一种基于极早期探测和定向灭火的储能电站安全系统的制作方法

1.本发明涉及电化学储能电站消防安全技术领域，具体为一种基于极早期探测和定向灭火的储能电站安全系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.新能源发电站中会使用储能电池作为吸纳电能波动的装置，而储能电池数量巨大，需要反复在充放电状态间切换，内部的锂物质容易产生热失控，从而在多个储能电池之间引发火灾和爆炸。
4.储能电池内部的锂物质特性使得火灾发生速度较快，容易在短时间内引发爆炸，因此现有技术针对储能电池引发的火灾和爆炸问题，可以采用卤代烃气体应对初期明火，利用氮气、二氧化碳钝化活性锂物质吸热。还可以采用泡沫灭火剂覆盖锂离子电池表面，实现锂离子电池的防火防爆。上述针对电站内储能电池的安全系统虽然给出了各类灭火和抑爆的措施，但并未考虑储能电站的空间布局，也没有考虑电池失火后的极早期定向控制，无法在火灾事故发生时在极短时间内快速处置火灾。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于极早期探测和定向灭火的储能电站安全系统，在电化学储能电站热失控后第一时间实现光学烟雾、h2、hf、co、ch4、so2、红外图像等复合探测，并分阶段采取灭火、降温控制，实现电化学储能电站消防全流程高效管控。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种基于极早期探测和定向灭火的储能电站安全系统，包括：
8.至少一组设置在储能电站电池仓内侧顶部的灭火剂释放装置，每一组灭火剂释放装置均位于相邻两组电池单体之间的顶部空间，每一组灭火剂释放装置均与电池热管理系统通讯连接，每一组灭火剂释放装置均连接在灭火系统管道上，灭火系统管道上连接流量控制模块、灭火药剂储存装置和消防水箱。
9.灭火剂释放装置包括设在保护外壳底部且朝向电池单体顶部空间的灭火药剂释放喷口，灭火药剂释放喷口与进入保护外壳的灭火系统管道活动连接，进入保护外壳的灭火系统管道上设有智能比例混合模块、清洁高效灭火剂储存单元和旋转控制模块。
10.多组电池单体呈矩阵分布时，每一组灭火剂释放装置均位于矩阵交叉点上。
11.灭火药剂释放喷口与进入保护外壳的灭火系统管道活动连接形成旋转喷头。
12.智能比例混合模块具有喷射器，喷射器的吸入口与清洁高效灭火剂存储单元连接，入口连接灭火系统管道，出口与灭火剂释放喷口连接。
13.保护外壳下底面设有复合探测预警模块，复合探测预警模块通过位于保护外壳内部的电信号传输通道与控制单元连接。
14.复合探测预警模块包括连接在一起且分别与控制单元连接的烟雾传感器、可燃气体传感器、温度传感器和图像传感器。
15.灭火药储存装置和消防水箱并联接入管道，灭火剂储存装置通过灭火剂流量控制模块与管道连接。
16.消防水箱通过水流量控制模块与管道连接。
17.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
18.1、使得每一个电池簇的斜上方空间均由一个灭火剂释放装置保护，同时也可以由两侧的灭火剂释放装置协同参与保护，在电池簇内的电池发生热失控后，相邻电池簇之间产生的烟雾和气体能够被灭火剂释放装置第一时间捕捉并执行灭火实现极早期探测。
19.2、灭火剂释放装置上的复合探测预警模块
20.3、将极早期探测装置与高效灭火剂释放装置引入电化学储能电站中，针对不同位置处的电池簇采用定向高效防控，将极早期探测与灭火控制模块合二为一，集成在清洁高效定向输出装置内；灭火药剂释放装置可根据电池热失控状态进行分阶段处置，既能高效定向灭火，又能持续高效降温，减少对非故障电池簇的损坏。
附图说明
21.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
22.图1是本发明一个或多个实施例提供的安全系统整体结构示意图；
23.图2是本发明一个或多个实施例提供的清洁高效定向输出装置的结构示意图；
24.图中：1-电池热管理系统；2-电池热管理系统信号传输装置；3-灭火剂释放装置；4-灭火系统管道；5-流量控制模块；6-动力驱动装置；7-气体灭火药剂流量控制模块；8-气体灭火药剂储存装置；9-水流量控制模块；10-消防水箱；11-灭火药剂释放喷口；12-旋转控制模块；13-复合探测预警模块；14-单向流通阀；15-清洁高效灭火剂储存单元；16-预警信号采集、传输、控制模块；17-灭火药剂输送管道；18-智能比例混合模块；19-电信号传输通道；20-保护外壳。
具体实施方式
25.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
26.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
27.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
28.正如背景技术中所描述的，现有技术针对储能电站实现灭火的系统没有考虑储能
电站的空间布局，也没有考虑电池失火后的极早期定向控制，无法在火灾事故发生时在极短时间内快速处置火灾。
29.例如cn114191750《一种锂电池储能系统钝化灭火抑爆系统及方法》，采用卤代烃气体灭初期明火，氮气、二氧化碳钝化活性锂物质吸热。值得一提的是，锂电池热失控后防复燃的重要措施是冷却降温，而水是最经济、效果最佳的冷却剂。
30.cn110624193《一种基于物联网的防止复燃的消防控制方法》，实现了灭火的定向控制，但未涉及极早期探测系统联动及灭火、降温等分阶段高效处置。
31.cn107681067《一种锂离子电池防火防爆装置》，采用泡沫灭火剂覆盖电池表面，但未考虑电化学储能电站空间布局。
32.根据相关研究，储能电池热失控后的极早期定向控制至关重要。由于新能源发电站使用的储能电池大部分为锂离子电池(磷酸铁锂和三元锂)，并且电站内的储能电池串并联数量多、规模大、运行功率大，反复充放电的情况下，电池单体内部容易引发短路而过热，过热又会使电池单体产生可燃性气体，扩散到电池组、电缆沟以及附近的电气设备之间，当可燃性气体的含量达到一定值时，电气设备中的元器件吸合、断开产生的点火花引发火灾和爆炸。
33.因此，以下实施例给出了一种基于极早期探测和定向灭火的储能电站安全系统，可在电化学储能电站热失控后第一时间实现光学烟雾、h2、hf、co、ch4、so2、红外图像等复合探测，并分阶段采取灭火、降温控制，实现电化学储能电站消防全流程高效管控。
34.实施例一：
35.如图1-2所示，一种基于极早期探测和定向灭火的储能电站安全系统，包括：至少一组设置在储能电站电池仓内侧顶部的灭火剂释放装置3，每一组灭火剂释放装置3均位于相邻两组电池单体之间的顶部空间，每一组灭火剂释放装置3均与电池热管理系统1通讯连接，每一组灭火剂释放装置3均连接在灭火系统管道4上，灭火系统管道4上连接流量控制模块5、气体灭火药剂储存装置8和消防水箱10。
36.灭火剂释放装置3包括设在保护外壳20底部且朝向电池单体顶部空间的灭火药剂释放喷口11，灭火药剂释放喷口11与进入保护外壳20的灭火系统管道4活动连接，进入保护外壳20的灭火系统管道4上设有智能比例混合模块18、清洁高效灭火剂储存单元15和旋转控制模块12。
37.智能比例混合模块18具有喷射器，喷射器的吸入口与清洁高效灭火剂存储单元15连接，入口连接灭火系统管道4，出口与灭火剂释放喷口11连接。
38.保护外壳20下底面设有复合探测预警模块13，复合探测预警模块13通过位于保护外壳20内部的电信号传输通道19与预警信号采集、传输、控制模块19连接。
39.复合探测预警模块13包括连接在一起且分别与控制单元(采集、传输、控制模块19)连接的烟雾传感器、可燃气体传感器、温度传感器和图像传感器。
40.气体灭火药剂储存装置8和消防水箱10并联接入灭火系统管道4，气体灭火药剂储存装置8通过气体灭火药剂流量控制模块7与灭火系统管道4连接；消防水箱10通过水流量控制模块9与灭火系统管道4连接。
41.具体的：
42.如图1所示，系统包括电池热管理系统1、电池热管理系统信号传输装置2、清洁高
效定向输出装置(灭火剂释放装置3)；灭火系统管道4、流量控制模块5、动力驱动装置6、气体灭火药剂流量控制模块7、气体灭火药剂储存装8、水流量控制模块9和消防水箱10。
43.如图2所示，清洁高效定向输出装置(灭火剂释放装置3)包括灭火药剂释放喷口11、旋转控制模块12、复合探测预警模块13、单向流通阀14、清洁高效灭火剂储存单元15、预警信号采集、传输、控制模块16、灭火药剂输送管道17、智能比例混合模块18、电信号传输通道19和防爆、屏蔽保护外壳20。
44.如图1所示，储能电站采用两侧电池布局，即并列布置的至少两组电池，每一列水平方向上的一组电池包含若干电池簇，每个电池簇竖直方向上包括若干电池模组。
45.本实施例中，每一个电池模组是一块单独的电池单元，多组电池单元竖直布置形成一组电池单体(电池簇)，多组电池单体在储能电站中形成矩阵分布。
46.极早期是指在明火发生之前，通过探测烟气颗粒、气体等实现早期火灾探测。
47.对于电池而言，明火发生之前会因过热先产生烟雾和可燃气体等物质，这些物质从电池模组(电池单元)内部向外界环境移动的过程中，由于多组电池模组(电池单元)竖直布置形成一组电池单体(电池簇)，每一个电池模组的上表面和下表面被相邻的电池模组阻挡，则极早期火灾发生时的烟雾和气体会从电池单体(电池簇)的侧面流出至相邻电池单体(电池簇)之间的空间中，并逐步上升至相邻电池单体(电池簇)之间的顶部空间。也就是说，电池单体(电池簇)的侧面是烟雾和气体离开电池内部最先释放的区域，则在该区域探测烟雾和气体并执行灭火是能够应对极早期火灾的关键，该位置下，探测器由于靠近烟雾和气体离开电池而释放的区域，因此具有相对极快的探测速度。
48.因此，本实施例中，灭火剂释放装置3内置了烟雾和气体探测器，并且探测器位于灭火剂释放装置3的保护外壳20下底面，每一组灭火剂释放装置3均位于相邻两组电池单体(电池簇)之间的顶部空间，多组电池单体呈矩阵分布时，每一组灭火剂释放装置3均位于矩阵交叉点上，使得每一个电池簇的斜上方空间均由一个灭火剂释放装置3保护，同时也可以由两侧的灭火剂释放装置3协同参与保护，能够实现电池簇内电池发生热失控后的极早期探测。
49.极早期定向控制分为2个层面，一个是灭火释放装置内含有烟雾、气体探测器和红外图像探测，通过时空矩阵分布，能够使信号探测的速度更快从而实现火灾的预测预警；另一个层面是极早的实现对火灾的控制，因为灭火释放装置内本身含有“干水”颗粒等灭火剂，距离火源较近，因此能够更快的灭初期小火。
50.定向控制即为控制喷头的旋转角度，灭火药剂释放喷口11与进入保护外壳20的灭火系统管道4活动连接形成旋转喷头的结构，某个电池簇内的电池发生热失控后，其斜上方最近的灭火释放装置3会探测到火灾，并第一时间启动灭火药剂释放喷口11喷出灭火剂，同时，其两侧的和对面的灭火药剂释放喷口11也可以调增角度，协同执行灭火。
51.本实施例中，旋转控制模块12可以为带有控制器的驱动电机，驱动电机输出轴上连接齿轮，齿轮与灭火药剂释放喷口11外侧圆周方向上的齿圈啮合，控制器接收到指令后驱动电机动作带动齿轮旋转，进而带动灭火药剂释放喷口11绕灭火系统管道4的轴线转动，实现角度调节。
52.灭火药剂释放喷口11与灭火系统管道4活动连接形成的旋转喷头不限制具体的结构，可以为任意已有技术中的结构。
53.电池热管理系统信号传输装置2可采集电池热管理系统1的异常电压、电流、温度等信号，并通过清洁高效定向输出装置(灭火剂释放装置3)的控制模块传到总控制台。
54.清洁高效定向输出装置(灭火剂释放装置3)的单向流通阀14和灭火药剂释放喷口11采用不锈钢防腐蚀材质，能够实现消防水微米级别快速输出，达到细水雾国家标准。
55.喷头旋转控制模块12采用防爆材质，旋转角度大于180
°
，能够实现远程遥控，遥控距离至少大于40m。
56.复合探测预警模块13至少包括烟雾、h2、hf、co、ch4、so2等传感器和红外、普通视频监控功能，采用分散式布置方式，每个清洁高效定向输出装置上均有复合气体探测预警传感器，冗余设计，通过采集光电信号，降噪、滤波处理后传输到总控台。
57.清洁高效灭火剂存储单元15的灭火剂为二氧化硅与小水滴组成的“干水”颗粒，平均粒径至少小于20nm，休止角小于40
°
，可以捕捉二氧化碳、全氟己酮、七氟丙烷等气体灭火剂，具有很好的流动性；同时，水滴内可包含naci、nh4h2po4等无机盐添加剂，以进一步增加对储能电站发生电池热失控后的灭火、降温效果。
58.气体灭火药剂储存装置8包含二氧化碳、全氟己酮、七氟丙烷等气体灭火剂储罐和消防水箱，每个电化学储能电站集装箱对应的气体灭火药剂储罐容积至少高于80l，对应的消防水箱尺寸至少高于100l。
59.灭火剂释放喷头(灭火剂释放喷口11)可远程遥控，任意控制启停。
60.灭火药剂输送管道17承压至少在10mpa以上。
61.智能比例混合模块18能够实现外部储罐内二氧化碳、全氟己酮、七氟丙烷等气体灭火剂与清洁高效定向输出装置内“干水”颗粒的比例混合，混合比可根据火灾情况，远程控制、任意调节。
62.本实施例中，智能比例混合模块18具有喷射器，喷射器的吸入口与清洁高效灭火剂存储单元15连接，入口连接灭火系统管道4，出口与灭火剂释放喷口11连接，利用文丘里管原理，通过控制“干水”颗粒侧(清洁高效灭火剂存储单元15)开口的大小，控制混合比例，从而达到混合比的任意调节。
63.灭火药剂输送管道17、比例混合模块18、电信号传输通道19均具有抗爆性能，至少承受1小时以上明火炙烤不变形，电信号传输模块、保护外壳应具有信号屏蔽、抗干扰能力。
64.动力驱动装置6采用动力电源有ups电源双保障，一方故障时，另一方保障供应，同时具有防误操作的双确认功能。
65.电池热管理系统信号传输装置2采集电化学储能电站的异常电压、电流、温度等信号，将电信号降噪、滤波处理后，通过清洁高效定向输出装置3的预警电信号控制模块16，经电信号传输通道19反馈到总控制台。具体来说，一旦检测到异常电压、电流、温度，将用于提示值班人员注意加强监控；而一旦清洁高效定向输出装置3的复合探测预警模块13同时探测到烟雾、h2、hf、co、ch4、so2等信号报警时，则立即通过后台启动清洁高效定向输出装置3。
66.热失控处理过程中，动力驱动装置6开启，气体灭火药剂流量控制模块7联动开启，将气体灭火药剂储存装置8内的二氧化碳、全氟己酮、七氟丙烷等气体灭火剂通过灭火系统管道4传输到储能电池舱内。外部流量控制模块5可控制灭火剂的传输方向，实现两侧电池簇的定向灭火，内部预警信号采集、传输、控制模块16可控制实现单侧电池簇的着火的定向灭火，气体灭火剂通过灭火药剂输送管道17传输过程中，经过智能比例混合模块18的过程
中，比混合器自动工作，按照预设比例吸取清洁高效灭火剂储存单元15内的“干水”灭火剂，经灭火药剂释放喷口11进行灭火；若火势较大，热失控电池所在电池簇的附近清洁高效定向输出装置3可同时开启，由旋转控制模块12控制方向调整，协同参与灭火。
67.明火处理完毕后，动力驱动装置6更换工作模式，关闭气体灭火药剂流量控制模块7，启动水流量控制模块9，此时，清洁高效定向输出装置3中智能比例混合模块18的比例自动调整为100％，灭火药剂释放喷口11直接输出细水雾进行持续降温。
68.上述系统将极早期探测装置与高效灭火剂释放装置引入电化学储能电站中，针对不同位置处的电池簇采用定向高效防控，将极早期探测与灭火控制模块合二为一，集成在清洁高效定向输出装置内；灭火药剂释放装置可根据电池热失控状态进行分阶段处置，既能高效定向灭火，又能持续高效降温，减少对非故障电池簇的损坏。
69.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。