專利名稱：大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)及其控制方法和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及全釩液流儲能電池系統(tǒng)集成領域，特別是大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)在太陽能、風能發(fā)電應用中的儲能及穩(wěn)定輸出設計及其運行控制方法。
背景技術：
隨著經濟的高速發(fā)展，能源、資源與環(huán)境之間的矛盾日益突出，普及應用太陽能、 風能等可再生能源發(fā)電技術是解決我國能源安全、實現節(jié)能減排基本國策的重要途徑，是國民經濟可持續(xù)發(fā)展的重大需求。由于太陽能和風能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)具有不穩(wěn)定性和不連續(xù)性的非穩(wěn)態(tài)特性，其發(fā)電量會產生顯著變化，需要開發(fā)和建設配套的高效儲能技術來保證發(fā)電和供電的連續(xù)性和平穩(wěn)性。與其他儲能技術相比，全釩液流儲能電池具有能量轉化效率高、蓄電容量大、選址自由、可深度放電、安全環(huán)保、維護費用低等優(yōu)點，已成為大規(guī)模高效儲能技術的首選技術之一。全釩液流儲能電池在太陽能、風能發(fā)電系統(tǒng)中的應用形式主要為當太陽能、風能發(fā)電裝置的功率超過設定輸出功率時，需要將電能儲存在全釩液流儲能電池中；當太陽能、 風能發(fā)電裝置的功率達不到設定輸出功率時，需要全釩液流儲能電池放電來補充。因此， 對于儲能電池而言，其輸入電流、功率、容量和輸出電流、功率、容量等都是不確定的，如何應對這些操作條件變化所帶來的影響，即柔性問題，是實際應用過程中必須要解決的問題。 原因主要有以下幾個方面其一，電池模塊有一定的循環(huán)使用壽命，對于不同的輸入和輸出功率，可適當選擇一定數量的電池模塊進行充放電，整個全釩液流儲能電池系統(tǒng)參加運行不利于延長電池模塊的使用壽命；其二，電解液同樣有一定的循環(huán)使用壽命，對于較小的輸入、輸出容量，全部電解液進行充放電會加速電解液的容量衰減；其三，對于不同的功率規(guī)模，全釩液流儲能電池系統(tǒng)對應的電解液流量也不同，當功率規(guī)模發(fā)生變化時，電解液流量不變，勢必會造成泵的功率損耗。因此從降低全釩液流儲能電池系統(tǒng)功耗和延長使用壽命方面考慮，需要對全釩液流儲能電池系統(tǒng)進行柔性設計，并建立相應的控制方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)在可再生能源發(fā)電應用中存在的上述問題，提供了一種大規(guī)模全釩液流儲能電池柔性系統(tǒng)設計及其相應的控制方法，在延長全釩液流儲能電池系統(tǒng)使用壽命的同時，降低全釩液流儲能電池系統(tǒng)的功耗。為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為
大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)由若干功率、容量規(guī)模的單元系統(tǒng)組成，單元系統(tǒng)之間通過液體管路連接，通過調節(jié)液體連接管路上閥門以及電池模塊的進出口閥門，實現大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)不同功率規(guī)模、不同容量需求的運行模式。具體為
大規(guī)模全釩液流儲能電池柔性系統(tǒng)，其由正整數m個，m ^ 2的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)構成；每個單元系統(tǒng)均由正極電解液儲罐，負極電解液儲罐，循環(huán)泵，全釩液流儲能電池模塊，閥門構成；
正極電解液儲罐通過二條管路分別與全釩液流儲能電池模塊的正極電解液入口和出口連接，在全釩液流儲能電池模塊的正極電解液入口與正極電解液儲罐間的連接管路上設置有循環(huán)泵，在循環(huán)泵與正極電解液儲罐出口之間設置閥門；
負極電解液儲罐通過二條管路分別與全釩液流儲能電池模塊的負極電解液入口和出口連接，在全釩液流儲能電池模塊的負極電解液入口與負極電解液儲罐間的連接管路上設置有循環(huán)泵，在循環(huán)泵與負極電解液儲罐出口之間設置閥門；
所述全釩液流儲能電池模塊為正整數η個，η ^l;全釩液流儲能電池模塊為η > 1時， 全釩液流儲能電池模塊間為串聯、并聯或串并聯結合；
不同的電池單元系統(tǒng)間的正極電解液儲罐通過管路連通，連通管路上設置有閥門；不同的電池單元系統(tǒng)間的負極電解液儲罐通過管路連通，連通管路上設置有閥門；
不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間的正極電解液出口通過管路連通，連接點位于正極電解液儲罐的出口閥門和循環(huán)泵之間，連通管路上設置有閥門；不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間的負極電解液出口通過管路連通，連接點位于負極電解液儲罐的出口閥門和循環(huán)泵之間，連通管路上設置有閥門；
不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間的正極電解液入口通過管路連通，連接點位于正極電解液儲罐的入口閥門和電池模塊出口閥門之間，連通管路上設置有閥門；不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間的負極電解液入口通過管路連通，連接點位于負極電解液儲罐的入口閥門和電池模塊出口閥門之間，連通管路上設置有閥門；
在不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間形成6條相互連接的液體相通管路。全釩液流儲能電池模塊為η > 1時，在全釩液流儲能電池模塊的正極電解液入口和出口、以及負極電解液入口和出口處分別設置有閥門。系統(tǒng)由m > 2的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)構成時，所述6條對應的相互連接液體管路在不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間形成依次串聯結構。所述全釩液流儲能電池系統(tǒng)的運行控制方法，通過控制不同單元系統(tǒng)連接管路上的閥門以及電池模塊的進出口閥門，實現任意單元系統(tǒng)的正負極電解液可以進入其他單元系統(tǒng)的電池模塊，任意單元系統(tǒng)內從電池模塊流出的正負極電解液可以進入其他單元系統(tǒng)的正負極電解液儲罐，任意單元系統(tǒng)的正負極電解液可以進入相鄰單元系統(tǒng)內的正負極儲罐，達到不同功率規(guī)模和不同容量需求的運行需求。本發(fā)明的全釩液流儲能電池系統(tǒng)可應用于太陽能和/或風能發(fā)電儲能。本發(fā)明具有如下優(yōu)點
1.本發(fā)明通過全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)的耦合設計，建立大規(guī)模全釩液流儲能電池柔性系統(tǒng)，實現大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)不同功率、不同容量的需求，有利于延長電池模塊和電解液的使用壽命。2.本發(fā)明通過切換全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)液體管路及其單元系統(tǒng)之間液體連接管路上的閥門，實現不同功率、不同容量的全釩液流儲能電池系統(tǒng)的運行，操作簡單， 易于實現。3.本發(fā)明針對太陽能、風能發(fā)電應用過程中對儲能規(guī)模需求的不穩(wěn)定性，采用變頻技術根據運行功率規(guī)模調節(jié)電解液流量，在滿足電解液流量的前提下降低全釩液流儲能電池系統(tǒng)的功耗。


圖1為全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)流程示意圖2為本發(fā)明包括兩個單元系統(tǒng)的全釩液流儲能電池柔性系統(tǒng)流程示意圖； 圖3為本發(fā)明包括三個單元系統(tǒng)的全釩液流儲能電池柔性系統(tǒng)流程示意圖。圖中1正極電解液儲罐，2負極電解液儲罐，3循環(huán)泵，4閥門，5電池模塊。
具體實施例方式大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)按照應用所需的最大功率、容量需求進行構建，由若干功率規(guī)模的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)組成，每個單元系統(tǒng)分別由電解液儲罐、循環(huán)泵、若干電池模塊、閥門及電解液管路組成。如圖2所示全釩液流儲能電池系統(tǒng)由2個電池單元系統(tǒng)構成；每個單元系統(tǒng)均由正極電解液儲罐1，負極電解液儲罐2，循環(huán)泵3，閥門4，電池模塊5構成；
正極電解液儲罐1通過二條管路分別與全釩液流儲能電池模塊5的正極電解液入口和出口連接，在全釩液流儲能電池模塊5的正極電解液入口與正極電解液儲罐1間的連接管路上設置有循環(huán)泵3，在循環(huán)泵3與正極電解液儲罐1之間設置閥門4 ；
負極電解液儲罐2通過二條管路分別與全釩液流儲能電池模塊5的負極電解液入口和出口連接，在全釩液流儲能電池模塊5的負極電解液入口與負極電解液儲罐2間的連接管路上設置有循環(huán)泵3，在循環(huán)泵3與負極電解液儲罐1之間設置閥門4 ；
所述的液流儲能電池單元系統(tǒng)的正負極電解液儲罐底部設有兩個出口，其中一個與循環(huán)泵相連，另一個通過液體管路與其他單元系統(tǒng)相應的正負極電解液儲罐的底部出口相連；電解液儲罐頂部設有電解液入口 ；
不同的電池單元系統(tǒng)間的正極電解液儲罐1通過管路連通a，連通管路上設置有閥門
4；
不同的電池單元系統(tǒng)間的負極電解液儲罐2通過管路連通b，連通管路上設置有閥門
4 ；
不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間的正極電解液出口通過管路連通c，連接點位于正極電解液儲罐1的出口閥門和循環(huán)泵3之間，連通管路上設置有閥門4 ；
不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間的負極電解液出口通過管路連通d，連接點位于負極電解液儲罐2的出口閥門和循環(huán)泵3之間，連通管路上設置有閥門4 ；
不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間的正極電解液入口通過管路連通e，連接點位于正極電解液儲罐1的入口閥門和電池模塊出口閥門之間，連通管路上設置有閥門4 ；
不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間的負極電解液入口通過管路連通f，連接點位于負極電解液儲罐2的入口閥門和電池模塊出口閥門之間，連通管路上設置有閥門4 ； 在不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間形成6條相互連接的液體相通管路所述的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)由5個IOkW電池模塊串聯組成，每個電池模塊的正負極電解液進出口都設有閥門。所述的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)電解液的輸送采用循環(huán)泵，根據不同運行功率規(guī)模，調節(jié)正負極電解液的流量。本發(fā)明設計的大規(guī)模全釩液流儲能電池柔性系統(tǒng)主要針對太陽能、風能發(fā)電應用過程中對儲能規(guī)模需求的不穩(wěn)定性，延長電池模塊和電解液的使用壽命、降低全釩液流儲能電池系統(tǒng)的功耗。具體控制方法為
1.關閉液體連接管路上的標號為廣，」”，^，1”，!11”，11”的閥門，可以實現兩個單元系統(tǒng)的獨立運行(50kW/100 kWh)。2.當全釩液流儲能電池系統(tǒng)滿負荷運行時有兩種運行方式
1)關閉液體連接管路上的閥門i”，j”，k”，l”，m”，n”，打開閥門 a”，b”，c”，d”，e”，f”，g”，h”，單元系統(tǒng)在液體管路上是獨立的，可以通過電路的連接形成 100kff/200 kffh 系統(tǒng)；
2)打開閥門&”，(1”，6”4”，廣，」”，1^，1”，111”11”，關閉閥門13”，f”，c”，h”，兩個單
元系統(tǒng)的正極循環(huán)泵3從正極儲罐1抽取電解液，分別經過電池模塊5、5’后，都回到正極儲罐1’，正極儲罐1’內的電解液逐漸回到正極儲罐1內，同理可得到負極側的流程。此時兩個單元系統(tǒng)在液體管路上是耦合的，形成100kW/200 kWh系統(tǒng)。3.當全釩液流儲能電池系統(tǒng)所需功率較大，容量較小時可按如下操作打開閥門 e”，f，，，g”，h”，j，，，k”，1 ”，m，，，關閉閥門 a”，b”，C”，d”，i ”，η”，兩個單元系統(tǒng)的正極循環(huán)泵從正極儲罐1’抽取電解液，分別經過電池模塊5、5’后，都回到正極儲罐1’，同理可得到負極側的流程，形成100kW/100 kWh系統(tǒng)；此時電解液儲罐1、2內的電解液不參與充放電運行，減少了循環(huán)次數，延長了使用壽命。4.當全釩液流儲能電池系統(tǒng)所需功率較小，容量較大時可按如下操作打開閥門 a”，d”，e”，g”，i ”，k”，1 ”，n”，關閉閥門 b”，C”，f ”，h”，j ”，m，，，單元系統(tǒng)的正極循環(huán)泵從正極儲罐1抽取電解液，經過電池模塊5后，回到正極儲罐1’，正極儲罐1’內的電解液逐漸回到正極儲罐1內，同理可得到負極側的流程，形成50kW/200 kffh系統(tǒng)；此時單元系統(tǒng)內的電池模塊5 ’不參加充放電運行，減少了使用次數，延長了使用壽命。5.全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)的運行功率規(guī)模還可以通過調節(jié)電池模塊進出口的閥門進行調整，以適應不同運行功率規(guī)模的需求
1)當儲能需求為30kff時，一個50kW的單元系統(tǒng)單獨運行就可滿足需求，但是相對功率需求仍然較大，因此，關閉該單元系統(tǒng)內兩個電池模塊的進出口閥門，此時單元系統(tǒng)功率就變?yōu)?0kW ；
2)當儲能需求為70kW時，需要兩個50kW單元系統(tǒng)同時運行，但是也需要調節(jié)，一個單元系統(tǒng)滿功率運行，關閉另一個單元系統(tǒng)內三個電池模塊的進出口閥門，此時整個系統(tǒng)的功率就變?yōu)?0kW ；
3)當全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)的運行功率規(guī)模發(fā)生變化后，采用變頻技術調節(jié)電解液流量，在滿足電解液流量的前提下，降低全釩液流儲能電池系統(tǒng)的功耗。
權利要求
1.大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)，其由正整數m個，m^ 2的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)構成；每個單元系統(tǒng)均由正極電解液儲罐(1)，負極電解液儲罐(2)，循環(huán)泵(3)，閥門(4)，全釩液流儲能電池模塊(5)構成；正極電解液儲罐(1)通過二條管路分別與全釩液流儲能電池模塊(5)的正極電解液入口和出口連接，在全釩液流儲能電池模塊(5)的正極電解液入口與正極電解液儲罐(1)間的連接管路上設置有循環(huán)泵(3)，在循環(huán)泵(3)與正極電解液儲罐(1)之間設置閥門(4);負極電解液儲罐(2)通過二條管路分別與全釩液流儲能電池模塊 (5)的負極電解液入口和出口連接，在全釩液流儲能電池模塊(5)的負極電解液入口與負極電解液儲罐(2)間的連接管路上設置有循環(huán)泵(3)，在循環(huán)泵(3)與負極電解液儲罐(1)之間設置閥門(4);所述全釩液流儲能電池模塊(5)為正整數η個，η ^ 1 ；全釩液流儲能電池模塊(5)為 η > 1時，全釩液流儲能電池模塊(5)液路之間連接方式為串聯、并聯或串并聯結合；其特征在于在不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間設有如下所述的6條相互連接的液體管路；不同的電池單元系統(tǒng)間的正極電解液儲罐(1)通過管路連通，稱之為a，連通管路上設置有閥門(4);不同的電池單元系統(tǒng)間的負極電解液儲罐(2)通過管路連通，稱之為b，連通管路上設置有閥門(4);不同的電池單元系統(tǒng)間的正極電解液出口通過管路連通，稱之為c，連接點位于正極電解液儲罐(1)的出口閥門和循環(huán)泵(3 )之間，連通管路上設置有閥門(4 )；不同的電池單元系統(tǒng)間的負極電解液出口通過管路連通，稱之為d，連接點位于負極電解液儲罐(2 )的出口閥門和循環(huán)泵(3 )之間，連通管路上設置有閥門(4 )；不同的電池單元系統(tǒng)間的正極電解液入口通過管路連通，稱之為e，連接點位于正極電解液儲罐(1)的入口閥門和電池模塊出口閥門之間，連通管路上設置有閥門(4)；不同的電池單元系統(tǒng)間的負極電解液入口通過管路連通，稱之為f，連接點位于負極電解液儲罐(2 )的入口閥門和電池模塊出口閥門之間，連通管路上設置有閥門(4 )。
2.按照權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于全釩液流儲能電池模塊(5)為η> 1時，在全釩液流儲能電池模塊(5)的正極電解液入口和出口、以及負極電解液入口和出口處分別設置有閥門⑷。
3.按照權利要求1所述系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)由m> 2的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)構成時，所述6條對應的相互連接液體管路在不同的全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)間形成依次串聯結構。
4.一種權利要求1所述全釩液流儲能電池系統(tǒng)的運行控制方法，其特征在于通過控制不同單元系統(tǒng)連接管路上的閥門以及電池模塊的進出口閥門，實現任意單元系統(tǒng)的正負極電解液可以進入其他單元系統(tǒng)的電池模塊，任意單元系統(tǒng)內從電池模塊流出的正負極電解液可以進入其他單元系統(tǒng)的正負極電解液儲罐，任意單元系統(tǒng)的正負極儲罐中的電解液可以進入相鄰單元系統(tǒng)內的正負極儲罐，達到不同功率規(guī)模和不同容量需求的運行需求。
5.一種權利要求1所述全釩液流儲能電池系統(tǒng)的應用，其特征在于所述大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)應用于太陽能和/或風能發(fā)電儲能或平滑穩(wěn)定輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及全釩液流儲能電池系統(tǒng)集成領域，特別是大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)設計及其相應的運行控制方法。大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)由若干個不同或者相同功率規(guī)模的電池單元系統(tǒng)組成，單元系統(tǒng)之間通過液體管路連接，通過調節(jié)液體連接管路上閥門以及電池模塊的進出口閥門，實現電池系統(tǒng)不同功率規(guī)模、不同容量需求的運行模式，以及全釩液流儲能電池單元系統(tǒng)的獨立運行。本發(fā)明設計的大規(guī)模全釩液流儲能電池柔性系統(tǒng)主要針對太陽能、風能發(fā)電應用過程中對儲能規(guī)模需求的不穩(wěn)定性，延長電池模塊和電解液的使用壽命、降低大規(guī)模全釩液流儲能電池系統(tǒng)的功耗。
文檔編號H01M8/04GK102487148SQ20101056831
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權日2010年12月1日
發(fā)明者劉宗浩, 張華民, 鄒毅, 馬相坤 申請人:大連融科儲能技術發(fā)展有限公司