
附图说明
图1为一种兆瓦级液流电池的换热系统的示意图；
图2为实施例1的换热系统示意图；
附图标记如下：
1-冷水塔，2-冷却水储罐，3-泵，4-换热器，4a-换热器I，4b-换热器II，5-电动阀门，6-流量传感器，7-温度传感器，8-入口母管，9-出口母管，10-控制系统，11-换热器电解液入口，12-换热器电解液出口，13-温度传感器I。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。
实施例1
图2为一种兆瓦级液流电池的换热系统示意图，如图所示，所述系统包括下述设备单元：
三个冷却塔1通过冷却水出口母管9连接各个换热器4的冷却水出口管道，各个换热器4的冷却水入口管道与冷却水入口母管8相连，所述冷却水入口管道上均设有电动阀门5；三个冷却塔1供给冷却水的出口通过管道与冷却水储罐2相连，冷却水储罐2出口通过管道连接三台输送泵3，输送泵3出口通过管道连接冷却水入口母管8；在所述冷却水入口母管8上设置温度传感器7和流量传感器6；所述各个换热器电解液入口11均设有温度传感器I13和控制阀门。
上述系统为液流电池子系统正负极电解液的冷却分别配备换热器4，即来自电堆的正极电解液经换热器I4a进行换热后进入正极电解液储罐；来自电堆的负极电解液经换热器II4b进行换热后进入负极电解液储罐，换热器I4a和换热器II4b共用一个电动阀门5控制冷却水管路开启/关闭。
利用上述换热系统进行热量排放，电池系统各参数如下：
包含3套176kW/352kWh子系统的钒液流电池系统，该系统应用于风力发电场，主要起到风电场平滑输出作用。
所述泵3为可变频使用的离心式循环泵，另外还有一套冷却水的控制系统10。图中虚线表示控制系统与各个装置的控制连接关系。该冷却水控制系统的处理能力为电池系统最大冷却水需求量的70%。
通过对10个充放电过程的监控得到的平均数据如下。
实验时间：6月12日～7月3日
实验温度条件：白天室外平均温度28.3℃，晚上室外平均温度22.1℃，室内没有空调，有通风设备，通风能力为每小时置换6次。
10个充放电周期中，各子系统中电解液达到的最高温度分别为：36.7℃、35.6℃、34.9℃、35.3℃、36.8℃、34.1℃。
冷却水累计用量：820m3。
泵和冷水塔在系统运行期间平均功耗为9.6kW，在不使用该发明所描述的热量排放方法进行充放电时，第一个充放电周期结束时电解液的温度为38.5℃，在第二个充放电周期电解液的温度就达到了系统设定的高温保护值：40℃。系统自动停机保护。

Claims (8)

1.一种兆瓦级液流电池的换热系统，其特征在于：所述系统包括下述系统单元：
至少一个接收来自用于冷却液流电池电解液的换热装置的冷却水的冷却塔，所述换热装置与电解液储罐相连；
至少一个通过接收来自冷却塔的冷却水而与冷却塔相连的用于存储冷却水的容器；
至少一个接收来自所述用于存储冷却水的容器的流体输送装置，所述换热装置通过接收来自所述流体输送装置的冷却水而与流体输送装置相连；
用于连接各个系统单元的管道和用于控制管道的阀门。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统还包括温度传感装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统还包括流量计量装置。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述冷却塔为水冷式、风冷式或水冷风冷结合式冷却塔。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述用于存储冷却水的容器为冷却水储槽或储罐。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述流体输送装置为流量泵或计量泵。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统包括下述设备单元：三个冷却塔通过冷却水出口母管连接各个换热装置的冷却水出口管道，所述各个换热装置的冷却水入口管道与冷却水入口母管相连；三个冷却塔供给冷却水的出口通过管道与冷却水储罐相连，冷却水储罐出口通过管道连接三台输送泵，输送泵出口通过管道连接冷却水入口母管；在所述冷却水入口母管上设置温度传感装置和流量计量装置；所述各个换热装置电解液入口管道均设有温度传感装置和控制阀门。
8.一种兆瓦级液流电池，其特征在于：所述液流电池包括权利要求1所述的换热系统。
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