CN116936876B - 一种液流电池储能***及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液流电池储能***及其运行方法。本发明的液流电池储能***包括液流电池***和功率型电池，本发明以功率型电池作为液流电池***泵组件启动的启动电源，在外网或新能源发电***向泵组件供电之前，通过功率型电池向泵组件供电使电解液从电堆均匀流过实现首轮次循环，避免空白时间，提高响应速度。本发明的液流电池储能***中的功率型电池工作温度范围宽，而液流储能***的工作温度范围较窄，在极低环境温度或极高环境温度下，功率型电池可向加热装置或冷却装置供电，使液流电池***能够正常启动运行，以此拓宽本发明的液流电池储能***的工作温度范围。
Description
技术领域
本发明属于液流电池储能***技术领域，具体涉及一种液流电池储能***及其运行方法。
背景技术
太阳能、风能以及水能在过去的十几年扮演着清洁能源的主力军，水力发电站、风力涡轮机和太阳能光伏发电产业都取得了长足的发展，然而，可再生清洁能源发展面临一个核心问题，即光伏、水力和风力发电所获得的能源具有间歇性和波动性、受地域环境天气影响较大，使得其不能被完全利用，存在效率低、实际应用效果不理想等问题。将光伏、风能和水利发电直接并入电力能源网络且无制约地使用，会对电网造成强烈冲击，破坏电力能源网络的稳定性，甚至会引发断电风险，因此需要与储能***配合应用。
液流电池***作为新能源储能的典型代表，例如全钒液流电池，是一种先进的储能技术，与其他储能方式相比，具有储能规模大、循环寿命长、运行成本低、储能效率高、安全可靠等优点，特别适合推广使用于固定式、长时长、大规模储能。但现有全钒液流电池储能***仍存在一些缺陷：（1）液流电池启动时，电解液需在电堆均匀流过，该流动过程属于液流电池工作的空白时间，导致液流电池***对外响应不及时；（2）液流储能***的工作温度范围通常在0~40℃，在低于0℃或高于40℃的环境下，全钒液流电池***无法运行或运行效果不佳；（3）液流电池运行时电解液温度会逐渐升高，需不定期停止运行，在电解液冷却后再次启动，或在停电检修后重新启动，导致***不能稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种对外响应更快、工作温度范围更宽、运行更稳定的液流电池储能***。
本发明的另一目的是提供上述液流电池储能***的运行方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种液流电池储能***，所述液流电池储能***包括液流电池***和功率型电池。
具体地，所述液流电池***包括电堆、装载有液流电池电解液的电解液罐组、用于使所述液流电池电解液在所述电堆和所述电解液罐组之间循环流动的泵组件、用于对所述液流电池电解液进行降温的冷却装置、用于对所述液流电池电解液进行加热的加热装置以及用于监测所述液流电池电解液的温度的电解液温度传感器。
具体地，所述功率型电池用于向所述泵组件、所述加热装置和所述冷却装置供电，其与所述泵组件、所述加热装置和所述冷却装置分别电连接。
具体地，所述功率型电池包括第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态和关闭状态，所述第一工作状态为向所述泵组件供电，所述第二工作状态为向所述加热装置供电，所述第三工作状态为向所述冷却装置供电。
所述液流电池***设有启动温度区间，若环境温度和/或所述液流电池电解液的起始温度处于所述启动温度区间中，所述功率型电池处于所述第一工作状态，所述液流电池电解液完成首轮循环流动时，所述功率型电池由所述第一工作状态转换为所述关闭状态，所述泵组件由外接的电网或新能源发电***供电；若环境温度和/或所述液流电池电解液的起始温度小于所述启动温度区间的最低温度，所述功率型电池处于所述第二工作状态至所述液流电池电解液的起始温度上升至所述启动温度区间任意温度，所述功率型电池由所述第二工作状态转换为所述第一工作状态，所述液流电池电解液完成首轮循环流动时，所述功率型电池由所述第一工作状态转换为所述关闭状态，所述泵组件由外接的电网或新能源发电***供电；若环境温度和/或所述液流电池电解液的起始温度大于所述启动温度区间的最高温度，所述功率型电池处于所述第三工作状态至所述液流电池电解液的起始温度下降至所述启动温度区间任意温度，所述功率型电池由所述第三工作状态转换为所述第一工作状态，所述液流电池电解液完成首轮循环流动时，所述功率型电池由所述第一工作状态转换为所述关闭状态，所述泵组件由外接的电网或新能源发电***供电。
本发明的液流电池储能***以功率型电池作为全钒液流电池泵启动的启动电源，在外网或新能源发电***向泵组件供电之前，通过功率型电池向泵组件供电使电解液从电堆均匀流过实现首轮次循环，避免空白时间，提高响应速度。
本发明的液流电池储能***中的功率型电池，例如钛酸锂电池的工作温度范围可达-40~80℃，而液流储能***的工作温度范围通常在0~40℃，在极低环境（-40~0℃）或极高环境（40~80℃）下，钛酸锂电池可向加热装置或冷却装置供电，使液流电池***能够正常启动运行。
优选地，所述液流电池***还设有目标工作温度区间，所述目标工作温度区间与所述启动温度区间相同或位于所述启动温度区间内，在所述泵组件由外接的电网或新能源发电***供电期间，若所述液流电池电解液的实时工作温度大于所述目标工作温度区间的最高温度，所述功率型电池由关闭状态转换为所述第三工作状态至所述液流电池电解液的实时工作温度下降至目标工作温度区间的最低温度，所述功率型电池由所述第三工作状态转换为关闭状态。
本发明的液流电池储能***在正常运行时，功率型电池可以根据液流电池的电解液的实时工作温度，及时向冷却装置供电，使液流电池的电解液的工作温度维持在目标工作温度区间，保证液流电池***长期高效、稳定运行。
优选地，所述启动温度区间为0~40℃。
进一步优选地，所述目标工作温度区间为10~30℃。
优选地，所述液流电池为全钒液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池、铁溴液流电池、基于溴基氧化还原电对的液流电池、醌基液流电池、吩嗪基液流电池、TEMPO基水系液流电池、紫精类液流电池中的一种或多种的组合。
优选地，所述功率型电池为钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和钠离子电池中的一种或多种的组合。
根据一些具体实施方式，所述功率型电池为钛酸锂电池，其工作温度范围宽（-40~80℃）、持续大功率充放电性能优异（可达10C），循环寿命长（可达3万次）。
根据一些具体实施方式，所述加热装置为设置在电解液罐外部的电发热膜。
根据一些具体实施方式，所述冷却装置为设置在电解液罐外部的水冷***。
根据一些具体实施方式，所述液流电池***还包括环境温度传感器。
优选地，所述液流电池储能***还包括控制***，所述控制***能够控制所述功率型电池的放电模式的开启、关闭以及根据环境温度和/或所述液流电池电解液的起始温度控制所述功率型电池的工作状态转换。
进一步优选地，所述控制***还能够根据所述液流电池电解液的实时工作温度控制所述功率型电池的工作状态转换。
优选地，所述液流电池***通过DC/DC转换器连接至电网和/或新能源发电***。
优选地，所述功率型电池通过DC/DC转换器和DC/AC转换器连接至电网，所述功率型电池通过DC/DC转换器连接至新能源发电***，所述功率型电池设置为由所述电网和/或新能源发电***充电。
优选地，所述新能源发电***为光伏发电***、风力发电***或水力发电***。
本发明还提供上述液流电池储能***的运行方法，其包括：
设定液流电池储能***的启动温度区间；
确定环境温度和/或液流电池电解液的起始温度；
根据环境温度和/或液流电池电解液的起始温度与启动温度区间之间的关系控制功率型电池的放电模式的开启、关闭以及工作状态转换至泵组件由外接的电网或新能源发电***供电。
优选地，所述液流电池储能***的运行方法具体包括：
（1）设定液流电池储能***的启动温度区间和目标工作温度区间；
（2）确定环境温度和/或液流电池电解液的起始温度；
（3）根据环境温度和/或液流电池电解液的起始温度与启动温度区间之间的关系控制功率型电池的放电模式的开启、关闭以及工作状态转换至泵组件由外接的电网或新能源发电***；
（4）根据液流电池电解液的实时工作温度与目标工作温度区间之间的关系控制功率型电池的放电模式的开启、关闭以及工作状态转换，使液流电池电解液的工作温度维持在目标工作温度区间。
根据一些具体实施方式，所述启动温度区间为0~40℃，所述目标工作温度区间为10~30℃。
根据一些具体实施方式，所述液流电池为全钒液流电池，所述功率型电池为钛酸锂电池。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的液流电池储能***提高了液流电池对外响应速度、提高了***储能效率、增加了***稳定运行时长、拓宽了储能***工作温度范围，可以较好地满足电力***对储能***的要求，使得储能***同时具有高电力和高能效的优点。
附图说明
图1为实施例1的液流电池储能***的结构示意图；
图2为实施例1的液流电池储能***的运行方法示意图；
图1中，1、电网；2、液流电池***；21、电堆；22、泵组件；23、电解液罐组；24、加热装置；25、冷却装置；26、电解液温度传感器；3、钛酸锂电池；4、控制***；5、环境温度传感器。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明实施例中，如无特殊说明，涉及的部件，例如环境温度传感器、液流电池***中的冷却装置、电发热膜、电解液温度传感器、电堆以及泵组件等其他部件等均是本领域常规设计。
下文的公开提供了不同的实施方式或例子用来实现本发明实施例的不同结构。为了简化本发明实施例的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种液流电池储能***的优选实施方式，该液流电池储能***包括液流电池***2、功率型电池、环境温度传感器5和控制***4。
具体地，液流电池***2为全钒液流电池***，通过DC/DC转换器连接至电网1和新能源发电***（图1中未显示）。该全钒液流电池***包括电堆21、装载有液流电池电解液的电解液罐组23、用于使液流电池电解液在电堆21和所述电解液罐组23之间循环流动的泵组件22、用于对液流电池电解液进行降温的冷却装置25、用于对液流电池电解液进行加热的加热装置24以及用于监测液流电池电解液的温度的电解液温度传感器26。
具体地，本实施例中使用的功率型电池为钛酸锂电池3，通过DC/DC转换器和DC/AC转换器连接至电网1，功率型电池通过DC/DC转换器连接至新能源发电***（图1中未显示）。该钛酸锂电池3包括为向泵组件22供电的第一工作状态、向加热装置24供电的第二工作状态、向冷却装置25供电的第三工作状态和关闭状态。
具体地，液流电池***设有启动温度区间。若环境温度和/或液流电池电解液的起始温度处于启动温度区间中，钛酸锂电池3处于第一工作状态，液流电池电解液完成首轮循环流动时，钛酸锂电池3由第一工作状态转换为关闭状态，泵组件22由外接的电网1或新能源发电***供电。若环境温度和/或液流电池电解液的起始温度小于启动温度区间的最低温度，钛酸锂电池3处于第二工作状态至液流电池电解液的起始温度上升至启动温度区间任意温度，钛酸锂电池3由第二工作状态转换为第一工作状态，液流电池电解液完成首轮循环流动时，钛酸锂电池3由第一工作状态转换为关闭状态，泵组件22由外接的电网1或新能源发电***供电。若环境温度和/或液流电池电解液的起始温度大于启动温度区间的最高温度，钛酸锂电池3处于第三工作状态至液流电池电解液的起始温度下降至启动温度区间任意温度，钛酸锂电池3由第三工作状态转换为第一工作状态，液流电池电解液完成首轮循环流动时，钛酸锂电池3由第一工作状态转换为关闭状态，泵组件22由外接的电网1或新能源发电***供电。
具体地，液流电池***2还设有目标工作温度区间，在泵组件22由外接的电网1或新能源发电***供电期间，若液流电池电解液的实时工作温度大于目标工作温度区间的最高温度，功率型电池由关闭状态转换为第三工作状态至液流电池电解液的实时工作温度下降至目标工作温度区间的最低温度，功率型电池由第三工作状态转换为关闭状态。
本实施例中，启动温度区间为0~40℃，目标工作温度区间为10~30℃。
具体地，控制***4与电解液温度传感器26、钛酸锂电池3和环境温度传感器5分别连接，其能够控制钛酸锂电池3的放电模式的开启、关闭以及根据环境温度和/或液流电池电解液的起始温度控制功率型电池的工作状态转换。
本实施例的液流电池储能***的运行方法如图2所示，具体包括：
（1）设定液流电池储能***的启动温度区间（0~40℃）和目标工作温度区间（10~30℃）；
（2）确定环境温度和/或液流电池电解液的起始温度；
（3）根据环境温度和/或液流电池电解液的起始温度与启动温度区间之间的关系控制钛酸锂电池的放电模式的开启、关闭以及工作状态转换至液流电池电解液完成首轮循环流动，泵组件由外接的电网供电（液流电池开始正常工作）：
若环境温度和/或液流电池电解液温度0~40℃，钛酸锂电池的放电模式开启，钛酸锂电池处于第一工作状态，液流电池的泵组件启动，液流电池电解液完成首轮循环流动，钛酸锂电池由第一工作状态转换为关闭状态，泵组件由外接的电网供电；
若环境温度和/或液流电池电解液温度小于0℃，钛酸锂电池的放电模式开启，钛酸锂电池处于第二工作状态，加热装置工作，液流电池电解液温度大于0℃时，钛酸锂电池由第二工作状态转换为第一工作状态，液流电池的泵组件启动，液流电池电解液完成首轮循环流动，钛酸锂电池由第一工作状态转换为关闭状态，泵组件由外接的电网供电；
若环境温度和/或液流电池电解液温度大于40℃，钛酸锂电池的放电模式开启，钛酸锂电池处于第三工作状态，冷却装置工作，液流电池电解液温度小于40℃时，钛酸锂电池由第三工作状态转换为第一工作状态，液流电池的泵组件启动，液流电池电解液完成首轮循环流动，钛酸锂电池由第一工作状态转换为关闭状态，泵组件由外接的电网供电；
根据液流电池电解液的实时工作温度与目标工作温度区间之间的关系控制钛酸锂电池的放电模式的开启、关闭以及工作状态转换，使液流电池电解液的工作温度维持在目标工作温度区间：
确定液流电池电解液的实时工作温度，若实时工作温度大于30℃，钛酸锂电池处于第三工作状态，冷却装置工作，液流电池电解液温度小于10℃时，钛酸锂电池由第三工作状态转换为关闭状态。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种液流电池储能***，其特征在于，所述液流电池储能***包括：
液流电池***，其包括电堆、装载有液流电池电解液的电解液罐组、用于使所述液流电池电解液在所述电堆和所述电解液罐组之间循环流动的泵组件、用于对所述液流电池电解液进行降温的冷却装置、用于对所述液流电池电解液进行加热的加热装置以及用于监测所述液流电池电解液的温度的电解液温度传感器；
功率型电池，其用于向所述泵组件、所述加热装置和所述冷却装置供电，其与所述泵组件、所述加热装置和所述冷却装置分别电连接；
所述功率型电池包括第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态和关闭状态，所述第一工作状态为向所述泵组件供电，所述第二工作状态为向所述加热装置供电，所述第三工作状态为向所述冷却装置供电，
所述液流电池***设有启动温度区间，
若环境温度和/或所述液流电池电解液的起始温度处于所述启动温度区间中，所述功率型电池处于所述第一工作状态，所述液流电池电解液完成首轮循环流动时，所述功率型电池由所述第一工作状态转换为所述关闭状态，所述泵组件由外接的电网或新能源发电***供电；
若环境温度和/或所述液流电池电解液的起始温度小于所述启动温度区间的最低温度，所述功率型电池处于所述第二工作状态至所述液流电池电解液的起始温度上升至所述启动温度区间任意温度，所述功率型电池由所述第二工作状态转换为所述第一工作状态，所述液流电池电解液完成首轮循环流动时，所述功率型电池由所述第一工作状态转换为所述关闭状态，所述泵组件由外接的电网或新能源发电***供电；
若环境温度和/或所述液流电池电解液的起始温度大于所述启动温度区间的最高温度，所述功率型电池处于所述第三工作状态至所述液流电池电解液的起始温度下降至所述启动温度区间任意温度，所述功率型电池由所述第三工作状态转换为所述第一工作状态，所述液流电池电解液完成首轮循环流动时，所述功率型电池由所述第一工作状态转换为所述关闭状态，所述泵组件由外接的电网或新能源发电***供电。
2.根据权利要求1所述的液流电池储能***，其特征在于，所述液流电池***还设有目标工作温度区间，所述目标工作温度区间与所述启动温度区间相同或位于所述启动温度区间内，在所述泵组件由外接的电网或新能源发电***供电期间，若所述液流电池电解液的实时工作温度大于所述目标工作温度区间的最高温度，所述功率型电池由关闭状态转换为所述第三工作状态至所述液流电池电解液的实时工作温度下降至目标工作温度区间的最低温度，所述功率型电池由所述第三工作状态转换为关闭状态。
3.根据权利要求1所述的液流电池储能***，其特征在于，所述启动温度区间为0~40℃。
4.根据权利要求2所述的液流电池储能***，其特征在于，所述目标工作温度区间为10~30℃。
5.根据权利要求1所述的液流电池储能***，其特征在于，所述液流电池为全钒液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池、铁溴液流电池、基于溴基氧化还原电对的液流电池、醌基液流电池、吩嗪基液流电池、TEMPO基水系液流电池、紫精类液流电池中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述的液流电池储能***，其特征在于，所述功率型电池为钛酸锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和钠离子电池中的一种或多种的组合。
7.根据权利要求1所述的液流电池储能***，其特征在于，所述加热装置为设置在电解液罐外部的电发热膜，
和/或，所述冷却装置为设置在电解液罐外部的水冷装置。
8.根据权利要求1所述的液流电池储能***，其特征在于，所述液流电池***还包括环境温度传感器。
9.根据权利要求1所述的液流电池储能***，其特征在于，所述液流电池储能***还包括控制***，所述控制***能够控制所述功率型电池的放电模式的开启、关闭以及根据环境温度和/或所述液流电池电解液的起始温度控制所述功率型电池的工作状态转换。
10.根据权利要求1所述的液流电池储能***，其特征在于，所述液流电池***通过DC/DC转换器连接至电网和/或新能源发电***；
和/或，所述功率型电池通过DC/DC转换器和DC/AC转换器连接至电网，所述功率型电池通过DC/DC转换器连接至新能源发电***，所述功率型电池设置为由所述电网和/或新能源发电***充电。
11.根据权利要求1所述的液流电池储能***，其特征在于，所述新能源发电***为光伏发电***、风力发电***或水力发电***。
12.如权利要求1至11中任一项所述的液流电池储能***的运行方法，其特征在于，其包括：
设定液流电池储能***的启动温度区间；
确定环境温度和/或液流电池电解液的起始温度；
根据环境温度和/或液流电池电解液的起始温度与启动温度区间之间的关系控制功率型电池的放电模式的开启、关闭以及工作状态转换至泵组件由外接的电网或新能源发电***供电。
13.根据权利要求12所述的液流电池储能***的运行方法，其特征在于，其具体包括：
（1）设定液流电池储能***的启动温度区间和目标工作温度区间；
（2）确定环境温度和/或液流电池电解液的起始温度；
（3）根据环境温度和/或液流电池电解液的起始温度与启动温度区间之间的关系控制功率型电池的放电模式的开启、关闭以及工作状态转换至泵组件由外接的电网或新能源发电***供电；
（4）根据液流电池电解液的实时工作温度与目标工作温度区间之间的关系控制功率型电池的放电模式的开启、关闭以及工作状态转换，使液流电池电解液的工作温度维持在目标工作温度区间。
14.根据权利要求13所述的液流电池储能***的运行方法，其特征在于，所述启动温度区间为0~40℃，所述目标工作温度区间为10~30℃。
15.根据权利要求13所述的液流电池储能***的运行方法，其特征在于，所述液流电池为全钒液流电池，所述功率型电池为钛酸锂电池。
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