一种针对钒液流电池电解液温度的控制装置
技术领域
本实用新型涉及电池控制管理技术领域,特别涉及一种针对钒液流电池电解液温度的控制装置。
背景技术
目前工业上或者风电、水电等大型发电设施所使用的储能电池有许多选择,液流电池如全钒液流电池就是属于液流电池中较为热门的一种电池。其放电的基本原理是利用钒离子的几个价态(二价、三价、四价和五价)之间的氧化还原反应形成电子的流动从而放电,因其主要电能来源物质为电解液,所以全钒液流电池所能提供或储存的能量多少取决于电解液储存容积的大小。在钒液流电池放电过程中,正负极电解液分别从各自的电解液储存罐流入反应电极室,反应电极室由正极集流体和负极集流体外加设置在两者中间作为隔离作用的隔膜组成,在反应电极式发生氧化还原反应放电后,正负极电解液各自返回储罐,如此不断循环,实现持续放电。
钒液流电池在发生氧化还原反应放电时,会产生一定的热量,这些热量一般会被流动的电解液带回到储罐中,在钒液流电池长时间循环放电的过程中储罐内的电解液温度会逐渐上升。钒电解液的最佳使用温度范围为0℃~45℃,当温度高于45℃时,正极电解液内含有的五价钒离子将会形成大量沉淀影响钒液流电池的放电效率;当温度低于0℃时(例如钒液流电池被使用于严寒地区时),正负极电解液中的钒离子也会因为溶解度随温度下降之原因析出晶体。因此保证钒电解液温度稳定在最佳使用温度范围内对钒液流电池的良性使用大有裨益。
CN 205828544 U实用新型专利提供了一种利用导热板、散热风扇的风冷式电解液温度控制器,但使用风冷方式的缺点在于:风冷的传热系数较低,且冷却的时间较长,另外受环境温度的影响,经常性的需要引入例如像冷干机或制冷剂一类的辅助降温设备,增加能耗的同时占据了更多的空间。CN 202651271 U实用新型专利介绍了一种利用导热管道、冷却水的水冷式电解液温度控制器,此种采用水冷方式的缺陷在于:为达到水冷的要求,需要设置冷却塔等较为大型的设备,且存在环境温度过高时水冷效果大大下降的问题。另外,现有技术还不能够解决在严寒地区使用钒液流电池时电解液温度过低而导致溶质析出的问题。
实用新型内容
本实用新型为了解决现有技术中钒液流电池电解液温度控制中效率低,能耗高,尤其是在寒冷条件下不能对电解液进行加热的问题,提供了一种针对钒液流电池电解液温度的控制装置。
本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题。
控制装置包括换热液提供装置、换热机构、控制模块和温度检测模块。
优选地,换热机构包括电解液换热通道和换热液换热通道。电解液换热通道置于换热液换热通道内。
优选地,控制模块分别与换热液提供装置和温度检测模块电连接。
优选地,温度检测模块设置于电解液储存槽内并用于检测钒电解液的温度值,并将温度数值发送至控制模块。
优选地,控制模块通过信号通路以无线或有线方式连接至电子阀门,用于向相应的电子阀门选择性发送开通或截止的指令或电平。
优选地,电解液换热通道的入口和出口分别从换热液换热通道的内壁向外穿出且电解液换热通道与换热液换热通道之间没有连通。
优选地,电解液换热通道从入口到出口的流通走向与换热液换热通道从入口到出口的流通走向同向以实现电解液与换热液之间同向流动。
优选地,电解液换热通道从入口到出口的流通走向与换热液换热通道从入口到出口的流通走向反向以实现电解液与换热液之间反向流动。
优选地,换热液提供装置的出口通过第三管道与换热机构的换热液换热通道的入口连接。
优选地,换热机构的换热液换热通道的出口通过第四管道回连至换热液提供装置的入口。
优选地,电解液储存槽的出口通过第二管道与换热机构的电解液换热通道的入口连接。
优选地,换热机构的电解液换热通道的出口通过第一管道回连至电解液储存槽的入口。
优选地,温度检测模块包含数据发送模组、温度数据处理芯片和温度检测器。
优选地,数据发送模组与温度处理芯片通过电路板集成为一个温度检测模块芯片主体,例如可以是PLC上的输出端口和单片机。
优选地,温度检测模块芯片主体以非接触电解液的形式设置于电解液储存槽顶部。
优选地,温度检测器置于电解液储存槽内壁上并浸没在电解液中。
优选地,温度检测模块芯片主体与温度检测器之间通过无线或有线方式电连接。
优选地,控制模块包括信号接受模组、数据处理芯片和指令发送模组三个部分。
优选地,信号接受模组、数据处理芯片和指令发送模组通过电路板集成为一个控制模块主体例如可以是PLC上的输入端口、输出端口和单片机。
优选地,信号接受模组以无线或有线方式连接至温度检测模块内的数据发送模组。
优选地,指令发送模组以无线或有线方式连接至电子阀门以及换热液提供装置内的信号接受端。
优选地,第三电子阀门设置于第三管道之内。
优选地,第四电子阀门设置于第四管道之内。
优选地,第一电子阀门设置于第一管道之内。
优选地,第二电子阀门设置于第二管道之内。
优选地,电子阀门分别以无线或有线方式连接至控制模块内的指令发送模组以按照控制模块的指令进行开通或截止的操作。
优选地,还增加了负极电解液换热通道、第五管道、第五阀门、第六管道、第六阀门和第二温度检测模块。
优选地,负极电解液换热通道置于换热液换热通道内并且负极电解液换热通道的入口和出口分别从换热液换热通道的内壁向外穿出,同时负极电解液换热通道与正极电解液换热通道及换热液换热通道互相不连通并且在液流方向上可以相互同向或反向。
优选地,负极电解液储存槽的出口通过第六管道与换热机构的负极电解液换热通道的入口连接,换热机构的负极电解液换热通道的出口通过第五管道回连至负极电解液储存槽的入口。
优选地,第五电子阀门设置于第五管道之间,第六电子阀门设置于第六管道之间,电子阀门分别以无线或有线方式连接至控制模块内的指令发送模组以按照控制模块的指令进行开通或截止的操作。
优选地,第二温度检测模块包含数据发送模组、温度数据处理芯片和温度检测器,数据发送模组与温度处理芯片通过电路板集成为一个温度检测模块芯片主体,第二温度检测模块的温度检测模块芯片主体以非接触电解液的形式分别设置于负极电解液储存槽顶部,第二温度检测模块的温度检测器置于负极电解液储存槽的内壁上并浸没在电解液中,温度检测模块芯片主体与温度检测器之间通过无线或有线方式电连接。
本实用新型的积极效果在于:
本实用新型实现了通过对电解液的实时监控,利用换热机构换热的方法,将电解液温度控制在目标的范围内,由于提供换热液的换热液提供装置既可以制备热的换热液也可以制备冷的换热液,在严寒环境下钒液流电池电解液溶质容易析出的问题也得以解决。在本实用新型另一个优选的实施例中,可以同时对正负及电解液温度进行监控,并可选择地对其中一种或两种电解液进行调温。本实用新型能够保障钒液流电池的安全性和稳定性,并且能够保障电池能够全天候持续运行。
附图说明
图1为本实用新型具体实施方式1的电解液温度的控制装置结构示意图。
图2为本实用新型具体实施方式2的电解液温度的控制装置结构示意图。
图中:1-换热液提供装置;2-换热机构;3-控制模块;4-第一温度检测模块;5-正极电解液储存槽;6-第三电子阀门;7-第四电子阀门;8-第一电子阀门;9-第二电子阀门;10-第五电子阀门;11-第六电子阀门;12-第二温度检测模块;13-负极电解液储存槽;P1-第一管道;P2-第二管道;P3-第三管道;P4-第四管道;P5-第五管道;P6-第六管道;T1-正极电解液换热通道;T2-换热液换热通道;T3-负极电解液换热通道;
具体实施方式
本实用新型涉及一种针对钒液流电池电解液温度的控制装置,其大致包括换热液提供装置1、换热机构2、控制模块3以及温度检测模块4。
在具体实施例1(见附图1)中,与换热液提供装置1以及钒液电池电解液储存槽5连接的且在位置上大致位于上述两者之间的换热机构2大致呈一个圆柱形或棱柱形的中空的在换热机构2被整体置于液流电池总体组件中的情况下,用于包裹、保护设置在其内部的电解液换热通道T1和换热液换热通道T2以及隔绝内外温度的壳体结构。在无法保证换热机构2整体之外的环境温度恒定不变的情况下,所述壳体结构的壳体组成部分可以采用石棉填充或者隔热陶瓷制成以避免外界环境温度影响换热机构内部的温度。
在壳体空腔内沿着壳体中心轴线的方向上以两端可拆卸的方式固定设有一个在需要换热机构2进行换热的情况下为换热液提供流经通道的大致呈中空圆柱管形状的换热液换热通道T2。所述换热液换热通道可以采用玻璃等材质制成;优选地,可以采用隔热陶瓷或带有真空夹层的双层玻璃制成,以防止例如在需要较热的换热液加热电解液的情况下,换热液的热量由换热液通道T2的外壁向外部散失的问题。
电解液换热通道T1设置于换热液换热通道T2内部,其与换热液换热通道T2相比内径稍小,且为增大换热面积之目的而大致呈现上下蜿蜒螺旋形状,用以在换热机构中提供一个换热面积尽可能大的电解液换热空间。为了与换热液换热通道T2之间形成物质上的隔绝,电解液换热通道T1的入口与出口分别在接近换热液换热通道T2的入口与出口的热液换热通道T2内表面处沿由内表面向外表面的方向穿出,使得电解液在经过电解液换热通道T1时可以与流经电解液换热通道T1外壁的换热液仅有热量上的交换而没有物质上的混合。同时,该两处熔接点达成了在换热液换热通道T2内部固定电解液换热通道T1之目的。为达到快速换热之目的,电解液换热通道T1可以采用铜管或其它导热性良好的金属制成。优选地,为防止酸性电解液对换热通道潜在的腐蚀隐患以及为了电解液换热通道T1与换热液换热通道T2进、出口之间更好的熔接,电解液换热通道T1可以采用玻璃陶瓷等导热性良好的硬质无机质材料。
电解液换热通道T1从入口到出口的流通走向与所述换热液换热通道T2从入口到出口的流通走向同向以实现电解液与换热液之间同向流动。
在本实用新型所述的电解液温度控制装置正常运行的情况下,从电解液储存槽出料口开始,沿电解液流动方向观察,位于上游的钒液流电池电解液储存槽5外部接近下端位置的出料口利用第二管道P2按照诸如法兰结构的配合方式紧密连接至位于下游的电解液换热通道T1的入口,从而使得电解液储存槽5内的电解液可以通过第二管道P2进入电解液换热通道T1。同时,从电解液换热通道T1出口端开始,沿电解液流动方向观察,位于上游的电解液换热通道T1出口利用第一管道P1按照诸如法兰结构的配合方式紧密连接至位于下游的电解液储存槽5外部接近上端位置的进料口,从而使得电解液换热通道T1的电解液可以通过第一管道P1回流至电解液储存槽5内。
因此,电解液储存槽5、第二管道P2、电解液换热通道T1和第一管道P1形成了电解液的回环流通通道。具体地,当进行换热过程时,电解液由电解液储存槽5出料口进入第二管道P2,经由第二管道P2输送至换热机构2内的电解液换热通道T1进行换热,随后经由上述换热通道出口进入第一管道P1,最后通过第一管道P1经由入料口回流至电解液存储槽5。
类似地,在本实用新型所述的电解液温度控制装置正常运行的情况下,从换热液提供装置1外部出口开始,沿换热液流动方向观察,位于上游的热液提供装置1外部出口利用第四管道P4按照诸如法兰结构的配合方式紧密连接至位于下游的换热液换热通道T2的入口,从而使得换热液提供装置1内的换热液可以通过第四管道P4进入换热液换热通道T2。同时,从换热液换热通道T2出口端开始,沿换热液流动方向观察,位于上游的换热液换热通道T2出口利用第三管道P3按照诸如法兰结构的配合方式紧密连接至位于下游的换热液提供装置1外部入口,从而使得换热液换热通道T2的换热液可以通过第一管道P1回流至热液提供装置1内。
因此,冷热水提供装置1、第四管道P4、电解液换热通道T1和第三管道P3形成了换热液的回环流通通道。具体地,当进行换热过程时,换热液由换热液提供装置1出口进入第四管道P4,经由第四管道P4输送至换热机构2内的换热液换热通道T2进行换热,随后经由上述换热通道出口进入第三管道P3,最后通过第三通道P3经由入口回流至冷热水提供装置1。
在用于储存液体性质的且在瞬时时间内从液面到液底方向上以梯度形式可能形成多个温度区间的电解液的电解液储存槽的靠近顶部的内侧面上,以不接触电解液的方式可拆卸地(如采用插头插座或螺纹固定)设置有与预先通过例如焊接一类的不可拆卸或者通过经防水构件保护性处理过的插头插座一类的可拆卸的方式安装于电解液储存槽内壁的温度检测器之间通过可传导电信号的组件例如可以是导线或无线方式连接的温度检测模块4。其中,在一些特殊情况下,当温度检测模块4被额外焊接在电解液储存槽内壁的可以是塑料壳体一类的材料密封保护在内时,可以与保护壳体作为一个整体浸没于电解液。上述的温度检测器,当数量至少为一个时优选安装于沿电解液液面到液底路径上的中间部位;当存在多个数目时优选按照一定的间隔距离在沿电解液液面到液底路径上间隔分布。
所述温度检测器采集温度的过程通常可以按照如下方式进行:经高强度高分子膜热缩包覆处理的普通金属热敏电阻或是具有一定化学惰性的半导陶瓷一类的热敏电阻所组成的温度检测器在感受所处环境的温度变化后自身电阻的随之改变并在常驻的测量回路中形成变化的电信号。所述电信号通过导线沿温度检测器向温度检测模块4的方向传输到具有电信号处理、计算功能的温度检测模块4处理并得到温度数值,该温度检测模块4可以是类似于在电路板上集成输入端口、输出端口和单片机的PLC组件,例如西门子的6ES7215-1AG40-0XB0。
在包裹由本实用新型所述电解液温度控制装置、钒液流电池本体及其可能的其它部件组成的钒液流电池整体组件的外壳内壁或者在钒液流电池本体的支撑性构件的某个未被占用的空间上,按照可以是螺纹固定或是胶粘的方式设置有用于在需要本文所述电解液温度控制装置工作时通过自身芯片内搭载的预置处理程序向上述第一、第二、第三、第四管道处的多个电子阀门发出电子信号以控制阀门开闭的方式来完成整个电解液控制过程的控制模块3。其中所述的多个电子阀门是沿管道内液体流动的方向安装于所述第一、第二、第三、第四四个管道之间的用以按自身受电子信号引导进行开闭的方式控制所述管道中的液体流通或者截止的阀门构件。
具体地,第一阀门8以法兰件配合或内置形式安装于第一管道P1沿液体流动路线的中间部位以控制从电解液换热通道T1流出的电解液回到电解液储存槽5的通道的流通和截止;第二阀门9以法兰件配合或内置形式安装于第二管道P2沿液体流动路线的中间部位以控制从电解液储存槽5流出的电解液去往电解液换热通道T1的通道的流通和截止;第三阀门6以法兰件配合或内置形式安装于第三管道P3沿液体流动路线的中间部位以控制从换热液换热通道T2流出的换热液回到换热液提供装置1的通道的流通和截止;第四阀门7以法兰件配合或内置形式安装于第四管道P4沿液体流动路线的中间部位以控制从换热液提供装置1流出的换热液去往换热液换热通道T2的通道的流通和截止。
控制模块以可以传导电信号的组件例如可以是导线连接的方式连接到上述第一、第二、第三、第四四个电子阀门的信号接收端、上述温度检测模块4的信号输出端以及换热液提供装置1的温度设定模块的接收端,用于根据温度检测模块4处理得出的电解液温度情况按照预定程序设定目标换热液温度后控制上述四个电子阀门使得换热液和电解液得以在换热机构2的内部进行热量上的交换以达到温度控制之目的,该控制模块3可以是类似于在电路板上集成输入端口、输出端口和单片机的PLC组件,例如西门子的6ES7215-1AG40-0XB0。
本实用新型所述对钒液流电池电解液温度控制装置在使用过程中,首先,被安置于电解液槽体内壁的一个或多个温度检测器受温度变化而改变其自身电阻,与温度检测器串联于同一测量回路的温度检测模块4采集到温度检测器电阻变化的电信号并将其转换、计算为当前电解液槽体内所储存的电解液温度数值(例如平均温度)并将此数值经由电信号输入控制模块3的处理芯片单元。控制模块3接收到温度数值之后根据预设在其芯片内的判断程序判断是否需要对电解液进行换热以及需要向热换热还是向冷换热。
其判断程序具体为,根据钒液流电池的物理化学或者一般使用的经验设定需要开启换热装置的开启温度判断数值。例如根据钒电解质的物理化学性质和使用经验,当温度接近或者高于45℃时,正极电解液内含有的五价钒离子将会形成大量沉淀影响钒液流电池的放电效率;当温度接近或者低于0℃时,正负极电解液中的钒离子也会因为溶解度随温度下降之原因析出晶体,因此,钒液流电池电解液的使用温度在0℃到45℃范围内为最佳。由此,开启温度判断数值可以设置为例如40℃和5℃这类稍小于45℃和稍大于0℃的数值。
当控制模块3内置的程序判断由温度监测器控制模块输入的电解液实时温度低于5℃时,控制模块3向换热液提供装置1发出一个温度较热的(例如25℃)的换热液目标温度指令,换热液提供装置1接受指令并开始制备目标温度的换热液。同理地,当控制模块3内置的程序判断由温度监测器控制模块输入的电解液实时温度高于40℃时,控制模块3向换热液提供装置1发出一个温度较冷的(例如15℃)的换热液目标温度指令,换热液提供装置1接受指令并开始制备目标温度的换热液。
优选地,还可以将例如8℃和37℃设置为预热温度判断数值,控制模块3由上述过程判断电解液实时温度低于或高于所述预热温度判断数值后向换热液提供装置1发出指令使之提前预热或预冷换热液以便在需要开启换热装置时换热液可以更快的进入可使用的状态。
在换热液提供装置1制备的换热液达到指令的目标温度后,控制模块控制上述第一、第二、第三、第四四个电子阀门开启,电解液由电解液储存槽5经过第二管道P2进入电解液换热通道T1,随后在电解液换热通道T1蜿蜒螺旋的结构中缓慢通过,随后经由第一管道T1回流至电解液储存槽5。同时换热液由换热液提供装置1流出经由第四管道T4流入换热液换热通道T2,在换热液换热通道T2中的换热液沿着电解液换热通道T1的外壁流动,随后经由第三管道回流至换热液提供装置1。在换热结构2中由于流经热液换热通道T2的换热液和流经电解液换热通道T1的电解液之间的热交换作用,电解液的温度得以被控制在一定的目标范围内。
当控制模块检测到电解液储存槽内电解液实时温度不满足上述开启温度判断范围后,控制上述第一、第二、第三和第四四个阀门的关闭以截止换热液或电解液的流通,并且向换热液提供装置1发送关机指令以关闭换热液提供装置1。
在另外一个实施例2中(见附图2)介绍了一种可以选择性调控正极或负极电解液其中一种或全部温度的对钒液流电池电解液温度的控制装置。其与上述实施例1不同的地方是:
换热机构2内额外设置了一个负极电解液换热通道T3,负极电解液换热通道T3的入口与出口分别在接近换热液换热通道T2的入口与出口的热液换热通道T2内表面处沿由内表面向外表面的方向穿出。
另外增设了第五管道P5、第六管道P6、第五阀门10和第六阀门11。具体地,第五管道P5按照上述方式连接负极电解液换热通道T3出口和负极电解液储存槽12的入口,第六管道P6按照上述方式连接负极电解液储存槽12的出口和负极电解液换热通道T3的入口。
第五阀门10以法兰件配合或内置形式安装于第五管道P5沿液体流动路线的中间部位以控制从负极电解液换热通道T3流出的电解液回到负极电解液储存槽13的通道的流通和截止;第六阀门11以法兰件配合或内置形式安装于第六管道P6沿液体流动路线的中间部位以控制从负极电解液储存槽12流出的电解液去往负极电解液换热通道T3的通道的流通和截止;
在正极和负极电解液储存槽内部的上端部份分别以上述非接触电解液的方式安装有第一温度检测模块4和第二温度检测模块12以分别检测正极和负极电解液的温度,上述两个温度检测模块均与控制模块以有线或无线的方式连接。
在本实施例2中,当控制模块3接受到来自于第一温度检测模块4和第二温度检测模块12获得的实时正极和负极电解液的温度,判断上述两个温度是否满足设定的温度范围条件,若只有其中一个温度不满足设定的温度范围条件,则控制模块并且可以选择性的开启相应的电解液换热回路的阀门以实现对单独一种电解液的换热功能。同时,在两种电解液均不满足设定的温度范围条件时,可以同时开启两种电解液换热回路的阀门以实现对两种电解液同时换热的功能。
所有上述实施例中的特点和设计理念可以做出可以预见的增添或组合,以得出新的设计方案。应该理解,那些不偏离本实用新型全部范围和设计思路的对装置,方法和/或系统的所有修改(例如添加和/或删除)应该包含在本实用新型的所有等同设计和保护范围之中。