【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL201711208242.X-全钒液流电池的余热回收系统及全钒液流电池冷却方法

文摘 2024-11-01 07:05 湖北

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专利名称

全钒液流电池的余热回收系统及全钒液流电池冷却方法

专利号ZL201711208242.X

授权公告日20230704

申请（专利权）人[大连热电新能源应用技术研究院有限公司, 大连融科储能技术发展有限公司, 大连融科储能装备有限公司, 奥林燃烧器（无锡）有限公司, 大连冷冻机股份有限公司]

发明人[宫继禹, 田鲁炜, 梁立中, 韩涛, 曾光, 初一帆, 刘宗浩, 吴静波, 王洪博, 刘静豪, 萨米·佩科拉, 袁寒玲, 杨一帆, 刘晓江, 荆棘靓, 代小军]

摘要

全钒液流电池的余热回收系统及全钒液流电池冷却方法，属于液流电池领域，为了解决现有液流电池在放电阶段进行电解液冷却占用调峰负荷的问题，且实现热能的集中收集，技术要点是：包括用于监测全钒液流电池充放电状态的监测装置，及于监测装置发出全钒液流电池为充电状态的信号以启动的冷却系统；所述冷却系统以换热方式对电解液储罐中的电解液冷却；所述余热回收系统还包括对冷却系统于电解液中获取的热量收集并存储的蓄热系统，效果是：可降低制冷机组功率及投资。

权利要求书

1.一种全钒液流电池的余热回收系统的全钒液流电池冷却方法，其特征在于，冷却系统于全钒液流电池充电阶段对电解液进行制冷，并于放电阶段停止制冷以形成充电阶段的分时制冷；所述制冷为集中制冷，温度控制方法如下：

S1.根据测试数据确定单次循环温升特性曲线得到电解液的温升特性曲线；

S2.电池开始充电后，确定电池现有蓄电量，根据电池蓄电量、电解液初始温度、电池运行控制温度，对电解液的温升特性曲线查询以得出剩余充电时间及电池完全放电结束后的电解液放电后温度；

S3.根据公式求得电池充电过程中需要冷却的热量，公式如下：

Q＝(T1-T2)×C×V；

Q：电池充电过程中需要冷却的热量；

T：电解液放电后温度；

T2：电池运行控制温度；

C：电解液比热；

V：电解液体积；

S4.根据剩余充电时间，计算出制冷系统的制冷功率，由此通过控制制冷装置以对电解液的温度控制；

其中，一种全钒液流电池的余热回收系统，包括：用于监测全钒液流电池充放电状态的监测装置，及于监测装置发出全钒液流电池为充电状态的信号以启动的冷却系统；所述冷却系统以换热方式对电解液储罐中的电解液冷却；所述余热回收系统还包括对冷却系统换取的电解液的热量进行收集的蓄热系统。

说明书

技术领域

[0001] 本发明属于液流电池领域，涉及一种大规模全钒液流电池的余热回收系统及全钒液流电池冷却方法。

背景技术

[0002] 液流电池中电解液温度过高将影响电池性能，还有可能导致电解液结晶，需进行适当冷却。

[0003] 由于放电阶段，液流电池为放热，因而现有的液流电池中电解液冷却在放电阶段进行，然而，放电阶段冷却电解液会占用调峰负荷，降低了储能电站调峰能力及储能电站输出功率。

[0004] 而作为进一步的技术问题，在现有电池运行和电解液冷却方式下，只是通过分散的工艺空调等设备对电解液进行冷却，或者大多是通过集装箱模块化设计，每个集装箱都采用风冷或水冷的实时冷却的方式维持电解液的温度。这样的冷却方式功耗较大，大致占电池总输出功率的4-5％，因而降低了电池的输出功率。并且目前的电解液冷却的方式，对于电解液的热量不能有效回收，造成能源浪费。

发明内容

[0005] 为了解决现有液流电池在放电阶段进行电解液冷却占用调峰负荷的问题，并且实现电解液热量回收，本发明提出如下技术方案：一种全钒液流电池的余热回收系统，包括：用于监测全钒液流电池充放电状态的监测装置，及于监测装置发出全钒液流电池为充电状态的信号以启动的冷却系统；所述冷却系统以换热方式对电解液储罐中的电解液冷却；所述余热回收系统还包括对冷却系统换取的电解液的热量进行收集的蓄热系统。

[0006] 进一步的，所述冷却系统包括安装于正极电解液储罐的电解液循环管路，该管路上具有电解液循环泵及电解液换热器，所述电解液换热器的壳侧为电解液，管侧为若干并联的制冷剂管内的制冷工质。

[0007] 进一步的，热泵机组的蒸发器通过所述制冷剂管路吸收电解液释放的热量，热泵机组的冷凝器释放热量于蓄热系统并由蓄热系统存储，所述的蓄热系统为存储蓄热介质的蓄热罐。

[0008] 进一步的，热泵机组的蒸发器与冷凝器之间安装有压缩机，该压缩机可由控制装置控制在全钒液流电池充电状态启动、全钒液流电池放电状态停止。

[0009] 进一步的，换热器控制阀设置在电解液换热器和/或热泵机组的冷剂侧，并与控制装置连接。

[0010] 进一步的，所述的全钒液流电池的余热回收系统还包括位于正极电解液储罐的一侧的负极电解液储罐，该负极电解液储罐的电解液循环管路上具有电解液循环泵，且电解液循环泵的下游连接电堆，电堆回连于负极电解液储罐。

[0011] 进一步的，在蒸发器与冷凝器之间的连接管路上安装截止阀，在截止阀与蒸发器之间的连接管路上安装膨胀阀，在截止阀与冷凝器之间的连接管路上安装止回阀。

[0012] 进一步的，测温装置设置在正极电解液储罐的电解液循环泵的入口处。

[0013] 进一步的，一种所述的全钒液流电池的余热回收系统的全钒液流电池冷却方法，冷却系统于全钒液流电池充电阶段对电解液进行制冷，并于放电阶段停止制冷以形成充电阶段的分时制冷。

[0014] 进一步的，所述制冷为集中制冷，温度控制方法如下：S1.根据测试数据确定单次循环温升特性曲线得到电解液的温升特性曲线；S2.电池开始充电后，确定电池现有蓄电量，根据电池蓄电量、电解液初始温度、电池运行控制温度，对电解液的温升特性曲线查询以得出剩余充电时间及电池完全放电结束后的电解液放电后温度；S3.根据公式求得电池充电过程中需要冷却的热量，公式如下：

[0015] Q＝(T1-T2)×C×V；

[0016] Q：电池充电过程中需要冷却的热量；T：电解液放电后温度；T2：电池运行控制温度；C：电解液比热；V：电解液体积；S4.根据剩余充电时间，计算出制冷系统的制冷功率，由此通过控制制冷装置以对电解液的温度控制。

[0017] 有益效果：由上述方案，本实施例改变传统的制冷运行时间，由原来的电池放电阶段制冷，改为充电阶段进行制冷，可降低热泵机组功率及投资，因为电池储能本身就是用于调节电网负荷，在充电时启动制冷设备可以更多消纳电网谷电，因而充电阶段对电解液冷却可以使得放电时不再占用调峰负荷，作为进一步的效果，因此采用分时冷却系统，提高储能电站调峰能力约4-5％，提高储能电站消纳谷电能力约4-5％。并且，冷却系统与电解液的热量交换并吸收热能，冷却系统的制冷工质被加热，该热量可以被存储于储热装置中，即在储热装置中具有储热介质，如水、油等，使用储热介质获取冷却系统的热量，可以实现热量的存储与转用，并能够对热量集中管理。即存储蓄热介质的蓄热罐与热泵机组的冷凝器以热交换方式连接以收集热量。该热量通过管路用于供热或出售。

附图说明

[0018] 图1为冷却系统的结构示意框图。

[0019] 其中：

[0020] 1.电堆，2.正极电解液储罐，3.负极电解液储罐，4.电解液循环泵，5.冷却系统，6.电解液换热器，7.测温装置及温度变送器，8.换热器控制阀，9.止回阀，10.蒸发器，11.冷凝器，12.压缩机，13.膨胀阀，14.蓄热系统。

具体实施方式

[0021] 实施例：

[0022] 在本实施例中，其记载了一种全钒液流电池系统，包括电堆1、正极电解液储罐2、负极电解液储罐3、电解液循环泵4、监测装置、冷却系统5、蓄热系统14以及管路；

[0023] 本实施例为了改变传统的制冷运行时间，由原来的电池放电阶段冷却，改为充电阶段进行制冷，以降低热泵机组功率及投资，电池放电阶段释放热量，因而基本在放热时冷却，即放电阶段制冷，然而，放电阶段进行冷却，特别是换热冷却，会对调峰负荷占用，而电池储能本身就是用于调节电网负荷，在充电时启动制冷设备可以更多消纳电网谷电，因而充电阶段对电解液冷却可以使得放电时不再占用调峰负荷。并且有效对电解液热量回收。

[0024] 由此，适用于大规模的全钒液流电池系统的余热回收系统，包括用于监测全钒液流电池充放电状态的监测装置，及于监测装置发出全钒液流电池为充电状态的信号以启动的冷却系统；所述冷却系统以换热方式对电解液储罐中的电解液冷却；所述余热回收系统还包括对冷却系统换取的电解液的热量进行收集的蓄热系统。

[0025] 其中的监测装置，可以是现有技术中的电池系统都会用到的电池管理系统BMS，该管理系统BMS主要是监测电池的OCV，转换为SOC，然后控制电池运行。

[0026] 所述的全钒液流电池的余热回收系统还包括电解液换热器、关断阀(换热器制冷剂入口阀)、热泵机组和温控系统；其中温控系统包括测温装置、变送器、控制装置和换热器控制阀；电解液换热器与热泵机组级联为冷却系统；

[0027] 所述的电解液换热器设置在每个正极电解液储罐处，所述电解液换热器为管壳式换热器，其中所述的换热器控制阀安装在换热器制冷剂入口阀后，壳侧为电解液，管侧为制冷剂，每若干套(如100套)电解液换热器的制冷剂管并联，制冷剂升温后汇总进入所述热泵机组，低品味热能经热泵提升为高品位热能与热水换热将热水加热至70～90℃，储存后进行供暖或出售，实现能源冷热综合利用。所述测温装置设置在电解液循环泵入口处，所述换热器控制阀设置在换热器的制冷剂侧，所述的控制装置用于控制热泵机组和电解液换热器的启停及其输出功率，同时所述的控制装置通过换热器控制阀控制电解液换热器的启停及其输出功率；热泵机组包括：关断阀(制冷剂入口阀)，作用：控制制冷系统的启动、停止；膨胀阀13，作用：节流装置，它在制冷系统中的作用是将冷凝器11或贮液器中冷凝压力下的饱和液体或过冷液体节流后降至蒸发压力和蒸发温度，同时根据负荷的变化，调节进入蒸发器10制冷剂的流量；止回阀9，作用：防止介质倒流、防止压缩机12驱动电动机反转；在该实施例中，在蒸发器10与冷凝器11之间的连接管路上安装截止阀，在截止阀与蒸发器10之间的连接管路上安装膨胀阀13，在截止阀与冷凝器11之间的连接管路上安装止回阀9。

[0028] 所述电解液换热器的制冷剂管并联且释放由电解液收集的热量以供应热泵机组的蒸发器，热泵机组5的冷凝器释放热量于蓄热系统并由蓄热系统存储，所述的蓄热系统14为存储蓄热介质的蓄热罐，该方法反映了电解液换热器6与热泵机组的组织关系。

[0029] 热泵机组还包括压缩机，热泵机组5的蒸发器10与冷凝器11之间安装由控制装置控制以分时启停的压缩机12，所述的压缩机12应在全钒液流电池充电状态启动，于全钒液流电池放电状态停止。

[0030] 在一种实施例中，热泵机组的换热器控制阀8位于换热器制冷剂入口阀后，在蒸发器10与换热器控制阀8之间的连接管路上安装膨胀阀13，并在换热器控制阀8与冷凝器11之间的管路上连接止回阀9，在止回阀9与换热器控制阀8之间安装有关断阀。

[0031] 在另一种实施例中，所述热泵机组还包括换热器控制阀8，其可以作为单独的部分或者热泵机组的组成部分，如为热泵机组中，所述换热器控制阀8设置在热泵机组的制冷工质侧，所述的控制装置用于控制热泵机组，或者热泵机组和电解液换热器6的启停，在一个实施中，换热器控制阀还可以被设置为对热泵机组的输出功率进行调节，在另一个实施例中，所述的控制装置被设置为通过换热器控制阀8控制电解液换热器6的启停和/或调节其输出功率。

[0032] 由上述方案，在关断阀与换热器控制阀8均仅作为投运与切除的作用使用，那么仅保留关断阀于管路中即可。

[0033] 由上述各实施例中的方案，在一种实施例中，所述的冷却系统用于对电解液冷却，而热泵机组设置的目的是为了实现将电解液热量集中收集并回收，对于冷却系统的启动时机，即控制装置是通过换热器控制阀8控制电解液换热器6的启停；而在另一种方案中，由控制装置控制以分时启停的压缩机12以控制冷却的启用时机。

[0034] 在一种实施例中，所述的冷却系统可以即为包括安装于正极电解液储罐的电解液循环管路，该管路上具有电解液循环泵4及电解液换热器6，所述电解液换热器6的壳侧为电解液，管侧为若干并联的制冷剂管中的制冷工质。还可以是该冷却系统与热泵机组的组合。

[0035] 在一种实施例中，全钒液流电池系统还包括位于正极电解液储罐2的一侧的负极电解液储罐3，该负极电解液储罐3的电解液循环管路上具有电解液循环泵4，且电解液循环泵4的下游连接电堆1，电堆1回连于负极电解液储罐3。

[0036] 在一种实施例中，测温装置设置在正极电解液储罐2的电解液循环泵4的入口处，测温装置是为了配合冷却方法中，对于电解液温度的监测。

[0037] 其中：关断阀(制冷剂入口阀)作用：控制制冷系统的启动、停止；膨胀阀13作用：节流装置，它在制冷系统中的作用是将冷凝器11或贮液器中冷凝压力下的饱和液体(或过冷液体)节流后降至蒸发压力和蒸发温度，同时根据负荷的变化，调节进入蒸发器10制冷剂的流量；止回阀9作用：防止介质倒流、防止压缩机12驱动电动机反转。

[0038] 本发明的全钒液流电池的余热回收系统的全钒液流电池冷却方法：

[0039] 根据现有系统测试数据确定单次循环系统温升特性曲线，该曲线表明了电池在不同SOC状态下，充电和放电时的散热功率，结合电解液的体积和比热，可计算出电解液的温升特性曲线，再结合电池运行控制温度，该温度为根据电池运行特性，预先设定的电解液理想温度，各电池制造商的电池特性不同，该值一般为25-35℃，，以能够设定冷却系统5在电池充电过程中的温度控制策略及温度控制目标值。

[0040] 温度控制策略如下：电池开始充电后，确定电池现有蓄电量，根据电池蓄电量、电解液初始温度及系统测试得出的温升曲线，得出电池完全放电结束后(即SOC＝0)电解液的温度；根据

[0041] Q＝(T1-T2)×C×V；

[0042] Q：电池充电过程中需要冷却的热量；

[0043] T：电解液放电后温度；

[0044] T2：电池运行控制温度；

[0045] C：电解液比热；

[0046] V：电解液体积；

[0047] 能得出电池充电过程中需要冷却的热量，即热泵系统需要提供的冷量，根据剩余充电时间，计算出热泵系统的输入功率，通过PLC控制装置实现电解液温度控制。

[0048] 例如：电解液初始温度29℃，SOC＝30％，电池运行控制温度30℃，查电池温升特性曲线，得到电池充满电需要时间T＝4小时，完全放电后，系统温升为2.6℃，即此时电解液温度为31.6℃，电解液密度为1440kg/m³ ,比热：3.12kj/kg·k，电解液体积：2×30m³＝60m³ ，按照公式计算：

[0049] 电池充电过程中需要冷却的热量Q＝(电解液放电后温度-电池运行控制温度)×电解液比热×电解液体积＝(31.6-30)℃×3.12kj/kg·k×60m³×1440kg/m³ ＝431308.8kJ，制冷功率P＝Q/T＝29.952kW。

[0050] 在该冷却方法中，作为一种方案，每个电池单元独立控制。

[0051] 作为另一种实施例，其记载了一种冷却方法：

[0052] 根据现有系统测试数据确定单次循环系统温升，结合电池运行理想温度，设定冷却系统5在电池充电过程中的温度控制策略及温度控制目标值，在电池充电过程中，当任意一个独立单元的电解液循环泵4入口温度Ti高于30℃时，打开该独立单元换热器控制阀8DZi，联合启动制冷剂循环泵PP1和热泵机组RM1，如PP1和RM1已处于开启状态，按照方案第二条调节热泵机组输出功率；经一段时间冷却后，当任意一个独立单元的电解液循环泵4入口温度Ti降至29℃，关闭该独立单元换热器控制阀8Dzi，直至所有独立单元的电解液循环泵4入口温度T1～Tn均降至29℃以下时，停止制冷剂循环泵PP1和热泵机组RM1。

[0053] 根据t时刻各独立单元的电解液循环泵4入口温度推算下一时刻冷却系统5总制冷需求量Qt+1，调节热泵机组输出功率；分析t时刻各独立单元电解液循环泵4入口温度T1～Tn，按照方案第一条的温度控制策略以及温度从高至低的优先等级，调节各独立单元换热器温控阀的开度和开关状态。t+1时刻重复以上步骤，直至所有独立单元的电解液循环泵4入口温度T1～Tn均降至29℃以下，冷却系统5停止运行。

[0054] 在一种实施例中，为了解决现有液流电池在放电阶段进行电解液冷却占用调峰负荷的问题，并有效对热量回收，本实施例提出如下技术方案：一种全钒液流电池的余热回收系统，用于监测全钒液流电池充放电状态的监测装置，及于监测装置发出全钒液流电池为充电状态的信号以启动的冷却系统；所述冷却系统以换热方式对电解液储罐中的电解液冷却；所述余热回收系统还包括对冷却系统换取的电解液的热量进行收集的蓄热系统，即蓄热系统位于冷却系统的上游，以换热方式对冷却系统因与电解液换热而取得的热量进行采集。由上述方案，本实施例改变传统的制冷运行时间，由原来的电池放电阶段冷却，改为充电阶段进行制冷，可降低热泵机组功率及投资，因为电池储能本身就是用于调节电网负荷，在充电时启动制冷设备可以更多消纳电网谷电，因而充电阶段对电解液冷却可以使得放电时不再占用调峰负荷，作为进一步的效果，因此采用分时冷却系统，提高储能电站调峰能力约4-5％，提高储能电站消纳谷电能力约4-5％。并且，冷却系统与电解液的热量交换并吸收热能，冷却系统的冷剂被加热，该热量可以被存储于储热装置中，即在储热装置中具有储热介质，如水、油等，使用储热介质获取冷却系统的热量，可以实现热量的存储与转用，并能够对热量集中管理。即存储蓄热介质的蓄热罐与热泵机组的冷凝器以换热方式连接以收集热量。该热量通过管路用于供热或出售。

[0055] 而作为进一步技术问题的解决方案，全钒液流电池冷却系统，还包括正极电解液储罐，所述冷却系统包括安装于正极电解液储罐的电解液循环管路，该管路上具有电解液循环泵及电解液换热器，所述电解液换热器的壳侧为电解液，管侧为若干并联的制冷剂管中的制冷工质。

[0056] 该方案中说明了冷却系统的一种具体方案，该冷却系统的启动按照通过所述启动时机逻辑控制可以实现充电冷却的目的。

[0057] 所述热泵机组的蒸发器通过并联的制冷剂管路吸收由电解液释放的热量，热泵机组5的冷凝器释放热量于蓄热系统并由蓄热系统存储，所述的蓄热系统14为存储蓄热介质的蓄热罐。由上述方案，使用热泵机组级联电解液换热器作为冷却系统，且多个电解液换热器的制冷剂管(作为热泵机组的蒸发器)并联设置，从而能够对多个电解液换热器集中冷却，相较于分散冷却或分散的空调设备冷却，更为集中的冷却方式功耗更小，能够提高液流电池的输出功率。

[0058] 所述的全钒液流电池冷却系统，还包括位于正极电解液储罐的一侧的负极电解液储罐，该负极电解液储罐的电解液循环管路上具有电解液循环泵，且电解液循环泵的下游连接电堆，电堆回连于负极电解液储罐。

[0059] 热泵机组的蒸发器与冷凝器之间安装有由控制装置控制以分时启停的压缩机，换热器控制阀设置在换热器的制冷工质侧，并与控制装置电连接。

[0060] 所述的压缩机以在全钒液流电池充电状态启动，于全钒液流电池放电状态停止。

[0061] 由此，该冷却系统的分时充电阶段启动的方案主要是对于热泵机组的压缩机的启停控制得以实现的，且制冷量、制冷时间的控制也可以由压缩机控制实现。

[0062] 测温装置设置在正极电解液储罐的电解液循环泵的入口处，测温装置对于温度数据采集，主要是为了实现集中制冷方法时，提供基础数据。

[0063] 换热器控制阀位于换热器制冷剂入口阀后，在蒸发器与换热器控制阀之间的连接管路上安装膨胀阀，并在换热器控制阀与冷凝器之间的管路上连接止回阀，在止回阀与换热器控制阀之间安装有关断阀。其中，所述的关断阀的作用是完全关断的，虽然换热器控制阀基本能起到类似的作用，然而，由于换热器控制阀不能完全关断，为了安全性，在止回阀与换热器控制阀之间安装有关断阀，关断阀(制冷剂入口阀)作用：控制制冷系统的启动、停止；膨胀阀作用：节流装置，它在制冷系统中的作用是将冷凝器或贮液器中冷凝压力下的饱和液体(或过冷液体)节流后降至蒸发压力和蒸发温度，同时根据负荷的变化，调节进入蒸发器制冷剂的流量；止回阀作用：防止介质倒流、防止压缩机驱动电动机反转。

[0064] 一种全钒液流电池的余热回收系统的全钒液流电池冷却方法，冷却系统于全钒液流电池充电阶段对电解液进行制冷，并于放电阶段停止制冷，以形成充电阶段的分时制冷。

[0065] 该冷却方法中，对于制冷的启动，是为在充电阶段，并且放电阶段对于制冷关停，从而可降低热泵机组功率及投资，因为电池储能本身就是用于调节电网负荷，在充电时启动制冷设备可以更多消纳电网谷电，因而充电阶段对电解液冷却可以使得放电时不再占用调峰负荷，作为进一步的效果，因此采用分时冷却系统，提高储能电站调峰能力约4-5％，提高储能电站消纳谷电能力约4-5％。

[0066] 所述制冷为集中制冷，温度控制方法如下：

[0067] S1.根据测试数据确定单次循环温升特性曲线得到电解液的温升特性曲线；

[0068] S2.电池开始充电后，确定电池现有蓄电量，根据电池蓄电量、电解液初始温度、电池运行控制温度，对电解液的温升特性曲线查询以得出剩余充电时间及电池完全放电结束后的电解液放电后温度；

[0069] S3.根据公式求得电池充电过程中需要冷却的热量，公式如下：

[0070] Q＝(T1-T2)×C×V；

[0071] Q：电池充电过程中需要冷却的热量；

[0072] T：电解液放电后温度；

[0073] T2：电池运行控制温度；

[0074] C：电解液比热；

[0075] V：电解液体积；

[0076] S4.根据剩余充电时间，计算出制冷系统的制冷功率，由此通过控制制冷装置以对电解液的温度控制。

[0077] 通过上述冷却方法，通过对于冷却系统的运行控制，对于充电阶段实现电池运行温度控制策略得以制定，能够较为准确的对电解液的温度实现需求控制，并且能够将热量集中回收。

[0078] 以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

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