JP5065909B2 - バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムの効率及び電力出力を最適化するシステム及び方法 - Google Patents

バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムの効率及び電力出力を最適化するシステム及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システム及びその性能を高める関連の自動制御システムに関するものである。
家庭用及び工業用の電力は一般に、火力発電所、水力発電所及び原子力発電所により提供されている。水力発電所における新たな開発は消費電力の変動に急速に応答しうるようにするものであり、その出力は一般に、所要電力の変化に応答するように制御される。しかし、建造しうる水力発電所の個数は見込みのある個所数に制限される。火力発電所及び原子力発電所は代表的に、最大又はそれに近い限度容量に達している。これらの発電所により発生される余剰電力は、揚水発電所によって蓄積しうるが、揚水発電所には臨海的な地理的条件が必要であり、従って、見込みのある個所数は、利用可能な地形により決定される。
電力消費量の増え続ける需要及び現在の技術的改革が太陽発電所及び風力発電所を実行可能な選択肢としている。蓄電池のようなエネルギー蓄積システムは、風力発電機又は太陽電池アレイにより給電される遠隔電力システムに対する必須条件となっている。これらのエネルギー蓄積システムは更に、オフピーク状態中に電力を売買するためのエネルギー仲介を可能にする必要がある。
バナジウムレドックスエネルギー蓄積システムは極めて好意的な注目を集めている。その理由は、これらのシステムは廉価となる見込みがあり、且つ、寿命を長くし、設計を自由にでき、信頼性を高くし、動作及び維持管理の費用を低くする多くの特徴を有している為である。バナジウムレドックスエネルギー蓄積システムには、膜により分離された陽極液及び陰極液を保持するセルが含まれている。
バナジウムレドックスエネルギー蓄積システムは、陽極液及び陰極液をセルに通すポンピングフローシステムに依存している。バナジウムレドックスエネルギー蓄積システムの動作中は、流量、内部温度、圧力及び充放電時間が全て電力出力に影響を及ぼす要因である。従って、バナジウムレドックスエネルギー蓄積システムの効率を最適化するシステム及び方法を提供することが、技術的な向上となるものである。
簡単に上述した本発明の、より特定の説明を添付図面を参照して行う。これらの添付図面は、本発明の代表的な実施例に関する情報を提供するだけのものであり、本発明の範囲を制限するものではないことを理解した上で、追加の特異性及び詳細に関して添付図面を用いて本発明を説明する。
本発明の好適実施例は図面を参照することにより最も良好に理解しうるであろう。これらの図面では、同様な部分に同じ符号を付してある。図面に一般に示してある本発明の構成素子は種々の異なる構成に設計配置しうることは容易に理解されるであろう。従って、図１〜６に示す本発明の装置、システム及び方法の実施例は、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲を制限するものではなく、単に本発明の好適実施例を表すだけである。
バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システム（以後、ＶＲＢ‐ＥＳＳと称する）には、絶対ＫＶＡ定格及びエネルギー蓄積期間（時間）の双方においてあらゆる大きさのバナジウムレドックス電池（ＶＲＢ）が含まれている。ＶＲＢ‐ＥＳＳは、バナジウム電解液を保持する貯蔵所と、セルとして規定したエネルギー変換機構と、配管及びポンピングフローシステムと、電力変換システム（ＰＣＳ）とを有している。
ＶＲＢ‐ＥＳＳは制御システムと電気（通信）接続されており、この制御システムがＶＲＢ‐ＥＳＳの構成素子の動作状態を監視及び制御する。この制御システムは種々の方法で構成しうるが、一実施例では、プログラマブル論理制御器や、マイクロプロセッサ等の適切なプラットフォームに対して実行される制御プログラムを含むようにする。この制御システムは、効率及び安全操業の基本パラメータを適切に満足するようにＶＲＢ‐ＥＳＳの性能を制御及び管理する。この制御システムは更に、重要な構成素子が外部又は内部障害又は故障を受けた場合に自己防衛するとともに、動的な負荷条件又は予め設定された性能しきい値によって決定された正確な制御出力を生じ、且つ各サイクルで時間毎に変動する周囲条件を提供する。
本発明は、ＶＲＢ‐ＥＳＳ又はバナジウムを主成分とする電解液を電池のエネルギー蓄積成分として用いている何らかのシステムの出力、充放電時間及び効率を最適に制御するシステム及び方法を提供する。ＶＲＢの動作を制御する幾つかの主要なパラメータが存在する。電解液を何らかの所定の濃度にする場合、これらの主要なパラメータには、セルスタック内又はそれにまたがる温度、体積流量及び圧力や、流れる又は給電される電流により分かる負荷及び電解液の充電状態が含まれる。負荷は正又は負極性として見ることができる。負荷が負極性である場合には、実際にこの負荷がＶＲＢに電力を供給する。これらのパラメータは全て、動的に連続して且つ経時的に変化する。
ＶＲＢの全体的性能を最適にするために、本発明は幾つかの制御方式を有するアルゴリズムを提供する制御システムを採用する。この制御システムは、ＶＲＢ‐ＥＳＳを自動モードで動作させ、交流電流入力から交流電流出力へ往復で測定して可能な最大効率が達成されるようにする。この制御システムは、ＶＲＢ‐ＥＳＳの経年に応じて、又は何らかの成分或いは素子の動的変化が生じた際に、調整を行う。又、この制御システムは、ＶＲＢ‐ＥＳＳ内の充放電、ポンプ流量及び関連の圧力を制御することにより、最適な効率を達成する。
図１を参照するに、この図１に、本発明に対し用いるＶＲＢ‐ＥＳＳのブロック線図を示す。太陽電池アレイ又は風力発電機により給電される遠隔電力システム分野には、適切なエネルギー蓄積システムが必要である。このような分野では、ライフサイクルコストを低くし、動作を簡単にすることが重要な条件である。
システム１０は、１つ以上のセル１２を有しており、各セルは、負電極１６を有する負極性コンパートメント１４と、正電極２０を有する正極性コンパートメント１８とを具えている。適切な電極には、当該技術分野で既知のいかなる個数もの構成素子を含めることができ、米国特許第 5,665,212号明細書の教示により製造した電極を含めることができるものである。この米国特許明細書は参考のために記載したものである。負極性コンパートメント１４は、負電極１６と電気接続されている陽極液２２を収容している。この陽極液２２は、還元状態にあってセル１２の放電処理中に酸化させる必要があるか、又は酸化状態にあってセル１２の充電処理中に還元させる必要がある特定のレドックスイオンを含む電解液であるか、或いは前者の還元されたイオンと後者の酸化されたイオンとの混合電解液である。正極性コンパートメント１８は、正電極２０と電気接続されている陰極液２４を収容している。この陰極液２４は、酸化状態にあってセル１２の放電処理中に還元させる必要があるか、又は還元状態にあってセル１２の充電処理中に酸化させる必要がある特定のレドックスイオンを含む電解液であるか、或いは酸化されたイオンと酸化させる必要があるイオンとの混合電解液である。
陽極液２２及び陰極液２４は、米国特許第 4,786,567号、 6,143,443号、 6,468,688号及び 6,562,514号明細書の教示や、当該技術分野で周知の他の技術に応じて調製しうる。これらの米国特許明細書は参考のために記載したものである。陽極液２２は、還元状態にあってレドックス電池の放電処理中に酸化させる必要があるか、又は酸化状態にあってレドックス電池の充電処理中に還元させる必要がある特定のレドックスイオンを含む電解液、或いは前者の還元されたイオンと後者の酸化されたイオンとの混合電解液を言うものである。陰極液２４は、酸化状態にあってレドックス電池の放電処理中に還元させる必要があるか、又は還元状態にあってレドックス電池の充電処理中に酸化させる必要がある特定のレドックスイオンを含む電解液、或いは酸化されたイオンと酸化させる必要があるイオンとの混合電解液を言うものである。更に、陽極液２２の範囲にはNaＯＨ水溶液が含まれず、陰極液２４の範囲にはＨCl水溶液が含まれない。一実施例では、陽極液２２は、１Ｍ〜６ＭのＨ2 ＳＯ4 であり、代表的に０．１〜２０重量％の範囲の量の分解防止剤を有しており、陰極液２４は１Ｍ〜６ＭのＨ2 ＳＯ4 である。
各セル１２は、正極性コンパートメント１４と負極性コンパートメント１８との間に配置されたイオン伝導性セパレータ２６を有し、このイオン伝導性セパレータは陽極液２２及び陰極液２４と接触してこれらの液間でイオン伝達を達成するようになっている。セパレータ２６はプロトン交換膜として機能し、ピュアフロマトレート（purflomatorete）化してもしなくても良い炭素材を含むことができる。
陽極液貯蔵所２８内には追加の陽極液２２が収容されており、この陽極液貯蔵所は、陽極液送給ライン３０及び陽極液戻しライン３２を経て負極性コンパートメント１４と流体的に連通している。陽極液貯蔵所２８はタンク、袋又は当該技術分野で既知のその他の容器として構成できる。陽極液送給ライン３０はポンプ３６及び熱交換器３８と連通している。ポンプ３６は、陽極液貯蔵所２８、送給ライン３０、負極性コンパートメント１４及び陽極液戻しライン３２を介して陽極液２２を流動させうる。又、ポンプ３６は、発生される流量を変えるように可変速度を有する。熱交換器３８は発生される熱を陽極液２２から流体又は気体媒体に移動させる。ポンプ３６及び熱交換器３８は、種々の既知の適切な装置から選択することができる。
送給ライン３０は、陽極液の流量を制御する１つ以上の送給ライン弁４０を有する。陽極液戻しライン３２は、戻し流量を制御する戻しライン弁４４と連通している。
同様に、陰極液貯蔵所４６内に追加の陰極液２４が収容されており、この陰極液貯蔵所は、陰極液送給ライン４８及び陰極液戻しライン５０を経て正極性コンパートメント１８と流体的に連通している。陰極液送給ライン４８は速度可変ポンプ５４及び熱交換器５６と連通している。速度可変ポンプ５４は、陰極液貯蔵所４６、送給ライン４８、正極性コンパートメント１８及び陰極液戻しライン５０を介して陰極液２４を流動させうる。送給ライン４８は送給ライン弁６０を有し、戻しライン５０は戻しライン弁６２を有する。
負電極１６及び正電極２０は、電源６４及び負荷６６と電気接続されている。電源６４と各負電極１６との間には電源スイッチ６８が直列に配置されている。同様に、負荷６６と各負電極１６との間には負荷スイッチ７０が直列に配置されている。当業者にとっては、他の回路配置が可能であり、図１の実施例は説明の目的のみに提供されたものである。
充電に際しては、電源スイッチ６８が閉成され、負荷スイッチ７０が開放される。ポンプ３６は、陽極液送給ライン３０及び陽極液戻しライン３２を経て陽極液２２を負極性コンパートメント１４及び陽極液貯蔵所２８に通すようにポンピングする。これと同時に、ポンプ５４が陰極液送給ライン４８及び陰極液戻しライン５０を経て陰極液２４を正極性コンパートメント１８及び陰極液貯蔵所４６に通すようにポンピングする。電源６４から負電極１６及び正電極２０に電気エネルギーを供給することにより、各セル１２が充電される。電気エネルギーは、陽極液２２に２価のバナジウムイオンを抽出し、陰極液２４に５価のバナジウムイオンを抽出する。
電力は、負荷スイッチ７０を閉成させるとともに電源スイッチ６８を開放させることにより、各セル１２から取り出される。これにより、負電極１６及び正電極２０と電気接続されている負荷６６が電気エネルギーを取り込むようにする。図示していないが、必要に応じ直流電力を交流電力に変換する電力変換システムを導入することができる。
多数の制御パラメータがシステム１０の効率に影響を及ぼす。重要な制御パラメータは陽極液２２及び陰極液２４の温度である。この温度は、周囲の状態及び負荷条件により影響を受ける。他の制御パラメータは陽極液２２及び陰極液２４の圧力であり、この圧力は流量、充電状態（ＳＯＣ）、温度及びプラント設計により影響を受ける。他の制御パラメータは、可変の速度駆動装置により制御される流量である。他の制御パラメータには、充電電流や、ＳＯＣにより決定される定電流期間が含まれる。
他の制御パラメータは水素の放出である。水素の放出は、制御方式により最少化され、温度、ＳＯＣ、負荷及びランプ（傾斜特性）速度である充放電速度により影響される。他の制御パラメータは、容積に対する陽極液２２及び陰極液２４の濃度の再混合である。陽極液貯蔵所２８及び陰極液貯蔵所４６は交差路の為に互いに異なる電解液のレベルを有する為、圧力差が時間とともに変化する。濃度も変化する為、システムの最適化により再混合パラメータを制御する必要がある。
充電期間及び放電期間も追加の制御パラメータである。充放電速度は水素の放出に影響を及ぼす。更に、放電中は熱が発生し、陽極液２２及び陰極液２４の温度が上昇する。従って、粘性が影響される為、これに応じてポンプの流量を調整する必要がある。充放電に対する最適時間は、システムが扱いうる最大レート及び負荷条件の範囲内で、すなわち、一日で利用できる時間内で選択する。
図２を参照するに、この図２には、ＶＲＢ‐ＥＳＳ１０のセル１２とＰＣＳ１００との相互接続を示してある。ＰＣＳ１００は、図１に一般的に示す負荷６６として作用する。このＰＣＳ１００は一例として示すものであり、種々のいかなる構成にすることもできるものである。このＰＣＳ１００には、負荷スイッチ７０を経て１つ以上のセル１２が結合される。これらセル１２は、キャパシタ１０４とダイオード１０６とを直列に有しうる結合回路１０２に電流を供給する。この結合回路１０２は、直流電流を交流電流に変換するインバータ１０８と電気接続されている。このインバータ１０８は、局所的に配電する主配電盤１１０に結合されている。
主配電盤１１０には、電柱に装着される変圧器のような１つ以上の変圧器１１２が電気接続され、遠隔配電用の局所電圧を逓昇させるようになっている。変圧器１１２には、長距離に亘る送電を可能にする配電フィーダ１１４が結合されている。
主配電盤１１０には、局所的に配電するためにパネルボード１１６が結合されている。この状態は特に、電力のアクセスが制限されている遠隔位置にシステム１０が存在する場合に有効である。パネルボード１１６は、ポンプ３６及び５４に電気接続され、これらポンプを動作させるように附勢する。パネルボード１１６には１本以上の電力線１１８が電気接続され、照明や、ＨＶＡＣ（冷暖房空調設備）等のような１つ以上の用途に高電圧を供給するようになっている。パネルボード１１２と電気接続されている変圧器１２０は壁コンセント用に電圧を逓降させるとともに、この電圧をサブパネル１２２に供給する。このサブパネル１２２は、１つ以上の壁コンセント１２４に電気接続されている。
図３を参照するに、この図３は、図１のシステム１０とインターフェース接続された制御システム２００の一実施例を示すブロック線図である。この制御システム２００は、本発明の用途を実行するプロセッサ２０２を有するプログラマブル論理コンピュータとして構成しうる。プロセッサ２０２は、実行しうる用途及びデータを受けて記憶するメモリ２０４と電気接続されている。メモリ２０４は種々に構成でき、ＲＯＭや、ＲＡＭや、不揮発性メモリ、例えば、磁気ハードドライブ、等のような種々のメモリ装置を集合的に含むことができる。制御システム２００は更に、ユーザとの対応を可能にする入力装置２０６及び出力装置２０８を有する。
ユーザは、メモリ２０４内のルックアップテーブル２１２内に制御設定２１０を入力する。制御設定２１０には、実時間の価格条件や、予想される需要のピーク限界や、ＶＲＢ‐ＥＳＳ１０に対し計画された充放電期間が含まれる。
制御システム２００は、ＭＯＤＢＵＳプロトコルを用いるＲＳ４８５として構成しうる制御通信インターフェース２１４を介してシステム１０の種々の構成要素と電気接続されている。制御システム２００と電気接続されている構成要素には、ポンプ３６及び５４と、熱交換器３８及び５６と、送給弁４０及び６０と、戻し弁４４及び６２と、電源スイッチ６８と、負荷スイッチ７０とが含まれる。制御システム２００は更に、貯蔵所２８内の陽極液２２と貯蔵所４６内の陰極液２４とを均等レベルにする均等／混合制御器２１５と通信する。均等／混合制御器２１５は、必要に応じ、貯蔵所２８及び４６における電解液の量を増大又は減少させて、陽極液２２及び陰極液２４の量をほぼ均等に維持する。この均等／混合制御器２１５は、補助の貯蔵所（図示せず）から追加の陽極液２２及び陰極液２４を提供するか、又は陽極液２２及び陰極液２４を放出路（図示せず）を介して減少させることができる。
制御システム２００は、制御通信インターフェース２１４に類似させることのできるモニタ通信インターフェース２１８を介してセンサ２１６と通信する。これらのセンサ２１６はシステム１０内に配置されて動作をモニタリングする。これらのセンサ２１６には、電解液の温度をモニタリングする陽極液温度計２２０ａ及び陰極液温度計２２０ｂを含めることができる。陽極液温度計２２０ａ及び陰極液温度計２２０ｂは陽極液２２及び陰極液２４とそれぞれ接触しており、ＶＲＢ‐ＥＳＳ１０内全体のいかなる個数の個所にも配置することができる。センサ２１６には更に、外気温度をモニタリングする外気温度計２２２が含まれる。陽極液貯蔵所２８及び陰極液貯蔵所４６内には電解液レベルセンサ２２４ａ及び２２４ｂがそれぞれ配置され、陽極液２２及び陰極液２４のレベルをそれぞれモニタリングするようになっている。送給ライン３０及び戻しライン３２の双方又はいずれか一方と、送給ライン４８及び戻しライン５０の双方又はいずれか一方とには、陽極液流量センサ２２６ａと陰極液流量センサ２２６ｂとがそれぞれ配置されており、陽極液２２と陰極液２４との体積流量をそれぞれ測定するようになっている。又、システム１０内には、陽極液圧力センサ２２８ａと陰極液圧力センサ２２８ｂとが配置され、これらにより送給ライン３０と戻しライン３２との双方又はいずれか一方における陽極液の圧力と、送給ライン４８及び戻しライン５０の双方又はいずれか一方における陰極液の圧力とをそれぞれ測定するようになっている。又、システム１０内には１つ以上の放出センサ２３０が配置され、セルが発生する水素（Ｈ2 ）の量をモニタリングするようになっている。
通信インターフェース２１８は更に、ＶOC（開回路電圧）を決定するためにセル１２と電気接続されているか、又はシステム１０のセルスタック１２内の基準セルに電気接続されている。又、通信インターフェース２１８はＰＣＳ１００と電気接続されており、このＰＣＳ１００に供給する及びこのＰＣＳ１００から受ける電圧及び電流を表す信号を受信する。全てのセンサ入力を集合的にオペレーショナルデータ２２８と称し、これが制御システム２００に伝達されてメモリ２０４に記憶される。
制御システム２００は、メモリ２０４内に存在する制御モジュール２３２を有し、この制御モジュールがシステムの動作を制御及びモニタリングする。この制御モジュール２３２は、動作の変化の決定及び強化のためにオペレーショナルデータ２２８をモニタリングする。この制御モジュール２３２は、オペレーショナルデータ２２８を検討することによりシステム１０の動的条件を評価するとともに、システムの構成要素の制御変数を調整して所定の設計条件内で効率を最大にするアルゴリズムの応用である。この制御モジュール２３２は、応答に関する遅延時間及びヒステリシスの影響を考慮する。
動作中は、送電網（グリッド）の需要を満足した状況が活動的な状況である。負荷が増大するにつれ、制御システム２００は、ポンプ速度を増大させてより多くの電力を供給させることにより需要を満足させる。従って、負荷が減少すると、ポンプ速度が減少する。更に、電解液中の電荷が多くなればなるほど、ポンプ速度を遅くして、需要を満足させるようにする。これとは逆に、電解液中の電荷が少なくなればなるほど、ポンプ速度を速くして、需要を満足させるようにする。ＶＲＢを充電する場合、電解液中の電荷が少なくなればなるほど、電解液を充電するのに必要なポンプ速度が遅くなり、一方、電解液中の電荷が多くなればなるほど、電解液を充電するのに必要なポンプ速度が速くなる。更に、種々の電解液及び濃度に基づいて、種々のポンプ速度を採用する。
制御モジュール２３２は以下の制御方式の式を採用している。
ＳＯＣ＝（Ａ＋Ｂ・ＶOC C ）／（Ｄ＋ＶOC C ）
この式において、ＳＯＣは充電状態であり、ＶOCは開回路電圧である。Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは定数である。上述した制御方式の式は、ＶOCとＳＯＣとの間の基本的な関係を規定する。図４を参照するに、この図４は、ＶOCをＳＯＣの関数として示す一例のプロットのグラフ線図である。図５を参照するに、この図５は、理想的なＶOCをＳＯＣの関数として示すグラフ線図である。この関係は基準セルに対しても確認しうる。
変数Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、セルスタックの圧力、外気温度、内部温度、パイプの長さ、電解液のモル濃度のような物理的な設計上の要因及びその他の設計及び動作上の要因により決定される。図４に示すプロットは変数に基づいて変化したりシフトしたりするおそれがあるが、基本的な曲線形状はそのままである。制御モジュール２３２は上述した式を用いて、開回路電圧ＶOCに基づくＳＯＣを計算する。本発明の独特な考察は、必ずしも全ての変数を積極的に制御する必要がないということである。幾つかの変数は明確な遅延時間をもって他の変数に依存し、全システム１０は、帰還機構として動作する。
陽極液２２及び陰極液２４の流量は、ＶOC、ＳＯＣ、従って、電力出力を制御するために変えることができる。制御システム２００は、ポンプ３６及び５４と熱交換器３８及び５６とを動作させて、ポンプ速度及び温度を変化させるとともに、送給ライン３０及び４８と戻しライン３２及び５０とにおける流量を制御する。この制御システム２００は、流量を制御することにより電力出力、電流又は電圧を一定にすることができる。制御モジュール２３２は、発生されるＶOCやＳＯＣをモニタリングして、システム１０が有効に実行されているかどうかを決定する。システム１０の実行が予測を下回る場合には、制御モジュール２３２が温度及びポンプ速度の主要なパラメータを変えて、システムの実行を改善する。このようにすると、制御モジュール２３２がシステム１０の制御を適合及び改善する。
システム１０の放電状態では、制御システム２００がポンプ３６及び５４と熱交換器３８及び５６とを動作させて、効率及び得られる電力を最適とするように流量を調整する。ＳＯＣが高状態にあり、放電させる場合には、陽極液２２及び陰極液２４を低速でポンピングし、より多くの電荷を各通路において除去しうるようにする。ＳＯＣが低状態にあり且つ放電している場合には、圧力定格限界の下で許容しうる最大値までポンプ速度を速める。
陽極液２２及び陰極液２４は放電するにつれてより一層粘性になる為、等価圧力を高めることなしに流量を増大させることができる。１０パーセントのＳＯＣに低下するまで多くの電力を取り出すには、流量を増大させる必要がある。放電時に、陽極液２２及び陰極液２４の状態が変化すると、発熱反応が生じる。これにより、電解液の温度を良い状態から悪い状態に不規則的に上昇させる。温度限界は代表的に、５℃の最小値及び４０℃の最大値に設定されている。制御システム２００は、各充電／放電サイクルと関連する先行時間及び遅延時間を決定し、設定点を確立する。これらの設定点は、制御システム２００が熱交換器３８及び５６を動作させて陽極液２２及び陰極液２４から熱を放出させる時を決定する。この処理は周囲条件により影響を受ける為、この処理状態は常に動的である。
システム１０の充電中は、制御システム２００がＳＯＣの限界時のポンプ速度を制御して、電力の入出力を最適にするとともに、往復効率を高める。ＳＯＣが高状態にあって充電する場合、ポンピングを速くすることにより、充電された電解液が捕捉されないようにするとともに、熱及びガス、場合によってはＶ2 Ｏ5 が放出されないようにする。ＳＯＣが低状態にあって充電する場合、ポンピングを遅くすることにより、最大エネルギーを各通路に移動させてガス放出を低減させる。
制御システム２００は、放出センサ２３０を用いることにより、充電処理中に各セル１２内の異常により生じるいかなる水素ガスをもモニタリングする。一般に、Ｈ2 ガスは充電サイクル中に発生する。ガスの発生は、一般に、ＳＯＣが高状態になればなる程多くなり、制御システムが最適な性能基準を決定する。Ｈ2 ガスが過剰に生じると、効率が落ちる。充電中、陽極液２２及び陰極液２４の温度は上昇せず、充電の開始点及び充電率に応じて降下しうる。
図６を参照するに、この図６は制御モジュール２３２により実行される特定の制御手順を示すブロック線図である。制御モジュール３００は最初の処理で、システム１０のＳＯＣを計算する（ブロック３０２）。ＳＯＣは、前述した式において、セル１２又は基準セルのＶOCから計算される。
次に、制御モジュール２３２が各ポンプ３６及び５４に対する動的なポンプ速度を計算する（ブロック３０４）。このポンプ速度はブロック３０２で計算されたＳＯＣと、陽極液及び陰極液の圧力とにより決定される。このポンプ速度は更に、ブロック３１２で計算された充電率及び放電率と、ブロック３１０で計算されたシステム効率と、セルのＨ2 ガス放出量とにより調整される。最適なポンプ速度は、制御システム２００から各ポンプ３６及び５４に伝達される。
制御モジュール２３２は更に、ブロック３０６において、陽極液２２及び陰極液２４に対する最適な温度範囲を、ブロック３０２で計算されたＳＯＣとブロック３０４で計算されたポンプ速度とに基づいて計算する。制御モジュール２３２は、外気及び電解液の温度範囲に応じて熱交換器３８及び５６を動作させる。充電及び放電中に発生される熱が測定されて最適な範囲に保たれる。必要に応じて、熱が除去されて、最適な温度範囲が保たれる。充分に寒い環境では、外気が必要な冷却を行う為に、熱交換器は必要でない。
動作中、制御モジュール２３２は陽極液２２及び陰極液２４のレベルをモニタリングし、ブロック３０８において貯蔵所のレベルの均等化が必要であるかどうかを決定する。制御モジュール２３２は均等／混合制御器２１５を動作させ、必要に応じ貯蔵所２８及び４６を調整する。
制御モジュール２３２は、ブロック３１０において、電力出力対電力入力の比に基づいてシステム効率を計算する。システム効率は、セル１２により発生される電圧及び電流と、ブロック３１４で計算された力率と、ＰＣＳ１００に供給される電圧及び電流とにより決定される。システム効率は、ブロック３０４でポンプ速度を計算するのに用いられる。
制御モジュール２３２は制御設定２１０をアクセスして使用可能な充電期間及び放電期間を取り出す。この制御モジュールは次に、ブロック３１２で充電率及び放電率を計算して、需要のピークを最小にするとともに効率を最適にする。充電率及び放電率は最初に計算し、次にこれらを動的な需要状況の下で更新及び計算することができる。充電率及び放電率は、ブロック３０４においてポンプ速度を計算するのに用いる。
又、制御モジュール２３２は、ブロック３１４において、ＰＣＳ１００に供給する及びＰＣＳ１００から受ける電圧及び電流に基づいて力率を計算する。この制御モジュール２３２は更に、ブロック３１２で計算した充電率及び放電率に基づいて、ブロック３１４において最適な充電率及び放電率を計算する。この制御モジュール２３２は、与えられた充電率及び放電率を、以前の充電率及び放電率に基づいて変更させることができる。この制御モジュール２３２は、期待した性能を得るためにＰＣＳ１００に充電率及び放電率を伝達することができる。
動作中は、送電網の需要を満足した状況が活動的な状況である。負荷が増大するにつれ、ＰＣＳ１００は、ＳＯＣに応じてポンプ速度を増大させてより多くの電力を供給させることにより需要を満足させる。従って、負荷が減少すると、ポンプ速度が減少する。更に、電解液中の電荷が多くなればなるほど、ポンプ速度を遅くして、需要を満足させるようにする。これとは逆に、電解液中の電荷が少なくなればなるほど、ポンプ速度を速くして、需要を満足させるようにする。ＶＲＢを充電する場合、電解液中の電荷が少なくなればなるほど、ポンプ速度を遅くして、電解液を充電する必要があり、一方、電解液中の電荷が多くなればなるほど、ポンプ速度を速くして電解液を充電する必要がある。
制御モジュール３００に開示した処理はしばしば並列に動作し、図示のように互いに相互関係がある。システムの動的な条件は、ＶOC、圧力、温度等のようなシステムの変数を常にモニタリングする必要があることである。制御モジュール２３２は、ポンプ速度、電解液温度及び貯蔵所のレベルを常に更新して性能を最適にする。この制御モジュール２３２は、ニューラルネットワークを含む種々の方法で、又は標準の論理プログラムを用いてより簡単に構成しうる。
本発明の根本的な原理から逸脱することなしに、上述した実施例の細部に多くの変更を施すことができること、当業者にとって明らかである。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ決定されるべきものである。
図１は、バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムの一実施例を示すブロック線図である。 図２は、電力変換システムの一実施例を示すブロック線図である。 図３は、制御システムの一実施例を示すブロック線図である。 図４は、充電状態曲線を示すグラフ線図である。 図５は、理想的な開回路電圧に対する充電状態曲線を示す線図である。 図６は、本発明に用いる制御手順を示すブロック線図である。

Claims (40)

  1. バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムを具える充電式エネルギー蓄積システムであって、前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムが、
    陽極液及び陰極液を有するバナジウムレドックス電池セルと、
    このバナジウムレドックス電池セルに結合され、陽極液を流す陽極液ラインと、
    この陽極液ラインに結合され、陽極液を有する陽極液貯蔵所と、
    前記陽極液ラインに結合され、陽極液の流量を規定する可変速度陽極液ポンプと、
    前記バナジウムレドックス電池セルに結合され、陰極液を流す陰極液ラインと、
    この陰極液ラインに結合され、陰極液を有する陰極液貯蔵所と、
    前記陰極液ラインに結合され、陰極液の流量を規定する可変速度陰極液ポンプと、
    陽極液と接触する陽極液温度計と、
    陰極液と接触する陰極液温度計と、
    前記バナジウムレドックス電池セルの開回路電圧を表す信号を受信するために、このバナジウムレドックス電池セルに電気接続されており、且つ前記可変速度陽極液ポンプ及び前記可変速度陰極液ポンプに、並びに前記陽極液温度計及び前記陰極液温度計に電気接続されている制御システムと
    を具えており、
    前記制御システムは、
    プロセッサと、
    このプロセッサに電気接続され、制御プログラムを有しているメモリと
    を有しており、前記制御プログラムは、
    前記陽極液温度計及び前記陰極液温度計からそれぞれ陽極液温度信号及び陰極液温度信号を受信する工程と、
    前記開回路電圧を表す信号と、前記陽極液温度信号及び陰極液温度信号とから、前記バナジウムレドックス電池セルに対する充電状態を計算する工程と、
    この充電状態から陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する工程と、
    前記可変速度陽極液ポンプ及び前記可変速度陰極液ポンプに信号を伝送してポンプ速度を制御する工程と
    を有する方法を実行するようになっている充電式エネルギー蓄積システム。
  2. 請求項１に記載の充電式エネルギー蓄積システムにおいて、前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムが更に、
    前記制御システムと電気接続され、陽極液圧力信号及び陰極液圧力信号をそれぞれ生じる陽極液圧力センサ及び陰極液圧力センサ
    を具え、
    陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、陽極液圧力信号及び陰極液圧力信号により決定されるようになっている充電式エネルギー蓄積システム。
  3. 請求項１に記載の充電式エネルギー蓄積システムにおいて、前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムが更に、
    前記陽極液ラインに結合された陽極液熱交換器及び前記陰極液ラインに結合された陰極液熱交換器
    を具え、これら陽極液熱交換器及び陰極液熱交換器は前記制御システムに電気接続されており、
    前記方法が更に、前記充電状態と、前記陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度とから陽極液及び陰極液の最適な温度範囲を計算する工程を有している充電式エネルギー蓄積システム。
  4. 請求項１に記載の充電式エネルギー蓄積システムにおいて、前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムが更に、
    前記制御システムに電気接続され、外気温度を提供する外気温度計
    を具え、
    充電状態を計算する前記工程の計算が更に、外気温度により決定されるようになっている充電式エネルギー蓄積システム。
  5. 請求項１に記載の充電式エネルギー蓄積システムにおいて、前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムが更に、
    前記制御システムに電気接続され、水素放出量をモニタリングする水素放出センサ
    を具え、
    陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、水素放出量により決定されるようになっている充電式エネルギー蓄積システム。
  6. 請求項１に記載の充電式エネルギー蓄積システムにおいて、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムの充電率及び放電率を計算する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、これらの充電率及び放電率に基づいて決定されるようになっている充電式エネルギー蓄積システム。
  7. 請求項６に記載の充電式エネルギー蓄積システムにおいて、前記方法が更に、
    前記充電率及び放電率から最適な充電率及び放電率を取り出す計算をする工程
    を有するようにした充電式エネルギー蓄積システム。
  8. 請求項１に記載の充電式エネルギー蓄積システムにおいて、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムに対するシステム効率を計算する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、このシステム効率により決定されるようになっている充電式エネルギー蓄積システム。
  9. 請求項１に記載の充電式エネルギー蓄積システムにおいて、前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムが更に、
    前記陽極液貯蔵所に結合された陽極液貯蔵所レベルセンサ及び前記陰極液貯蔵所に結合された陰極液貯蔵所レベルセンサ
    を具え、これら陽極液貯蔵所レベルセンサ及び陰極液貯蔵所レベルセンサは前記制御システムに電気接続されており、
    前記方法が更に、
    前記陽極液貯蔵所及び陰極液貯蔵所の均等化が必要であるかどうかを決定する工程
    を有するようにした充電式エネルギー蓄積システム。
  10. 請求項１に記載の充電式エネルギー蓄積システムにおいて、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムへの入力電圧及び入力電流と、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムからの出力電圧及び出力電流とから力率を取り出す計算をする工程
    を有するようにした充電式エネルギー蓄積システム。
  11. バナジウムレドックス電池セルの開回路電圧を表す信号を受信するために、バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムに電気接続されるとともに、前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムの前記可変速度陽極液ポンプ及び前記可変速度陰極液ポンプに、並びに前記陽極液温度計及び前記陰極液温度計に電気接続される制御システムであって、この制御システムは、
    プロセッサと、
    このプロセッサに電気接続され、制御プログラムを有しているメモリと
    を有しており、
    前記制御プログラムは、
    前記陽極液温度計及び前記陰極液温度計からそれぞれ陽極液温度信号及び陰極液温度信号を受信する工程と、
    前記開回路電圧を表す信号と、前記陽極液温度信号及び陰極液温度信号とから、前記バナジウムレドックス電池セルに対する充電状態を計算する工程と、
    この充電状態から陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する工程と、
    前記可変速度陽極液ポンプ及び前記可変速度陰極液ポンプに信号を伝送してポンプ速度を制御する工程と
    を有する方法を実行するようになっている制御システム。
  12. 請求項１１に記載の制御システムにおいて、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムから陽極液圧力信号及び陰極液圧力信号を受信する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、陽極液圧力信号及び陰極液圧力信号により決定されるようになっている制御システム。
  13. 請求項１１に記載の制御システムにおいて、前記方法が更に、
    前記充電状態と、前記陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度とから陽極液及び陰極液の最適な温度範囲を計算する工程と、
    陽極液及び陰極液の最適な温度範囲に応じて陽極液及び陰極液の冷却を行う工程と
    を有するようにした制御システム。
  14. 請求項１１に記載の制御システムにおいて、前記方法が更に、
    外気温度信号を受信する工程
    を有し、充電状態を計算する前記工程の計算が更に、この外気温度信号により決定されるようになっている制御システム。
  15. 請求項１１に記載の制御システムにおいて、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムにより発生される水素の放出量を表す水素放出信号を受信する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、水素の放出量により決定されるようになっている制御システム。
  16. 請求項１１に記載の制御システムにおいて、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムの充電率及び放電率を計算する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、充電率及び放電率により決定されるようになっている制御システム。
  17. 請求項１６に記載の制御システムにおいて、前記方法が更に、
    前記充電率及び放電率から最適な充電率及び放電率を取り出す計算をする工程
    を有するようにした制御システム。
  18. 請求項１１に記載の制御システムにおいて、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムに対するシステム効率を計算する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、このシステム効率により決定されるようになっている制御システム。
  19. 請求項１１に記載の制御システムにおいて、前記方法が更に、
    陽極液貯蔵所レベル信号及び陰極液貯蔵所レベル信号を受信する工程と、
    前記陽極液貯蔵所及び陰極液貯蔵所の均等化が必要であるかどうかを決定する工程と
    を有するようにした制御システム。
  20. 請求項１１に記載の制御システムにおいて、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムへの入力電圧及び入力電流と、前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムからの出力電圧及び出力電流とから力率を取り出す計算をする工程
    を有するようにした制御システム。
  21. バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムを制御する制御方法であって、この制御方法が、
    バナジウムレドックス電池セルの開回路電圧を表す信号を受信する工程と、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムから陽極液温度信号及び陰極液温度信号を受信する工程と、
    前記開回路電圧を表す信号と、前記陽極液温度信号及び陰極液温度信号とから、前記バナジウムレドックス電池セルに対する充電状態を計算する工程と、
    この充電状態から陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する工程と、
    陽極液ポンプ速度信号及び陰極液ポンプ速度信号を前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムに伝送する工程と
    を有する制御方法。
  22. 請求項２１に記載の制御方法において、この制御方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムから陽極液圧力信号及び陰極液圧力信号を受信する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算を更に、これら陽極液圧力信号及び陰極液圧力信号により決定する制御方法。
  23. 請求項２１に記載の制御方法において、この制御方法が更に、
    前記充電状態と、前記陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度とから陽極液及び陰極液の最適な温度範囲を計算する工程と、
    これら陽極液及び陰極液の最適な温度範囲に応じて陽極液及び陰極液の冷却を行う工程と
    を有する制御方法。
  24. 請求項２１に記載の制御方法において、この制御方法が更に、
    外気温度信号を受信する工程
    を有し、充電状態を計算する前記工程の計算が更に、この外気温度信号により決定されるようにする制御方法。
  25. 請求項２１に記載の制御方法において、この制御方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムにより発生される水素の放出量を表す水素放出信号を受信する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算を更に、この水素の放出量により決定する制御方法。
  26. 請求項２１に記載の制御方法において、この制御方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムの充電率及び放電率を計算する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算を更に、これらの充電率及び放電率により決定する制御方法。
  27. 請求項２６に記載の制御方法において、この制御方法が更に、
    前記充電率及び放電率から最適な充電率及び放電率を取り出す計算をする工程
    を有する制御方法。
  28. 請求項２１に記載の制御方法において、この制御方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムに対するシステム効率を計算する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算を更に、このシステム効率により決定する制御方法。
  29. 請求項２１に記載の制御方法において、この制御方法が更に、
    陽極液貯蔵所レベル信号及び陰極液貯蔵所レベル信号を受信する工程と、
    前記陽極液貯蔵所及び陰極液貯蔵所の均等化が必要であるかどうかを決定する工程と
    を有する制御方法。
  30. 請求項２１に記載の制御方法において、この制御方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムへの入力電圧及び入力電流と、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムからの出力電圧及び出力電流とから力率を取り出す計算をする工程
    を有する制御方法。
  31. バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムを制御する方法を実行するコンピュータ実行可能命令を記憶したコンピュータ可読媒体であって、前記方法が、
    前記バナジウムレドックス電池セルの開回路電圧を表す信号を受信する工程と、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムから陽極液温度信号及び陰極液温度信号を受信する工程と、
    前記開回路電圧を表す信号と、前記陽極液温度信号及び陰極液温度信号とから、前記バナジウムレドックス電池セルに対する充電状態を計算する工程と、
    この充電状態から陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する工程と、
    陽極液ポンプ速度信号及び陰極液ポンプ速度信号を前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムに伝送する工程と
    を有するようにしたコンピュータ可読媒体。
  32. 請求項３１に記載のコンピュータ可読媒体において、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムから陽極液圧力信号及び陰極液圧力信号を受信する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、陽極液圧力信号及び陰極液圧力信号により決定されるようになっているコンピュータ可読媒体。
  33. 請求項３１に記載のコンピュータ可読媒体において、前記方法が更に、
    前記充電状態と、前記陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度とから陽極液及び陰極液の最適な温度範囲を計算する工程と、
    陽極液及び陰極液の最適な温度範囲に応じて陽極液及び陰極液の冷却を行う工程と
    を有するようにしたコンピュータ可読媒体。
  34. 請求項３１に記載のコンピュータ可読媒体において、前記方法が更に、
    外気温度信号を受信する工程
    を有し、充電状態を計算する前記工程の計算が更に、この外気温度信号により決定されるようになっているコンピュータ可読媒体。
  35. 請求項３１に記載のコンピュータ可読媒体において、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムにより発生される水素の放出量を表す水素放出信号を受信する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、水素の放出量により決定されるようになっているコンピュータ可読媒体。
  36. 請求項３１に記載のコンピュータ可読媒体において、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムの充電率及び放電率を計算する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、これらの充電率及び放電率に基づいて決定されるようになっているコンピュータ可読媒体。
  37. 請求項３６に記載のコンピュータ可読媒体において、前記方法が更に、
    前記充電率及び放電率から最適な充電率及び放電率を取り出す計算をする工程
    を有するようにしたコンピュータ可読媒体。
  38. 請求項３１に記載のコンピュータ可読媒体において、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムに対するシステム効率を計算する工程
    を有し、陽極液ポンプ速度及び陰極液ポンプ速度を計算する前記工程の計算が更に、このシステム効率により決定されるようになっているコンピュータ可読媒体。
  39. 請求項３１に記載のコンピュータ可読媒体において、前記方法が更に、
    陽極液貯蔵所レベル信号及び陰極液貯蔵所レベル信号を受信する工程と、
    前記陽極液貯蔵所及び陰極液貯蔵所の均等化が必要であるかどうかを決定する工程と
    を有するようにしたコンピュータ可読媒体。
  40. 請求項３１に記載のコンピュータ可読媒体において、前記方法が更に、
    前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムへの入力電圧及び入力電流と、前記バナジウムレドックス電池エネルギー蓄積システムからの出力電圧及び出力電流とから力率を取り出す計算をする工程
    を有するようにしたコンピュータ可読媒体。
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