液流电池模块化单元及液流储能系统的制作方法

本发明涉及液流储能系统，更具体地涉及全钒液流储能系统。

背景技术：

可再生能源的开发利用日益被重视，并且应用越来越广泛。但是其具有随机性、波动性、不可调控等特点，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。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。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。

现有的大型液流储能系统如兆瓦级的储能系统，通过电堆集成，主管细分支管，且一支管连接几个电堆，其管路连接一般都比较复杂，现场安装比较费时。而且，当其中一个子电堆出现故障时，需要停掉整个系统，在更新故障单元时，工作量也比较大。

其次，现有的多电堆液流储能系统，通常是配一个正极电解液储罐和一个负极电解液储液罐，二者分别配套一个输送泵，泵的功率都很大，管路的设计是采用从主管开始一分二、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，这种布管方式很难保证每个电堆进出口的压力均衡，导致各个电堆的电压不一致，使得电堆自放电。

中国专利申请cn201720236031采用在全钒液流储能电站的循环管路中并联旁通管路及增加流量控制阀来达到平衡流量，使串联的多个电堆电压均衡，减小自放电的目的。但对于电堆数量较多的大型储能系统，增加的旁通管路会很多、系统占地面积也更大。正负极各一台泵、如果泵出现故障，则整个系统都无法运行。采取这种布管方式的劣势在于占地大、成本高、现场接管耗时多、且出现故障时，维修十分麻烦，不适于模块化、批量化生产。

技术实现要素：

本发明的目的之一是解决现有液流电池系统更换、维护单个电堆工作量大，影响整个系统工作的问题。

根据本发明的液流电池模块化单元，包括电堆模块、输送组件和监测组件，其中：所述输送组件包括正极泵、负极泵、阀和连接至外部所需的管件；所述监测组件包括：压力传感器，用于探测电堆进液口的压力；监测装置，用于监测/显示电堆模块的压力、流量和电压。

在一种具体实施方式中，每一个所述电堆模块由两个子电堆构成，每一个模块化单元设有四个泵，分别作为两个子电堆的正极泵和负极泵。

在一种具体实施方式中，所述监测装置可以同时显示两个子电堆的压力、流量和电压。

在一种具体实施方式中，所述液流电池模块化单元还包括底座、外壳、防漏装置和散热装置中的一种或多种。

在一种具体实施方式中，所述管件包括进出液支管组件，将模块单元与液流储能系统的进出液主管连接，所述进出液支管组件由活接、三通、堵头和直管组成。

本发明第二方面，还提供一种液流储能系统，包括一个正极储液罐、一个负极储液罐和一个电堆架，包括上述液流电池模块化单元。

本发明提出的方案，将电堆、电堆底座、泵、电堆监测装置、附属管路集成为一个模块化标准单元，此模块单元既可单独使用，也可作为规模化系统集成所需的模块化标准单元，此单元具有集成度高、占地小、维护简便、安装调试快捷、易于控制管理等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明的一个液流电池模块化单元的轴测图；

图2是用于本发明的安装有进出液主管的电堆架轴测图；

图3a和3b分别是具体实施例的进液支管组件和出液支管组件的轴测图；

图4是根据本发明的一个储能系统总装图。

其中，1a—电堆模块化单元、1—电堆模块(或称电堆)、2—泵、2a—进液支管组件、3—单元底座、3a—出液支管组件、4—压力传感器、5—监测装置、6—正极进液主管、7—负极进液主管、8—正极出液主管、9—负极出液主管、10—电堆架、11—线缆桥架。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1所示，根据本发明的液流电池模块化单元1a包括：电堆1、输送组件和监测组件，其中：输送组件包括用于为电解液提供循环动力的正极泵和负极泵、控制与外部管路通/断的阀和用于实现与外部管路连通所需的管件；监测组件包括用于探测电堆进液口压力的压力传感器4和用于监测/显示电堆模块压力、温度和电压的监测装置5。

本发明中，每个单元的正、负皆配备一个泵，可以是交流泵或者直流泵，优选使用直流泵，直流具有功耗小、体积小、低噪音、安全性高、寿命长等优势。泵的功率根据电堆单元的规格选择，一般在200-550w之间。为每个模块提供独立的泵具有优势效果，首先，可以在系统处于在线状态对其中一个或一部分模块单元进行通、断处理，不会造成其他单元的压力波动。其次是安装、拆卸非常方便。再者，在所有模块单元均能正常工作的情况下，也可以根据电量产生的大小调整工作状态模块单元的数量，例如，在电量较大时采用全负荷，在电量产生较小时关掉一部分模块单元。优选的实施方式中，各模块单元与电池系统的总控制装置电连接和通信连接，这样，用总控制装置即可以控制各单元的泵操作。同样地，也将上述监测装置与总控制装置电连接和通信连接，以致在总控制装置中即可读取各模块的参数信息。为此，为每一个模块单元陪备一个线束端口，在装配系统时，将线束端口与系统的线束端口插接即可。

本发明的模块单元优选装配底座，底座的结构一方面要与下述电堆架的结构相匹配，使得安装后的单元稳固、易安装。底座上优选带有适合叉车的叉杆进行搬运的结构。模块单元还可以带有外壳，起到防护模块单元电堆的作用，单元中的检测装置可以设计在外壳外面，或者在安装外壳的情况下可以读取到检测装置显示的信息。

另外，为每一单元提供一个防漏装置通常是需要的，电堆在搬运或者长期使用后难免出现漏液现象，而电解液经常具有一定的腐蚀性，因此防漏装置通常是耐腐蚀材料制成，例如不锈钢，或者施加有特种涂层的材料。防漏装置可以是单独的接液盘，其放置在底座上，也可以通过连接件固定在底座上。一种优选的方案是将防漏装置与底座一体成型。

在一个具体实施例中，在将上述模块单元装配成液流电池系统时，将电堆1固定在电堆底座3上，再将泵2固定在电堆底座3上，在泵2出液口法兰后端与电堆进液口之间的管路上安装压力传感器4，用于监测电堆的进液口压力，在电堆的前面安装有监测装置5；然后将电堆的各个进出液管道制作完成，构成储能系统中的一个组件1a，此组件1a可以作为大型储能系统的最小模块化标准单元批量化生产，此模块化标准单元具有高度集成、快速安装、在线监测、便捷更换等优点。

如图2所示，预先准备一个合适尺寸的电堆架10，将正极进液主管6、负极进液主管7、正极出液主管8、负极出液主管9、线缆桥架11固定在电堆架10上。这些主管通过图3a和3b所示的进液立管支管组件2a和出液立管3a连通至每一模块单元。组件2a、组件3a由活接201、异径三通202、堵头203、硬管204组成，这些部件优选用pvc制成，还可以用工程塑料、金属或者合金制成。装配系统时，将多个组件1a安装在电堆架10上，将进液立管支管组件2a、出液立管支管组件3a分别与组件1a上的管道接口、正极进液主管6、负极进液主管7、正极出液主管8、负极出液主管9的管道接口相连(接口连接可以通过活接或者耐腐蚀软管)，系统主要输送管道安装完成。这种布管方式的优点在于大部分管道可以预先制作完成，这些进、出液主管的安装、组件1a、组件2a、组件3a的制作都可以同步进行，只需现场拼接即可，大大提高了安装的效率。

图4是安装完成后的储能系统总装图；本案例是以12个21.5kw电堆做示例，按上下两层，每层6个电堆布置，其中上下层的两个电堆通过管道串联，水平方向的电堆则通过管道并联；将正负极的主管6、7、8、9固定在电堆架10上，再将进出液主管与储罐103上进口法兰、出口法兰相连接，然后将电堆组件1a依次叉装固定在电堆架10上，调整好位置，最后将进液立管支管2a、出液立管支管3a与主管6、7、8、9、电堆组件1a上的管道接口相连接，储能系统的电解液输送管道单元即安装完成。当系统中某个电堆组件1a出现故障需要更换时，只需关闭组件1a中的阀，将支管组件2a、3a管道内部少量电解液排出，再更换新的电堆，并将支管2a、3a与电堆组件1a、进出液主管预留的接口相连接即可。

本发明的模块化液流储能系统为大型储能电站的标准化、规模化生产、集成控制和便捷的安装、维护提供了一种思路，提高了系统的安装效率，降低因单个电堆或模块故障导致系统整体无法运行的风险，同时为系统后期的运行维护提供了便利。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。