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一种沉浸式储能箱及沉浸式储能系统

摘要

本发明涉及一种沉浸式储能箱及沉浸式储能系统,储能箱的防水等级至少为IP68,沉浸在蓄水池内,储能箱的内部包括由隔舱板隔开的多个舱室,各个舱室上均安装有与控制器连接的安全注水阀和维护排水阀;沉浸式储能系统包括多个沉浸在蓄水池内的储能箱,蓄水池通过水循环系统与水源连通,储能箱通过防水电缆分别与电网和发电站连接。与现有技术相比,沉浸式储能箱的安全性更高,如果某个舱室出现异常着火,可以向该舱室注水灭火同时不影响其他舱室,降低了事故发生造成的损失;沉浸式储能系统通过调节蓄水池内的水温维持储能箱内的温度,热管理效果好,成本低。

著录项

  • 公开/公告号CN112448080A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2021-03-05

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 上海理工大学;

    申请/专利号CN202011360605.3

  • 申请日2020-11-27

  • 分类号H01M50/204(20210101);H01M50/244(20210101);H01M50/251(20210101);H01M10/613(20140101);H01M10/627(20140101);H01M10/635(20140101);H01M10/6551(20140101);H01M10/6563(20140101);H01M10/6567(20140101);A62C3/16(20060101);

  • 代理机构31225 上海科盛知识产权代理有限公司;

  • 代理人叶敏华

  • 地址 200093 上海市杨浦区军工路516号

  • 入库时间 2023-06-19 10:06:57

说明书

技术领域

本发明涉及储能箱技术领域,尤其是涉及一种沉浸式储能箱及沉浸式储能系统。

背景技术

储能设备在未来能源应用场景中的作用越来越突出。一方面,在新能源发电中,风能、太阳能发电具有间歇性、不稳定性的特点,引入储能设备可以有效抑制发电功率波动,从而提高电能质量。另一方面,储能设备还可以“削峰填谷”,即在电网处于输出功率低谷时期吸收电网多余的功率,然后在电网处于输出功率高峰时期主动给电网供电,这样一来,便可大大降低电网的峰值功率,每年可以节省数以亿元计的电力功率损失和发电资源。

目前,储能设备的种类有很多,主要分成物理储能和化学储能两种。其中,物理储能包括重力储能、弹力储能、动能储能、储冷储热、超导储能和超级电容器储能等几类;化学储能包括二次电池储能、液流电池储能、氢储能、化合物储能、金属储能等。不过,已有的各项储能技术都还达不到承担超大规模能源战略储备的水平。

在储能领域中,锂电池由于其优越的库伦效率,可以达到能量99%的存储效率,越来越受储能领域重视。目前常见的集装箱式储能电站,其内部使用的就是大容量的磷酸铁锂电池作为储能设备的基础单元。但是,由于锂电池本身固有的安全隐患,使得其在储能领域的更深度应用受到限制。由于锂电池具有可燃性及火灾难以扑灭的特点,所以一旦起火,很容易造成火灾成片的蔓延,造成极大的经济损失。因此,大量资金和科研被投入到与锂电池安全相关的热失控预警和消防安全方面。但是,一旦锂电池发生热失控并发生热失控的蔓延的话,现有技术中的预警手段和消防措施能起到的作用微乎其微。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种沉浸式储能箱及沉浸式储能系统,储能箱沉浸在水中,储能箱内包括由隔舱板隔开的多个舱室,每个舱室分别设有安全注水阀和维护排水阀,如果某个舱室出现异常着火,可以向该舱室注水灭火同时不影响其他舱室,提升了储能箱的安全性,降低了事故发生造成的损失,且热管理效果好。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:

一种沉浸式储能箱,所述储能箱的防水等级至少为IP68,且沉浸在水中,储能箱的内部包括由隔舱板隔开的多个舱室,所述隔舱板上设有用于线路穿引的线路通道,所述舱室包括电气系统舱和至少1个电池舱,各个舱室内均安装有安全注水阀和维护排水阀,所述储能箱的内部还设有控制器,所述控制器分别与安全注水阀和维护排水阀连接。

进一步的,所述安全注水阀和维护排水阀安装于储能箱的箱壁上,所述安全注水阀的安装位置低于线路通道的位置,所述维护排水阀安装于储能箱的箱壁的底部。

进一步的,各个舱室内均安装有与控制器连接的传感器单元和摄像头,所述传感器单元包括烟雾传感器和VOC传感器。

进一步的,所述储能箱的箱壁上设有散热翅片和至少1个箱壁温度传感器,各个舱室内均安装有散热风扇,所述箱壁温度传感器和散热风扇分别与控制器连接。

进一步的,所述控制器设于电气系统舱内,所述电气系统舱内还设有与控制器连接的报警系统和热管理系统。

进一步的,所述电池舱内设有电池架,所述电池架上放置有多个电堆,所述电堆包括多个相互连接的电池单体,各个电堆的底部均设有电堆温度传感器,所述电堆温度传感器与控制器连接。

进一步的,所述线路通道为设于隔舱板顶部的通孔或隔舱板的顶部与储能箱的顶部之间的间隙。

一种沉浸式储能系统,使用如上所述的沉浸式储能箱,包括蓄水池、水循环系统、总控制器和至少1个储能箱,所述蓄水池通过水循环系统与水源连通;所述总控制器分别与水循环系统和各个储能箱的控制器连接;所述储能箱沉浸在蓄水池内并通过防水电缆分别与电网和发电站连接。

进一步的,所述水循环系统包括进水管道、出水管道和水泵。

进一步的,所述储能箱之间通过防水电缆相互连接。

与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:

(1)储能箱沉浸在水中,储能箱内部包括由隔舱板隔开的多个舱室,每个舱室分别设有安全注水阀和维护排水阀,如果某个舱室出现异常着火,可以向该舱室注水灭火同时不影响其他舱室,提升了储能箱的安全性,降低了事故发生造成的损失。

(2)安全注水阀的安装高度低于线路通道的位置,可以防止自安全注水阀中注入的水进入其他舱室,进一步保证了储能箱的安全性。

(3)沉浸式储能系统包括多个沉浸在蓄水池内的储能箱,通过调整蓄水池的水温维持储能箱内的温度,热管理效果好,成本更低。

(4)储能箱内设有散热翅片和散热风扇,进一步提高了散热效果。

(5)控制器根据传感器单元和设置的多个温度传感器传输的参数控制安全注水阀和维护排水阀,自动化水平更高。

附图说明

图1为沉浸式储能箱的内部结构示意图;

图2为沉浸式储能箱的内部结构示意图;

图3为沉浸式储能箱的外部结构示意图;

图4为实施例中电堆的结构示意图;

图5为实施例1中沉浸式储能系统的示意图;

图6为实施例2中沉浸式储能系统的示意图;

图7为实施例3中沉浸式储能系统的示意图;

附图标记:1、储能箱,1a、电气系统舱,1b、电池舱,2、隔舱板,3、安全注水阀,4、维护排水阀,5、控制器,6、传感器单元,7、散热翅片,8、散热风扇,9、电池架,9a、电池堆,9b、电池单体,9c、电堆温度传感器,10、蓄水池,11、防水电缆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1:

一种沉浸式储能箱,外部结构如图3所示,储能箱1的防水等级至少为IP68,且沉浸在水中,通过防水电缆11与外部电力设备连接。如图1和图2所示,储能箱1的内部包括由隔舱板2隔开的多个舱室,隔舱板2上设有用于线路穿引的线路通道,舱室包括电气系统舱1a和至少1个电池舱1b,各个舱室内均安装有安全注水阀3和维护排水阀4,储能箱1的内部还设有控制器5,控制器5分别与安全注水阀3和维护排水阀4连接。

本实施例中,线路通道为设于隔舱板2顶部的通孔,在其他实施方式中,线路通道也可以为隔舱板2的顶部与储能箱1的顶部之间的间隙。

安全注水阀3和维护排水阀4安装于储能箱1的箱壁上,安全注水阀3的安装位置低于线路通道的位置,维护排水阀4安装于储能箱1的箱壁的底部。

各个舱室内均安装有与控制器5连接的传感器单元6和摄像头,传感器单元6包括烟雾传感器和VOC传感器,如果有电池单体9b发生热失控,会产生大量有机气体和烟雾,被烟雾传感器和VOC传感器检测到,摄像头将视频信息传输至控制器5,管理人员可以对储能箱1内部持续监控。

储能箱1的箱壁上设有散热翅片7和至少1个箱壁温度传感器,各个舱室内均安装有散热风扇8,箱壁温度传感器和散热风扇8分别与控制器5连接。散热翅片7可以增大储能箱1内部的表面积,使得空气的对流换热效率更高,从而提升散热效果,散热风扇8开启后可以使散热效果更好。为避免异常点造成误判,在储能箱1的箱壁上设有多个箱壁温度传感器,且设置在不同位置。

控制器5设于电气系统舱1a内,电气系统舱1a内还设有与控制器5连接的报警系统和热管理系统。

如图4所示,电池舱1b内设有电池架9,电池架9上放置有多个电堆9a,电堆9a包括多个相互连接的电池单体9b,各个电堆9a的底部均设有电堆温度传感器9c,电堆温度传感器9c与控制器5连接。

如果电堆温度传感器9c的检测数据高于预设置的安全阈值,则控制器5控制报警系统报警,管理人员根据报警信息决定是否开启该舱室的安全注水阀3;如果传感器单元6检测到VOC有机气体或烟雾,则控制器5控制报警系统报警,并自动打开该舱室的安全注水阀3,水注入该舱室,工作人员后续处理时,打开维护排水阀4,排出该舱室的水并回收其中的电池。

为防止水注入其他舱室,隔舱板2与储能箱1的箱体紧密连接,线路通道为设于隔舱板2顶部的通孔,或者为隔舱板2的顶部与储能箱1的顶部之间的间隙,线路通道的位置高于安全注水阀3的位置,当舱室内的水位到达安全注水阀3的位置时,关闭安全注水阀3,停止注水,以防水通过线路通道进入其他舱室。

箱壁温度传感器实时检测箱壁的温度,控制器5获取箱壁温度传感器的数据,并通过热管理系统调控箱体内的温度,如启动散热风扇8等,保证箱体内的电池在其最佳运行温度范围内运行。

一种沉浸式储能系统,包括蓄水池10、水循环系统、总控制器和至少1个储能箱1,蓄水池10通过水循环系统与水源连通;总控制器分别与水循环系统和各个储能箱1的控制器5连接;储能箱1沉浸在蓄水池10内并通过防水电缆11与分别电网和发电站连接。水循环系统包括进水管道、出水管道和水泵。储能箱1之间通过防水电缆11相互连接。

总控制器连接水循环系统和各个储能箱1的控制器5,根据各个储能箱1的控制器5传输的储能箱1的内部状态信息,控制水循环系统,同时,也可以通过总控制器向各个储能箱发送控制命令。

本实施例以水电站流域为应用场景,如图5所示。

多个储能箱1均设于蓄水池10内,储能箱1的防水等级为IP68,能满足在3~5米深水下不渗水漏水的要求,多个储能箱1之间通过防水电缆11相互连接,并通过防水电缆11分别与电网和发电站连接,实现储能箱1的储能和放能。

储能箱1内部包括1个电气系统舱1a和多个电池舱1b。电气系统舱1a内设有控制器5,还有常用的BMS(电池管理系统)、PCS(功率分配系统)和配电箱等电气系统,保证储能箱1正常工作,控制器5连接有报警系统和热管理系统,可以通过报警系统向管理人员发出报警信息,通过热管理系统维持储能箱1内的温度,保证储能箱1正常工作。

电池舱1b内设有电池架9,电池架9上放置有多个电堆9a,电堆9a是由许多电池单体9b相互连接构成的,在各个电堆9a的底部安装有电堆温度传感器9c,电堆温度传感器9c为热电偶,电堆温度传感器9c将检测数据传输至控制器5,如果检测数据超过预设置的安全阈值,则报警系统发出报警信息。本实施例中,如果某个电堆温度传感器9c的检测数据高于100℃,则控制器5控制报警系统发出报警信息,管理人员决定是否打开安全注水阀3。

本实施例中,储能箱1的尺寸为12192mm*2438mm*2591mm,储能1000kWh,电池单体9b的尺寸为27mm*148mm*103mm,电池单体9b的电量为192Wh,共可放置5181节电池单体9b。

蓄水池10通过水循环系统与水源连接。本实施例中,蓄水池10通过进水管道、出水管道与河流连接,通过水泵抽水,使得蓄水池10内的水温与河流水温一致。如图5所示,也可以根据地形特点,设计蓄水池10和水循环系统,使得水流由高到低恰好可以由进水管道流进并从出水管道流出,节省能源。

本实施例中,储能箱1内设有锂电池系统,锂电池最佳运行温度10℃~50℃,储能箱1沉浸在蓄水池10内,其箱体与箱壁温度与蓄水池10内的水温一致,配合热管理系统,水温一般保持在10℃~30℃之间,锂电池系统可以安全的运行,相比于现有技术中的冷却系统,热管理效果更好,成本更低,一定程度上提高了经济效益。

储能箱1沉浸在蓄水池10内,蓄水池10与水域连接,储能箱1的温度受所处水域温度的影响,水域温度又受纬度分布和季节的影响,在不同的水域温度下,热管理系统会随着水域温度的改变而改变热管理策略。热管理系统与总控制器配合,对温度的调控方式如下:

1)水域温度较低时(1~15℃),热管理策略为依靠箱内空气和箱壁面的对流换热调节箱内的温度,当水体温度过低(零下)时,可以将蓄水池10内的水排干,这样可以避免水体结冰对箱体结构的破坏。

2)水域温度正常时(15~30℃),热管理策略为依靠箱内空气和箱壁面的自然对流换热调节箱内的温度,由于水体温度较低,可以有效维持箱内总体温度水平,能够满足储能电站的不同工况运行下的温升。当水体温度逐渐升高后,可以通过总控制器打开蓄水池10的水循环系统,使用水域内的冷水替换蓄水池10内温度较高的水。

3)水域温度较高时(30~40℃),热管理策略为启动储能箱1内的散热风扇8吹动箱体内的空气,加快箱壁面和电池系统表面的换热,形成强制对流,进一步缩小电池系统和箱壁面的温差。同时,总控制器通过水循环系统将河流中较下层水温较低的水体抽至蓄水池10中,从而维持蓄水池10内的水处于较低温度。

在储能箱1的箱壁上设有散热翅片7,可以增大储能箱1内部的表面积,使得空气的对流换热效率更高,从而提升散热效果。储能箱1的箱壁上设有至少1个箱壁温度传感器,实时检测箱壁的温度并将其作为蓄水池10内的水温,控制器5获取箱壁温度传感器传输的数据,通过热管理系统执行不同的热管理策略,保证储能箱1内的温度在锂电池系统最佳运行温度区间。为避免因箱壁温度传感器故障导致热管理系统进行温度调控,在箱壁上设有多个箱壁温度传感器,去除检测数据中的异常值,其余检测数据取平均后作为箱壁温度值。

本实施例中,夏季温度较高,河流表层水温达38℃,储能电站内电池正常运行产热功率约为6815W/m

Q=h*A*(t

式中,Q为产热功率,h为对流换热系数,A为换热表面积,t

冬季气温较低,将蓄水池10内的水全部排出以防结冰,此时沉浸式储能系统与普通的储能系统没有区别,如果所在地区较温暖,蓄水池10内水体不会出现结冰的现象,则不需要排出蓄水池10内的水。

各个舱室都安装有传感器单元6、安全注水阀3和维护排水阀4,各个电堆9a底部安装有电堆温度传感器9c。

如果某个电堆温度传感器9c的检测数据高于100℃,如105℃,则报警系统发出报警信息,并将该电堆9a所在舱室的传感器单元6的检测信号和电堆温度传感器9c的检测信号发送给管理人员,管理人员观察后并未发现异样,没有打开安全注水阀3,继续观察该舱室;一段时间后,该电堆传感器9c的检测数据升至200℃,同时,传感器单元6检测到VOC气体和烟雾,控制器5自动断开该舱室的电路连接并打开了该舱室的安全注水阀3,水注入该舱室,实现了灭火。当该舱室内的水位升至安全注水阀3所在位置时,关闭安全注水阀3,停止注水,防止该舱室内的水通过线路通过流入其他舱室。后续维修人员处理时,可以通过维护排水阀4排空舱室内的水,再对其中的电池进行回收。

通过上述操作,可以在发生火灾时,将对应的舱室注水灭火,同时不影响其他舱室,不会使得整个储能箱的电池泡水,可以最大限度降低事故的损失。

实施例2:

本实施例以近海海洋为应用场景,如图6所示。蓄水池10通过水循环系统连通海水。

海水的温度比淡水更均匀,沉浸式储能系统可以布置在近海海岸或者远海风电场附近。表1给出了为我国渤海、黄海、东海浅表海温与季节变化情况。

表1渤海、黄海、东海浅表海温与季节变化情况

可以看出,海水基本不存在结冰的现象,所以沉浸式储能系统放在海洋中可以满足电池的使用温度,冬季和春季的时候温度偏低的海水会导致储能箱1的总储电量有所下降,0~10℃范围内锂电池容量约为常温下的95%,影响并不大,所以在季节处于冬季和春季的时候,为保证沉浸式储能系统的安全性可以选择将蓄水池10始终装满海水。

本实施例其余内容同实施例1。

实施例3:

本实施例以陆上风电场及光伏发电场为应用场景,如图7所示。蓄水池10通过水循环系统连通自来水或者地下水。

由于沉浸式储能系统离不开水资源,所以可以在陆上风电场及光伏发电场附近利用自来水或地下水为蓄水池10供水,相应的,自来水的水温为20~23℃,5~10米深的地下水的水温常年维持15~17℃。在气侯相对温和的地区,蓄水池10内的水温也不会太高,所以水温的维护成本并不高。

本实施例其余内容同实施例1。

在其他实施方式中,沉浸式储能系统也可以与其他发电站相配合,提供成本低、安全性高、经济效益高的储能系统。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

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