Системы и способы для хранения электролита и обнаружения неисправностей в проточных батареях

Авторы патента:

ГОТТЛИБ, Петер (US)

БАТТ, Шазад (US)

ФАЛЬЧИНЕЛЛИ, Майкл (US)

МОДДЕРНО, Джеффри (US)

H01M8/18 - регенерируемые топливные элементы

Владельцы патента RU 2747794:

Ларго Клин Энерджи Корп. (US)

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к системе проточной батареи, которая имеет по меньшей мере один блок элементов и по меньшей мере пару контейнеров для хранения или баков, присоединенных к этому по меньшей мере одному блоку элементов. Каждый из контейнеров для хранения образован из жесткого (например, металлического) кожуха и включает облицовку, прикрепленную непосредственно к внутренним стенкам жесткого кожуха и образующую ограждение, выполненное с возможностью удерживать жидкий электролит в виде анолита или католита. В собранной конфигурации металлический кожух контейнера для хранения обеспечивает вторичную оболочку, в то время как присоединенная непосредственно к нему облицовка обеспечивает первичную оболочку. Система проточной батареи включает в себя систему обнаружения неисправностей, выполненную с возможностью обнаружения наличия неисправности или утечки, а также определения местоположения такой утечки в системе проточной батареи, например, контейнере для хранения или конкретном участке контейнера для хранения. Повышение надежности и энергоемкости системы проточных батарей является техническим результатом изобретения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 10 ил.

[0001] Данная заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке США № 62/436,388, озаглавленной ʺСистемы и способы для хранения электролита и обнаружения неисправностей в проточных батареяхʺ и поданной 19 декабря 2016 г. Эта заявка также испрашивает приоритет по предварительной заявке США № 62/436,365, поданной 19 декабря 2016 г. и озаглавленной ʺКрупномасштабные системы проточных батарейʺ, и предварительной заявке США № 62/436,347, поданной 19 декабря 2016 г. и озаглавленной ʺМодульная и масштабируемая система проточных батарейʺ. Каждая из этих заявок во всей полноте включена в настоящую заявку путем ссылки на нее.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Предложены контейнер для хранения электролита в проточной батарее системы выработки электроэнергии, а также способы и системы для обнаружения неисправностей в проточной батарее.

Предпосылки изобретения

[0003] Типичная система проточных батарей включает в себя блок проточной батареи, резервуар анолита и резервуар католита. Между резервуаром анолита и блоком проточной батареи осуществляется циркуляция раствора анолита. Между резервуаром католита и блоком проточной батареи осуществляется циркуляция раствора католита.

[0004] Проточные батареи, также известные как проточные окислительно-восстановительные (редокс) батареи, преобразуют электрическую энергию в химическую энергию, которая может храниться и позднее высвобождаться, когда имеется спрос. Типичная система проточной батареи выполнена с возможностью накопления и разрядки электроэнергии. Такая система проточной батареи, например, может преобразовывать вырабатываемую источником питания электрическую энергию в химическую энергию, которая хранится в паре растворов анолита и католита. Система проточной батареи может позднее преобразовать накопленную химическую энергию в электрическую энергию, которая может быть передана и использована вне системы проточной батареи.

[0005] Проточные батареи могут использоваться в подключенных к сети системах хранения энергии и/или во внесетевых системах хранения энергии. Например, проточные батареи могут поддерживать национальную сеть в часы пиковых нагрузок. В некоторых применениях проточные батареи могут быть использованы для поддержания систем возобновляемой энергии, таких как ветроустановка или солнечная установка. При любом конкретном применении, в основном, проточные батареи обладают потенциалом по обеспечению устойчивого и надежного производства электроэнергии.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Предложены различные способы и устройства, которые включают в себя систему проточных батарей с контейнером для хранения, который включает в себя облицовочный элемент, непосредственно наформованный на внутренность контейнера. Система проточной батареи, имеющая контейнеры для хранения с удерживающими электролит облицовочными элементами, включает в себя систему обнаружения неисправностей, выполненную с возможностью точного выявления местоположения утечки в системе проточной батареи.

[0007] В некоторых аспектах предложена система проточной батареи, которая включает в себя по меньшей мере один блок элементов и по меньшей мере пару контейнеров для хранения, присоединенных к упомянутому по меньшей мере одному блоку элементов. Каждый из контейнеров для хранения имеет жесткий кожух и облицовочный элемент, непосредственно присоединенный к по меньшей мере участку внутренних стенок жесткого кожуха и образующий ограждение, выполненное с возможностью удержания жидкого электролита. Система проточной батареи также включает в себя систему обнаружения неисправностей, выполненную с возможностью обнаружения неисправности в по меньшей мере одном из контейнеров для хранения.

[0008] Система проточной батареи может меняться различными путями. Например, система обнаружения неисправностей дополнительно может быть выполнена с возможностью определения местоположения обнаруженной неисправности. В качестве другого примера, неисправность может быть в виде по меньшей мере одной утечки жидкого электролита сквозь облицовочный элемент. Электролит может быть анолитом или католитом.

[0009] Жесткий кожух может быть выполнен из металла. Металлом может быть сталь, такая как нержавеющая сталь или углеродистая сталь. Металлом также может быть алюминий или другой подходящий металл. Система проточной батареи может быть или может включать в себя ванадиевую проточную редокс-батарею.

[0010] В некоторых вариантах выполнения облицовочный элемент может быть ротационно наформован на внутренние стенки жесткого кожуха. Облицовочный элемент может быть выполнен из по меньшей мере одного материала, выбранного из полиэтилена высокой плотности, полиэтилена средней плотности, полиэтилена низкой плотности, полипропилена, эпоксида, винилового сложного эфира и стекла.

[0011] В некоторых вариантах выполнения система обнаружения неисправностей включает в себя множество датчиков, расположенных в выбранных местоположениях в проточной батарее, по меньшей мере один источник сигнала, выполненный с возможностью передачи множества измерительных сигналов в диапазоне частот через систему проточной батареи, по меньшей мере один детектор, выполненный с возможностью приема по меньшей мере одного обратного сигнала, принимаемого в ответ на передачу множества измерительных сигналов, и по меньшей мере один процессор. Упомянутый по меньшей мере один процессор выполнен с возможностью анализа обратного сигнала, принятого упомянутым по меньшей мере одним детектором, для определения того, указывает ли обратный сигнал, что обнаружена утечка в системе проточной батареи, создания значений расстояния, указывающих расстояние до утечки от каждого из множества датчиков, когда обнаружена утечка, и определения местоположения утечки в системе проточной батареи на основании значений расстояния.

[0012] Система обнаружения неисправностей может меняться любыми различными путями. Например, каждый из датчиков может образовывать емкостную связь между датчиком и всем электролитом в проточной батарее. В качестве другого примера, множество измерительных сигналов включают радиочастотные сигналы. В качестве дополнительного примера, упомянутый по меньшей мере один обратный сигнал, принятый детектором, включает в себя комплексный импеданс. Комплексный импеданс содержит активную составляющую как действительную часть и реактивную составляющую как мнимую часть. В некоторых вариантах выполнения пик или провал реактивной составляющей указывает на утечку.

[0013] В некоторых вариантах выполнения детектор и процессор включены в состав одного и того же устройства. В некоторых вариантах выполнения процессор выполнен с возможностью выдачи предупреждения, указывающего на появление утечки в определяемом местоположении. Предупреждение может указывать на необходимость обслуживания проточной батареи для ремонта утечки.

[0014] В других аспектах предложен способ эксплуатации системы проточной батареи, который включает в себя этапы: побуждают по меньшей мере один источник сигналов передавать множество измерительных сигналов в частотном диапазоне через систему проточной батареи, содержащую множество датчиков, расположенных в выбранных местоположениях в проточной батарее, принимают по меньшей мере один обратный сигнал, создаваемый в ответ на передачу множества измерительных сигналов, анализируют обратный сигнал для определения того, указывает ли обратный сигнал, что обнаружена утечка в системе проточной батареи, определяют значения расстояний, указывающие расстояние между утечкой и каждым из датчиков, когда обнаружена утечка, и определяют местоположение утечки в системе проточной батареи на основании значений расстояния.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0015] Настоящее описание будет более полно понято из последующего подробного описания, взятого в совокупности с прилагаемыми чертежами, на которых:

[0016] Фиг. 1A - схематичная диаграмма, показывающая вариант выполнения системы проточной батареи;

[0017] Фиг. 1B - схематическая диаграмма, показывающая вариант выполнения электрохимического элемента блока элементов проточной батареи с Фиг. 1A;

[0018] Фиг. 2A - вид сверху в разрезе варианта выполнения модульной системы проточной батареи, включающей в себя контейнер блока батареи в гидравлическом сообщении со множеством контейнеров электролита;

[0019] Фиг. 2B - вид сбоку с частичным разрезом модульной системы проточной батареи с фиг. 2A;

[0020] Фиг. 3A - вид в перспективе с частичным разрезом контейнера для хранения электролита с присоединенным к нему облицовочным элементом в соответствии с описанными методами;

[0021] Фиг. 3B - другой вид в перспективе с частичным разрезом контейнера для хранения электролита с фиг. 3A, также показывающий пример соединения между контейнером для хранения электролита и блоком батареи в соответствии с описанными методами;

[0022] Фиг. 4A - схематическая диаграмма, показывающая часть системы проточной батареи, имеющей датчики для системы обнаружения неисправностей;

[0023] Фиг. 4B - схематическая диаграмма, показывающая пример датчика из датчиков с фиг. 4A;

[0024] Фиг. 5 - схематическая диаграмма, показывающая часть системы проточной батареи, имеющей систему обнаружения неисправностей; и

[0025] Фиг. 6 - блок-схема, показывающая процесс эксплуатации системы проточной батареи в соответствии с описанными методами.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0026] Для обеспечения общего понимания принципов конструкции, действия, изготовления и применения раскрытых здесь устройств и способов теперь будут описаны определенные примерные варианты выполнения изобретения. Один или более примеров таких вариантов выполнения показаны на прилагаемых чертежах. Специалист в данной области техники поймет, что устройства и способы, в явном виде описанные здесь и показанные на прилагаемых чертежах, являются неограничивающими примерными вариантами выполнения и что объем настоящего изобретения определяется только формулой изобретения. Признаки, показанные или описанные в связи с одним примерным вариантом выполнения, могут быть скомбинированы с признаками других вариантов выполнения. Такие модификации и вариации подразумеваются включенными в объем настоящего изобретения.

[0027] Кроме того, в настоящем раскрытии одинаково названные компоненты вариантов выполнения в целом имеют одинаковые признаки, а значит, в каждом конкретном варианте выполнения каждый признак каждого одинаково названного компонента не обязательно детально проработан. Дополнительно, в той степени, в которой в описании раскрытых систем, устройств и способов используются линейные или круговые размеры, такие размеры не предназначены ограничивать типы форм, которые могут быть использованы в связи с такими системами, устройствами и способами. Специалист в данной области техники поймет, что эквивалент таким линейному и круговому размерам может быть легко определен для любой геометрической формы. Размеры и формы систем и устройств и их компонентов могут зависеть от по меньшей мере строения объекта, в котором такие системы и устройства будут использоваться, размера и формы компонентов, с которыми такие системы и устройства будут использоваться, и способов и процедур, в которых такие системы и устройства будут использоваться.

[0028] В целом, предложены система и способы для использования облицованных баков, также называемых контейнерами для хранения, в системе проточной батареи для системы генерирования электроэнергии. Облицованные контейнеры для хранения выполнены с возможностью хранения жидкого электролита. Каждый из контейнеров для хранения выполнен из жесткого (например, металлического) наружного кожуха и облицовочного элемента или облицовки, присоединенных непосредственно к по меньшей мере участку внутренних стенок жесткого кожуха и образующих ограждение, выполненное с возможностью удержания жидкого электролита. Описанные методы включают электрическое изолирование электролита, расположенного внутри образованного облицовкой ограждения, от заземленного наружного металлического кожуха (бака). Система проточной батареи может иметь по меньшей мере один блок элементов и по меньшей мере пару контейнеров для хранения, присоединенных к этому по меньшей мере одному блоку элементов.

[0029] Электролитом может быть анолит или католит. В собранной конфигурации металлический кожух контейнера для хранения обеспечивает вторичную оболочку, в то время как прикрепленная непосредственно к нему облицовка обеспечивает первичную оболочку. Система проточной батареи включает в себя систему обнаружения неисправностей, выполненную с возможностью обнаружения неисправности или утечки и ее местоположения в системе проточной батареи, таком как контейнер для хранения или конкретная часть контейнера для хранения. Когда в первичной оболочке появляется прорыв, система обнаружения неисправностей может обнаружить этот прорыв до нарушения целостности вторичной оболочки, предотвращая утечку в окружающую среду.

[0030] Проточная батарея включает в себя контейнер блоков и определенное число контейнеров для хранения электролита. Контейнер блоков включает в себя блоки элементов и насосы электролита, а также вспомогательные трубопроводы, клапаны и электронные компоненты управления. В некоторых вариантах выполнения «строительный блок» для проточной батареи включает в себя контейнер блоков и пару контейнеров для хранения электролита, причем каждая пара включает в себя контейнер для хранения анолита и контейнер для хранения католита.

[0031] В некоторых вариантах выполнения каждый контейнер для хранения, выполненный с возможностью удерживания электролита, включает в себя металлический кожух и облицовку (также называемую здесь ʺоблицовочным элементомʺ). Облицовочный элемент неразрывно прикреплен к внутренности металлического кожуха. Металлический кожух (например, стальной кожух) действует как ʺвторичная оболочкаʺ, используемая для сбора электролита, если возникает проблема (например, утечка) в облицовочном элементе. Вторичную оболочку нужно связать с системами и способами, которые способны обнаружить наличие неисправности в первичной оболочке (облицовочном элементе), так что вторичная оболочка обеспечивает защиту против потенциальных разливов электролита. Без такого обнаружения коррозионно-активный электролит может со временем проникнуть через вторичную оболочку, и электролит мог бы вытечь без оповещения. Таким образом, описанные методы предусматривают путь обнаружения того, что облицовочный элемент стал поврежденным. В частности, методы позволяют определить, какой именно контейнер для хранения из множественных контейнеров для хранения имеет утечку. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения может быть выявлено конкретное местоположение утечки в контейнере для хранения.

[0032] Типичная проточная батарея включает в себя проточный редокс-элемент, который имеет отрицательный электрод и положительный электрод, разделенные слоем электролита, который может включать в себя сепаратор, такой как ионообменная мембрана. Отрицательный электролит (иногда называемый анолитом) подается к отрицательному электроду, а положительный электролит (иногда называемый католитом) подается к положительному электроду для осуществления электрохимически обратимых окислительно-восстановительных реакций. Сепаратор предотвращает смешивание электролитов, но позволяет выбранным ионам проходить сквозь него для совершения этих окислительно-восстановительных реакций.

[0033] Фиг. 1 схематически показывает вариант выполнения системы 10 проточной редокс-батареи. Система 10 проточной батареи включает в себя первый бак 12 для хранения электролита, второй бак 14 для хранения электролита, первый замкнутый контур 16 электролита, второй замкнутый контур 18 электролита, первый регулятор 19 расхода, второй регулятор 21 расхода, один или более элементов 20 проточной батареи, расположенных в блоке 22, преобразователь 25 энергии, контроллер 23 (не показан), подвод 27 энергии и отвод 29 энергии. Каждый из первого и второго баков 12, 14 для хранения электролита приспособлен для удержания и хранения одного из пары растворов электролита. Примеры подходящих пар растворов электролитов включают ванадий и растворы ванадия, растворы брома и полисульфида, растворы ванадия и бромида, растворы на основе органических молекул металлов и т.д. Описанные системы применимы к проточным батареям любых химических составов и не ограничены проточной батареей с раствором ванадиевого электролита.

[0034] При эксплуатации жидкие электролиты, содержащие редокс-активные вещества, циркулируют через элементы 20 блока, преобразуя химическую энергию в электрическую энергию для выработки электроэнергии. Специалисту в данной области техники будет понятно, что окислительно-восстановительные реакции являются обратимыми, с преобразованием электрической энергии в химическую энергию для хранения энергии. Например, каждый из первого и второго замкнутых контуров 16 и 18 электролита имеет трубопровод 24, 26 источника и трубопровод 28, 30 возврата соответственно. Каждый из первого и второго регуляторов 19 и 21 расхода приспособлен для выборочного регулирования расхода одного из растворов электролита через соответствующий один из замкнутых контуров 16, 18 электролита в ответ на управляющие сигналы с контроллера. Каждый регулятор 19, 21 расхода может содержать единственное устройство, такое как насос с переменной скоростью или клапан с электронным приводом, или множество таких устройств, в зависимости от конкретных требований к конструкции системы проточной батареи. Однако варианты выполнения настоящего изобретения не ограничиваются каким-либо конкретным видом регулятора расхода. Например, в патенте США № 8884578 с датой подачи 07 февраля 2011 г. описаны другие подробности, относящиеся к системе проточных редокс-батарей, содержание которого полностью включено в настоящее описание путем ссылки.

[0035] Фиг. 1B представляет вариант выполнения характерного элемента 20 батареи блока 22, показывая характерные окислительно-восстановительные реакции, преобразующие химическую энергию жидких электролитов в электрическую энергию. В этом примере элемент 20 батареи включает в себя пористый отрицательный электрод (анод), пористый положительный электрод (катод) и сепаратор или мембрану между ними. Пористый отрицательный электрод – анод находится в гидравлическом сообщении с жидким электролитом из бака 12 (называемым анолитом), а пористый положительный электрод находится в гидравлическом сообщении с жидким электролитом из бака 14 (называемым католитом). Положительный и отрицательный электроды дополнительно находятся в электрической связи с внешней цепью.

[0036] В этих примерах на фиг. 1A и 1B элемент 20 является ванадий - ванадиевой (полностью ванадиевой) проточной редокс-батареей. Однако следует понимать, что батарея может работать, используя любой другой электролит, включая, например, органический неванадиевый электролит.

[0037] Жидким электролитом для ванадиевых проточных редокс-батарей может быть сульфат ванадия, растворенный в растворе серной кислоты. Обычные концентрации сульфата ванадия и серной кислоты могут составлять 1-2 M и 4-5 M соответственно. Уравнения 1 и 2 показывают окислительно-восстановительные пары для полностью ванадиевой системы, причем частицы-наблюдатели (SO₄) не показаны:

Анолит (-): V⁺² ↔ V⁺³ + e^-, U° = -0,25 В (1)

Католит (+): VO⁺² + 2H⁺ e^- ↔ VO₂⁺ H₂O, U° = 1,00 В (2)

[0038] Обе реакции в отрицательном и положительном полуэлементах протекают на поверхности электродов из бумаги на основе углерода, которые в данном примере разделены протонообменной мембраной на основе PFSA (перфторированной сульфоновой кислоты). Мембрана позволяет протонам переносить заряд между элементами, минимизируя переход сквозь нее ванадия. В блоке 22 элементы 20 электрически соединены последовательно с помощью графитовых биполярных пластин, которые также содержат каналы течения для переноса объемного электролита к и от каждого элемента. К элементам 20 электролит подается параллельно по общему коллектору, встроенному в блок элементов. Следует понимать, что протонообменная мембрана на основе PFSA показана только в качестве примера, так как может быть использована мембрана любого другого типа, включая подходящую нефторированную мембрану.

[0039] В показанном примере имеются три режима, в которых может работать проточная редокс-батарея 10: зарядка, разрядка и обслуживание электролита. Во время операций зарядки (и разрядки) энергия подается (или извлекается) из электролита с помощью прокачки реактивов из баков 12, 14 для хранения к блоку 20 элементов в достаточных количествах для соответствия электрохимии.

[0040] При обслуживании электролита в батарее на основе ванадия реверсируются эффекты перехода ванадия через мембрану элемента. В целом, установлено, что концентрация ванадия в католите увеличивается со временем (т.е. с числом циклов). Результирующий перенос воды сквозь мембрану также отвечает за изменения в концентрации ванадия, причем оба влияют на общий объем электролита в каждом баке. Без такого обслуживания энергоемкость и эффективность могут уменьшаться при циклировании. Осадок ванадия также является проблемой со стороны католита, если допустить слишком высокую концентрацию ванадия и слишком высокую температуру (например, 2 M, > 40°C).

[0041] В некоторых вариантах выполнения используется полностью ванадиевая проточная редокс-батарея, которая имеет ванадий и в анолите, и в католите. Однако описанные методы могут быть реализованы для других типов батарей. Например, как было упомянуто выше, может быть использован неванадиевый электролит или любой другой тип электролита.

[0042] Фиг. 2A и 2B показывают пример модульной системы 200 проточных батарей, в которой могут быть воплощены некоторые варианты выполнения. Модульная система проточных батарей включает в себя первые контейнеры 202 бака, вторые контейнеры 204 бака и контейнеры 206 блока. Первые и вторые контейнеры 202, 204 бака могут быть, например, контейнерами бака для хранения анолита и католита. Модульная конструкция использует преимущество способности проточных батарей отделять мощность (обеспечиваемую блоком) от энергии (обеспечиваемой электролитом). Мощность определяется числом блоков элементов, тогда как емкость хранения энергии (энергоемкость) определяется тем, насколько много имеется электролита для использования блоками элементов. Система предусматривает блоки элементов и хранилище электролита, которые просты в транспортировке, хранении и развертывании. В результате, модульная система проточных батарей обеспечивает большую емкость хранения энергии, которая может быть масштабирована несложным и недорогим образом.

[0043] Как показано на Фиг. 2A и 2B, система 200 проточных батарей включает в себя множество контейнеров 206 блока (или блоков) батареи, выполненных с возможностью размещения в гидравлическом сообщении с хранилищем анолита и хранилищем католита. Множество блоков 206 батареи может быть заключено в корпус с любыми необходимыми насосами электролита, вспомогательными трубопроводами, клапанами и электроникой управления. Вспомогательные трубопроводы выполнены с возможностью обеспечения подсоединения разного числа пар хранилищ анолита и католита ко множеству блоков батареи. Как показано, каждый из контейнеров бака, выполненных с возможностью содержания электролита, включает в себя трубу подачи и трубу возврата. Таким образом, как показано на фиг. 2A, контейнер 204a, показанный как характерный образец контейнеров 204 бака и выполненный с возможностью хранения католита, включает в себя трубу 208 подачи и трубу 210 возврата. Фиг. 2B показывает трубу 210 возврата контейнера 204а бака вторых контейнеров 205 бака и трубу 208а подачи противоположного контейнера 202а бака, показанного как характерный образец первых контейнеров 202 бака. Следует понимать, что труба 208а подачи контейнера 202а бака и труба 210 возврата контейнера 204а бака показаны как характерные труб любых контейнеров бака описанной модульной системы проточных батарей, в которой каждый из контейнеров бака включает в себя аналогичные трубу подачи и трубу возврата (как показано на фиг. 2A).

[0044] Когда система 200 проточных батарей находится в эксплуатации, каждая труба погружена в жидкий электролит, и жидкий электролит протекает к и от каждого из контейнеров блока батареи по трубам подачи и возврата соответственно. Трубы подачи, проходящие в каждый из контейнеров бака, соединены с главным коллектором подачи электролита, а трубы возврата, проходящие в каждый из контейнеров бака, соединены с главным коллектором возврата электролита. Главные коллекторы подачи и возврата образуют сеть трубопроводов жидкости.

[0045] Каждый блок батареи выполнен с возможностью соединения с сетью трубопроводов жидкости для обеспечения течения через них анолита и католита. Таким образом, каждый блок батареи выполнен с возможностью подсоединения к потокам подачи и возврата анолита и католита. Что касается подачи, то электролит входит в контейнер блока батареи по множеству соединений труб подачи, каждая из которых соединена с главным коллектором подачи электролита. Главный коллектор подачи электролита достаточно велик, чтобы поток в и из коллектора был приблизительно сбалансированным. Подача электролита внутри главного коллектора подачи электролита направлена к насосам подачи электролита (например, с расходом 200-400 галлонов/минуту) и подается по коллекторам к соответствующим блокам батареи. Возвратный электролит протекает в обратном направлении, через отдельные участки возврата сети трубопроводов жидкости для каждого электролита, от блоков батареи к другому комплекту трубопроводов возврата, насосам возврата, главному коллектору возврата электролита и распределяется по соединениям возврата в контейнеры электролита.

[0046] В описанных вариантах выполнения могут быть использованы коллекторы, которые можно назвать ʺшунтирующими коллекторамиʺ, которые выполнены с возможностью подавления чрезмерных потерь из-за токов утечки между ячейками элементов батареи. Контейнер блоков батареи вмещает шунтирующие коллекторы, которые выполнены с возможностью снижения связанных с токами утечки потерь до приемлемых уровней. Каждый из шунтирующих коллекторов служит для того, чтобы включать подачу анолита к соответствующему блоку батареи, подачу католита к соответствующему блоку батареи, возврат анолита от соответствующего блока батареи и возврат католита от соответствующего блока батареи.

[0047] Каждый из множества блоков батареи, хранилища анолита и хранилища католита предусмотрены в соответствующих контейнерах, которые могут иметь форм-фактор, удовлетворяющий размерам по стандартам ISO для грузовых контейнеров. Например, множество блоков батареи может быть помещено внутри 40-футовых грузовых контейнеров с размерами по стандарту ISO, тогда как первое и второе хранилища электролита могут быть независимо помещены внутри 20-футовых грузовых контейнеров с размерами по стандарту ISO. Однако дополнительно или альтернативно могут быть использованы любые габариты грузовых контейнеров с размерами стандарту ISO или разработанные по заказу контейнеры. Блок батареи также называется контейнерами блока батареи. Хранилища католита и анолита могут быть названы контейнерами для хранения анолита и контейнерами для хранения католита соответственно.

[0048] Размер контейнеров для хранения обеспечивает возможность изменения мощности и емкости хранения энергии системы, что может быть преимуществом в контексте крупномасштабных развертываний. В другом аспекте стандартные размеры каждого из контейнеров блока батареи и соответствующих контейнеров для хранения электролита облегчают транспортировку от производителя до монтажной площадки кораблем, железной дорогой и грузовиком, а также хранение и развертывание на монтажной площадке, используя существующую инфраструктуру.

[0049] В дополнительном аспекте контейнеры блока батареи и соответствующие контейнеры для хранения электролита выполнены с возможностью работы в штабелированной в вертикальном направлении конфигурации. Например, стандарт ISO на контейнеры конструктивно подходит для по меньшей мере двойного штабелирования каждого из контейнеров блока батареи и соответствующих контейнеров для хранения электролита, включая сейсмические и ветровые нагрузки. Более того, поскольку каждый контейнер для хранения электролита выполнен с одним и тем же форм-фактором, система вспомогательных трубопроводов одного контейнера блока батареи может быть выполнена с возможностью соединения со множественными парами контейнеров для хранения электролита. Как показано на фиг. 2A и 2B, по меньшей мере два слоя контейнеров блока батареи и соответствующих контейнеров для хранения электролита могут быть штабелированы таким образом и электрически соединены проводами последовательно. В частности, в показанном варианте выполнения система 200 проточных батарей включает в себя пять пар контейнеров для хранения электролита в каждом из двух слоев, так что система включает в себя двадцать контейнеров для хранения электролита. Однако следует понимать, что такая конфигурация системы проточных батарей показана лишь в качестве примера.

[0050] Трубы подачи и возврата позволяют жидкости сообщаться между блоками батареи и хранилищем анолита и католита. Как показано на фиг. 2B, система 200 включает в себя трубные соединения 212а, 212а, которые обеспечивают гидравлическое сообщение анолита и католита между контейнером блока батареи и контейнером электролита. Как показано, трубное соединение 212а находится между трубой 208а подачи и элементами контейнера 206 блока батареи, а трубное соединение 212b находится между трубой 210 возврата и элементами контейнера 206 блока батареи.

[0051] В описанных вариантах выполнения трубные соединения выполнены с возможностью подсоединения любой трубы возврата или трубы подачи содержащего католит контейнера электролита или содержащего анолит контейнера электролита. Фланец трубы проходит через соответствующие боковые стенки бака и вмещающего электролит контейнера. На обращенной внутрь стороне (стороне бака) фланец трубы прикреплен к наконечнику трубы возврата (например, сваркой). На обращенной наружу стороне фланец трубы присоединен к втулке оболочки (например, двустенной конструкции), которая проходит наружу из корпуса контейнера электролита и охватывает трубные соединения между контейнером блока батареи и контейнером электролита. Каждый из фланца трубы и втулки оболочки могут быть выполнены из материала, способного выдерживать химическое воздействие жидкого электролита (например, полиэтилена высокой плотности, HDPE).

[0052] В одном варианте выполнения система проточной батареи включает в себя по меньшей мере один контейнер блоков батареи и по меньшей мере одну пару контейнеров для хранения электролита (контейнер для хранения анолита и контейнер для хранения католита). Однако, в соответствии с описанными методами в системе проточной батареи может быть использовано любое подходящее число пар контейнеров для хранения электролита.

[0053] Различные компоненты системы проточной батареи могут быть воплощены в соответствии с описанием предварительной заявки на патент США № 62/436,347, озаглавленной ʺМодульная и масштабируемая система проточных батарейʺ и поданной 19 декабря 2016 г., все содержание которой включено в настоящее описание путем ссылки. Более того, в некоторых вариантах выполнения различные компоненты системы проточной батареи, включая блок элементов батареи, могут быть воплощены в соответствии с одним или более из следующих: патент США № 9774044, озаглавленный ʺБлок проточной батареи со встроенным теплообменникомʺ, дата подачи 21 сентября 2011 г., публикация заявки на патент США № 2013/0029196, озаглавленная ʺЭлементы проточной батареи, расположенные между входным коллектором и выходным коллекторомʺ и поданная 29 июля 2011 г., патент США № 9166243, озаглавленный ʺПроточная батарея со встречным полем теченияʺ, дата подачи 18 декабря 2009 г., публикация заявки на патент США № 2015/0263358, озаглавленная ʺПроточная батарея со смешанным течениемʺ и поданная 20 декабря 2011 г., и патент США № 8884578, озаглавленный ʺСпособ и система для эксплуатации системы проточной батареи на основании стоимости энергииʺ, дата подачи 07 февраля 2011 г., все содержание каждого из которых включено в настоящее описание путем ссылки.

[0054] Система проточной батареи в соответствии с описанными методами может использовать различные типы контейнеров для хранения, выполненных с возможностью хранить электролит. В некоторых вариантах выполнения контейнер для хранения может включать в себя облицовочный элемент, прикрепленный к внутренности жесткого кожуха, образующего контейнер.

[0055] Фиг. 3A показывает один вариант выполнения бака или контейнера 300 для хранения электролита в соответствии с описанными методами. Контейнер 300 для хранения может быть использован в системе проточной батареи, показанной на фиг. 2A и 2B, или в любой другой системе проточной батареи в соответствии с описанными методами. Как показано на фиг. 3A, контейнер 300 для хранения, показанный в разрезе, включает в себя жесткий корпус или кожух 302 и облицовочный элемент или облицовку 304. Контейнер 300 для хранения также включает в себя крышку 306, которая может иметь любые подходящие признаки, такие как, например, люки и т.д. Кожух 302, который может быть стандартным грузовым контейнером или сделанным на заказ грузовым контейнером, включает в себя основание и боковые стенки, причем основание в некоторых вариантах выполнения является усиленным основанием. Кожух 302 является жидконепроницаемым для обеспечения вторичной оболочки для жидкого электролита в случае выхода электролита из контейнера для хранения. Например, в одном варианте выполнения кожух может поддерживать манометрическое давление от примерно минус 1 фунта на квадратный дюйм (psig) до примерно плюс 1 psig.

[0056] В показанных вариантах выполнения кожух 302 выполнен в виде металлического кожуха, который может быть образован из нержавеющей стали, алюминия, углеродистой стали или любого(ых) другого(их) подходящего(их) материала(ов). Желательно, чтобы металлический кожух имел низкую скорость коррозии. Например, в варианте выполнения, в котором он выполнена из нержавеющей стали, припуск на коррозию может составлять примерно 30 милов (тысячных дюйма), что может обеспечить расчетные 304 дня защиты.

[0057] Облицовочный элемент 304 присоединен непосредственно к внутренним стенкам кожуха 302, как схематично показано на фиг. 3B. Присоединенный к кожуху 302 облицовочный элемент 304 образует ограждение, выполненное с возможностью удержания жидкого электролита, такого как католит или анолит. Таким образом, присоединенный к кожуху 302 облицовочный элемент 304, став неотъемлемой частью контейнера 300 для хранения, обеспечивает первичную оболочку, а стенки кожуха 302 контейнера 300 для хранения обеспечивают вторичную оболочку.

[0058] Кожух 302 может быть в виде конструктивного каркаса, который поддерживает и обеспечивает транспортировку кожуха через океан, по дороге или рельсам. Контейнер 300 для хранения может быть в целом прямоугольным, хотя он может быть и квадратным, цилиндрическим, овальным, сферическим или трапецеидальным. Как упоминалось выше, металлический кожух 302 выполнен с возможностью обеспечения вторичной дублирующей оболочки, а поэтому может содержать утечки электролита, если облицовочный элемент 304 прорван. Если в облицовочном элементе 304 появился прорыв, система обнаружения в соответствии с описанными методами может обнаружить такой прорыв и выдать предупреждение, передаваемое на подходящий компонент (что может быть сделано дистанционно).

[0059] Контейнер 300 для хранения может иметь любые другие подходящие компоненты. Например, как показано на фиг. 3A, контейнер 300 для хранения имеет на одной своей стороне втулку 314 подачи, соединенную с трубопроводом или трубой 308 подачи (показана частично), и втулку 316 возврата, соединенную с трубопроводом или трубой 310 возврата. Труба 308 подачи выполнена с возможностью доставки электролита из контейнера 300 для хранения к блоку батареи, в то время как труба 310 возврата выполнена с возможностью доставки электролита от блока батареи к контейнеру 300 для хранения. Втулки 314, 316 подачи и возврата выполнены с возможностью охвата трубных соединений между контейнером блока батареи и контейнером 300 для хранения. Облицовочный элемент 304 может иметь образованные на нем отверстия для обеспечения доступа к трубам 308, 310 подачи и возврата, и эти отверстия могут быть выполнены в облицовочном элементе 304 после прикрепления облицовочного элемента к внутренним стенкам кожуха 302. Втулки 314, 316 подачи и возврата могут быть установлены поставщиком бака до отгрузки контейнера для хранения, подлежащего поставке на монтажную площадку, или в любое иное время.

[0060] Как показано на фиг. 3A, контейнер 300 для хранения включает в себя опоры 315 трубы возврата, выполненные с возможностью обеспечения механической опоры для трубы 310 возврата при транспортировке контейнера для хранения. Опоры 315 трубы возврата могут также поддерживать трубу 313 возврата в системе проточной батареи, в которой может быть использован контейнер 300 для хранения. Хотя на фиг. 3A это и не показано, контейнер 300 для хранения также включает в себя опоры трубы подачи, которые обеспечивают механическую опору для трубы подачи при транспортировке.

[0061] Контейнер 300 для хранения может быть сконструирован для эксплуатации либо при повышенном давлении, либо без повышенного давления (вентилируемый). При использовании уровень электролита в контейнере 300 для хранения может быть отслежен с помощью одного или более датчиков. Например, когда он собран и находится в системе проточной батареи, контейнер 300 для хранения может включать в себя датчик 318 уровня в баке, как показано на фиг. 3A. Датчик 318 уровня в баке, который может быть датчиком проводимости или любого другого подходящего типа, может быть установлен под углом, чтобы обеспечить возможность доступа для сервиса, даже когда хранилище штабелировано сверху контейнера 300 для хранения. Например, может быть использован датчик уровня в баке, описанный в предварительной заявке на патент США № 62/436,347.

[0062] Фиг. 3B показывает один вариант реализации трубных соединений, которые обеспечивают гидравлическое сообщение анолита и католита между контейнером блока батареи (не показан) и контейнером электролита, таким как контейнер 300 для хранения на фиг. 3A. Вид, показанный на фиг. 3B, взят в разрезе по линии 319 на фиг. 3A. Как показано на фиг. 3B, фланец 320 трубы проходит между боковой стенкой 305 контейнера 300 для хранения и втулкой 322 оболочки, соединенной с сетью трубопроводов жидкости в контейнере блока батареи. На обращенной внутрь стороне (стороне контейнера для хранения) фланец 320 трубы прикреплен к наконечнику трубы 308 подачи (например, сварным швом 325). На обращенной наружу стороне фланец 320 трубы прикреплен к втулке 322 оболочки (например, двустенной конструкции), которая проходит наружу из контейнера 300 для хранения и охватывает трубные соединения между контейнером блока батареи и контейнером 300 для хранения. Каждый из фланца 320 трубы и втулки 322 оболочки может быть выполнен из материала, способного выдерживать химическое воздействие жидкого электролита, например, из полиэтилена высокой плотности (HDPE) или другого(их) подходящего(их) материала(ов).

[0063] Следует понимать, что трубные соединения для трубы 308 подачи показаны на фиг. 3B лишь в качестве примера. Кроме того следует понимать, что описанное существо применимо к трубным соединениям, которые соединяют либо трубу возврата, либо трубу подачи католитсодержащего контейнера или анолитсодержащего контейнера.

[0064] Как упомянуто выше, втулка 322 оболочки может быть соединена с сетью трубопроводов жидкости корпуса блока батареи на фланце сети трубопроводов. Могут быть использованы любые подходящие элементы соединения. Например, в показанном варианте выполнения вокруг трубы 308 подачи внутри контейнера 300 для хранения может быть помещено кольцо 324 с болтами. Соответствующие болты кольца с болтами могут проходить через стенку контейнера для хранения, фланец 320 трубы и втулку 322 оболочки. Дополнительные болты могут соединять фланец сети трубопроводов с втулкой оболочки. Соответствующие уплотнения (например, прокладки) могут быть введены между кольцом с болтами и стенкой контейнера для хранения, между стенкой контейнера для хранения и фланцем трубы и между фланцем трубы и фланцем сети трубопроводов для подавления утечки электролита. Таким образом, как показано на фиг. 3B, кольцевое уплотнение 326 также может быть размещено радиально между фланцем 320 трубы и кольцом 324 с болтами. В одном варианте выполнения фланец трубы может иметь диаметр приблизительно четыре дюйма. Таким образом, обеспечивается зазор для установки и обслуживания трубного соединения от контейнера блока батареи, обеспечивая близкое размещение контейнера блока батареи и контейнеров электролита (например, менее 1 фута).

[0065] На стороне блока батареи втулка 322 оболочки может быть помещена внутрь плавающей панели корпуса блока батареи и окружена уплотнением (например, прокладкой). Наконечник трубопровода жидкости сети трубопроводов жидкости может проходить через плавающую панель и соединен с фланцем сети трубопроводов (например, швом, полученным сваркой оплавлением). Сеть трубопроводов жидкости может дополнительно включать в себя множество снимающих механическое напряжение деталей, таких как соединения с ʺколеномʺ. Например, соединения с коленом делают возможными температурное расширение и производственные допуски. Дополнительные подробности реализации соединения между контейнером для хранения электролита и блоком батареи, а также пример реализации блока батареи описаны в уже упомянутой предварительной заявке на патент США № 62/436,347.

[0066] Контейнер 300 для хранения может включать в себя различные другие компоненты, которые облегчают его использование в проточной батарее. Например, контейнер 300 для хранения может иметь компоненты для внешнего подсоединения(й) газа для регулирования давления в контейнере. Контейнер 300 для хранения может использовать фитинги с фланцем с двойным уплотнением для снижения или исключения утечек. Кроме того, контейнер для хранения включает в себя компоненты для соединений двустенной трубы, как обсуждается более подробно далее. Контейнер 300 для хранения может иметь любые другие подходящие компоненты, которые здесь не показаны. Например, контейнер 300 для хранения может включать в себя компоненты, раскрытые в предварительной заявке на патент США № 62/436,347.

[0067] Контейнер 300 для хранения может иметь любые подходящие размеры. Например, в одном варианте выполнения он имеет длину примерно 20 футов, глубину или ширину примерно 8,5 футов и высоту примерно 9,5 футов. Используемое здесь слово ʺпримерноʺ означает плюс или минус 10% от численного значения того числа, с которым оно используется. Такие размеры позволяют транспортировать контейнер в США, используя стандарты транспортировки со стандартными шасси и без разрешения на превышение размеров. Например, контейнер для хранения может быть автономным или разработанным на заказ 20-футовым стальным грузовым контейнером с размерами по стандарту ISO с ротационно наформованной полиэтиленовой облицовкой, неразъемно присоединенной к стали. Следует понимать, что описанные методы не ограничены одним конкретным размером контейнера для хранения электролита, и контейнер может иметь любые другие размеры. В альтернативных вариантах выполнения размеры контейнера для хранения электролита могут меняться на основании изменений в промышленности и/или национальных стандартов на транспортировку контейнеров.

[0068] Облицовочный элемент 304, неразъемно присоединенной к внутренности кожуха 302 с образованием контейнера для хранения, может иметь любые подходящие размеры. Например, в по меньшей мере некоторых вариантах выполнения облицовочный элемент 304 имеет толщину примерно 0,250 дюйма, что обеспечивает достаточную изоляцию напряжения, требуемую между электролитом и заземленным кожухом 302. Однако следует понимать, что облицовочный элемент 304 может иметь любую другую подходящую толщину.

[0069] Облицовочный элемент 304 может быть выполнен из любого материала, стойкого к воздействию жидким электролитом. Например, в некоторых вариантах выполнения облицовочный элемент 304 может быть выполнен из полиэтилена, например, полиэтилена низкой плотности, полиэтилена средней плотности, полиэтилена высокой плотности, полипропилена, эпоксида, винилового сложного эфира, стекла и т.д., или комбинации любых из вышеприведенных материалов. В качестве примера, в некоторых вариантах выполнения более крупные контейнеры для хранения могут быть облицованы полиэтиленом средней плотности из-за определенных производственных соображений.

[0070] Облицовочный элемент 304 может быть прикреплен к кожуху 302 с использованием множества различных методов. Например, могут быть использованы методы ротационного формования, причем формой является сам кожух 302 (например, выполненный из стали, алюминия или другого металла). Перед прикреплением облицовки к баку или кожуху 302 кожух может быть очищен, например, для удаления окислов. Ротационное формование может включать размягчение пластика (например, полиэтилена или любого другого материала, используемого для формования облицовки) в большой печи внутри стального кожуха и поворачивание кожуха вдоль множества осей до тех пор, пока расплавленный пластик не покроет всю внутренность кожуха до требуемой толщины. В некоторых случаях этот процесс может занять примерно 60 минут. Затем бак с прикрепленной к нему облицовкой нужно будет охладить, что в одном варианте выполнения может занять примерно 24 часа. Таким образом, полиэтилен становится неразъемно прикрепленным к стальному кожуху. Прикрепление облицовки 304 к кожуху 302 основано на должной подготовке поверхности, к которой облицовка 304 должна быть прикреплена, а в некоторых вариантах выполнения – присадках к материалу облицовки.

[0071] Соединение между облицовочным элементом 304 и кожухом 302 контейнера 300 для хранения электролита может иметь такую прочность, что различия в тепловом расширении или деформации материала (например, сталь или другой материал) кожуха 302 не вызовет расслоения. Облицовочный элемент 304 является стойким к химическим воздействиям. После того, как облицовка прикреплена, ее внутренняя поверхность может быть испытана, чтобы подтвердить, что в прикрепленном материале отсутствуют прорехи.

[0072] Следует понимать, что облицовочный элемент 304 может быть присоединен непосредственно к кожуху 302, дополнительно или альтернативно используя другие подходящие технологии. Например, в некоторых вариантах выполнения поверхность внутренних стенок кожуха может быть обработана (например, используя распыление или другой подходящий метод) соответствующим полимером или стеклом. Таким образом, в некоторых вариантах выполнения облицовочный элемент 304 может быть выполнен из стекла, так что внутренность кожуха 302 облицована стеклом. В ходе процесса облицовывания кожуха стеклянной облицовкой, в одном варианте выполнения, сначала может быть приготовлен желательный материал (например, эмаль). Кожух также должен быть адекватно приготовлен для создания кожуха заданной конфигурации. Также в некоторых вариантах реализации снаружи готового кожуха не должны быть приварены никакие компоненты. Соответственно, меры по обеспечению прикрепления внешних деталей (например, трубных соединений) предпринимают перед облицовкой кожуха стеклом.

[0073] После того, как кожух сделан подходящим для покрытия стеклом, на внутренность кожуха наносят стекло. Например, в одном варианте выполнения на внутренность кожуха наносят первое покрытие из стекла (грунтовое покрытие или ʺслипʺ). Грунтовое покрытие может быть приготовлено с помощью эмульгаторов для обеспечения сцепляемости с материалом (например, сталью или другим материалом) кожуха. Грунтовое покрытие может не иметь коррозионной стойкости.

[0074] После того как на подготовленный кожух нанесено (например, напылено) грунтовое покрытие (например, в виде стеклянной суспензии), ей дают высохнуть. Затем кожух транспортируют в электрическую печь, где его подвергают воздействию определенной температуры в течение заданного отрезка времени, чтобы вызвать неразъемную адгезию стекла к внутренности кожуха. Затем таким способом облицованный стеклом кожух может быть передан в систему управляемого охлаждения, где кожух подвергается воздействию более низкой температуры, что помогает уменьшить внутреннее напряжение в стекле. Кроме того, поверх грунтовочного стеклопокрытия можно нанести дополнительные стеклопокрытия, используя аналогичную последовательность операций, такую как нанесение покрытия, сушка, подвод к нему тепла и его охлаждение. Подвод тепла выполняют при более низкой температуре, чем использованная при нанесении грунтового стеклопокрытия, для того, чтобы предотвратить проступание грунтового покрытия. Между покрытиями могут осуществляться искровой контроль качества и проверки толщины для гарантии качества законченной облицовки. Процедура повторяется до тех пор, пока не будет достигнута желательная толщина стеклянной облицовки. Например, в некоторых вариантах выполнения эта толщина может быть от приблизительно 1 мм до приблизительно 2 мм.

[0075] Описанные методы использования облицовочного элемента 304 дают ряд преимуществ. Например, производственные расходы могут быть снижены. Также, поскольку облицовка прикреплена непосредственно к металлическому кожуху (а значит, между ними нет зазора), используется бóльшая доля объема кожуха. Например, в некоторых вариантах реализации использование облицовки может обеспечить выигрыш в объеме хранения примерно 11%. Таким образом, может быть создан более эффективно использующий пространство контейнер для хранения. В то же время стоимость перевозки может быть такой же, как и у контейнеров для хранения для использования с иной облицовкой (например, без формования на внутренности контейнера). К тому же, применение облицовки позволяет повысить срок службы проточной батареи и улучшает электроизоляционные свойства системы.

[0076] Контейнер для хранения может быть отгружен в то место, где должна быть собрана проточная батарея, после того, как на нем отформована облицовка. Таким образом, в некоторых вариантах выполнения определенное количество электролита может быть помещено в контейнер для хранения, и контейнер может быть отгружен с электролитом.

[0077] Электролит, удерживаемый в контейнере для хранения описанной здесь системы проточной батареи, имеет высокую коррозионную активность. Поскольку контейнер для хранения включает в себя прикрепленную к его внутренности облицовку (а значит, между облицовкой и внутренностью нет никаких пустот), облицовка обеспечивает первичную оболочку для электролита, в то время как сам контейнер (или его кожух) обеспечивает вторичную оболочку. Требование состоит в том, чтобы вторичная оболочка удерживала электролит, если первичная оболочка повреждена. Таким образом, требуется обнаруживать прорыв в облицовке сразу после того, как он вступит в контакт с металлом внутри контейнера, но до того как контейнер будет разъеден.

[0078] Своевременное обнаружение и исправление неисправности в проточной батарее необходимы по ряду причин, таких как правильная работа системы, которая зависит от проточной батареи, соображения стоимости и времени, а также забота об окружающей среде. Традиционно, может потребоваться временами откачивать электролит из множественных баков, чтобы локализовать обнаруженную утечку. Откачивание каждого бака является сложной и затратной по времени процедурой (да и хранение временно откаченного электролита может быть сложным) и может быть не выполнено вовремя для предотвращения негативных последствий от утечки. Таким образом, утечки в проточной батарее нужно обнаруживать своевременно и аккуратно.

[0079] Электролит, хранящийся в контейнере для хранения, является электропроводным. Таким образом, имеется электропроводный путь от блоков системы ко всему электролиту. Шина постоянного тока системы хранения энергии эксплуатируется «плавающей» относительно земли. Таким образом, стандартное устройство обнаружения замыкания на землю может быть способно обнаружить, что в системе проточной батареи имеется утечка. Однако определение того, в каком из баков произошла эта утечка, может быть затруднительно. Также, когда, со временем, вода в электролите абсорбируется в облицовку бака, обычные методы обнаружения утечки по замыканию на землю могут стать неспособными обнаружить разницу между этой большой площадью электрической утечки и утечкой с высокой удельной электропроводностью в системе.

[0080] Соответственно, описанные методы позволяют не только точно обнаружить появление прорыва (такого как утечка) в проточной батарее, но и могут также указать, в каком баке (или облицованном контейнере для хранения) системы произошла утечка. Более того, может быть выявлена именно та конкретная зона конкретного контейнера для хранения, в которой произошла утечка. Система обнаружения замыкания (которое также можно назвать ʺобнаружением замыкания на землюʺ) в соответствии с описанными методами может быть в виде единой системы обнаружения, используемой для всей проточной батареи. Таким образом, может быть использован эффективный и экономически выгодный подход к выявлению точного местоположения неисправности, указывающей на утечку в системе. Затем могут быть предприняты соответствующие меры для починки утечки. Выявление точного места утечки может привести к более экономически выгодному пути решения проблемы с утечкой. Например, обнаруженная на дне бака утечка может быть рассмотрена как требующая более экстренного внимания по сравнению с утечкой, которая случилась ближе к верхней части бака.

[0081] Обнаружение неисправности согласно описанным методам основывается на том, что электролит в контейнере для хранения имеет комплексный импеданс, который строго зависит от расстояния. Для определения расстояния до утечки может быть использована скорость распространения электрических волн через электролит. В описанной системе проточной батареи металлические контейнеры для хранения (или баки) заземлены. Электрическое сопротивление от электролита на землю позволяет использовать два и более датчика для идентификации местоположения утечки. Описанные методы позволяют выявить местоположение утечки, даже если со временем вода электролита абсорбируется в облицовку бака. Таким образом, в описанных методах утечка электролита принимается за проводящий путь на землю, который может быть обнаружен даже в присутствии общей проводимости воды, абсорбированной в материал (например, полиэтилен) облицовки.

[0082] Обнаружение неисправности в соответствии с описанными методами осуществляется с использованием двух или более сенсорных компонентов или датчиков, установленных в выбранных местоположениях в проточной батарее, таких как вдоль коллектора блока элементов с одной или обеих сторон контейнера блока батареи, или в одном или более контейнеров для хранения электролита. Два или более датчика могут быть помещены в любых подходящих местоположениях в проточной батарее, где радиочастотный (РЧ) сигнал может достигнуть электролита. В описанных методах утечка электролита считается проводящим путем на землю. Датчики используют для создания конденсаторов, имеющих емкостную связь с электролитом, давая соединение измерительной РЧ электроники с электролитом. Система обнаружения неисправностей также включает в себя один или более источников РЧ сигналов, которые передают РЧ сигналы. Введенные в электролит РЧ сигналы испытывают комплексное реактивное сопротивление, связанное с физической конфигурацией системы и отсутствием или наличием точечного замыкания с высокой проводимостью на землю, вызванного прорывом (утечкой) в баке с первичной оболочкой. Каждый РЧ источник, который может быть источником высокочастотных изменяющихся сигналов, выполнен с возможностью передачи задающего воздействие или измерительного сигнала на множестве частот, например, шага или развертки на множестве частот. Измерительный сигнал может быть в виде незатухающей волны (CW), или же он может быть ступенчатым сигналом или РЧ сигналом качающейся частоты, так что источник РЧ сигнала шагает или осуществляет качание по множеству частот. Детектор (который может быть частью тех же устройства или системы, которые включают в себя РЧ источник) выполнен с возможностью приема обратного сигнала в ответ на измерительный сигнал. Подходящий процессор способен различить изменения в импедансе на датчике, указывая на наличие аномалии, которая может быть вызвана утечкой, обнаруженной датчиком.

[0083] Детектор выполнен с возможностью поиска аномалии в виде максимальной или минимальной точки импеданса. Если имеется утечка, реактивное сопротивление или импеданс на датчике будет меняться. Поскольку частоты измерительного сигнала известны, то известно, на какой частоте обнаружено увеличение или уменьшение (например, пик) импеданса. Скорость распространения электрической волны по электролиту также известна, а значит, можно определить, на каком расстоянии от каждого датчика обнаружена утечка. Иначе говоря, каждый датчик используют для того, чтобы определить, на каком расстоянии от этого датчика имеется утечка. Затем подходящий процессор может быть использован для того, чтобы определить, исходя из информации, полученной при использовании всех датчиков, каждый из которых ʺвоспринялʺ утечку на определенном расстоянии от него, конкретное местоположение одной или более утечек. Процессор может передать предупреждения, указывающие на то, что произошла утечка, соответствующему объекту (например, сервисному объекту).

[0084] Фиг. 4A показывает пример проточной батареи 400, включающей в себя контейнеры или баки 402 для хранения анолита и контейнеры или баки 404 для хранения католита. Эти баки 402, 404 анолита и католита, которые включают в себя соответствующие баки 402a-402e и 440a-404e, могут быть облицованными баками, выполненными так, как описывалось ранее. Каждый из баков 402, 404 соединен с блоками элементов батареи, которые для ясности не показаны подробно на фиг. 4A, а схематично показаны только трубы 406, 408 (например, коллекторы, которые могут включать множественные трубы), присоединенные к бакам 402, 404 соответственно. Система 400 показана лишь в качестве примера включающей в себя пять баков 402а-402е анолита и пять баков 404а-404е католита. Однако следует понимать, что в соответствии с описанными методами в системе проточной батареи может быть использовано любое число баков.

[0085] Проточная батарея 400, частично показанная на фиг. 4A, имеет систему обнаружения неисправностей, включающую в себя четыре датчика A1, A2, C1, C2, причем другие компоненты системы обнаружения неисправностей не показаны. Датчики A1, A2 помещены на трубе 406 со стороны баков 402 анолита, а датчики C1, C2 помещены на трубе 408 со стороны баков 404 католита. В этом примере датчики расположены в определенных местоположениях на трубах системы (например, пластиковых трубах), хотя они могут быть расположены в других местоположениях, например, в любом из баков. Например, один или более датчиков может быть помещен в бак. Датчики могут быть расположены таким образом, что все из них расположены на разных расстояниях от баков, и местоположения датчиков предварительно заданы. Иначе говоря, расстояние между каждым датчиком и каждым баком отличается от такого расстояния для всех других датчиков. Число датчиков и их местоположения могут быть выбраны на основании конфигурации системы проточной батареи, например, числа и размера(ов) контейнеров для хранения, конфигурации системы труб и т.д. Например, трех датчиков может быть достаточно для выявления конкретного местоположения неисправности или прорыва, используя триангуляцию. Также могут быть использованы другие факторы, такие как характеристики конкретной системы, использующей проточную батарею, факторы окружающей среды и т.д.

[0086] Датчики A1, A2, C1, C2 могут иметь любые различные конфигурации. В некоторых вариантах выполнения датчик включает в себя конденсатор, который может быть выполнен в любом подходящем виде. Например, фиг. 4B показывает пример датчика 420, имеющего емкостный элемент 422, расположенный поверх участка трубы 424 (например, трубы коллектора батареи). Труба 424 может иметь диаметр, например, от примерно 8 дюймов до примерно 12 дюймов, хотя описанные методы не ограничены каким-либо конкретным размером трубы. Емкостной элемент 422 может быть выполнен многими различными путями. Например, в показанном примере он может быть в виде прямоугольного элемента, выполненного из медной фольги или другого(их) проводящего(их) материала(ов). Прямоугольный элемент может быть самоклеящимся, так что его можно установить на трубу, используя его клеящуюся сторону. В качестве другого варианта, может быть использован отдельный адгезив или другая деталь крепления для неразъемного или разъемного размещения емкостного элемента 422 на трубе 424. Размер емкостного элемента 422 может зависеть от толщины стенки трубы 424; в некоторых вариантах выполнения этот размер может составлять от примерно 50 квадратных дюймов до примерно 150 квадратных дюймов. Однако емкостной элемент 422 может иметь другую толщину, поскольку варианты выполнения не ограничены в этом отношении.

[0087] Как уже упоминалось, существует проводящий путь от блоков элементов проточной батареи ко всему электролиту. Емкостной элемент 422 и электролит являются электрическими проводниками, которые разделены диэлектриком. Емкостной элемент 422 в совокупности с электролитом и диэлектриком образуют емкостную связь между емкостным элементом 422 и трубой 424, на которой образован емкостной элемент 422. Таким образом, каждый датчик (например, датчики A1, A2, C1, C2 с фиг. 4A) фактически создает соединительную точку, и, в некоторых вариантах выполнения, в каждой соединительной точке может быть определен комплексный импеданс, как показано далее.

[0088] Каждый датчик (местоположение которого известно) используют для определения расстояния между этим датчиком и неисправностью в системе проточной батареи. На фиг. 4A датчики A1, A2, C1, C2 могут обеспечить избыточность и улучшенную точность, а также способность различать потенциально неопределенные местоположения утечек. Это уменьшает потенциальное снижение разрешения обнаружения неисправности с расстоянием из-за утечки сопротивления через стенки бака на землю. Например, как показано на фиг. 4A, имеется утечка L1 в баке 404b (ʺбак 2ʺ), которая (утечка) близка к главной трубе 408, и утечка L2 в баке 404c (ʺбак 3ʺ), которая (утечка) дальше от главной трубы 408. Утечки L1 и L2 могут быть на одинаковом расстоянии от датчика С2. Описанная система обнаружения неисправностей способна различить утечки L1 и L2 и, таким образом, выявить их соответствующие местоположения.

[0089] Фиг. 5 показывает более подробный пример системы 500 проточной батареи, имеющей систему 501 обнаружения неисправностей в соответствии с описанными методами. В этом примере лишь в качестве примера показаны пять баков 502a, 502b, 502c, 502d, 502e, которые могут быть баками анолита или католита. Следует понимать, что для простоты не показаны другие баки (например, католита и анолита). В этом примере система обнаружения неисправностей включает в себя первый и второй датчики 504, 506, расположенные в определенных местоположениях на блоках элементов. Например, как показано, датчики могут быть помещены на противоположных сторонах коллектора 508. Как показано на фиг. 4B, каждый из первого и второго датчиков 504, 506 может быть в виде конденсатора, выполненного любым подходящим образом, хотя датчики могут иметь другие конфигурации. Каждый датчик создает емкостную связь между компонентом проводника датчика и внутренним проводящим электролитом, причем пластиковая труба, на которой помещен проводник датчика, действует как диэлектрик. Таким образом, если имеет место утечка в баке, реактивный импеданс на датчике будет показывать характеристические пики или впадины на определенных частотах, напрямую связанных с расстоянием до утечки.

[0090] Как показано на фиг. 5, система обнаружения неисправностей также включает в себя по меньшей мере один РЧ источник, который в данном примере имеет вид двух РЧ источников 510, 512. Следует понимать, что описанные методы не ограничена РЧ сигналами, поскольку в дополнение или в качестве альтернативы могут быть использованы другие типы сигналов, и, соответственно, могут быть использованы и другие источники сигналов. Каждый из РЧ источников выполнен с возможностью передачи по меньшей мере одного измерительного сигнала на множестве частот. Частоты могут быть выбраны на основании свойства электролита и других факторов. Измерительный сигнал может быть усилен с использованием РЧ усилителя (например, высокочастотного РЧ усилителя), такого как РЧ усилитель 514 и РЧ усилитель 516. В примере, показанном на фиг. 5, процессоры (ʺЦПʺ) 520, 522 управляют соответственными РЧ источниками 510, 512. Однако как будет понятно специалисту в данной области техники, РЧ источниками можно управлять, используя любые другие устройства. В некоторых других вариантах выполнения РЧ источники могут иметь присущий источнику импеданс и реактивную схему совпадений для совмещения с характеристиками системы, которая может включать в себя метод ʺсопряженного соответствияʺ. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения может быть использован генератор импульсов ʺбыстрого перепадаʺ, и в таком случае может быть использована технология обработки цифровых сигналов (DSP). Как альтернативный вариант, может быть использован любой другой подходящий генератор импульсов.

[0091] Как показано на фиг. 5, в показанном варианте воплощения система обнаружения неисправностей может включать в себя направленную мостовую схему (например, РЧ соединитель) в виде направленного моста 524 и направленного моста 526, которые могут быть одинакового или разных типов. Измерительный сигнал каждого РЧ источника проходит по соответствующему направленному мосту к датчикам. Таким образом, измерительный сигнал, передаваемый РЧ источником 510, усиливается усилителем 514 и проходит по направленному мосту 524 к датчику 504. Аналогично, измерительный сигнал, передаваемый РЧ источником 512, усиливается усилителем 516 и проходит по направленному мосту 526 к датчику 506. Затем направленный мост используется для измерения амплитуды и фазы импеданса на основании обратного сигнала. Следует понимать, что система обнаружения неисправностей может в дополнение или в качестве альтернативы включать в себя любые другие компоненты. Например, в некоторых вариантах выполнения система обнаружения неисправностей может, как вариант, включать в себя схему моста Уитстона, схему моста Томсона (Кельвина), другие подходящие мостовые схемы или другой(ие) компонент(ы).

[0092] После того, как измерительный сигнал передан, отраженный сигнал в виде обратного сигнала обнаруживается детектором, таким как детекторы 530, 532, показанные на фиг. 5. Если имеет место утечка в системе проточной батареи, значение по меньшей мере одной характеристики обратного сигнала будет отличаться от ожидаемого значения этого свойства, которое предполагалось обнаружить, когда система не имеет утечки. Каждый из детекторов 530, 532 может быть подходящим устройством, имеющим компонент РЧ приемника и по меньшей мере один микропроцессор или процессор цифровых сигналов (DSP). В этом примере детектор может быть помещен на каждом конце коллектора. Таким образом, в этом примере система проточной батареи может иметь четыре детектора. Как уже отмечалось, другая половина системы проточной батареи, а значит, и другие два датчика и два детектора, не показаны на фиг. 5. Однако следует понимать, что в системе проточной батареи может быть использовано менее четырех детекторов. Например, в некоторых вариантах воплощения может быть использован один единственный детектор. В качестве другого примера, в иных вариантах воплощения (например, в большой системе) детектор может быть связан с каждым баком, или может быть использовано другое число детекторов.

[0093] Независимо от своей конкретной конфигурации и местоположения детектор (например, любой из детекторов 530, 532) определяет значение по меньшей мере одной характеристики обратного сигнала. Например, в показанных вариантах выполнения детектор определяет частоту, на которой имеется аномалия. Это совершается путем обработки обратного сигнала. В частности, детектор может вычислить комплексный импеданс в каждом местоположении датчика по обратному(ым) сигналу(ам). Если присутствует аномалия, детектором будет объявлена утечка, если вычисленный импеданс на разных частотах показывает характеристику ʺкороткозамкнутый шлейфʺ на конкретной частоте в диапазоне используемых частот. Затем, вычисленная длина волны преобразуется в расстояние с помощью известной скорости распространения фронта волны, чтобы указать на присутствие утечки, ее расстояние, и, возможно, будет запущено предупреждение о неисправности. Расстояние до обнаруженной утечки корректируется с учетом поправки на разные скорости распространения из-за геометрических характеристик системы проточной батареи. Таким образом, когда нет утечки, детектором не вычисляются никакие пики или впадины или прохождение реактивного импеданса через ноль. Изменение на определенной частоте (например, ¼ длины волны) ведет к увеличению (например, пику или провалу) реактивного сопротивления или реактивного импеданса, которые являются мнимой частью комплексного импеданса. Чтобы отобразить комплексный импеданс, могут быть использованы подходящие методы. Например, может быть использована диаграмма Вольперта-Смита, на которой сопротивление является действительной частью импеданса (по оси х), а реактивное сопротивление является мнимой частью импеданса (по оси у).

[0094] Таким образом, в примере, проиллюстрированном на фиг. 5, каждый из детекторов 530, 532 схематически показан выдающим соответствующий результат 540, 542 обработки обратного сигнала как комплексного числа с действительной и мнимой частями комплексного импеданса, который указывает активное сопротивление (действительную составляющую) и величину реактивного сопротивления (мнимую часть). Как уже указывалось, диаграмма Вольперта-Смита может быть использована для отображения и анализа комплексного импеданса. Результат передается на процессоры (ʺЦПʺ) 520, 522, выполненные с возможностью вычисления значения расстояния, указывающего расстояние утечки от каждого датчика. Скорость распространения электрической волны по электролиту известна и близка к скорости света, и снижается в баках, которые электрически похожи на линию передачи. Эта разница смоделирована и встроена в алгоритм графического процессора для более точного определения точки местоположения утечки. Таким образом, поскольку датчики могут быть расположены на разных расстояниях от баков, каждое изменение (например, пик или впадина) в импедансе может быть уникальным. Каждое значение расстояния может быть вычислено, поскольку известна частота, на которой обнаружено изменение импеданса.

[0095] В соответствии с описанными методами обнаружение замыкания на землю основано на том, что электролит в контейнере для хранения имеет низкий импеданс. Скорость распространения электрической волны по электролиту может быть использована для определения расстояния до утечки, используя поправку, упомянутую выше, для увеличенной точности.

[0096] Как показано на фиг. 5, значения расстояния могут быть поданы на вычислительное устройство 550, имеющее компьютерное оборудование 552, которое включает в себя по меньшей мере один процессор, который может вычислить местоположение каждой неисправности на основании значений расстояния. Вычислительное устройство 550 может быть любым подходящим вычислительным устройством. Запоминающее устройство 554 вычислительного устройства 550 может хранить в виде исполняемых компьютером инструкций системную модель 556 компонентов проточной батареи, включая факторы скорости распространения, соответствующие механической конфигурации компонентов системы проточной батареи. Системная модель 556 может включать в себя представления конфигурации системы проточной батареи и всех компонентов системы, включая контейнеры для хранения, трубопроводы, а также положение каждого датчика и каждого детектора системы обнаружения неисправностей. Модуль 558 обнаружения местоположения неисправности вычислительного устройства 550 выполнен с возможностью принимать, используя процессор(ы), информацию, переданную процессорами 520, 522, и выполнять процессором(ами) анализ информации. Информация включает в себя расстояние до утечки от каждого из датчиков. Обработка включает в себя получение доступа к системной модели 556, хранящейся к запоминающем устройстве вычислительного устройства 550, и на базе результатов обработки определение местоположения каждой утечки. Как схематически показано на фиг. 5, местоположения неисправностей могут быть обеспечены в виде выхода 560, который может быть подан соответствующему объекту (например, в виде предупреждений), такому как оператор услуг или любой другой объект, который может использовать такую информацию для решения проблемы с утечкой.

[0097] Вычислительное устройство 550 может быть расположено в любом подходящем местоположении. Например, оно может быть частью процессоров системы проточной батареи. Как вариант, оно может быть удаленным вычислительным устройством, расположенным в сервисном центре, технической установке или в любом другом местоположении.

[0098] Следует отметить, что компоненты системы 501 обнаружения неисправностей показаны на фиг. 5 отдельно только для примера. В частности, любой из РЧ источников и усилителей, детекторов, процессоров и т.д. может быть включен в состав одного или более различных устройств или систем. Например, процессоры 520, 522, выполненные с возможностью вычисления значений расстояния, и вычислительное устройство 550, определяющее местоположения неисправностей, показаны как отдельные компоненты только для примера, поскольку они могут быть включены в состав одного и того же вычислительных(ого) устройств(а). Например, одно и то же вычислительное устройство может вычислять значения расстояния и определять местоположение неисправности на основании значений расстояния. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения, детекторы 530, 532 могут также быть включены в состав одного и того же устройства (устройств), заключающего в себе процессоры 520, 522 и вычислительное устройство 550. Один или более из РЧ источников может также быть включен в состав одних и тех же устройства или системы, включающих в себя любые другие компоненты, показанные на фиг. 5.

[0099] В описанных вариантах выполнения каждый РЧ источник устройства, передающего другие типы стимулирующих или измерительных сигналов (например, подходящий генератор импульсов), выполнен с возможностью передачи сигналов по меньшей мере одной заданной частоты. В показанных вариантах выполнения РЧ источник может шагать или качаться по множеству частот, которые в некоторых вариантах воплощения могут быть в диапазоне от примерно 5 MГц до примерно 50 MГц, что может быть использовано для диапазона обнаружения от примерно 3 футов до примерно 30 футов. Частота может регулироваться на основании желательных диапазонов обнаружения. Число РЧ источников и их местоположения могут быть выбраны на основании характеристик системы, таких как, например, число и размеры контейнеров для хранения, желательные диапазоны обнаружения и т.д. Как вариант, широкополосные источники РЧ шумов могут быть использованы с методами DSP-обнаружения для вычисления аналогичных действительных и реактивных откликов системы. Кроме того, как уже упоминалось, в некоторых вариантах выполнения может быть использован генератор импульсов с ʺбыстрым перепадомʺ, и в этом случае может быть использована технология с процессором цифровых сигналов (DSP).

[00100] Фиг. 6 показывает вариант выполнения способа 600 эксплуатации системы обнаружения неисправностей в соответствии с описанными методами. Способ 600 может быть осуществлен с помощью двух или более компонентов системы обнаружения неисправностей, такой, например, как система 501 обнаружения неисправностей (фиг. 5). Способ 600 может начинаться с блока 602, например, когда система обнаружения неисправностей приведена в действие. Следует понимать, что система обнаружения неисправностей может работать непрерывно, когда работает проточная батарея. В блоке 604 может быть выбрана по меньшей мере одна частота для измерительного или стимулирующего сигнала для передачи с помощью детектора. По меньшей мере одна частота может быть частотным диапазоном. Частотный диапазон может быть выбран рядом различных способов. Информация о частотном диапазоне может быть получена с центрального компьютера (например, вычислительного устройства 550 на фиг. 5), или частотный диапазон может выбрать процессор, сообщающийся с каждым детектором или включенный в него (например, детекторы 530, 532 на фиг. 5). Значения из выбранного частотного диапазона могут быть отрегулированными значениями прежде использованного(ых) частотного(ых) диапазона(ов). Как только обнаружена аномалия (утечка), частотный диапазон может быть временно настроен на узкий диапазон для улучшения разрешения диапазона. Например, если обнаружена возможная утечка на 20 МГц, диапазон ступенчатого изменения частоты мог бы быть отрегулирован, чтобы покрывать от 19,5 до 20,5 MГц, что могло бы дать улучшенное разрешение благодаря меньшим шагам или более медленной скорости качания.

[00101] В блоке 606 может быть сгенерирован и передан подходящим источником сигнала измерительный сигнал, имеющий по меньшей мере одну выбранную частоту. Измерительный сигнал, например, может быть РЧ сигналом, переданным РЧ источником. В блоке 608 может быть принят обратный сигнал для упомянутой по меньшей мере одной выбранной частоты как результат передачи измерительного сигнала через разомкнутую цепь, созданную между источником сигнала и каждым из датчиков. В блоке 610 обратный сигнал анализируют. Например, на фиг. 5 для анализа обратного(ых) сигнала(ов) могут быть использованы детекторы 530, 532 и процессоры 520, 522. Как уже обсуждалось, когда в системе имеется утечка, свойства обратного сигнала меняются из-за изменения реактивного сопротивления или импеданса на датчиках. Поскольку частоты измерительного сигнала известны, то известно, на какой частоте обнаружено увеличение или уменьшение (например, пик) импеданса. В блоке 612 принятия решения на основании анализа обратного сигнала определяют, обнаружена ли в обратном сигнале аномалия, указывающая на утечку. Если определяют, что в обратном сигнале обнаружена аномалия, указывающая на утечку, то в блоке 614 может быть определено расстояние до утечки от каждого датчика. Например, со ссылкой на систему 501 обнаружения неисправностей (фиг. 5), процессоры 520, 522 могут определить значения расстояния и представить их в вычислительное устройство 550. Как уже упоминалось, в некоторых вариантах выполнения процессоры 520, 522 могут быть частью вычислительного устройства 550. Затем определяемые значения расстояния используются в блоке 616 для определения местоположения утечки. Затем способ 600 может быть закончен в блоке 618. Однако, как уже упоминалось, способ 600 может быть непрерывным процессом, так что после обнаружения утечки и определения ее конкретного местоположения в системе батарей, способ 600 может вернуться к блоку 604, как схематически показано (штрих-пунктирной линией) на фиг. 6.

[00102] Если анализ обратного сигнала не указал, что обнаружена утечка, то способ 600 может вернуться к блоку 604, где может быть выбрана частота. Следует понимать, что может быть использована одна и та же частота, чтобы снова передать измерительный сигнал в блоке 606. Также, в некоторых случаях, когда обнаружена точка, указывающая на возможную утечку, как обсуждается в примере, приведенном далее, измерительный сигнал на отрегулированной должным образом частоте может быть передан для осуществления дополнительной обработки, которая может быть использована для подтверждения наличия утечки в контейнере для хранения.

[00103] Как говорилось ранее, система обнаружения неисправностей может работать непрерывно. Один или более источников сигнала (например, РЧ источник) могут многократно осуществлять развертку по выбранному диапазону частот, в то время как детектор(ы) отслеживают обратный сигнал для индикации утечки. В некоторых вариантах выполнения диапазон РЧ частот может составлять от примерно 5 MГц до примерно 50 MГц, что может быть использовано для диапазона обнаружения от примерно 3 футов до примерно 30 футов. Частота может быть отрегулирована на основании желательного диапазона обнаружения. Диапазоны частот могут быть выбраны таким образом, что когда множественные источники сигнала (которые могут быть включены в одно (одни) и то(те) же устройство(а), которые содержат детектор(ы)) находятся в работе на одной и той же системе электролита, их развертки по одну или более диапазонам частот не мешают друг другу. Например, диапазоны частот могут быть выбраны случайно (в пределах определенного диапазона или нет), и могут быть усреднены, чтобы исключить взаимное влияние. Как другой вариант, частоты, на которых работают источники сигнала, могут быть синхронизированы и сдвинуты таким образом, что ширина полосы приемника каждого детектора делает сигналы других детекторов невидимыми друг другу, а следовательно, не влияющими друг на друга. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения использованы подходящие настраиваемые приемники, например, такие как фильтр с варакторной подстройкой или любой другой настраиваемый приемник.

[00104] В некоторых вариантах выполнения частота измерительного сигнала, передаваемого РЧ источником, является управляемым качанием между двумя значениями - ʺнизкойʺ и ʺвысокойʺ частотами. Низкая частота может быть выбрана на основании самой дальней точки в системе проточной батареи, которую нужно обнаруживать, и которая является четвертьволновой, исходя из скорости распространения. Для простоты полагая, что скорость распространения сигнала, испущенного РЧ источником, составляет 1,0, частота 5 MГц имела бы длину волны 60 метров, тогда как четверть длины волны составляла бы 15 метров или примерно 45 футов. Высокая частота определяет ближайшую точку неисправности, которая может быть обнаружена. Таким образом, для простоты полагая, что частота составляет 50 MГц, длина волны была бы 6 метров, и четверть длины волны была бы 1,5 метра или примерно 4,5 фута.

[00105] Система обнаружения неисправностей может анализировать обратный сигнал, например, в блоке 610 (фиг. 6), используя ряд различных методов. Информация, получаемая детектором (обратный сигнал), может быть чувствительной к фазе и амплитуде, такой как, например, параметр рассеяния. В некоторых вариантах выполнения информация может включать в себя параметр рассеяния S₁₁. Например, система (например, детектор или любой другой компонент) может отслеживать выходной сигнал моста обнаружения, выполненного с возможностью обнаружения S параметра S₁₁. Во время каждого прохода по диапазону частот процессор детектора может искать точку, в которой мнимый выходной сигнал от моста обнаружения проходит от положительного (индуктивного) к отрицательному (емкостному). Точка, в которой он пересекает ноль, является четвертьволновой для обнаруженной утечки. Когда такая точка обнаружена, проход может быть повторен с частотами, близкими к представляющей интерес частоте, для улучшения разрешения, и может быть осуществлен ряд проходов. В некоторых вариантах воплощения могут быть использованы усреднения для уменьшения шумов измерений.

[00106] В некоторых вариантах выполнения может быть использована система с двумя зондами, так что может быть использован параметр S₁₂ матрицы рассеяния. Обнаружение неисправностей может быть использовано для автоматического определения импеданса возбуждения, а также оптимальной частоты или диапазона частот для использования при возбуждении для наилучшей вероятности обнаружения. Математический анализ параметров рассеяния может быть использован для выявления сопротивления относительно земли, которое не сопоставимо с распределенной емкостью, присутствующей по всей поверхности контейнера для хранения. Математическое преобразование во временную область может помочь выявить расстояние от измерительного зонда до неисправности, и более чем один датчик может сделать возможной триангуляцию для определения местоположения такой неисправности.

[00107] Следует понимать, что неисправность в системе проточной батареи, использующей контейнеры для хранения с облицовками, как описано здесь, может быть обнаружена с использованием других приходных подходов. Например, в одном варианте выполнения может использоваться динамический рефлектометр (TDR) Tektronix, прибор, который посылает импульс с резко возрастающим временем в линию передачи и вычерчивает ответный сигнал. Если это «совершенная» линия передачи, то импульс по существу исчезает. Любые аномалии приводят к отражению обратно к прибору какой-то части энергии импульса. Если скорость распространения в линии передачи известна (что является обычным случаем, поскольку такая информация предоставлена производителем прибора), может оказаться возможным определить расстояние до аномалии (например, неисправности).

[00108] Следует понимать, что для обнаружения неисправности и выявления ее местоположения в системе проточной батареи могут быть использованы любые другие методы. Безотносительно к используемому подходу, может быть выявлено конкретное местоположение неисправности или утечки, которое может включать в себя конкретное местоположение внутри бака, что позволяет своевременно предпринять соответствующие меры для устранения утечки.

[00109] Специалисту в данной области техники будут понятны дополнительные признаки и преимущества раскрытых систем и способов на основании вышеописанных вариантов выполнения. Соответственно, настоящее раскрытие не ограничено тем, что было конкретно показано и описано, за исключением того, что указано в приложенной формуле изобретения. Все публикации и ссылки, приведенные в описании, в явном виде включены в настоящее описание путем ссылки во всей своей полноте.

1. Система проточной батареи, содержащая:

по меньшей мере один блок элементов;

по меньшей мере пару контейнеров для хранения, присоединенных к упомянутому по меньшей мере одному блоку элементов, причем каждый из контейнеров для хранения имеет

жесткий кожух;

облицовочный элемент, прикрепленный непосредственно к по меньшей мере участку внутренних стенок жесткого кожуха и образующий ограждение, выполненное с возможностью удерживать жидкий электролит; и

систему обнаружения неисправностей, выполненную с возможностью обнаружения неисправности в по меньшей мере одном из контейнеров для хранения.

2. Система проточной батареи по п. 1, в которой система обнаружения неисправностей выполнена с возможностью обнаружения местоположения обнаруживаемой неисправности.

3. Система проточной батареи по п. 1, в которой неисправность включает по меньшей мере одну утечку жидкого электролита сквозь облицовочный элемент.

4. Система проточной батареи по п. 1, в которой облицовочный элемент является ротационно наформованным на внутренние стенки жесткого кожуха.

5. Система проточной батареи по п. 1, в которой электролит содержит анолит или католит.

6. Система проточной батареи по п. 1, в которой жесткий кожух выполнен из металла.

7. Система проточной батареи по п. 6, в которой металл содержит сталь.

8. Система проточной батареи по п. 6, в которой металл содержит алюминий.

9. Система проточной батареи по п. 7, в которой сталь содержит нержавеющую сталь или углеродистую сталь.

10. Система проточной батареи по п. 1, в которой проточная батарея содержит ванадиевую проточную редокс-батарею.

11. Система проточной батареи по п. 1, в которой облицовочный элемент выполнен из по меньшей мере одного материала, выбранного из полиэтилена высокой плотности, полиэтилена средней плотности, полиэтилена низкой плотности, полипропилена, эпоксида, винилового сложного эфира и стекла.

12. Система проточной батареи по п. 2, в которой система обнаружения неисправностей включает в себя:

множество датчиков, расположенных в выбранных местоположениях в проточной батарее;

по меньшей мере один источник сигнала, выполненный с возможностью передачи множества измерительных сигналов в диапазоне частот через систему проточной батареи;

по меньшей мере один детектор, выполненный с возможностью приема по меньшей мере одного обратного сигнала, принимаемого в ответ на передачу множества измерительных сигналов;

по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью:

анализа обратного сигнала, принятого упомянутым по меньшей мере одним детектором, для определения того, указывает ли обратный сигнал, что обнаружена утечка в системе проточной батареи,

генерации значений расстояния, указывающих расстояние до утечки от каждого из множества датчиков, когда обнаружена утечка, и

определения местоположения утечки в системе проточной батареи на основании значений расстояния.

13. Система проточной батареи по п. 12, в которой каждый из датчиков образует емкостную связь между датчиком и всем электролитом в проточной батарее.

14. Система проточной батареи по п. 12, в которой множество измерительных сигналов содержат радиочастотные сигналы.

15. Система проточной батареи по п. 12, в которой упомянутый по меньшей мере один обратный сигнал, принятый детектором, содержит комплексный импеданс.

16. Система проточной батареи по п. 15, в которой комплексный импеданс содержит активную составляющую как действительную часть и реактивную составляющую как мнимую часть.

17. Система проточной батареи по п. 16, в которой пик или провал реактивной составляющей указывает на утечку.

18. Система проточной батареи по п. 12, в которой детектор и процессор включены в состав одного и того же устройства.

19. Система проточной батареи по п. 12, в которой процессор выполнен с возможностью выдачи предупреждения, указывающего на появление утечки в определяемом местоположении.

20. Способ эксплуатации системы проточной батареи, включающий этапы:

побуждают по меньшей мере один источник сигналов передавать множество измерительных сигналов в частотном диапазоне через систему проточной батареи, содержащую множество датчиков, расположенных в выбранных местоположениях в проточной батарее;

принимают по меньшей мере один обратный сигнал, создаваемый в ответ на передачу множества измерительных сигналов;

анализируют обратный сигнал для определения того, указывает ли обратный сигнал, что обнаружена утечка в системе проточной батареи;

определяют значения расстояния, указывающие расстояние между утечкой и каждым из датчиков, когда обнаружена утечка; и

определяют местоположение утечки в системе проточной батареи на основании значений расстояний.

Похожие патенты:

Ионная электростанция // 2737002

Изобретение относится к области электротехники, а именно к ионной электростанции с расходуемыми коррозионностойкими анодами, погруженными в морскую воду или воду с обычной солью внутри элемента, без мембран для отделения катодной зоны от анодной, причем в элементе создаются кинетические условия путем циркуляции воды, перемещаемой насосом, в замкнутом контуре между элементами и резервуаром.

Способ приготовления электролита для ванадиевых редокс батарей // 2716148

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при производстве ванадиевых электролитов для ванадиевых проточных окислительно-восстановительных редокс батарей (ВРБ).

Устройство для изучения структуры и принципа действия ванадиевой редокс-батареи // 2710683

Изобретение относится к обучающему оборудованию в области энергетики и электрохимии и может быть использовано как наглядно-методическое пособие для проведения лабораторно-практических занятий в образовательных учреждениях при изучении курса химии, электрохимии и альтернативной энергетики.

Система и способ получения ванадиевого электролита высокой чистоты с валентностью 3,5 // 2695083

Изобретение относится к областям энергетики и химической технологии, в частности к системе и способу получения 3,5-валентного ванадиевого электролита высокой чистоты.

Система и способ получения электролита высокой чистоты для полностью ванадиевого проточного аккумулятора // 2691103

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системе и способу для получения электролита высокой активности со специальной валентностью для полностью ванадиевого проточного редокс-аккумулятора.

Система и способ получения ванадиевого электролита высокой чистоты // 2691058

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системе и способу получения ванадиевого электролита высокой чистоты, который затем используется в проточном редокс-аккумуляторе.

Система и способ производства ванадиевого электролита высокой чистоты и высокой активности // 2690013

Изобретение относится к системе и способу получения ванадиевого электролита высокой чистоты и высокой активности. Согласно изобретению система и способ получения ванадиевого электролита включает преобразование высокочистого окситрихлорида ванадия в соль аммония в псевдоожиженном слое (2) путем аммонизации газовой фазы, восстановление соли аммония в оксиде ванадия низкой валентности со средней валентностью ванадия 3,5 в другом псевдоожиженном слое (3), добавление чистой воды и серной кислоты для растворения и последующую активацию ультразвуком для получения ванадиевого электролита с валентностью 3,5, который можно непосредственно использовать в новой полностью ванадиевой проточной редокс-аккумуляторной батарее.

Система и способ получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора // 2690012

Изобретение относится к областям получения энергии и химической технологии, в частности к системе и способу получения электролита высокой чистоты для ванадиевого аккумулятора.

Поверхности, покрытые желатинизированными ионными жидкими пленками, и их применение // 2672059

Изобретение относится к электрохимической ячейке, содержащей первую желатинизированную ионную жидкую пленку в контакте с первой электропроводящей поверхностью и вторую желатинизированную ионную жидкую пленку в контакте со второй электропроводящей поверхностью.

Окислительно-восстановительный элемент с проточным электролитом с высокомолекулярными соединениями в качестве окислительно-восстановительной пары и полупроницаемой мембраной для аккумулирования электрической энергии // 2653356

Изобретение относится к области электротехники, а именно к окислительно-восстановительному элементу с проточным электролитом с высокомолекулярными соединениями в качестве окислительно-восстановительной пары и полупроницаемой мембраной для аккумулирования электрической энергии.