液流电池储能系统

技术领域

本发明涉及液流电池技术领域，尤其涉及一种液流电池储能系统。

背景技术

全钒液流储能电池系统由电堆单元、电解液、电解液储存单元、管道输送系统、BMS(电池管理系统)等组成。由于其具有容量高、容量配置灵活、循环寿命长、安全环保等特点，现在广泛应用于风光互补、削峰填谷、智能微网、应急电源等领域。由于可再生能源具有随机性、波动性、不可调控等自然属性，接入电网后进而引发电网电压和频率的波动，影响电网的安全、稳定运行，电网对大规模新能源的消纳问题也面临越来越严峻的挑战。

通过引入全钒液流储能系统，可以有效提高电力系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动、降低用电成本、提高电力设备利用率等，促进可再生能源的并网和使用。规模化的储能系统通过单堆的串并连接，组合成所需额定功率的系统。通常情况下，为节省系统占地空间，简化管路结构，一个单元模块如功率为250kW的系统，一个电堆架上往往放置2层、3层电堆，每层4-6个电堆，每个单元模块的正负极各配置一个储罐，每个储罐配置一台较大功率的交流泵给所有电堆的正负极进口供液，主管一般布置在电堆架两侧，从水平方向第一个堆一直分支到最后一个堆，然后水平方向的每个分支口引一根垂直方向的公共立管给每层同位置的电堆供液。

对于较大规模规模的钒电池储能系统，每个储罐配置一台泵，对于泵的扬程、流量会要求比较高，泵的功耗一般也很大。管路主管布置在两侧，主管采用开始一分二、二分四、四分八的2n型结构逐级分支连接到电堆的进出液口，这种布管方式会导致水平方向管路沿程流量会逐步降低，导致水平方向的各个电堆流量不一致，电压不均等。垂直方向上每层位置相同的几个电堆由于有高度差，受重力场影响，电堆的流量也会有差异。对于通过管道并联的电堆，由于流量不均等导致各电堆的电压不一致，就会引起系统自放电现象，降低了系统的总能量效率。

在公开号为CN111293332A的中国发明专利中公开了一种高电压多供液系统布置的液流电池储能系统，通过不同的电路连接方式，提供不同电压下实现相同的供液效率，为大型高电压液流电池储能系统提供系统解决方案，同时结合管路连接与电路连接，减小系统漏电电流。该专利的采用的是单主管结构，主管一分二、二分四、四分八逐级分支，主管布置在两侧，这种布管方式会导致水平方向的各个电堆流量不均等，第一层、第二层相同的电堆受重力场影响，流量也会不均等，最终导致系统自放电严重，系统能量效率降低。

发明内容

本发明的技术目的就在于解决上述现有技术的缺陷，提供一种液流电池储能系统，能够降低支管安装难度，提高电堆结构紧凑性。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种液流电池储能系统，包括正极储罐组件、负极储罐组件、正极输送泵管组件、负极输送泵管组件和功率单元，正极输送泵管组件的数量以及负极输送泵管组件的数量均与功率单元的电堆层数一致，每一组正极输送泵管组件与对应层电堆的正极进液口连接，每一组负极输送泵管组件与对应层电堆的负极进液口连接，每一组正极输送泵管组件包括正极供液泵和与正极供液泵连接的第一管组，第一管组包括第一主管和在第一主管两侧对称设置的第一分支管，第一主管连接至正极供液泵，第一分支管的一端连接至第一主管，另一端连接至对应层电堆的正极进液口，每一组负极输送泵管组件包括负极供液泵和与负极供液泵连接的第二管组，第二管组包括第二主管和在第二主管两侧对称设置的第二分支管，第二主管连接至负极供液泵，第二分支管的一端连接至第二主管，另一端连接至对应层电堆的负极进液口。

优选地，正极供液泵和负极供液泵均为直流泵。

优选地，功率单元包括电堆架、PCS组件和电堆，PCS组件设置在电堆架中间，电堆放置在电堆架上，且布置在PCS组件的两侧。

优选地，PCS组件位于第一管组和第二管组之间，电堆架的底部形成有支撑框，第一管组容纳在支撑框内，PCS组件安装在支撑框上。

优选地，功率单元包括电堆组件，电堆组件包括电堆和延长支管，延长支管分布在电堆两侧，并与电堆上的液口连接，正极输送泵管组件和负极输送泵管组件均通过延长支管与电堆连接。

优选地，电堆的两端分别设置有端板，至少一端的端板侧面设置有管卡，延长支管卡接固定在管卡上。

优选地，电堆架为集装箱框架。

优选地，液流电池储能系统还包括换热器组件、换热管组和出液管组，出液管组连接至功率单元的电堆的出液口，换热管组与换热器组件换热配合，换热管组的一端连接至正极储罐组件和负极储罐组件，换热管组的另一端与出液管组通过三通阀连接。

优选地，正极储罐组件和负极储罐组件上设置有透明的液位观测管。

优选地，正极输送泵管组件和负极输送泵管组件上均设置有压力传感器和控制阀；和/或，正极储罐组件和负极储罐组件上设置有液位温度一体计。

根据本申请的液流电池储能系统，包括正极储罐组件、负极储罐组件、正极输送泵管组件、负极输送泵管组件和功率单元，正极输送泵管组件的数量以及负极输送泵管组件的数量均与功率单元的电堆层数一致，每一组正极输送泵管组件与对应层电堆的正极进液口连接，每一组负极输送泵管组件与对应层电堆的负极进液口连接，每一组正极输送泵管组件包括正极供液泵和与正极供液泵连接的第一管组，第一管组包括第一主管和在第一主管两侧对称设置的第一分支管，第一主管连接至正极供液泵，第一分支管的一端连接至第一主管，另一端连接至对应层电堆的正极进液口，每一组负极输送泵管组件包括负极供液泵和与负极供液泵连接的第二管组，第二管组包括第二主管和在第二主管两侧对称设置的第二分支管，第二主管连接至负极供液泵，第二分支管的一端连接至第二主管，另一端连接至对应层电堆的负极进液口。上述的液流电池储能系统，每一个供液泵对应一层电堆的供液，从而减小了公共管的数量，使得不同层的电堆无公共管，避免了受重力场导致的不同层电堆流量不均问题，供液从主管向两侧的对称分支管流动，能够使得液体流动分配更加均匀，提高了液流电池储能系统的液体分配均匀性，使得通过公共管并联的各个电堆流量基本一致，减小了系统的自放电。

附图说明

图1给出了本发明实施例的液流电池储能系统的轴测图；

图2给出了本发明实施例的液流电池储能系统的前视图；

图3给出了本发明实施例的液流电池储能系统的俯视图；

图4给出了本发明实施例的液流电池储能系统的冷却水进水阀结构图；

图5给出了本发明实施例的液流电池储能系统的功率单元结构图；

图6给出了本发明实施例的液流电池储能系统的进液管路结构图；

图7给出了本发明实施例的液流电池储能系统的出液管路结构图；

图8给出了本发明实施例的液流电池储能系统的正极输送泵管组件的管路结构图；

图9给出了本发明实施例的液流电池储能系统的混液管道结构图；

图10给出了本发明实施例的液流电池储能系统的电堆组件的立体结构图；

图11给出了本发明实施例的液流电池储能系统的正极储罐组件的结构图。

其中，101、功率单元；201、正极储罐组件；301、负极储罐组件；401、PCS组件；501、换热器组件；601、第一正极输送泵管组件；701、第二正极输送泵管组件；801、第一负极输送泵管组件；901、第二负极输送泵管组件；1001、混液调平管道；1101、冷却水进/出管道；1201、透明观测管组件；1、第一正极进液主管；2、第二正极进液主管；3、第一负极进液主管；4、第二负极进液主管；5、第一正极出液主管；6、第二正极出液主管；7、第一负极出液主管；8、第二负极出液主管；9、集装箱框架；10、电动阀；11、输送泵；12、压力传感器；13、电堆；14、管卡；15、液位温度一体计；16、储罐护栏；17、储罐爬梯；A1/A2/A3/A4/B1/B2/B3/B4、电堆组件；101a、第一电堆分区；101b、第二电堆分区；1a、第一正极分区进液延长管；2a、第一负极分区进液延长管；3a、第一正极分区出液延长管；4a、第一负极分区出液延长管；1b、第二正极分区进液延长管；2b、第二负极分区进液延长管；3b、第二正极分区出液延长管；4b、第二负极分区出液延长管；V1、正极换热器冷却水进水阀；V2、负极换热器冷却水进水阀；V3、第一正极换热器进液阀；V4、第二正极换热器进液阀；V5、第一负极换热器进液阀；V6、第二负极换热器进液阀；V7、第一储罐开关阀；V8、储罐排液阀；V9、低位排液阀；V10、第二储罐开关阀；V11、第三储罐开关阀；V12、混液开关阀；V13、透明管测管开关阀。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

结合参见图1至图11所示，根据本发明的实施例，液流电池储能系统包括正极储罐组件201、负极储罐组件301、正极输送泵管组件、负极输送泵管组件和功率单元101，正极输送泵管组件的数量以及负极输送泵管组件的数量均与功率单元的电堆13层数一致，每一组正极输送泵管组件与对应层电堆13的正极进液口连接，每一组负极输送泵管组件与对应层电堆13的负极进液口连接，每一组正极输送泵管组件包括正极供液泵和与正极供液泵连接的第一管组，第一管组包括第一主管和在第一主管两侧对称设置的第一分支管，第一主管连接至正极供液泵，第一分支管的一端连接至第一主管，另一端连接至对应层电堆13的正极进液口，每一组负极输送泵管组件包括负极供液泵和与负极供液泵连接的第二管组，第二管组包括第二主管和在第二主管两侧对称设置的第二分支管，第二主管连接至负极供液泵，第二分支管的一端连接至第二主管，另一端连接至对应层电堆13的负极进液口。

上述的液流电池储能系统，每一个供液泵对应一层电堆13的供液，从而减小了公共管的数量，使得不同层的电堆13无公共管，避免了受重力场导致的不同层电堆13流量不均问题，供液从主管向两侧的对称分支管流动，能够使得液体流动分配更加均匀，提高了液流电池储能系统的液体分配均匀性，使得通过公共管并联的各个电堆13流量基本一致，减小了系统的自放电。

正极供液泵和负极供液泵均为直流泵。正极供液泵和负极供液泵也可以为交流泵。

在本实施例中，液流电池储能系统包括一个正极储罐组件201、一个负极储罐组件301、一个PCS组件401、管网结构及管网、传感器和控制阀，正极储罐组件201和负极储罐组件301通过输送泵管组件和管网与各个电堆13、2个换热器组件501连接。本实施例中的功率单元101包括8个电堆组件，8个电堆组件分成上下两层，每层均包括四个电堆13，位于下层的四个电堆分别为A1/A2/A3/A4，位于上层的四个电堆分别为B1/B2/B3/B4。此处的PCS组件为储能变流器(Power conversion system)组件。储罐组件上设置有储罐护栏16和储罐爬梯17，其中储罐护栏16能够对操作人员形成防护，提高操作安全性，储罐爬梯能够方便操作人员到达储罐组件的顶部，对储罐组件进行操作。

本实施例中的正极输送泵管组件包括第一正极输送泵管组件601和第二正极输送泵管组件701，负极输送泵管组件包括第一负极输送泵管组件801和第二负极输送泵管组件901，其中第一正极输送泵管组件601给第一层电堆A1/A2/A3/A4的正极进液口供液，第二正极输送泵管组件701给第二层电堆B1/B2/B3/B4的正极进液口供液，第一负极输送泵管组件801给第一层电堆A1/A2/A3/A4的负极进液口供液，第二负极输送泵管组件901给第二层电堆B1/B2/B3/B4的负极进液口供液。

本实施例中的第一管组包括第一正极进液主管、第二正极进液主管、第一负极进液主管3、第二负极进液主管4以及位于各进液主管两侧并与相应的进液主管相连的分支管。

第二管组包括第一正极出液主管5、第二正极出液主管6、第一负极出液主管7、第二负极出液主管8以及位于各出液主管两侧并与相应的进液主管相连的分支管。

功率单元101包括电堆架、PCS组件401和电堆，PCS组件401设置在电堆架中间，电堆13放置在电堆架上，且布置在PCS组件401的两侧，PCS组件位于第一管组和第二管组之间。将PCS组件401放置在功率单元101中间，可以使得电堆13能够均布于PCS组件401的两侧，能够有效的利用进液主管、出液主管之间多余的空间，使得布局更紧凑，也减小了线缆的长度，降低了线缆的线损。

电堆架的底部形成有支撑框，第一管组容纳在支撑框内，PCS组件安装在支撑框上，可以更加充分地利用功率单元101的内部空间，使得整体结构更加紧凑。

功率单元包括电堆组件，电堆组件包括电堆和延长支管，延长支管分布在电堆两侧，并与电堆上的液口连接，正极输送泵管组件和负极输送泵管组件均通过延长支管与电堆连接，电堆与延长支管可以作为一个组件预先组装好，延长支管通过管卡固定在电堆端板侧面，通过延长电堆的进出液口的管道可以有效减小管路中的旁路电流。

电堆的两端分别设置有端板，至少一端的端板侧面设置有管卡，延长支管卡接固定在管卡上。通过设置管卡，可以方便地对延长支管进行安装固定，降低延长支管的安装难度，提高延长支管的更换和维修效率。

电堆架为集装箱框架9。电堆架也可以采用集装箱形式。电堆架采用集装箱框架形式，利用集装箱标准角件、H型钢、方管、矩形管、钣金件等焊接加工而成，方便吊装、运输，特别是海运，集装箱框架也可以根据需要加装门、侧板，保温隔热材料，会有更好的防水防尘保温效果。

液流电池储能系统还包括换热器组件501、换热管组和出液管组，出液管组连接至功率单元101的电堆的出液口，换热管组与换热器组件501换热配合，换热管组的一端连接至正极储罐组件和负极储罐组件，换热管组的另一端与出液管组通过三通阀连接。其中出液管组分成两个部分，第一部分与功率单元101的电堆的出液口连接，第二部分与储罐组件连接，出液管组的第一部分、第二部分和换热管组之间通过三通阀连接。在一般情况下，当电解液温度正常时，出液管组的第一部分和第二部分连通，当检测到电解液温度较高时，此时可以对三通阀进行调节，使得与电堆13的出液口连接的第一部分与换热管组连通，从而使得从电堆13流出的电解液通过换热器组件501降温之后，才会进入到储罐组件内。

正极输送泵管组件和负极输送泵管组件上均设置有压力传感器12和控制阀，可以在线监测管道的压力，通过控制阀可以起到储罐开关、储罐排液、管道排液、混液、换热等作用。正极储罐组件和负极储罐组件上设置有液压温度一体计15，可以有效监测储罐的液位和温度。正极储罐组件和负极储罐组件上设置有透明的透明观测管组件1201，可以直观的看见储罐的液位。一旦传感器上的压力、液位、温度参数出线异常，系统可以自动报警、自动关闭泵进口前端的电动阀，停机保护，减小损失。

液流电池储能系统的制作装配过程如下：

制作8个电堆组件A1/A2/A3/A4/B1/B2/B3/B4，每个电堆组件包含1个电堆13、4个管卡14及第一正极分区进液延长管1a、第一负极分区进液延长管2a、第一正极分区出液延长管3a、第一负极分区出液延长管4a、第二正极分区进液延长管1b、第二负极分区进液延长管2b、第二正极分区出液延长管3b、第二负极分区出液延长管4b，每个电堆13包括第一电堆分区101a和第二电堆分区101b两个电堆分区，第一正极分区进液延长管1a、第一负极分区进液延长管2a、第一正极分区出液延长管3a、第一负极分区出液延长管4a与第一电堆分区101a连接，第二正极分区进液延长管1b、第二负极分区进液延长管2b、第二正极分区出液延长管3b、第二负极分区出液延长管4b与第二电堆分区101b连接，将所有延长支管通过管卡14固定在电堆端板侧面，延长支管的弯头、支管优选耐腐蚀的PVC、PP材料，采用胶粘、焊接加工，管卡优选耐腐蚀的PVC、PP、ABS材料机械加工或注塑成型。

将第一正极进液主管1、第二正极进液主管2、第一负极进液主管3、第二负极进液主管4、第一正极出液主管5、第二正极出液主管6、第一负极出液主管7、第二负极出液主管8预先铺设固定在集装箱框架9上，再将制作好的8个电堆组件A1/A2/A3/A4/B1/B2/B3/B4用电动叉车叉装到集装箱框架9上，调整好位置固定，最后将电堆组件上的延长支管与8个进出液主管的接口相连，连接方式可采取直管胶粘或焊接的硬连接，也可以采用螺纹、法兰、软管的可拆卸连接，完成功率单元101及主进/出液管路的安装。

预先完成系统安装场地的土建施工，其中储罐组件放置在一个深度0.5m的基坑内，基坑表面及侧面涂刷耐酸碱的环氧树脂漆，放置功率单元101、集装箱框架9的部位加高0.2m，将正极储罐组件201、负极储罐组件301放置在基坑内，调整储罐组件的方位、距离，在储罐组件上安装透明观测管组件1201，将液位温度一体计15固定在储罐组件顶部。将已安装固定好功率单元101的集装箱框架9吊装到场地，摆放好位置，现场组装第一正极输送泵管组件601、第二正极输送泵管组件701、第一负极输送泵管组件801、第二负极输送泵管组件901、混液调平管道1001，将2个换热器组件501摆放到位后安装换热器组件501上的进液、出液管道以及冷却水进/出管道1101，换热器组件501优选管壳式水冷换热器。

管道组装完成后进行电缆铺设，电缆桥架固定在集装箱框架9顶部，线缆铺设在电缆桥架内部，线缆通过桥架引线到PCS组件401内部，完成接线。

V1为正极换热器冷却水进水阀、V2为负极换热器冷却水进水阀、V3为第一正极换热器进液阀、V4为第二正极换热器进液阀、V5为第一负极换热器进液阀、V6为第二负极换热器进液阀，一般情况下这些阀门为常闭状态，当监测到系统电解液温度≥38度时，打开这些阀门，启动换热器组件501工作，这些阀门可以采用普通球阀，手工开启，也可以采用电动阀、电磁阀自动开启。

正极输送泵管组件的管路上设置有电动阀10、输送泵11、压力传感器12、第一储罐开关阀V7、储罐排液阀V8和低位排液阀V9，V7为第一储罐开关阀，一般情况下常开，系统维护时或储罐破损时关闭。V8为储罐排液阀，一般情况下常闭，储罐排液时打开。V9为低位排液阀，一般情况下常闭，系统维护需要排管道内电解液时打开。V10为第二储罐开关阀、V11为第三储罐开关阀、V12为混液开关阀，V10、V11、V12一般情况下常闭，当系统串液到一定量需要将正负极储罐液面调平时，打开阀门V10、V11、V12，混液完成后，关闭阀门V10、V11、V12，拆除混液管，清洗阀门V10、V11、V12的阀芯，防止混液产生的热量将阀芯烧毁。V13为透明管测管开关阀，一般情况下常开，当透明管出现破损需要更换时，关闭此阀。

本申请实施例的液流电池储能系统中，正负极储罐采用双泵供液，泵优选功率小、流量大、体积小的直流泵。主管从功率单元中间对称往两侧分支管，每一层的所有电堆由同一台泵供液，这种布局的优点是减小了公共管的数量，第一层的所有电堆与第二层的所有电堆无公共管，避免了受重力场导致的不同层电堆流量不均问题；将PCS组件放置在电堆架正中间，可以有效的利用进液主管、出液主管之间多余的空间，使得布局更紧凑，也减小了线缆的长度，降低了线缆的线损；电堆与延长支管可以作为一个组件预先组装好，延长支管通过管卡固定在电堆端板侧面，通过延长电堆的进出液口的管道可以有效减小管路中的旁路电流；在整个模块单元的管网结构中，设置有若干阀门，可以起到储罐开关、储罐排液、管道排液、混液、换热等作用；在正负极的输送泵管组件上设置有压力传感器，可以在线监测管道的压力，在储罐组件上设置有液位温度一体计，可以有效监测储罐的液位和温度，储罐上还设置有透明液位观测管，可以直观的看见储罐的液位，一旦传感器上的压力、液位、温度参数出线异常，系统可以自动报警、自动关闭泵进口前端的电动阀，停机保护，减小损失；电堆架采用集装箱框架形式，利用集装箱标准角件、H型钢、方管、矩形管、钣金件等焊接加工而成，方便吊装、运输，特别是海运，集装箱框架也可以根据需要加装门、侧板，保温隔热材料，会有更好的防水防尘保温效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。