Модульная и масштабируемая система проточной батареи
Изобретение относится к крупногабаритной модульной и масштабируемой проточной батарее. Модульная система проточных батарей включают в себя контейнер блоков батарей, вмещающий множество блоков проточных редокс-батарей, гидравлически сообщающихся с по меньшей мере одной парой контейнеров электролита, включающей в себя контейнер анолита для удерживания анолита и контейнер католита для удерживания католита. Дополнительные пары контейнеров электролита могут быть присоединены к контейнеру блоков батарей для увеличения количества энергии, которая может храниться модульной системой проточных батарей. Соответствующие корпуса, охватывающие каждый из контейнера блоков батарей и контейнеров электролита, выполнены с возможностью работы в штабелированной конфигурации. Техническим результатом является увеличение мощности и емкости хранения энергии модульной системы проточных батарей без увеличения площади, занимаемой системой. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 33 ил., 1 табл.
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США № 62/436,347, поданной 19.12.2016 г. и озаглавленной ʺМодульная и масштабируемая система проточной батареиʺ. Настоящая заявка также испрашивает приоритет предварительной заявки США № 62/436,388, поданной 19.12.2016 г. и озаглавленной ʺСистемы и способы для хранения электролита и определения неисправностей в проточных батареяхʺ, и предварительной заявки США № 62/436,365, поданной 19.12.2016 г. и озаглавленной ʺБольшеразмерные системы проточных батарейʺ. Каждая из этих заявок включена во всей полноте в настоящую заявку путем ссылки на нее.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Предложена проточная батарея и, в частности, крупногабаритная модульная и масштабируемая проточная батарея.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Спрос на крупномасштабные решения по накоплению энергии возрастает. Например, по мере того, как в электросеть вводятся возобновляемые источники энергии (например, солнечные, ветровые и т.д.), задача балансировки энергоснабжения со спросом может стать сложной, учитывая прерывистую и зачастую непредсказуемую выработку электроэнергии возобновляемыми источниками энергии. Такие кратковременные перебои могут быть эффективно решены за счет использования систем хранения энергии, способных на крупномасштабное накопление энергии свыше спроса и на высвобождение накопленной энергии, когда спрос увеличивается.
[0004] Однако не каждая система хранения энергии подходит для развертывания в широких масштабах. При этом стоит отметить, что каждое из стоимости, надежности, безопасности и регулирования являются значительными факторами, которые влияют на пригодность системы хранения энергии для конкретного применения.
[0005] Проточные батареи, также известные как проточные окислительно-восстановительные (редокс) батареи или проточные окислительно-восстановительные (редокс) элементы, могут быть использованы для крупномасштабного хранения энергии. Проточные батареи могут быть выполнены с возможностью преобразования электрической энергии в химическую энергию, которая может накапливаться и затем высвобождаться, когда возникнет спрос. Проточные батареи могут использовать подаваемые извне жидкотекучие растворы электролита, которые включают в себя реагенты, участвующие в обратимых электрохимических реакциях. При зарядке поданная электроэнергия может вызвать реакцию химического восстановления в одном электролите и реакцию окисления в другом электролите. При разрядке химическая энергия, содержащаяся в жидких электролитах, может быть высвобождена в обратных реакциях, и с электродов может быть отведена электроэнергия. Проточные батареи могут быть использованы в подключенных к сети системах хранения энергии и/или во внесетевых системах хранения энергии.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] Предложены различные способы и устройства, которые включают в себя модульную и масштабируемую систему проточных батарей, включающую в себя контейнер блоков батарей, заключающий в себе множество блоков проточных редокс-батарей, способных гидравлически сообщаться с по меньшей мере одной парой контейнеров электролита, включающей в себя контейнер анолита для содержания раствора анолита и контейнер католита для содержания раствора католита. Контейнер блоков батарей выполнен таким образом, что к контейнеру блоков батарей могут быть присоединены дополнительные пары контейнеров электролита для увеличения количества энергии, которая может накапливаться модульной системой проточных батарей. В дополнительных вариантах выполнения соответствующие корпуса, охватывающие каждый из контейнера блоков батарей и контейнеров электролита, выполнены с возможностью работы в штабелированной конфигурации. Таким образом, по желанию может быть увеличена мощность и емкость хранения энергии модульной системы проточных батарей по существу без увеличения площади, занимаемой системой.
[0007] В варианте выполнения предложена модульная вторичная батарея. Модульная вторичная батарея включает в себя контейнер блоков батарей и по меньшей мере одну пару контейнеров электролита. Контейнер блоков батарей включает в себя корпус, сеть трубопроводов анолита и сеть трубопроводов католита. Корпус содержит множество электрически связанных проточных батарей элементов. Сеть трубопроводов анолита может быть в гидравлическом сообщении с каждой из множества проточных батарей элементов и включает в себя по меньшей мере одну пару трубопроводов возврата анолита и подачи анолита. Сеть трубопроводов католита может быть в гидравлическом сообщении с каждой из множества проточных батарей элементов и включает в себя по меньшей мере одну пару трубопроводов возврата католита и трубопроводов подачи католита. По меньшей мере одна пара контейнеров электролита может включать в себя контейнеры, включающие в себя контейнер анолита, выполненный с возможностью содержания раствора анолита, и контейнер католита, выполненный с возможностью содержания раствора католита. Каждый контейнер анолита может быть выполнен с возможностью обратимого соединения с парой трубопроводов возврата анолита и подачи анолита, и каждый контейнер католита может быть выполнен с возможностью обратимого соединения с парой трубопроводов возврата католита и подачи католита, чтобы тем самым изменять количество раствора анолита и раствора католита и емкость электроэнергии, которая может накапливаться и выдаваться.
[0008] В варианте выполнения каждый контейнер блоков батарей может быть выполнен с возможностью штабелирования в вертикальном направлении относительно другого контейнера блоков батарей, и каждый контейнер электролита может быть выполнен с возможностью штабелирования в вертикальном направлении относительно другого контейнера бака.
[0009] В варианте выполнения модульная вторичная батарея может содержать по меньшей мере два штабелированных в вертикальном направлении контейнера блоков батарей, по меньшей мере два штабелированных в вертикальном направлении контейнера анолита и по меньшей мере два штабелированных в вертикальном направлении контейнера католита.
[0010] В варианте выполнения упомянутая по меньшей мере одна пара контейнеров электролита может включать по меньшей мере две пары контейнеров электролита.
[0011] В варианте выполнения сеть трубопроводов католита может отличаться от сети трубопроводов анолита.
[0012] В варианте выполнения контейнер блоков батарей может быть в целом удлиненным и походить по продольной оси, и при этом соответствующий контейнер анолита и контейнер католита выполнены с возможностью присоединения к контейнеру блоков батарей вдоль боковых сторон от продольной оси.
[0013] В варианте выполнения каждая из по меньшей мере одной пары трубопроводов возврата анолита и трубопроводов подачи анолита может быть размещена на первой боковой стороне контейнера блоков, и каждая из по меньшей мере пары трубопроводов возврата католита и трубопроводов подачи католита может быть размещена на второй боковой стороне контейнере блоков, противоположной первой боковой стороне контейнера блоков.
[0013] В другом варианте выполнения раскрыт способ обеспечения изменяющихся накопления энергии и выходной мощности. Способ может включать в себя выбор по меньшей мере одной пары контейнеров электролита для обеспечения заданной емкости электроэнергии, причем каждая пара контейнеров электролита может включать в себя контейнер анолита, выполненный с возможностью удерживания раствора анолита, и контейнер католита, выполненный с возможностью удерживания раствора католита. Способ может также включать в себя выбор числа проточных батарей элементов в по меньшей мере одном контейнере блоков батарей для обеспечения заданной величины мощности. Способ может дополнительно включать в себя соединение по меньшей мере одной выбранной пары контейнеров электролита с контейнером блоков батарей, включающим в себя выбранное число проточных батарей элементов, для создания системы проточных батарей, имеющей заданную емкость электроэнергии и заданную величину мощности.
[0014] В варианте выполнения каждый контейнер анолита может быть выполнен с возможностью обратимого соединения с парой трубопроводов возврата анолита и подачи анолита, и каждый контейнер католита может быть выполнен с возможностью обратимого соединения с парой трубопроводов возврата католита и подачи католита.
[0015] В варианте выполнения упомянутая по меньшей мере одна пара контейнеров электролита включает две пары контейнеров электролита.
[0016] В варианте выполнения по меньшей мере одна выбранная пара контейнеров электролита может быть соединена с контейнером блоков батарей таким образом, что контейнер анолита присоединен на одной стороне контейнера блоков батарей, а контейнер католита присоединен на другой, противоположной, стороне контейнера блоков батарей.
[0017] В варианте выполнения упомянутая по меньшей мере одна пара контейнеров электролита может содержать по меньшей мере две пары контейнеров электролита, и упомянутый по меньшей мере один контейнер блоков батарей может содержать по меньшей мере два контейнера блоков батарей.
[0018] В варианте выполнения по меньшей мере две пары контейнеров электролита и по меньшей мере один контейнер блоков батарей могут быть установлены таким образом, что контейнеры анолита штабелированы в вертикальном направлении, и контейнеры католита штабелированы в вертикальном направлении, и при этом контейнеры блоков батарей штабелированы в вертикальном направлении. В варианте выполнения предложен способ обеспечения изменяющихся накопления энергии и выходной мощности. Этот способ может включать в себя выбор по меньшей мере одной пары контейнеров электролита для обеспечения заданной емкости электроэнергии, причем каждая пара контейнеров электролита включает в себя контейнер анолита, выполненный с возможностью содержания раствора анолита, и контейнер католита, выполненный с возможностью содержания раствора католита. Способ может также включать в себя выбор числа проточных батарей элементов (например, батарей проточных редокс-элементов) в по меньшей мере одном контейнере блоков батарей, чтобы обеспечить заданную величину мощности. Способ может дополнительно включать в себя соединение по меньшей мере одной выбранной пары контейнеров электролита с контейнером блоков батарей, включающим в себя выбранное число проточных батарей элементов, чтобы создать систему проточных батарей, имеющую заданную емкость электроэнергии и заданную величину мощности.
[0019] В другом варианте выполнения раскрыт способ обеспечения изменяющихся накопления энергии и выходной мощности. Этот способ может включать в себя обеспечение по меньшей мере одного контейнера блоков батарей, включающего в себя множество электрически связанных проточных батарей элементов. Способ может также включать в себя обеспечение сети трубопроводов анолита в гидравлическом сообщении со множеством проточных батарей элементов и с по меньшей мере одной парой трубопроводов возврата анолита и трубопроводов подачи анолита. Способ может дополнительно включать в себя обеспечение сети трубопроводов католита в гидравлическом сообщении со множеством проточных батарей элементов и с по меньшей мере одной парой трубопроводов возврата католита и трубопроводов подачи католита. Способ может дополнительно включать в себя выбор по меньшей мере одной пары контейнеров электролита. Каждая пара контейнеров электролита включает в себя контейнер анолита, выполненный с возможностью содержания раствора анолита, и контейнер католита, выполненный с возможностью содержания раствора католита. Каждый контейнер анолита может быть выполнен с возможностью обратимого соединения с парой трубопроводов возврата анолита и подачи анолита, и каждый контейнер католита может быть выполнен с возможностью обратимого соединения с парой трубопроводов возврата католита и подачи католита. Число контейнеров электролита может быть выбрано для изменения количества раствора анолита и раствора католита в гидравлическом сообщении с контейнером блоков батарей и в результате обеспечения заданной емкости электроэнергии, которая может накапливаться и выдаваться.
[0020] В варианте выполнения каждый контейнер блоков батарей может быть выполнен с возможностью штабелирования в вертикальном направлении относительно другого контейнера блоков батарей, и каждый контейнер электролита может быть выполнен с возможностью штабелирования в вертикальном направлении относительно другого контейнера электролита.
[0021] В варианте выполнения упомянутый по меньшей мере один контейнер блоков батарей может содержать по меньшей мере два штабелированных в вертикальном направлении контейнера блоков батарей, и упомянутая по меньшей мере одна пара контейнеров электролита может содержать по меньшей мере два штабелированных в вертикальном направлении контейнера анолита и по меньшей мере два штабелированных в вертикальном направлении контейнера католита.
[0022] В варианте выполнения контейнер блоков батарей является в целом удлиненным и имеет продольную ось, при этом соответствующие контейнеры анолита и католита выполнены с возможностью присоединения к контейнеру блоков батарей по боковым сторонам от продольной оси.
[0023] В варианте выполнения каждая из упомянутой по меньшей мере одной пары трубопроводов возврата анолита и трубопроводов подачи анолита может быть размещена на первой боковой стороне контейнера блоков, и каждая из упомянутой по меньшей мере одной пары трубопроводов возврата католита и трубопроводов подачи католита может быть размещена на второй боковой стороне контейнера блоков, противоположной первой боковой стороне контейнера блоков.
[0024] В варианте выполнения способ может дополнительно включать в себя обнаружение утечки в по меньшей мере одном из пары контейнеров электролита, используя систему датчика утечки внутри контейнера электролита. Система датчика утечки может быть расположена между стенкой контейнера и баком, выполненным с возможностью содержания электролита, и система датчика утечки может содержать отстойник, датчик, выполненный с возможностью обнаружения электролита, и фитинг, выполненный с возможностью обеспечения гидравлического сообщения между отстойником и датчиком.
[0025] В варианте выполнения способ может также включать в себя заполнение слабо проводящей жидкостью промежуточного пространства между стенкой контейнера и баком, причем слабо проводящая жидкость является смешиваемой с электролитом, который вытекает из бака, с образованием смеси с электролитом, при этом слабо проводящая жидкость предусмотрена в достаточном объеме, так что смесь с электролитом заполняет отстойник и вступает в контакт с датчиком. Способ может дополнительно включать в себя обнаружение утечки электролита на основании проводимости смеси с электролитом при контакте с датчиком.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0026] Настоящее изобретение будет более полно понято из последующего подробного описания в совокупности с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0027] Фиг. 1A - схематичная диаграмма, показывающая вариант выполнения системы проточных батарей;
[0028] Фиг. 1B - схематичная диаграмма, показывающая вариант выполнения электрохимического элемента блока элементов проточной батареи с фиг. 1A;
[0029] Фиг. 2A-2B - виды с вырезом варианта выполнения системы модульных проточных батарей, включающей в себя контейнер блоков батарей в гидравлическом сообщении со множеством контейнеров электролита;
[0030] Фиг. 2C-2E показывают варианты выполнения системы модульных проточных батарей с фиг. 2A-2B с использованием различающихся чисел контейнеров электролита;
[0031] Фиг. 3A - изометрический вид, показывающий вариант выполнения контейнера электролита системы модульных проточных батарей с фиг. 2A-2B;
[0032] Фиг. 3B - вид в разрезе контейнера электролита с фиг. 3A, показывающий вариант выполнения труб подачи и возврата;
[0033] Фиг. 4A-4B - виды в разрезе контейнера электролита с фиг. 3A, показывающие вариант выполнения трубных опор для трубы возврата;
[0034] Фиг. 4C - вид в разрезе контейнера электролита с фиг. 3A, показывающий вариант выполнения люка;
[0035] Фиг. 5A-5B представляют собой виды в разрезе контейнера электролита с фиг. 3А, показывающие варианты выполнения соединений, связывающих контейнер блоков батарей с контейнером электролита;
[0036] Фиг. 6A-6B - вид в разрезе контейнера бака с фиг. 3A, показывающий систему подачи азота; (A) общий вид; (B) деталь насадки;
[0037] Фиг. 7 - вид в разрезе контейнера электролита с фиг. 3A, показывающий вариант выполнения датчика утечки;
[0038] Фиг. 8 - вид в разрезе контейнера электролита с фиг. 3A, показывающий вариант выполнения слива электролита;
[0039] Фиг. 9A-9C - виды в разрезе контейнера бака с фиг. 3A, показывающие вариант выполнения датчика уровня электролита в баке, предназначенного для использования со штабелируемыми конфигурациями контейнера бака;
[0040] Фиг. 10A-10B показывают варианты выполнения контейнера блоков с фиг. 2A-2B; (A) изометрический вид; (B) вид с торца;
[0041] Фиг. 11A-11D представляют собой различные виды варианта выполнения блоков батарей и сети трубопроводов жидкости, содержащейся внутри контейнера блоков батарей с фиг. 2A-2B; (A) вид с торца; (B) вид с вырезом 16 блоков батарей элементов; (C) изометрический вид 4 блоков батарей элементов; (D) изометрический вид с торца, показывающий удаление блока батарей элементов из контейнера блоков;
[0042] Фиг. 12 показывает вариант выполнения насосов контейнера блоков батарей с фиг. 2A-2B;
[0043] Фиг. 13A-13B показывают варианты выполнения клапанов и датчиков в сообщении с сетью трубопроводов жидкости;
[0044] Фиг. 14 - вид с вырезом контейнера блоков с фиг. 2A-2B, показывающий систему опор главных коллекторов электролита; и
[0045] Фиг. 15A-15B показывают варианты выполнения узлов теплообменника контейнера блоков с фиг. 2A-2B.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0046] Теперь для обеспечения общего понимания принципов конструкции, работы, изготовления и использования раскрытых здесь устройств и способов будут описаны конкретные примерные варианты выполнения. Один или более примеров таких вариантов выполнения показаны на прилагаемых чертежах. Специалистам в данной области техники будет понятно, что устройства и способы, конкретно описанные здесь и показанные на прилагаемых чертежах, являются неограничивающими примерными вариантами выполнения и что объем настоящего изобретения определяется исключительно формулой изобретения. Признаки, показанные и описанные в связи с одним примерным вариантом выполнения, могут быть объединены с признаками других вариантов выполнения. Такие модификации и вариации подразумеваются входящими в объем настоящего изобретения.
[0047] Кроме того, в настоящем раскрытии одинаково названные компоненты вариантов выполнения могут в целом иметь аналогичные признаки. Таким образом, в рамках конкретного варианта выполнения каждый признак каждого одинаково названного компонента не обязательно может быть тщательно разработан. К тому же, в той мере, в которой в описании раскрытых систем, устройств или способов используются линейные или круговые размеры, такие размеры не предназначены для ограничения типов форм, которые могут быть использованы в составе таких систем, устройств и способов. Специалист в данной области техники признает, что эквиваленты таких линейных или круговых размеров могут быть легко определены 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.
[0048] В целом, предложены системы и способы для хранения энергии.
[0049] Проточная батарея может включать в себя проточный окислительно-восстановительный (редокс) элемент, который имеет отрицательный электрод и положительный электрод, разделенные сепаратором, таким как ионообменная мембрана. К отрицательному электроду может подаваться отрицательный жидкотекучий электролит (иногда называемый анолитом). К положительному электроду может подаваться положительный жидкотекучий электролит (иногда называемый католитом). Анолит и католит могут быть выполнены с возможностью проведения электрохимически обратимых окислительно-восстановительных реакций. Сепаратор может быть выполнен с возможностью предотвращения свободного и быстрого смешивания электролитов, но он также может быть выполнен с возможностью обеспечения прохождения через него выбранных ионов для совершения этих окислительно-восстановительных реакций.
ОБЗОР ПРОТОЧНЫХ РЕДОКС-БАТАРЕЙ
[0050] Обращаясь к Фиг. 1, там представлена схематическая диаграмма, показывающая вариант выполнения системы 10 проточных редокс-батарей. Система 10 проточных батарей может включать 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, установленных в блоке 22, силовой преобразователь 25, контроллер (не показан), ввод 27 энергии и отвод 29 энергии. Каждый из первого и второго баков 12, 14 для хранения электролита может быть приспособлен для удержания и хранения одного из пары растворов электролита. Примеры подходящих пар растворов электролита могут быть выполнены на основе ванадия, брома, железа, хрома, цинка, церия, свинца, серы или любых их подходящих комбинаций.
[0051] При работе системы 10 проточной батареи может осуществляться циркуляция жидких электролитов, содержащих редокс-активные вещества, через один или более элементов 20 проточной батареи блока 22 с преобразованием химической энергии в электрическую энергию для выработки электроэнергии. Специалисту в данной области техники будет понятно, что окислительно-восстановительные реакции могут быть обратимыми, с преобразованием электрической энергии в химическую энергию для хранения энергии. Например, каждый из первого и второго замкнутых контуров 16, 18 электролита может включать в себя соответствующие трубопровод 24, 26 источника и трубопровод 28, 30 возврата. Каждый из первого и второго регуляторов 19 и 21 расхода может быть 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 из регуляторов 19, 21 расхода может включать в себя единственное устройство, такое как насос с изменяемой скоростью или клапан с электронным приводом, или множество таких устройств, в зависимости от конкретных требований к конструкции системы 10 проточной батареи. Однако, варианты выполнения раскрытого изобретения не ограничены любыми конкретными типами регуляторов расхода.
[0052] Фиг. 1B является диаграммой, показывающей один пример выполнения элемента 20 батареи блока 22 и представляющей окислительно-восстановительные реакции, которые могут преобразовать химическую энергию жидких электролитов в электроэнергию. Элемент 20 батареи может включать в себя пористый отрицательный электрод (анод) 50, пористый положительный электрод (катод) 52 и сепаратор или мембрану 54, размещенный(ую) между ними. Пористый отрицательный электрод 50 может гидравлически сообщаться с жидким электролитом бака 12, называемым анолитом, а пористый положительный электрод 52 может гидравлически сообщаться с жидким электролитом бака 14, называемым католитом. Положительный и отрицательный электроды дополнительно электрически связаны с внешней цепью.
[0053] В некоторых вариантах реализации элемент 20 может составлять часть ванадий-ванадиевой (т.е. полностью ванадиевой) проточной редокс-батареи. Жидким электролитом для ванадиевых проточных редокс-батарей может быть сульфат ванадия, растворенный в серной кислоте. Концентрации сульфата ванадия и серной кислоты могут быть выбраны из диапазона от примерно 1-2 М до примерно 4-5 М соответственно. Окислительно-восстановительные пары для полностью ванадиевой системы представлены ниже в уравнениях 1 и 2. Для ясности сульфатные частицы-наблюдатели (SO4) не показаны.
Анолит (-): V+2 ↔ V+3 + e-, U0 = -0,25 В (1)
Католит (+): VO2+ + 2H + e- ↔ VO2+ + H2O, U0 = 1,00 В (2)
[0054] Каждая из реакций в отрицательном и положительном полуэлементах может происходить на поверхности анода 50 и катода 52, которые могут быть выполнены из бумаги на основе углерода, и они могут быть разделены сепаратором 54, который может принимать вид протонообменной мембраны на основе перфторированной сульфоновой кислоты (PFSA). Сепаратор 54 может позволять протонам переносить заряд между элементами 20, минимизируя переход ванадия. В блоке 22 элементы 20 могут быть электрически соединены последовательно с помощью графитовых биполярных пластин (не показаны), которые также могут содержать проточные каналы для переноса объемного электролита к и от каждого из элементов 20. Электролит может подаваться в элементы 20 параллельно через общий коллектор, встроенный в блок 22 элементов.
[0055] Система 10 проточной батареи может работать в трех режимах: зарядка, разрядка и обслуживание электролита. Во время операций зарядки и разрядки энергия может быть подана в или извлечена из электролита с помощью прокачки реактивов из баков 12, 14 для хранения в блок 22 элементов в достаточных количествах для соответствия электрохимии.
[0056] При обслуживании электролита может быть реверсирована по меньшей мере часть эффектов перехода ванадия через сепаратор 54. В качестве примера, концентрация ванадия в католите может увеличиваться со временем (т.е. с увеличением числа циклов заряда/разряда). Результирующий перенос воды через сепаратор 54 также может привести к изменениям концентрации ванадия. Оба эти процесса могут подействовать на общий объем электролита в каждом из баков 12, 14. Без такого обслуживания энергетическая емкость и эффективность могут уменьшаться при циклировании. Осадок ванадия также может представлять проблему на католитной стороне элементов 20, если концентрация ванадия и/или температура превышают заданные пороговые значения (например, концентрацию, большую или равную примерно 2 M, температуру, большую или равную примерно 40°C).
[0057] Варианты выполнения обсуждаемых здесь систем и методов могут использовать полностью ванадиевые проточные редокс-батареи. Однако, также могут быть использованы другие проточные батареи. Полностью ванадиевые проточные редокс-батареи могут обеспечивать преимущества по сравнению с другими типами проточных редокс-батарей. Например, другие редокс-активные химические составы могут обладать несовместимостью и/или чувствительностью двух потоков электролитов к загрязнению друг от друга. Если вещество переходит сквозь сепаратор и вступает в необратимую реакцию с элементами в противоположном потоке электролита, то оно может нести потерю эффективности при этом конкретном цикле заряда/разряда, а также потерю емкости и ухудшение общих характеристик всей системы 10 проточной батареи. В результате может потребоваться дорогостоящее обслуживание по разделению электролитов и восстановлению реагентов. В отличие от этого, так как полностью ванадиевые системы используют ванадий и в анолите, и в католите, этот переход может представлять собой, в худшем случае, только потерю эффективности, поскольку никакие вещества необратимо не расходуются или не удаляются из своих реакционноспособных электролитных растворов.
[0058] Фиг. 2A-2E показывают варианты выполнения модульной и масштабируемой системы 200 проточных батарей. Как будет показано более подробно далее, система 200 может включать в себя модульную конструкцию, которая несет в себе все преимущества способности проточных батарей по отделению мощности (обеспечиваемой блоком) от энергии (обеспечиваемой удаленно хранящимся электролитом). Мощность системы 200 может определяться содержащимся в ней числом элементов блоков батарей, в то время как накапливаемая системой 200 энергия может определяться тем, насколько много электролита имеется для использования блоками элементов батарей. Система 200 также может обеспечивать хранение блоков элементов батарей и электролита в форм-факторах, которые могут быть просты в транспортировке, хранении и развертывании. В результате, варианты выполнения раскрытой модульной системы 200 проточных батарей могут обеспечить большую емкость хранения энергии, которая может быть масштабирована быстрым и не дорогим образом.
[0059] Как показано на фиг. 2A-2B, варианты выполнения системы 200 могут включать в себя по меньшей мере один блок 202 батарей, одно или более хранилищ 204 анолита и одно или более хранилищ 206 католита. Как обсуждается более детально далее, каждый блок 202 батарей может быть выполнен с возможностью гидравлического сообщения с соответствующей парой хранилищ 204, 206 анолита и католита. В качестве примера, блоки 202 батарей могут быть заключены в корпус с любыми насосами электролита, системой вспомогательных трубопроводов, клапанами и управляющей электроникой, необходимыми для передачи электролитов между блоками 202 батарей и хранилищами 204, 206 анолита и католита. Таким образом, к каждому блоку 202 батарей может быть присоединено разное число пар хранилищ 204, 206 анолита и католита.
[0060] В конкретных вариантах выполнения блок 202 батарей может быть выполнен с возможностью выработки электроэнергии с использованием разных анолита и католита. Следовательно, электролиты, хранящиеся в хранилище анолита и хранилище католита, могут быть различными. В других вариантах выполнения (например, полностью ванадиевых проточных батареях) блок 202 батарей может быть выполнен с возможностью выработки электроэнергии с использованием одного и того же электролита для католита и анолита. Следовательно, жидкий электролит, хранящийся в хранилище анолита и хранилище католита, может быть одинаковым.
[0061] Каждый блок 202 батарей, хранилище 204 анолита и хранилище 206 католита могут иметь форм-фактор, который обеспечивает простоту транспортировки и развертывания на месте (монтажной площадке). В качестве примера, каждый блок 202 батарей, хранилище 204 анолита и хранилище 206 католита могут быть предусмотрены в соответствующих контейнерах, имеющих форм-фактор, удовлетворяющий стандартным размерам, устанавливаемым Международной организацией по стандартизации (ISO) для грузовых контейнеров. В конкретных вариантах выполнения блок 202 батарей может использовать первый форм-фактор, и хранилища 203, 206 анолита и католита могут быть выбраны независимо с различными форм-факторами. Например, блок 202 батарей может быть выполнен в пределах размеров стандарта ISO для 40-футовых грузовых контейнеров, а хранилища 204, 206 анолита и католита могут быть выполнены в пределах размеров стандарта ISO для 20-футовых грузовых контейнеров. Хотя варианты выполнения системы 200 могут обсуждаться здесь с учетом конкретных размеров блока 202 батарей, хранилища 204 анолита и хранилища 206 католита, дополнительные варианты выполнения системы могут использовать без ограничения размеры грузового контейнера по любому стандарту ISO. Соответственно, блок 202 батарей, хранилище 204 анолита и хранилище 206 католита могут быть взаимозаменяемо названы здесь контейнерами 202 блоков батарей, контейнерами 204 для хранения анолита и контейнерами 206 для хранения католита.
[0062] Преимущественно, форм-фактор контейнера может обеспечивать возможность быстрого масштабирования способности хранения по мощности и энергии системы 200, что может быть значительным фактором в контексте широкомасштабных развертываний. В одном аспекте стандартные размеры каждого из контейнеров 202 блоков батарей и контейнеров 204, 206 для хранения анолита и католита могут способствовать транспортировке от изготовителя на монтажную площадку морем, железной дорогой и на грузовике, а также хранению и развертыванию на монтажной площадке, применяя существующую инфраструктуру.
[0063] В варианте выполнения система 200 может включать в себя по меньшей мере один контейнер 202 блоков батарей и по меньшей мере одну пару контейнеров 204, 206 для хранения анолита и католита. Например, предполагая, что каждый контейнер 202 блоков батарей находится внутри контейнера с размерами 10 футов х 40 футов, и каждый из контейнеров 204, 206 для хранения анолита и католита находится внутри контейнера с размерами 10 футов х 20 футов, система может обеспечивать накопление энергии, эквивалентной 0,5 МВт на 1 час.
[0064] Благодаря аспекту модульности системы, дополнительные контейнеры блоков батарей и/или пары контейнеров для хранения электролита могут быть добавлены для масштабирования обеспечиваемого системой хранения по мощности и энергии без сильного изменения площади, занимаемой системой. В варианте выполнения по фиг. 2C система может включить в себя два штабелированных уровня, каждый из которых включает в себя контейнер блоков батарей размером примерно 10 футов на 40 футов, гидравлически сообщающийся с тремя парами контейнеров электролита, каждый из которых в форме контейнера с размерами 10 футов на 20 футов. Общая площадь системы по фиг. 2C может составлять примерно 40 футов на примерно 50 футов (2000 квадратных футов), а энергоемкость может составлять примерно 1 МВт на 6 часов. По сравнению с фиг. 2C, в системе по фиг. 2D добавляется дополнительная пара контейнеров анолита и католита к каждому слою на фиг. 2D, а в системе по фиг. 2E добавляется две дополнительные пары контейнеров анолита и католита к каждому слою. Общая площадь системы по фиг. 2D может составлять примерно 42 фута на 50 футов (2100 квадратных фута), а ее энергоемкость может составлять примерно 1 MВт на 8 часов. Дополнительные 100 квадратных футов площади могут быть заняты выступающей частью одной пары контейнеров для хранения анолита и католита перед контейнером блоков батарей. Фиг. 2E показывает вариант выполнения системы, включающей в себя два штабелированных уровня, каждый из которых включает в себя контейнер блоков батарей в гидравлическом сообщении с четырьмя парами контейнеров анолита и католита. Общая площадь системы по фиг. 2E может составлять примерно 44 фута на примерно 50 футов (2200 квадратных футов), а ее энергоемкость может составлять примерно 1 MВт на примерно 10 часов. Дополнительные 100 квадратных футов площади могут быть заняты выступающей частью одной пары контейнеров для хранения электролита перед и за контейнером блоков батарей. В частности, в каждом из вариантов выполнения по фиг. 2D и 2E добавка энергоемкости примерно 1 МВт на примерно 2 часа может быть обеспечена при относительно малом увеличении их наземной площади (например, примерно футов2) по сравнению с вариантом на фиг. 2C.
[0065] В дополнительном варианте выполнения, не показанном, две и более модульные системы проточных батарей могут быть электрически подключены в параллельной конфигурации на шине постоянного тока (DC). Например, две модульные системы проточных батарей, каждая из которых индивидуально обеспечивает 1 МВт постоянного тока, могут быть включены в параллель для обеспечения системы на 2 МВт. В дополнительных вариантах выполнения, чтобы создать системы большой мощности, могут быть запараллелены множественные 1 МВт или 2 МВт модульные системы проточных батарей на рабочей стороне разделительного трансформатора.
[0066] Дополнительно, такие варианты выполнения модульной системы 200 проточных батарей могут быть предусмотрены в электрической связи с одной или более из следующих внешних систем для обеспечения интеграции с электросетью: инвертерами (системами преобразования электроэнергии), трансформаторами, контроллерами систем батарей, сетевыми контроллерами, оборудованием взаимосвязи и защиты и блоками охладитель-нагреватель. Дополнительная информация о таких внешних системах подробно раскрывается далее. В дополнительных вариантах выполнения модульная система 200 проточных батарей может быть установлена на монтажных площадках, которые могут быть выполнены с возможностью обеспечения оболочки для жидких электролитов, которые истекают из контейнеров электролита. Например, в одном варианте выполнения земля, расположенная под и/или вблизи системы проточных батарей, может быть покрыта материалом, выполненным с возможностью поглощения жидких электролитов, предотвращая загрязнение земли. В случае утечки электролита любой загрязненный материал, который впитал в себя электролит, может быть удален. В другом варианте выполнения земля, расположенная под и/или вблизи системы проточных батарей, может быть покрыта барьерным слоем, по существу непроницаемым для жидкого электролита. В этом барьерном слое могут быть дополнительно выполнены каналы для направления жидкого электролита в бак для загрязнений. В любом случае может быть уменьшено или полностью исключено загрязнение земли и/или грунтовых вод.
[0067] Вариант выполнения контейнеров 204, 206 анолита и/или католита в форме контейнера 300 электролита показан на фиг. 3A-3B. Обращаясь к фиг. 3A, контейнер 300 электролита может включать в себя корпус 302 контейнера электролита, имеющий такие размеры, чтобы разместить в себе бак 304. Корпус 302 контейнера электролита может включать в себя основание 302a, боковые стенки 302b-302e и крышу 302f, которые образуют наружные стенки контейнера 300 электролита. В конкретных вариантах выполнения корпус 302 контейнера электролита может быть выполнен из стали с упроченным основанием. Корпус 302 контейнера электролита также может быть по существу непроницаемым для жидкости, обеспечивая вторичную оболочку для жидкого электролита в случае утечки из бака 304. Например, корпус 302 контейнера электролита может быть выполнен с возможностью поддержания манометрического давления примерно -1 фунт на квадратный дюйм (psig).
[0068] Как указано выше, в целом, размер корпуса 302 контейнера электролита может быть выбран для способствования транспортировке внутри страны и за рубежом. Например, длина корпуса 302 контейнера электролита может быть приблизительно 19 футов 10,5 дюймов – стандартная длина для океанского транспорта в обычном местоположении на корабле. Ширина корпуса контейнера может быть приблизительно 8,5 футов, что в настоящее время является максимальной шириной для дорожного транспорта внутри США без получения разрешения на превышение размеров. Высота корпуса 302 контейнера может быть приблизительно 9,5 футов, что в настоящее время является максимальной высотой для дорожного транспорта внутри США со стандартным шасси и получения разрешения на превышение размеров. Однако следует понимать, что в альтернативных вариантах выполнения размеры корпуса контейнера электролита могут быть изменены на основании стандартов на транспортировку контейнера, принятых в конкретных отраслях промышленности и/или правовых юрисдикциях (например, в странах, штатах/провинциях и т.д.).
[0069] Бак 304 может быть выполнен с возможностью содержания в нем жидкого электролита. В одном аспекте бак 304 может быть выполнен из любого материала, стойкого к воздействию жидкого электролита. Подходящие материалы, образующие бак 304, могут включать в себя, но не ограничиваясь ими, полиэтилен средней и высокой плотности (HDPE). Материал бака может быть отформован в форме корпуса 302 контейнера электролита (например, прямоугольной форме) и помещен в него. В таких вариантах выполнения бак 304 может быть присоединен (например, приварен) к корпусу 302 контейнера электролита, чтобы по существу предотвратить скольжение бака 304 относительно корпуса контейнера электролита. В альтернативных вариантах (не показаны) бак может быть облицовкой, которая нанесена на внутреннюю поверхность корпуса контейнера.
[0070] Размеры бака 304 могут меняться. В конкретных вариантах выполнения одна или более из наружных стенок бака (например, основание, боковые стенки и крышка) могут иметь толщину приблизительно 0,25 дюйма. Предполагая, что бак выполнен с формой в соответствии со стандартом ISO для 20-футовых грузовых контейнеров (например, приблизительно 20 футов x 8,5 футов x 9,5 футов), объем бака может составлять приблизительно 10 000 галлонов. В другом аспекте бак может быть выполнен с возможностью обеспечения высоковольтной изоляции между электролитом и рамой заземленного контейнера. Например, бак может обеспечить по меньшей мере до примерно 20 кВ постоянного тока и примерно 400 ТОм/кв. дюйм в течении 20 лет.
[0071] Контейнер электролита показан в разрезе на фиг. 3B, чтобы показать компоненты, выполненные с возможностью обеспечения гидравлического сообщения жидкого электролита с контейнером 202 блоков батарей. Как показано, контейнер 300 электролита может включать в себя трубу 350 подачи и трубу 352 возврата. К трубе 350 подачи и трубе 352 возврата могут быть соответственно присоединены фланец 354a подачи и фланец 354b возврата. В конкретных вариантах выполнения трубные фланцы 354a, 354b могут быть образованы в боковой стенке контейнера 300 электролита. В дополнительных вариантах выполнения трубные фланцы 354a, 354b могут быть образованы на короткой стенке (например, торцевой стенке) для обеспечения эффективного пространственного распределения множественных контейнеров 300 электролита, смежных с контейнером 202 блоков батарей.
[0072] В варианте выполнения трубы 350, 352 подачи и возврата могут быть установлены поставщиком бака до отгрузки. Когда модульная система 200 проточных батарей находится в эксплуатации, каждая из труб 350, 352 подачи и возврата может быть погружена в жидкий электролит, и жидкий электролит может протекать к контейнеру блоков батарей и от него соответственно по трубам 350, 352 подачи и возврата (см. стрелки S и R, обозначающие поток подачи электролита в контейнер 300 электролита и поток возврата электролита из контейнера 300 электролита). Труба 350 подачи может включать в себя участок, который наклонен вниз, а труба 352 возврата может проходить приблизительно горизонтально внутри бака 304. Такая конфигурация труб 350, 352 подачи и возврата может по существу исключить нужду в двухстенных внешних трубах, и это может позволить штабелировать контейнеры 300 электролита, не боясь повредить трубы 350, 352 подачи и возврата. Аналогично баку 304, каждая из труб 350, 352 возврата и подачи может быть выполнена из материала, способного противостоять химическому воздействию жидкого электролита (например, из HDPE).
[0073] В дополнительных вариантах выполнения контейнер 300 электролита может содержать систему 306 наполнения. Например, контейнер 300 электролита может быть отгружен пустым и наполнен жидким электролитом на монтажной площадке. Система 306 наполнения может быть выполнена с возможностью обеспечивать добавление жидкого электролита в бак 304, не подвергая его воздействию атмосферы. Например, система 306 наполнения может включать в себя канал, который проходит через стенку бака 304, и анти-сифонный клапан (не показан). При такой конфигурации электролит может быть направлен в бак 304 по этому каналу, и анти-сифонный клапан может предотвращать течение электролита из бака 304.
[0074] Каждая из труб 350, 352 подачи и возврата может дополнительно взаимодействовать с соответствующими опорами 360a, 360b труб подачи и возврата, чтобы обеспечить механическую опору для труб 350, 352 подачи и возврата при транспортировке. Подобно баку 304, каждая из опор 360a, 360b труб может быть выполнена из материала, способного противостоять химическому воздействию жидкого электролита (например, из HDPE).
[0075] Как показано более подробно на фиг. 4A-4B, каждая опора 260b трубы возврата может быть выполнена в виде полой трубы с проходящим через нее сквозным отверстием для размещения трубы 352 возврата. Фланец 362 опоры может быть прикреплен к наконечнику опоры 360b трубы возврата (например, сваркой оплавлением). Опора 360b трубы возврата может быть прикреплена к корпусу контейнера электролита на фланце 362 опоры множеством болтов. Например, как показано на фиг. 4B, кольцо 364 с болтами (например, заключенное в полиэтилен кольцо с болтами из нержавеющей стали) может быть помещено на внутренней поверхности бака 304, и один или более болтов кольца 364 с болтами может проходить через стенку бака 304 для взаимодействия с фланцем 362 опоры. Также могут быть размещены уплотнения 366 (например, прокладки) на каждой стороне болтов (например, между баком 304 и фланцем 362 опоры и между баком 304 и кольцом 364 с болтами), что исключает протечку электролита из бака по фланцу. Тарельчатые шайбы, также известные как дисковые пружины 370, могут быть размещены вокруг каждого болта (например, между уплотнением 366 и соответствующей болту гайкой) для приложения к уплотнению 366 предварительной нагрузки.
[0076] Бак 304 может дополнительно включать в себя люк 372 (например, в крыше бака 304) для доступа при обслуживании, как подробно показано на фиг. 4C. Люк 372 может иметь такие размеры, чтобы позволить рабочему проникнуть в бак 304 для установки в нем компонентов, включая, но не ограничиваясь ими, трубы 350, 352 подачи и возврата, опоры 360a, 360b труб подачи и возврата, люк 372 и т.д. Люк 372 может быть выполнен из материала, способного противостоять химическому воздействию жидкого электролита (например, из HDPE). Люк 372 может быть прикреплен к обращенной наружу стенке бака 304 множеством болтов. Например, как показано на фиг. 4C, кольцо 374 с болтами может быть помещено на внутренней поверхности бака 304 (например, заключенное в полиэтилен кольцо с болтами из нержавеющей стали), и множество болтов кольца 374 с болтами может проходить через стенку бака 304 для взаимодействия с люком 372. Уплотнения 376 также могут быть размещены вокруг каждого болта кольца 374 с болтами, и они могут быть проложены с каждой стороны болта (например, между баком 304 и люком 372 и между баком 304 и кольцом 374 с болтами) для исключения утечки электролита из бака 304 по люку 372. Дисковые пружины (не показаны) могут быть размещены вокруг каждого болта (например, между люком 372 и соответствующими гайками кольца 374 с болтами), чтобы приложить предварительную нагрузку к уплотнениям 376. Люк 372 может быть установлен поставщиком бака до отгрузки.
[0077] Фиг. 5A-5B является видом в разрезе вариантов выполнения контейнера 202 блоков батарей и контейнера 300 электролита, гидравлически сообщающихся через одно или более трубных соединений 500. Как подробно указано далее, трубные соединения 500 могут быть выполнены с возможностью обеспечения протекания растворов анолита и католита между контейнером 202 блоков батарей и контейнером 300 электролита. Как показано, трубное соединение 500 может быть трубчатой конструкцией, проходящей между первым концов 500a и вторым концом 500b, и оно может быть выполнено с возможностью образовывать по существу непроницаемое для жидкости уплотнение между контейнером 202 блоков батарей и контейнером 300 электролита. Первый конец 500a может быть прикреплен к наконечнику сети 502 трубопроводов электролита контейнера 202 блоков батарей (например, сварным швом). Второй конец 500b может содержать фланец 504 трубного соединения, выполненный с возможностью присоединения к трубе 352 возврата через фланец 354b возврата (например, через кольцо с болтами, обеспечивающее по существу непроницаемое для жидкости уплотнение между трубным соединением 500 и фланцем 354b возврата). В конкретных вариантах выполнения диаметры трубного соединения 500 и фланца 354b возврата могут быть приблизительно равными (например, примерно 4 дюйма).
[0078] Трубное соединение 500 может проходить по зазору G, проходящему между контейнером 202 блоков батарей и контейнером 300 электролита. Зазор G может иметь такие размеры, чтобы обеспечить достаточное расстояние для установки и обслуживания трубного соединения 500. Может быть предусмотрена втулка 506 оболочки, чтобы защитить трубное соединение 500 (например, от ударных повреждений). Как показано, втулка 506 оболочки имеет такие размеры, чтобы перекрыть зазор G (например, горизонтально) и в поперечном направлении охватывает трубное соединение (например, по вертикали). Один конец втулки 506 оболочки может быть присоединен к контейнеру 300 электролита (например, приварен). Противоположный конец втулки 506 оболочки может быть размещен внутри плавающей панели 510, образованной сквозь боковую стенку контейнера 202 блоков батареи и окруженной уплотнением (например, прокладкой). Варианты трубного соединения 500, фланца 504 трубного соединения и втулки 506 оболочки могут быть выполнены из материала, способного противостоять воздействию жидкого электролита (например, из HDPE).
[0079] Как дополнительно показано на фиг. 5A, сеть 502 трубопроводов жидкости может также включать в себя множество снимающих механическое напряжение элементов 512, таких как соединения ʺс изломомʺ. Например, соединения с изломом могут быть выполнены с возможностью снабжения сети 502 трубопроводов жидкости упругой деформацией, достаточной для компенсации изменений размеров, происходящих при термическом расширении/сжатии и допусках на изготовление.
[0080] Холя на фиг. 5А-5В фланец 260 возврата показан в связи с трубой 352 возврата, варианты выполнения трубных соединений 500 и втулки 506 оболочки также могут быть использованы для присоединения трубы подачи и фланца трубы подачи контейнера электролита к контейнеру блоков батарей. В дополнительных вариантах контейнер электролита может быть католитсодержащим контейнером электролита или анолитсодержащим контейнером электролита.
[0081] На Фиг. 6A-6B показан вариант выполнения азотной системы контейнера 300 электролита. В комбинации с непроницаемым для жидкости характером самого бака 304, азотная система может по существу исключить контакт жидкого электролита с внешней средой, окружающей контейнер 300 электролита (например, с атмосферой). Например, азотная система может подавать азот при низком давлении для наполнения пустого пространства 600 вверху бака 304, также называемого ʺазотной подушкойʺ. Такая схема может быть желательной, поскольку загружаемый анолит может окислиться при контакте с кислородом окружающей среды, превращаясь в вещество, имеющее более высокую степень окисления.
[0082] Азот может быть обеспечен в контейнере 300 электролита от внешнего источника. В конкретных вариантах внешний источник азота может быть заключен внутри контейнера 202 блоков батарей. Примеры источника азота могут включать в себя, но не ограничиваются ими, любое из множества баллонов с азотом, подключенной общей системы жидкого азота (LN2) или генератора азота, взятых в отдельности или в комбинации. Объем азота, используемого в азотной системе, может быть сравнительно небольшим, хотя немного азота может утечь через клапаны сброса давления во время циклов теплового расширения/сжатия.
[0083] Азот может быть подан в контейнер 300 электролита по трубам 602, включающим в себя один или более клапанов (не показаны), таких как единственный подпиточный клапан подачи (Pad) и единственный предохранительный клапан (Depad) на контейнер электролита. Подпиточный клапан Pad может способствовать образованию азотной подушки за счет гарантии того, что в пространстве 600 при обычном использовании контейнера 300 электролита поддерживается минимальное давление. Предохранительный клапан Depad может также способствовать улавливанию паров за счет ограничения давления в баке максимальным значением при обычном использовании контейнера 300 электролита. Хотя это и не показано, трубы с азотом в контейнере блоков батарей могут быть наклонены к нижней точке датчика слива и утечки в случае обратного течения электролита из бака (не показано). Трубопровод 602 азота может быть выполнен из материала, способного противостоять химическому воздействию жидкого электролита (например, из HDPE) и соединен с насадкой (например, сварным швом).
[0084] В варианте выполнения азот, полученный из контейнера 202 блоков батарей, может быть пропущен через область 604 выреза контейнера 300 электролита, размещенную между баком 304 и корпусом 302 контейнера электролита. Трубопровод 602 азота может проходить между фланцем 354b возврата и азотной насадкой 606. Азотная насадка 606 может проходить через стенку бака с помощью азотного фланца 610. Азотный фланец 610 может дополнительно сообщаться гидравлически с азотной насадкой 606. Азот может протекать по трубопроводу 602 азота к азотной насадке 606, чтобы обеспечивать азотную подушку внутри бака 304.
[0085] Фиг. 6B показывает азотную насадку 606 более подробно. Трубопровод 602 азота может быть присоединен к азотной насадке 606 с использованием низкопрофильного (например, 90°) азотного фланца 610. Преимущественно, такая низкопрофильная конструкция может по существу обеспечить целостность азотной системы, подлежащей размещению в контейнере 300 электролита, и это может способствовать штабелированию контейнеров электролита.
[0086] Азотная насадка 606 может содержать выходные отверстия 612 для распределения азота внутри бака 304. Азот, принятый на азотном фланце 610, может быть направлен к выходным отверстиям 612 с помощью лабиринтных каналов 614 с низкой точкой слива для уменьшения утечек электролита. Выходные отверстия 612 могут быть прикреплены к азотному фланцу 610 азотным кольцом 616 с болтами (например, заключенным в полиэтилен высокой плотности HDPE кольцом с болтами из нержавеющей стали). Соответствующие уплотнения 620 (например, прокладки) могут быть проложены между кольцом 616 с болтами и азотным фланцем 610 для исключения утечки электролита из бака 304.
[0087] Варианты выполнения контейнера 300 электролита могут включать в себя систему 700 датчика утечки для обнаружения жидкого электролита, который вытек из бака 304. Как показано на фиг. 7, в одном варианте выполнения система 700 датчика утечки может быть размещена смежно с основанием 302a корпуса 302 контейнера электролита, внутри свободного пространства 702, лежащего между корпусом 302 контейнера электролита и баком 304. Система 700 датчика утечки может включать в себя отстойник 704, датчик 706 и фитинг 710, который обеспечивает гидравлическое сообщение между отстойником 704 и датчиком 706. Каждый контейнер 300 электролита может включать в себя множество систем 700 датчика утечки в разных местоположениях в контейнере 300 электролита (например, на противоположных сторонах) для обеспечения возможности обнаружения утечек в разных местоположениях и/или дублирования на случай неисправности одной системы 700 датчика утечки.
[0088] Отстойник 704 может быть размещен в низкой точке контейнера 300 электролита. Такое размещение может гарантировать раннее обнаружение утечек электролита, поскольку в случае утечки электролита он может затекать в самую низкую точку в контейнере 300 электролита под действием силы тяжести. Отстойник 704 может быть предназначен для приема вытекшего электролита в течение продолжительных периодов времени за счет наличия поверхностного покрытия или облицовки, стойких к химическому воздействию электролита. Когда вытекший электролит наполняет отстойник 704, верхний уровень электролита может проникнуть в фитинг 710 и направить электролит к датчику 706.
[0089] В общем, датчик 706 может быть любым устройством, способным обнаруживать присутствие воды и/или электролита. Например, датчик 706 может быть датчиком проводящего типа, включающим в себя углеродный элемент. В конкретных вариантах выполнения датчик 706 может быть заключен внутри порога 712, образованного в корпусе 302 контейнера электролита, и фитинг 710 может проходить через порог 712.
[0090] В дополнительных вариантах выполнения возможно, что могут происходить небольшие утечки, имеющие достаточно малый объем, так что они не могут наполнить отстойник 704 и быть обнаружены датчиком 706. При таких обстоятельствах обнаружение утечки может быть осуществлено за счет заполнения пространства 702 между корпусом 302 контейнера электролита и баком 304 другой жидкостью (например, этиленгликолем), которая имеет сравнительно низкую электропроводность, в объеме, превышающем объем отстойника 704. Когда такая жидкость смешивается с электролитом малой утечки, электропроводность полученной смеси может подняться выше электропроводности только самой добавленной жидкости. Таким образом, когда смесь жидкостей наполняет отстойник 704, она может контактировать с датчиком. Датчик 706 может быть выполнен с возможностью обнаружения смеси жидкостей на основании ее электропроводности, тем самым измеряя малую утечку. В конкретных вариантах выполнения такое наполнение может быть осуществлено вручную во время межсервисного интервала.
[0091] В дополнительных вариантах выполнения контейнер 300 электролита может включать в себя слив 800 для контролируемого выпуска вытекшего электролита из контейнера электролита. Как показано на фиг. 8, внутри порога 712 может быть заключен слив 800, проходящий сквозь корпус 302 контейнера электролита, и он может включать в себя пробку 802, клапан 804 (например, шариковый клапан) и фитинг 806. Фитинг 806 может обеспечивать канал, обеспечивающий гидравлическое сообщение между клапаном 804 и отстойником 704. В случае утечки электролита электролит может затекать в отстойник 704 под действием силы тяжести. Клапан может быть открыт или закрыт, обеспечивая или предотвращая выход жидкости из контейнера 300 электролита через клапан. Пробка 802 может быть установлена с возможностью снятия на выходном конце клапана 804. Таким образом, клапан 804 и пробка 802 могут быть выполнены с возможностью обеспечения или предотвращения гидравлического сообщения между сливом 800 и атмосферой, что желательно.
[0092] Для проверки уровня электролита внутри бака 304 варианты выполнения контейнера 300 электролита могут включать в себя датчик уровня в баке. В общем, датчик уровня может быть выполнен с возможностью введения в и вынимания из контейнера 300 электролита, когда они штабелированы один на другой. В конкретных вариантах выполнения датчик уровня в баке может быть любым из емкостного датчика, ультразвукового датчика или работающего на основе давления датчика. В дополнительных вариантах выполнения датчик уровня в баке может быть выполнен проходящим через бак 304 в выбранное вертикальное местоположение внутри бака 304 (например, до самой нижней точки бака 304). Таким образом, датчик уровня в баке может эффективно измерять уровень в баке между предварительно выбранными минимальным и максимальным уровнями (например, от примерно основания бака 304 до примерно 75% высоты бака 304).
[0093] Вариант выполнения емкостного датчика 900 уровня в баке показан на фиг. 9A-9C. Для ясности электронные приборы, связанные с датчиком уровня в баке, не показаны. Датчик 900 уровня в баке может включать в себя непроводящую внешнюю втулку 902 (например, из полимера, такого как HDPE) и проводящую трубку 904 (например, из алюминия или меди), которая полностью заключена во внешнюю втулку 902. Фиг. 9A показывает датчик 900 уровня в баке с проводящей трубкой 904, не показанной, чтобы лучше показать признаки внешней втулки 902. Как показано, внешняя втулка 902 может включать в себя фланец 906 датчика уровня на выходном конце (например, верхнем конце). Через бак 304 может быть выполнено отверстие 910 для размещения фланца 906 датчика уровня, и фланец 906 датчика уровня может герметично взаимодействовать (например, быть сваренным оплавлением) с баком 304 на отверстии 910. Таким образом, датчик 900 уровня в баке может иметь доступ к верху бака 304 и вступать в контакт с хранящимся в нем электролитом 912, не попадая в воздушные карманы.
[0094] Варианты выполнения контейнера 300 электролита могут быть выполнены с возможностью обеспечения использования датчика 900 уровня в баке при штабелировании по меньшей мере двух контейнеров 300 электролита, таких как верхний контейнер 300a электролита и нижний контейнер 300b электролита. Например, крышка 302f каждого из контейнеров 300a, 300b электролита может включать выполненное сквозь нее первое отверстие 912a датчика уровня и второе отверстие 912b датчика уровня, проходящее через одну из боковых стенок 302b-302e. В дополнительных вариантах выполнения датчик 900 уровня в баке может быть наклонен так, чтобы обеспечить проход через первое отверстие 912a датчика уровня нижнего контейнера 300b электролита и второе отверстие 912b датчика уровня верхнего контейнера 300a электролита для введения в нижний контейнер 300b электролита. В дополнительных вариантах выполнения два или более датчика 900 уровня в баке могут быть предусмотрены в разных местоположениях контейнера 300 электролита (например, на противоположных сторонах) для обеспечения возможности измерения уровня в баке в различных местоположениях и/или дублирования в случае неисправности одного датчика уровня в баке.
[0095] Фиг. 10A-10C показывают варианты выполнения контейнера 202 блоков батарей в виде контейнера 1000 блоков батарей. Контейнер 1000 блоков батарей может включать в себя корпус 1002 контейнера блоков батарей, включающий в себя основание 1002a, боковые стенки 1002b, 1002c, 1002d, 1002e и крышу 1002f, который охватывает компоненты контейнера 1000 блоков батарей (например, блоки батарей, сети трубопроводов жидкости, включая трубы, насосы, клапаны и т.п., для транспортирования анолитов и католитов через контейнер 202 блоков батарей, электрические соединения и другие системы). В одном или более местах внутри контейнера 1000 блоков батарей могут быть помещены надежные отказобезопасные датчики (такие как система 700 датчика регистрации утечки), и они могут быть выполнены с возможностью отключения насосов и клапанов в случае обнаружения утечки. Фото- и/или видеокамеры (не показаны) могут также быть установлены снаружи и/или внутри контейнера блоков батарей для обеспечения дистанционного мониторинга.
[0096] Контейнер 1000 блоков батарей может также включать в себя вторичную оболочку 1004 на случай вытекания электролита из блоков батарей или сетей трубопроводов жидкости. Например, как показано на фиг. 10B, вторичная оболочка 1004 может включать в себя герметичный нижний поддон. Нижний поддон может иметь стойкое к электролиту покрытие, и он может проходить приблизительно от основания 1002а контейнера 1000 блоков батарей до дверей 1006 доступа (например, приблизительно 30 дюймов в высоту). Предполагая, что контейнер 1000 блоков батарей имеет форм-фактор 40-футового контейнера по стандарту ISO и 30%-ое смещение оборудования, вторичная оболочка 1004 может удерживать приблизительно 4000 галлонов электролита.
[0097] Контейнер 1000 может быть выполнен с возможностью обеспечения минимальных трудозатрат на монтажной площадке и быстрого ввода в эксплуатацию. Например, для обслуживания контейнер 1000 блоков батарей может иметь двери 1006 доступа на обоих концах (например, 48 дюймов шириной и 54 дюйма высотой). В конкретных вариантах выполнения все силовые подключения (переменный ток, постоянный ток, вспомогательная аппаратура) и подключения охлаждения на монтажной площадке могут быть выполнены на панели 1008 соединения на одном конце контейнера 1000 блоков батарей, не входя в контейнер блоков батарей. Проводное соединение с соответствующими контейнерами 300 электролита может быть осуществлено с помощью предварительно изготовленных кабельных жгутов с рассчитанными на воздействие окружающей среды миллидюймовыми цилиндрическими соединителями.
[0098] Контейнер 1000 блоков батарей может быть выполнен с возможностью размещения между парой контейнеров 300 электролита при введении в эксплуатацию. Каждый контейнер 1000 блоков батарей может включать в себя пару соединений 1010 для гидравлического сообщения с контейнерами 300 электролита. В качестве примера, пара соединений 1010 может включать трубу 1010s подачи и трубу 1010r возврата для потока электролита между контейнером 300 электролита и контейнером 1000 блоков батарей. В конкретных вариантах выполнения каждая из трубы 1010s подачи и трубы 1010r возврата может быть в форме трубного соединения 500, как обсуждалось ранее со ссылкой на фиг. 5. В конкретных вариантах выполнения для каждой пары соединений 1010, обеспеченной на одной стороне контейнера 1000 блоков батарей (например, длинной стороне, такой как 1002b), может быть обеспечена соответствующая пара соединений 1010 на противоположной стороне контейнера 1000 блоков батарей (например, длиной стороне 1002d). Чтобы способствовать модульной конструкции модульной системы 200 проточных батарей, контейнер 1000 блоков батарей может включать в себя по меньшей мере две пары соединений 1010, где каждая пара соединений 1010 может поддерживать соответствующий ей контейнер 300 электролита (например, одна пара соединений для каждого контейнера 300 электролита). В конкретных вариантах выполнения трубы 1010s, 1010r подачи и возврата могут быть трубами диаметром приблизительно 4 дюйма.
[0099] Точное число пар соединений 1010 может быть выбрано на основании желательного времени работы системы 200. Например, как показано на фиг. 10A, контейнер 1000 блоков батарей включает в себя пять пар соединений из труб 1010s, 1010r подачи и возврата с каждой стороны (например, 1002b, 1002d). Пары соединений, которые находятся в гидравлическом сообщении с контейнером 300 электролита, могут быть заглушены и герметизированы для защиты от непогоды.
[0100] Варианты выполнения пар соединений 1010s, 1010r могут проходить сквозь корпус 1002 контейнера блоков батарей через соответствующие проемы 1012 для соединения с трубой 350 подачи и трубой 352 возврата контейнера 300 электролита. Например, каждый проем может быть в виде плавающей панели 510, обсуждаемой ранее со ссылкой на фиг. 5. Проемы могут иметь такие размеры, чтобы обеспечить желательную величину радиального смещения (например, 0,5 дюйма), обеспечивая некоторую степень несоосности контейнеров и отклонения допусков.
[0101] Варианты выполнения банков блоков батареи и соответствующей сети трубопроводов жидкости контейнера 1000 блоков батарей показаны на фиг. 11A-11D. Каждый контейнер 1000 блоков батарей может включать в себя один или более блоков 1100 батарей, и эти блоки 1100 батарей могут быть электрически соединены проводами друг с другом с образованием банков 1102 блоков батарей. Банки 1102 блоков батарей, в свою очередь, могут быть соединены проводами в выбранной электрической конфигурации по отношению друг к другу с образованием комплекта 1104 блоков батарей, способного обеспечить желательные уровни напряжения и тока. В конкретных вариантах выполнения банки 1100 блоков батарей могут включать в себя элементы батареи и/или блоки батарей, выполненные в соответствии с одним из следующих документов: патент США № 9774044 (ʺБлок проточной батареи со встроенным теплообменникомʺ, дата подачи 21 сентября 2011 г.); публикация заявки на патент США № 2013/0029196 (ʺЭлементы проточной батареи, расположенные между входным коллектором и выходным коллекторомʺ, дата подачи 29 июля 2011 г.); патент США № 9166243 (ʺПроточная батарея со встроенным полем теченияʺ, дата подачи 18 декабря 2009 г.); публикация заявки на патент США № 2015/0263358 (ʺПроточная батарея со смешенным течениемʺ, дата подачи 20 декабря 2011 г.); и патент США № 8884578 (ʺСпособ и система для эксплуатации системы проточных батарей на основании расходов на энергиюʺ, дата подачи 07 февраля 2011 г.), содержание каждого из которых полностью включено в настоящее описание путем ссылки. Например, в варианте выполнения, показанном на фиг. 11B, контейнер 1000 блоков батарей включает в себя банки 1100 блоков батарей (например, 1100a, 1100b, 1100c, 1100d), причем два банка (1100a, 1100b) на одной стороне и два банка (1100c, 1100d) на противоположенной стороне. Каждый из банков 1100a, 1100b, 1100c, 1100d блоков батарей может быть электрически параллельным элементом (например, конфигурация 1S4P). Банки 1102 блоков батарей на каждой стороне соединены проводами последовательно друг другу (например, общая конфигурация 2S4P). Каждая из этих конфигураций дополнительно соединена проводами параллельно (например, общая конфигурация 2S8P из 16 блоков), образуя комплект 1104 блоков батарей.
[0102] Например, полагая 125 элементов (ячеек) на один блок 1100 батарей, такая конфигурация предусматривает восемь параллельных цепочек из 250 последовательных элементов, чтобы обеспечить номинальную мощность комплекта 1104 блоков батарей. Кроме того, предполагая использование ванадиевых проточных элементов с номинальным потенциалом 1,4 В, каждый блок 1100 батарей может иметь номинальный потенциал 175 В, а каждый контейнер батарей имеет номинальный потенциал 350 В.
[0103] В дополнительных вариантах выполнения блоки 1100 батареи могут быть разделены на множественные секции. В продолжение вышеописанного примера, в котором каждый блок 1100 батарей включает в себя 125 элементов батареи, электрически соединенных проводами последовательно, блок 1100 батарей может быть разделен на две секции электролита (например, приблизительно половину, где одна секция электролита включает в себя 62 элемента, и оставшаяся секция электролита батареи включает в себя 63 элемента). Преимущественно, такая компоновка может обеспечить улучшенное ослабление токов утечки через внешние трубы.
[0104] Каждый блок 1100 батарей может включать в себя близко смонтированный контактор, который может быть способен осторожно обращаться с полным напряжением системы и максимальным током блока. Это позволяет обеспечить соединение в шахматном порядке, а также электрическую изоляцию любого блока 1100 батарей. Наиболее положительно заряженная сторона блока 1100 батарей с каждой стороны комплекта 1104 блоков батарей может быть по отдельности снабжена плавкими предохранителями, что дает восемь предохранителей. Предохранители могут быть рассчитаны на защиту проводки комплекта 1104 блоков батарей в случае катастрофического короткого замыкания, а не только состояния перегрузки, поскольку максимальный номинальный ток сильно падает в своем номинальном значении. Например, предполагая, что предохранители имеют номинальную силу тока примерно 400 ампер, комплект 1104 блоков батарей может быть защищен при 3200 амперах в сумме.
[0105] Каждый из банков 1102 блоков батарей может быть ошинован медными шинами и взаимосвязан с другими наборами, используя медные кабели. Все шины и кабели могут быть рассчитаны на номинальное суммарное значение всех защитных предохранителей для того, чтобы отвечать требованиям NEC к проводам и минимизировать потери в проводах. Может дополнительно быть обеспечен прецизионный токовый шунт для измерения тока в или из комплекта 1104 блоков батарей, а также измерения напряжения на каждом банке. Эти значения могут сообщаться контроллеру блоков батарей, обсуждаемому далее.
[0106] В дополнительных вариантах выполнения контейнер 1000 блоков батарей может включать в себя запирающийся/размыкающий переключатель постоянного тока (не показан). Размыкающий переключатель постоянного тока может быть обеспечен вблизи дверей 1006 доступа, и он может быть выполнен с возможностью изолировать силовые компоненты постоянного тока внутри контейнера 1000 блоков батарей от любых компонентов, внешних относительно контейнера 1000 блоков батарей. Такие внешние компоненты могут включать в себя, но не ограничены ими, другие контейнеры блоков батарей, инвертеры и формирующие источники энергии (если подсоединены). Размыкающий переключатель постоянного тока может быть дополнительно выполнен с возможностью обеспечения прямого видимого подтверждения того, что контакты находятся в разомкнутом состоянии. При такой конфигурации размыкающий переключатель постоянного тока может помочь в безопасном обслуживании компонентов контейнера 1000 блоков батарей, особенно в тех обстоятельствах, когда контейнер 1000 блоков батарей обслуживается в то время, как другие части модульной и масштабируемой системы 200 проточных батарей остаются в рабочем состоянии.
[0107] Каждый из блоков 1100 батарей может быть установлен в пределах стойки 1106 внутри контейнера 1000 блоков батарей. Как показано на фиг. 11С, стойка 1106 включает в себя вертикальные опоры 1106а и горизонтальные опоры 1106b. В варианте выполнения вертикальные опоры 1106а могут быть выполнены в конфигурации с-образного 3-дюймового канала. Одна сторона стойки 1106 (например, задняя сторона) может быть помещена к контейнеру 1000 блоков батарей, а другая, противоположная сторона стойки 1106 (например, передняя сторона) может быть обращена к середине контейнера 1000 блоков батарей. В альтернативных вариантах выполнения (не показаны) стойки с установленными на них блоками батарей могут быть помещены снаружи, а не внутри контейнера блоков батарей и открыты в окружающую среду.
[0108] Варианты выполнения контейнера 1000 блоков батарей могут также быть выполнены с возможностью обеспечения удаления выбранных блоков 1100 батарей из контейнера 1000 блоков батарей для обслуживания или замены. Например, как показано на фиг. 11A и 11D, банки 1102 блоков батарей расположены внутри контейнера 1000 блоков батарей таким образом, что имеется пространство 1160 доступа. Это пространство 1160 доступа может иметь такие размеры, чтобы обеспечить достаточный зазор данному блоку 1100 батарей для его вытаскивания вбок из его стойки 1106 и направления продольно из контейнера 1000 блоков батарей, по существу не касаясь соседних стоек или труб сети трубопроводов жидкости, что обсуждается более подробно далее. Контейнер 1000 блоков батарей может также включать в себя подъемник 1112, установленный на продолжении 1114 съемной балки, для продольного перемещения данного блока 1100 батарей с целью обеспечения снятия из контейнера 100 блоков батарей.
[0109] Каждый блок 1100 батарей может быть соединен с сетью 502 трубопроводов жидкости для обеспечения протекания через него анолита и католита. Сеть 502 трубопроводов жидкости может включать в себя соответствующие главные коллекторы 1200 электролита, насосы 1202 электролита, шунтирующие коллекторы 1204 и коллекторы 1206 блока батарей для подачи и возврата каждого из анолита и католита. Например, относительно подачи, каждый электролит может входить в контейнер 1000 блоков батарей через одну или более соответствующих труб 1010s подачи, как указано выше, каждая из которых может быть соединена с соответствующим главным коллектором 1200s подачи электролита. Главный коллектор 1200s подачи электролита может быть достаточно велик, чтобы поток электролита в главный коллектор 1200s подачи электролита и из него был приблизительно сбалансирован (например, 10-дюймовые трубы). Поток подачи электролита внутри главного коллектора 1200s подачи электролита может быть направлен к насосу 1202s подачи электролита (например, с расходом приблизительно 200-400 галлонов в минуту) и подан к блокам 1100 батарей через соответствующие шунтирующие коллекторы 1204s подачи (например, 2-дюймовые трубы) и коллекторы 1206s блока батарей для подачи в соответствующие блоки 1100 батарей. Потоки возврата электролита могут течь в обратном направлении, через отдельные участки возврата сети 502 трубопроводов жидкости для каждого электролита, из блоков 1100 батарей через коллекторы 1206r возврата блока батарей, шунтирующие коллекторы 1204r возврата, насосы 1203r возврата и главный коллектор 1200r возврата электролита. Из главного коллектора 1200r возврата электролита электролит может покидать контейнер 1000 блоков батарей через соответствующие трубы 1010r возврата.
[0110] Шунтирующие коллекторы 1204 могут включать в себя отрезки труб, рассчитанные на то, чтобы сглаживать чрезмерные потери от токов утечки между элементами в блоках 1100 батарей. Контейнер 1000 блоков батарей может заключать в себе все шунтирующие коллекторы 1204, необходимые для снижения связанных с токами утечки потерь до приемлемого уровня. Каждый из шунтирующих коллекторов 1204 может служить для содержания одного из подачи анолита к соответствующему блоку 1100 батарей, подачи католита к соответствующему блоку 1100 батарей, возврата анолита от соответствующего блока 1100 батарей и возврата католита от соответствующего блока 1100 батарей. В конкретных вариантах выполнения шунтирующие коллекторы 1204 могут быть приблизительно 2-дюймовыми в диаметре трубами и обеспечивать расстояние шунтирования приблизительно 19 футов. В других вариантах выполнения вертикальные опоры 1106а стойки 1106 могут быть съемными (например, опоры на передней стороне, обращенной к середине контейнера 1000 блоков батарей) для обеспечения возможности установки шунтирующих коллекторов 1204.
[0111] В варианте выполнения насосы 1202 могут приводиться в действие приводами с регулируемой частотой (VFDs). Такая конфигурация может обеспечивать независимое, точное управление скоростью и, следовательно, расходом и давлением анолита и католита. Также могут быть обеспечены плавный запуск и полная обратная связь по параметрам мощности электродвигателя. Такие приводы с регулируемой частотой (VFDs) могут запитываться от панели вспомогательного питания, работающей под управлением контроллера контейнера блоков, обсуждаемого подробно далее.
[0112] Варианты выполнения сети 502 трубопроводов жидкости могут дополнительно включать в себя один или более клапанов (например, клапаны балансировки, клапаны отключения и т.д.). В целом, клапаны могут быть использованы для управления потоком с тем, чтобы повторно балансировать уровни, отключить основное питание, когда выключена система 200, и изолировать конкретные блоки 1100 батарей. Клапаны могут включать в себя ручные клапаны для целей обслуживания и автоматические клапаны для тех конфигураций, при которых отключение, запуск и различные функции системы должны осуществляться под управлением контроллера контейнера блоков, обсуждаемого далее более подробно. Например, как показано на фиг. 12В, клапаны 1210а могут быть необязательно предусмотрены в перекрестных коллекторах 1208, которые распределяют электролиты между соответствующими насосами 1202 и шунтирующими коллекторами 1204 для отключения или балансировки. Клапаны 1210b могут быть дополнительно предусмотрены между трубами 1010s, 1010r подачи и возврата и главными коллекторами 1200r, 1200s электролита (фиг. 12В, 13А). Клапаны 1210с могут быть предусмотрены между шунтирующими коллекторами 1204 и блоками 1100 батарей (фиг. 13В). Автоматизированное приведение в действие клапанов 1210a, 1210b, 1210c может быть обеспечено электродвигателями 1209 в связи с контроллером блоков батарей.
[0113] Когда использованы автоматизированные клапаны, для гарантии надлежащей работы может быть обеспечена обратная связь. В одном варианте выполнения сеть 502 трубопроводов жидкости может включать в себя один или более датчиков (например, датчиков температуры, датчиков расхода, датчиков давления, оптических датчиков, и т.д.), предназначенных для отслеживания и/или управления с обратной связью клапанами 1210a, 1210b, 1210c и для регулирования потока анолита и католита через них во время работы. Примеры датчиков 1212a, 1212b расхода анолита и католита и датчиков 1214a, 1214b давления анолита и католита показаны на фиг. 13А, 13В.
[0114] Опорная конструкция 1400 для главных коллекторов 1200 электролита показана на фиг. 14. Опорная балка 1402 (например, балка 5×16) может проходить по всей ширине контейнера 1000 блоков батарей. Опорные стержни 1404 (например, диаметром 7/8 дюйма) могут быть подвешены парами к опорной балке 1402. Роликовые трубные опоры 1406 могут быть прикреплены к каждой паре опорных стержней 1404. В конкретных вариантах выполнения роликовые трубные опоры 1406 могут быть предусмотрены для каждого главного коллектора 1200 электролита. Дополнительно к опорным стержням 1404 могут быть прикреплены сейсмические распорки 1410 для стабилизации в случае сейсмического события.
[0115] Варианты выполнения контейнера 1000 блоков батарей могут дополнительно включать в себя систему управления тепловым режимом. В целом, электролиты могут иметь особый рабочий диапазон температур, составляющий обычно от примерно 15°C до примерно 40°C. Если температура электролита падает ниже примерно 15°C, электролит может замерзнуть, и, как результат, система 200 не сможет обеспечить работу на полной мощности. Следовательно, если система 200 находится в холодной окружающей среде, то может быть выгодна ее способность подводить к электролиту внешнее тепло.
[0116] Как альтернативный вариант, в жаркие дни эта проблема может быть обратной. Потери в системе могут довести температуру электролита свыше 50°C, сверх верхнего предела рабочего диапазона температур электролита. Это состояние может стать проблематичным, поскольку, когда электролит находится в состоянии высокого заряда и высокой температуры, может произойти осаждение одного или более компонентов электролита, что может привести к отключению системы 200 из-за засорения. Хотя это явление обратимо, оно может отрицательно повлиять на работоспособность системы. Таким образом, может быть желательной возможность охлаждения электролита.
[0117] Чтобы нагреть и охладить электролит, варианты выполнения контейнера 1000 блоков батарей могут дополнительно включать в себя теплообменники 1500 жидкость-жидкость. Как показано на фиг. 15А-15В, теплообменники 1500 могут быть смонтированы в контейнере 1000 блоков батарей, используя механические устройства, такие как зажимы 1502. В конкретных вариантах выполнения зажимы 1502 быть зажимами для крепления кабельных лотков, которые установлены по скользящей посадке для обеспечения возможности теплового расширения теплообменников 1500. Теплообменники 1500 могут включать в себя один или более портов 1504 для присоединения к системе охладитель-нагреватель (не показана). Система охладитель-нагреватель может быть выполнена с возможностью нагрева и охлаждения теплоносителя (например, смеси воды и гликоля) до заданной температуры и подачи теплоносителя в теплообменники 1500. Контроллер системы батарей может дополнительно суммировать запросы от соответствующих блоков 1100 батарей и выдавать команду системе охладитель-нагреватель, когда требуется нагреть или охладить блоки 1100 батарей. В конкретных вариантах выполнения восемь теплообменников 1500 могут быть скомпонованы в параллельной конфигурации для достижения более высокой емкости.
[0118] Дополнительные системы, которые могут быть использованы для работы вариантов выполнения контейнера 1000 блоков батарей, обсуждаются далее.
Вспомогательное питание
[0119] Вспомогательное питание переменного тока (AC) может быть подсоединено к контейнерам 1000 блоков батарей через панель вспомогательного питания переменного тока (не показана). Такая панель может иметь главный запирающийся разъединитель и встроена в соответствии с промышленными стандартами (например, стандартами UL 508). Могут быть предусмотрены отдельные размыкатели цепи для защиты фидеров к каждому из двух насосов VFDs, вентиляторов, источника питания пульта управления, освещения и других местных нагрузок переменного тока. Эта панель также может включать в себя линейные реакторы (если необходимо). Все провода и компоненты, за исключением VFDs и проводки трубопроводов, могут содержаться в этой панели, увеличивая безопасность при обслуживании, поскольку большая из опасностей от переменного электрического тока заключена в объеме этой панели. Такая панель может быть заблокирована, способствуя предотвращению работы, когда двери 1006 для доступа в контейнер 1000 блоков батарей открыты. Такая панель может также питать необязательный обогреватель для персонала.
Контроллер контейнера блоков
[0120] В одном варианте выполнения каждый контейнер 1000 блоков батарей может дополнительно содержать контроллер контейнера блоков (SCC, от англ. «stack container controller»). Контроллер контейнера блоков может включать в себя вычислительное устройство, способное осуществлять сбор данных и исполнять программы управления, выполненные с возможностью мониторинга всех датчиков и приборов в контейнере 1000 блоков батарей, а также управления клапанами 1210a, 1210b, 1210c и электродвигателями 1209. Такой контроллер сообщается с главным контроллером системы батарей (BSC, от англ. «Battery System Controller»), расположенным снаружи. Может быть предусмотрена резервная батарея, чтобы позволить SCC работать по существу немедленно за прерыванием питания системы. Это может позволить SCC установить клапаны в безопасное состояние и сообщить во внешний мир о состоянии неисправности питания вместе с другими текущими состояниями. Входы датчиков могут быть снабжены способностью самопроверки и внутренней калибровки. Там, где необходимо, может быть предусмотрена изоляция, и входы могут быть защищены от перегрузок по току и радиочастотных помех (RFI). Контроллер SCC может иметь разъемы для внешних датчиков и другие соединения для минимизации среднего времени на ремонт (MTTR), если он повредится.
Освещение, блокировки и безопасность
[0121] В контейнере блоков батарей может быть обеспечено светодиодное (LED) освещение для обслуживающего персонала. Оно также может быть использовано, когда требования безопасности предписывают отслеживание камерами. Освещением можно управлять с помощью выключателей, расположенных на каждой двери доступа, а также с помощью дистанционной команды. Каждая дверь может контролироваться блокирующим переключателем, который связан с системой блокировки в целях безопасности. Открывание двери, когда система работает, может привести к отключению контейнера блоков батарей, подаче сигнала предупреждения с помощью контроллера системы батарей на сеть слежения и, в зависимости от конфигурации, к возможному отключению всей модульной системы проточных батарей.
[0122] Контейнер блоков батареи дополнительно может включать в себя независимую систему безопасности. Такая система может применять рассчитанные по уровню безопасности компоненты, такие как датчики утечки, переключатели с блокировкой и реле управления, для отключения системы в случае опасных условий (таких как значительная утечка), условий блокировки доступа или определенных неисправностей. Такая система может быть выполнена с возможностью работы полностью независимо от любого программного обеспечения или удаленной аварийной команды.
[0123] Специалисту в данной области техники будут ясны дополнительные признаки и преимущества раскрытых систем и способов, базирующихся на описанных вариантах выполнения. Соответственно, настоящее раскрытие не должно быть ограничено тем, что было конкретно показано и раскрыто, за исключением указанного в зависимых пунктах формулы изобретения. Все публикации и ссылки, перечисленные здесь, в явном виде включены в настоящее описание путем ссылки во всей своей полноте.
ПРИЛОЖЕНИЕ I
ВНЕШНИЕ СИСТЕМЫ
[0124] Варианты выполнения модульной системы проточных батарей могут быть обеспечены в электрической связи с одной или более из следующих внешних систем для способствования интеграции с электросетью.
Инвертер (система обеспечения качества электроэнергии; PCS)
[0125] Система обеспечения качества электроэнергии (PCS) является двунаправленным преобразователем постоянного-переменного токов (DC-AC) между основной шиной постоянного тока (DC) и промежуточным трехфазным напряжением переменного тока (AC). Это промежуточное напряжение пропускается через разделительный трансформатор для выдачи в сеть, как правило, трехфазного питания среднего напряжения. Шина инвертора постоянного тока является плавающей относительно земли; подключенная к сети сторона трансформатора заземлена или не заземлена по требованию.
[0126] Когда сеть подключена, инвертер действует как источник переменного тока, при управляемых активной и реактивной электрической мощности (режим «активная-реактивная мощность»). Инвертор может также работать в автономном режиме на первичном источнике питания в микросети или как источник бесперебойного электропитания (UPS), способный поддерживать нагрузки (режим «напряжение-частота»). За счет управления напряжением переменного тока и поведением коэффициента статизма по частоте инвертер также способен быть участником микросети, которая включает в себя множественные установки распределенной выработки электричества, а также нагрузки. В автономном режиме инвертер является лишь генератором, и выдает мощность на требуемых фиксированных напряжении и частоте, чтобы поддержать подключенные нагрузки, вплоть до его номинальной мощности. Когда сеть подключена, инвертер может проявить полную четырехквадрантную регулировку мощности. Он может обеспечить реактивную электрическую мощность при опережающем или запаздывающим емкостном токе, при выделении или введении реактивной электрической мощности. Поскольку эта система является системой хранения энергии, инвертер также должен выдавать активную электрическую мощность, чтобы изменить модульную систему проточных элементов.
Трансформатор, учет электроэнергии, распределительное устройство и защита
[0127] В варианте выполнения разделительный трансформатор, используемый с PCS, может быть подсоединен вплотную к PCS. Такое соединение может нести одни из самых высоких токов в системе и, следовательно, может иметь самую высокую стоимость кабелей. Соединение вплотную также понижает проводимые и испускаемые радиопомехи от скачков при переключении PCS, снижает потери и создает лучше охарактеризованный импеданс для моделирования системы.
[0128] Трансформатор может решать следующие проблемы конструкции системы:
i. Большинство межсистемных связей сети находятся под средним напряжением (например, от примерно 13,8 кВ до примерно 34,5 кВ). Большие промышленные потребители могут подсоединяться на 480 вольтах. Напряжение постоянного тока системы батарей требует переходного напряжения переменного тока PCS в приблизительно 315 вольт, и трансформатор осуществляет такое преобразование в требуемое напряжение межсистемных связей.
ii. Гальваническая изоляция. PCS по своей природе имеет гальваническое соединение межу сторонами постоянного тока (DC) и переменного тока (AC). Если PCS присоединена напрямую к сети, то на шину постоянного тока могут накладываться опасные напряжения переменного тока, что приведет к повышенным требованиям к системам изоляции и появлению дополнительных опасностей для персонала.
iii. Фильтрование гармоник. PCS является импульсным преобразователем с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и, следовательно, содержит значительные компоненты частот переключения на стороне переменного тока. Фильтрование может быть выгодным в PCS, чтобы отвечать требованиям UL и IEEE (CE в Европейском союзе, EU), и импеданс трансформатора является частью конструкции сети фильтрования.
iv. Устойчивость по импедансу. Большинство оборудования PCS разработано требующим определенной величины импеданса между им самим и сетью для поддержания устойчивости их внутренних контуров регулирования.
[0129] Учет электроэнергии, зачастую ʺразмер доходаʺ, обычно устанавливается в той точке общего присоединения (PCC), где модульная система проточных батарей подсоединяется к сети. Для средневольтных систем это обычно включает трансформаторы напряжения (PTs), трансформаторы тока (CTs) и сам счетчик. В общем счетчик является подсоединенным к сети (проводами или беспроводным образом) устройством, таким как «Shark» или устройство производства SEL. Измерение размера дохода обычно определяется как имеющее точность 0,5%, и, когда использованы PTs и CTs, это должно быть учтено в расчетах ошибок.
[0130] Чтобы подсоединить средневольтную сторону трансформатора к сети, имеется некая разновидность распределительного устройства, которое обычно включает в себя защиту. Оно может быть столь простым, как разъединитель с одновременным прерыванием всех полюсов с предохранителями, но также может быть автоматом повторного включения (АПВ) с очень четко установленными параметрами отключения, использующим комплексный контроллер, такой как SEL-651R. Для более крупных систем может иметь место средневольтная коммутационная панель со встроенными учетом и защитой.
[0131] Поскольку правила подключения к коммунальным сетям обычно требуют дублирующей защиты сети, при использовании номинального инвертера UL 1741 потребуется другое защитное ʺрелеʺ. SEL 351S является обычным устройством, используемым для такой функции, и присоединено проводами к расцепителю с шунтовой катушкой главного выключателя инвертора. Когда инвертор не указан в UL 1741, потребуется использовать два отдельных защитных реле, каждое из которых нужно будет подключить к шунтовому выключателю инвертора.
Вспомогательная система питания
[0132] Питание для работы таких компонентов модульной системы проточных батарей, как насосы, охладители, освещение и т. д., обеспечивается вспомогательной системой питания. В варианте выполнения модульная система проточных батарей может быть спроектирована на работу от 480-вольтного 3-фазного 4-проводного источника питания. Поскольку эта поддерживающая питание станция заряжается по розничным тарифам, местная коммунальная служба обычно может обеспечить ее питанием от трансформатора на 480 вольт по своей цене. Модульная система проточных батарей включает в себя главную распределительную панель на 480 вольт с выключателями для каждого контейнера блоков батарей, систему обеспечения качества электроэнергии, охладитель и все другие локальные нагрузки, требующие питания.
[0133] Каждый отдельный контейнер блоков батарей может быть выполнен с возможностью работать с использованием питания 120 А, 480 Вольт. При этих обстоятельствах максимальное потребление будет составлять приблизительно 81 А при всех насосах, работающих на максимуме, и всех нагрузках на максимальном потреблении. Типичное рабочее потребление составит приблизительно 50 ампер. Контейнеры электролита не содержат в себе никаких силовых устройств и, следовательно, не требуют какого-либо питания переменного тока. Каждый контейнер блоков батарей может быть выполнен включающим в себя трансформатор с 480 на 120 вольт для питания местных розеток для тестирования и сервисного оборудования. Управляющее и сетевое оборудование может включать в себя резервное питание от локальной батареи, чтобы обеспечить перемещения клапанов в безопасные положения и сообщать о состоянии другим частям системы.
[0134] Требования к питанию PCS могут варьироваться производителем. 3 фазы на 480 В могут быть доступны для PCS, а если PCS требует более низкого напряжения, то для этой цели может быть предусмотрен понижающий трансформатор, расположенный внутри или снаружи PCS.
[0135] Подсистема охладителя и нагревателя также запитывается от вспомогательной системы питания. Из-за нагрузок на нагрев и охлаждение эта подсистема может потреблять значительную мощность и может оказывать значительное влияние на общую эффективность системы при применении.
[0136] Когда требуется пуск из полностью обесточенного состояния или экстремальное полное переключение на аварийное энергопитание низкого напряжения (LVRT), могут использоваться источники бесперебойного питания (UPS) для работы насосов системы батарей и систем управления, подачи вспомогательного питания PCS, а также всего сетевого и защитного оборудования.
Контроллер системы батарей (BSC)
[0137] Контроллер системы батарей (BSC) находится снаружи контейнеров блоков батарей, в инверторе или шкафу вспомогательного управления. BSC контролирует работу модульной системы проточных батарей таким образом, что независимо от числа контейнеров блоков батарей (например, 2, 4, 6, 8 и т. д.) и связанных с ними контейнеров электролита, модульная система проточных батарей действует как объединенная, единая система накопления энергии постоянного тока, подлежащая подключению к одному инвертору. Один BSC связан с каждым инвертором в более крупной системе, содержащей множественные инверторы. Программное обеспечение BSC настроено на число соответствующих контейнеров блоков.
• Управляет запуском и отключением всех связанных с ним контейнеров блоков.
• Управляет и передает уведомления о состояниях предупреждения и неисправности.
• Управляет отключениями системы из-за неисправностей и условий блокировки.
• Объединяет все подключенные контейнеры блоков, чтобы представить себя и действовать как одна система.
• Рассчитывает общее состояние заряда (SOC) системы.
• Управляет балансом SOC в последовательных и параллельных цепочках.
• Рассчитывает пределы тока заряда и разряда.
• Командует системой охладитель-нагреватель.
• Ведет подробный файл журнала данных о работе и неисправностях системы.
• Собирает подробную информацию в журнал от контейнеров блоков для ее передачи по сети.
• Предоставляет доступный через интернет графический интерфейс пользователя для локального или удаленного мониторинга и управления.
• Управляет обновлениями программного обеспечения для соответствующих контейнеров блоков.
[0138] BSC может быть выполнен как установленное в стойке вычислительное устройство с промышленным температурным диапазоном, смонтированное с другим системным сетевым оборудованием (например, сетевыми маршрутизаторами, контроллерами сети и т. д.).
Контроллер сети
[0139] Контроллер сети (GC) может быть выполнен с возможностью осуществления общей работы всей площадки, на которой установлена модульная система проточных батарей. Например, GC может выполнять одно или более из следующего:
• Координирует работу одного или более контроллеров BMC, инверторов и охладителей на площадке.
• Контролирует локальные и/или удаленные измерители качества электроэнергии.
• Отслеживает и управляет различными возможными «вариантами использования» (режимами) всей модульной системы проточных батарей.
• Записывает общие контрольно-измерительные показатели работы системы.
• Осуществляет связь, используя DNP3, IEC 61850 и другие сетевые протоколы.
• Предоставляет доступный через интернет графический интерфейс пользователя для локального или удаленного мониторинга и управления.
• Передает сообщения управления, такие как обновления прошивки, инвертеру и контроллерам BMC.
• Предоставляет услуги информационной безопасности в сочетании с защищенным маршрутизатором.
Система охладитель/нагреватель
[0140] Ограничения рабочей температуры жидкого электролита могут потребовать использования системы охладитель-нагреватель. Прикладная инженерия может определить требуемую конфигурацию на основе местных условий на площадке и требований к эксплуатационной готовности.
[0141] Хладагент может включать в себя любой подходящий хладагент. Например, хладагент может включать смесь 50-50 деионизированной воды и этиленгликоля. В хладагент могут быть добавлены ингибиторы, так как и в охладителе, и в нагревателе присутствуют металлические смачиваемые компоненты. Хладагент должен оставаться непроводящим из-за возможного контакта с находящимся под напряжением электролитом в том случае, когда происходит утечка из теплообменника жидкость-жидкость.
[0142] Система хладагента может включать в себя монитор электропроводности, выполненный с возможностью включения аварийного сигнала в системе мониторинга, если электропроводность возрастает выше выбранного порогового значения (например, 10 микросименс на квадратный сантиметр). Поскольку фильтры деионизированной воды в системе хладагента заменяются ежегодно, наиболее вероятной неисправностью, на которую указывает проводимость хладагента, является утечка из теплообменника.
[0143] Система охладитель-нагреватель может быть выполнена с возможностью работы с использованием панели вспомогательного питания 480 В на площадке. В качестве части системы охладитель-нагреватель могут быть дополнительно предусмотрены насосы для подачи хладагента, трубопроводы, предохранительные клапаны, спускные и изолирующие клапаны, изоляция труб, расширительные баки и органы управления системой.
[0144] В определенных вариантах выполнения может быть предусмотрен теплообменник жидкость-воздух, поскольку это наиболее энергоэффективный способ охлаждения в течение большей части года в умеренном климате.
ПРИЛОЖЕНИЕ II
РЕЖИМЫ РАБОТЫ
[0145] Типичные режимы работы показаны ниже. Конкретные режимы работы могут определяться требованиями заказчика, и возможна интеграция с фотоэлектрическими и/или ветровыми системами, или системами контроля нагрузки.
1. Режим работы с подключением к сети
[0146] Одним из основных режимов работы модульной системы проточных батарей является режим подключения к сети. Этот режим работы позволяет клиенту выполнять поддержку VAR, управление запросами и выравнивание нагрузки. Все эти применения достигаются при постоянном подключении и синхронизации с местной энергосетью. Предполагается, что модульная система проточных батарей является второстепенным игроком (по мощности) в сети.
1a. Укрепление возобновляемых источников энергии
[0147] Выходной мощностью накопителя энергии можно активно управлять, увеличивая/уменьшая ее в зависимости от изменения солнечной фотоэлектрической или ветровой генерации, чтобы поддерживать постоянный уровень совокупной выходной мощности в течение определенного периода времени, а также управлять скоростями изменения мощности возобновляемого источника.
1b. Управление зарядкой по требованию
[0148] Накопитель энергии будет работать согласованно с изменяющейся нагрузкой потребителя, чтобы ограничить спрос до заданного уровня. Нагрузка потребителя будет отслеживаться, а накопитель диспетчеризуется для восполнения разницы между фактической нагрузкой и заданным пределом. Система может быть настроена на заранее заданные значения или настроена на изучение кривых спроса с течением времени.
1с. Режим следования за нагрузкой
[0149] Накопитель энергии может быть диспетчеризован для следования за изменениями в совокупной выходной мощности возобновляемого источника энергии и за нагрузкой распределительной цепи. Это может быть использовано для управления экономикой возобновляемых источников энергии, например, как в вышеприведенном разделе «Управление зарядкой по требованию», или для того, чтобы справиться с лимитами распределения.
1d. Управление стоимостью энергии на время использования (арбитраж)
[0150] Оптимальный график диспетчеризации накопления энергии может быть разработан на основе тарифа, зависящего от времени использования. Этот график может включать как зарядку, так и разрядку. В некоторых вариантах осуществления это может быть практичным только в тех случаях, когда существует значительная разница в стоимости энергии между пиковыми и непиковыми периодами или когда происходит отрицательное ценообразование из-за «кривой утки».
1e. Поддержка напряжения
[0151] Инвертор может быть диспетчеризован для выдачи реактивной мощности в распределительную цепь на основе сценариев, включающих в себя управление на основе времени, ручную диспетчеризацию и активный контроль в реальном времени.
2. Режим работы «Микросеть»
[0152] Микросеть - это сеть распределенных генераторов и нагрузок, в которой модульная система проточных батарей может быть одним из нескольких источников питания, которым можно отдавать команды на импорт питания для зарядки или на экспорт питания для поддержки нагрузок. Для полноценного участия в микросети инвертор выполнен с возможностью реализации управления напряжением переменного тока и коэффициентом статизма по частоте. Динамически задаваемые значения регулируются оператором системы (контроллером микросети) для настройки роли модульной системы проточных батарей в микросети.
3. Автономный режим работы
[0153] В автономном режиме работы модульная система проточных батарей может эксплуатироваться как автономный генератор для запитывания известных нагрузок. В этом режиме модульная система проточных батарей подключается только к нагрузке и может только разряжаться, поскольку нет другого источника питания для зарядки от него. Как правило, этот режим имеет место при настройке на резервное питание (ниже), иначе не было бы возможности перезарядить модульную систему проточных батарей элементов.
4. Резервное питание (автономное)
[0154] Инвертор может быть необязательно оборудован изолирующим автоматом повторного включения (АПВ). При такой конфигурации модульная система проточных батарей может выдавать динамическое резервное питание на нагрузку. В состоянии неисправности сети, АПВ размыкается, отключая от сети, и питание продолжает поступать к нагрузкам потребителя от модульной системы проточных батарей. Это не следует путать с источником бесперебойного питания, поскольку здесь будет иметь место переход, при котором модульная система проточных батарей должна приспосабливаться к внезапному изменению нагрузки.
[0155] Когда питание сети восстановлено, PCS синхронизирует свое напряжение и фазу перед повторным замыканием АПВ сети. Обычно это выполняется реле управления АПВ в сочетании со специальными возможностями инвертора. Эта возможность может быть скомбинирована с любым из вышеперечисленных применений для выравнивания нагрузки и управления спросом.
5. Пуск из полностью обесточенного состояния
[0156] Если на площадке установлен источник бесперебойного электропитания (UPS) достаточной мощности, одна или более модульных систем проточных батарей могут быть выполнены с возможностью работы в режиме пуска из полностью обесточенного состояния. Как только одна модульная система проточных батарей подключается к сети, другие связанные с ней системы могут быть затем подключены с использованием выходной мощности из первой системы. Таким образом, вся большая система может быть подключена к сети. Нагрузка на сеть должна быть в пределах возможностей системы, и для этого требуется специальная инженерно-техническая разработка под конкретные площадку и применения.
ПРИЛОЖЕНИЕ III
АВАРИЙНОЕ ОТКЛЮЧЕНИЕ (EPO)/АВАРИЙНАЯ ОСТАНОВКА (ESTOP)
[0157] В соответствии с передовой практикой и правилами техники безопасности модульная система проточных батарей должна быть остановлена или отключена в случае аварии или другого аномального события. Ниже перечислены различные уровни останова, которые могут быть настроены на основании требований заказчика или регулирующий инструкций уполномоченного органа (AHJ). Срок службы системы продлевается при минимизации числа «жестких отключений», поэтому необходимо приложить усилия, чтобы согласовать уровень останова/отключения с серьезностью аномального события/аварийной ситуации.
[0158] В нижеприведенной таблице указано, какие именно системы обесточены/отключены на каждом уровне останова. Далее следует описание каждого состояния, какие действия происходят и что физически запускает каждое состояние.
| Управляющий сигнал | Сеть EPO | Система EPO | ESTOP | Авар./выкл. | Локальная ESTOP | Локальное выключение |
| Контактор сети переменного тока | X | X | X | X | ||
| Контактор постоянного тока контейнера батарей | все | все | все | пара | Индивид. | |
| Останов насоса | все | все | Индивид. | Индивид. | ||
| UPS EPO (при использовании) | все | все | Индивид. |
1. Сеть ЕРО
Описание: Сигнал включения экспорта электроэнергии в сеть снят. PCS изолирован от сети.
Действие: Разрывает выходные контакторы переменного тока в PCS. Шина постоянного тока активна и насосы работают. Система выполнит плановый останов.
Физически: реле с сухими контактами для удаленного использования клиентом. Оно будет перемкнуто, если не используется.
2. Система EPO - общесистемное питание EPO
Описание: PCS выдается EPO, контакторы сети переменного тока разомкнуты, все контакторы шины постоянного тока контейнеров батарей разомкнуты. Контейнеры батарей работают от вспомогательного источника питания с нулевой нагрузкой постоянного тока.
Действие: сигнал включения шины постоянного тока снят с контейнеров батарей. Включающий контакторы переменного тока сигнал снят. Остается вспомогательное питание 208 В переменного тока (VAC). Инициируется плановый останов. Все насосы остаются активными.
Физически: отдельный поданный по проводам сигнал (параллельно с E-stop) с входом от управляющего программного обеспечения.
3. ESTOP - общесистемный ESTOP
Описание: Все источники переменного и постоянного тока высокого напряжения изолированы, активны только органы управления.
Действие: Снимает сигнал «Включить» для всех контейнеров батарей и PCS. Размыкает выходные контакторы переменного тока в PCS и размыкает все контакторы шины постоянного тока. Все насосы останавливаются. Все блоки UPS выдали EPO.
Физически: 1 защищенная грибовидная кнопка на корпусе PCS, 1 программное реле, 1 реле с сухими контактами для удаленного использования клиентом, 1 защищенная грибовидная кнопка на каждом контейнере батарей. Все кнопки представляют собой нормально замкнутый контакт, все реле – нормально разомкнутый контакт.
4. Аварийное выключение
Описание: Полное отключение системы.
Действие: Отключает вспомогательное питание 480 В для всех контейнеров батарей и PCS. EPO всех блоков UPS. Все контакторы разомкнуты, а силовые преобразователи выключены. Нет питания, за исключением питания от батареи сетевого устройства.
Физически: один защищенный главный выключатель на главной панели вспомогательного питания.
5. Локальная ESTOP - аккумуляторный модуль ESTOP
Описание: Отключает работу определенного контейнера батарей. PCS и все остальные контейнеры батарей по-прежнему работают в нормальном режиме. Соответствующий спаренный контейнер батарей переходит в режим ожидания.
Действие: размыкает контакторы шины постоянного тока. Все насосы останавливаются.
Физически: активируется кнопкой на корпусе контейнера батарей или размыканием выключателя постоянного тока контейнера батарей (через контакт AUX).
6. Локальное выключение
Описание: Отключает локальную работу отдельного контейнера батарей.
Действие: Контроллер контейнера батарей теряет питание. Размыкает контакторы шины постоянного тока. Все насосы останавливаются.
Физически: Активируется выключателем на корпусе контейнера батарей. Примечание: если UPS установлен, UPS должен быть выключен.
1. Модульная вторичная батарея, содержащая: систему батарей, включающую в себя:
корпус, содержащий множество электрически связанных проточных блоков элементов;
сеть трубопроводов анолита, гидравлически сообщающуюся с каждой из множества проточных блоков элементов и включающую в себя множество (N) соответствующих пар трубопроводов анолита, при этом каждая из соответствующих пар трубопроводов анолита включает трубопровод возврата анолита и трубопровод подачи анолита; и
сеть трубопроводов католита, гидравлически сообщающуюся с каждой из множества проточных блоков элементов и включающую в себя множество (N) соответствующих пар трубопроводов католита, при этом каждая из соответствующих пар трубопровода католита включает трубопровод возврата католита и трубопровод подачи католита;,
где N пар трубопроводов анолита и N пар трубопроводов католита проходят через боковые стороны корпуса и расположены на определенном расстоянии друг от друга вдоль боковых сторон корпуса; и
от 1 до N соответствующих пар контейнеров анолита и контейнеров католита, при этом каждая из пар соответственно выполнена с возможностью содержания раствора анолита и раствора католита, и каждый индивидуальный контейнер анолита содержится в соответствующем контейнере электролита, и каждый индивидуальный католит содержится в соответствующем контейнере электролита, где каждый контейнер анолита выполнен с возможностью независимого соединения с соответствующей одной из пар трубопроводов анолита, и каждый контейнер католита выполнен с возможностью независимого соединения с соответствующей одной из пар трубопроводов католита таким образом, что соответствующие контейнеры анолита и соответствующие контейнеры католита в соответствующих контейнерах электролита находятся на определенном расстоянии друг от друга вдоль боковых сторон корпуса; и
где N пар трубопроводов анолита и N пар трубопроводов католита, проходящих через и расположенных на определенном расстоянии друг от друга вдоль боковых стенок корпуса, способствуют изменению количества раствора анолита и раствора католита и емкости электроэнергии, которая может накапливаться и выдаваться в соответствии с соединением и использованием N или меньшего количества пар контейнеров анолита и контейнеров католита в системе батарей.
2. Батарея по п. 1, в которой каждая система батарей выполнена с возможностью штабелирования в вертикальном направлении относительно другой системы батарей, и каждый контейнер электролита выполнен с возможностью штабелирования в вертикальном направлении относительно другого контейнера электролита, при этом система батарей и контейнеров электролита в каждом горизонтальном слое блоков обеспечивает соответствующую модульную вторичную батарею, где пары контейнеров анолита и контейнеров католита одной модульной вторичной батареи изолированы от пар контейнеров анолита и контейнеров католита каждой другой модульной вторичной батареи.
3. Батарея по п. 2, дополнительно содержащая по меньшей мере две штабелированные в вертикальном направлении системы батарей, по меньшей мере два штабелированных в вертикальном направлении контейнера анолита и по меньшей мере два штабелированных в вертикальном направлении контейнера католита для обеспечения по меньшей мере двух модульных вторичных батарей.
4. Батарея по п. 1, в которой система батарей является в целом удлиненной и проходит по продольной оси, и при этом соответствующие контейнер анолита и контейнеры католита выполнены с возможностью присоединения к контейнеру блоков батарей вдоль боковых сторон от продольной оси, и где N равно одному из 2, 3, 4 и 5.
5. Батарея по п. 1, в которой каждая из N пар трубопроводов анолита размещена на первой боковой стороне контейнера блоков и каждая из N пар трубопроводов католита размещена на второй боковой стороне контейнера блоков, противоположной первой боковой стороне контейнера блоков.
6. Способ обеспечения изменяющихся накопления энергии и выходной мощности, включающий этапы:
выбирают от 1 до множества (N) пар контейнеров электролита для обеспечения заданной емкости электроэнергии, причем каждая пара контейнеров электролита включает в себя контейнер анолита, выполненный с возможностью удерживания раствора анолита, и контейнер католита, выполненный с возможностью удерживания раствора католита;
выбирают число проточных батарей элементов в системе батарей для обеспечения заданной величины мощности, при этом система батарей содержит:
корпус, содержащий по меньшей мере некоторое количество проточных блоков элементов в электрическом взаимодействии;
сеть трубопроводов анолита, гидравлически сообщающуюся с каждым из по меньшей мере ряда проточных блоков элементов и включающую множество (N) соответствующих пар трубопроводов анолита, при этом каждая из соответствующих пар трубопроводов анолита включает трубопровод возврата анолита и трубопровод подачи анолита; и
сеть трубопроводов католита, гидравлически сообщающуюся с каждым из по меньшей мере ряда проточных блоков элементов и включающую множество (N) соответствующих пар трубопроводов католита, при этом каждая из соответствующих пар трубопроводов католита включает трубопровод возврата католита и трубопровод подачи католита;
где N пар трубопроводов анолита и N пар трубопроводов католита проходят через боковые стороны корпуса для содействия соединению; и расположены на определенном расстоянии друг от друга вдоль боковых сторон корпуса; и
соединяют каждую от 1 до N пар контейнеров электролита напрямую с системой батарей таким образом, что каждый соответствующий контейнер анолита независимо соединен с одной из соответствующих пар трубопроводов анолита, и каждый соответствующий контейнер католита независимо соединен с одной из пар соответствующих пар трубопроводов католита для создания системы проточных батарей, имеющей заданную емкость электроэнергии и заданную величину мощности; и
где соответствующие контейнеры анолита и соответствующие контейнеры католита расположены на определенном расстоянии друг от друга вдоль боковых сторон системы батарей в одной горизонтальной плоскости.
7. Способ по п. 6, в котором каждый контейнер анолита выполнен с возможностью обратимого соединения с парой трубопроводов возврата анолита и подачи анолита, и каждый контейнер католита выполнен с возможностью обратимого соединения с парой трубопроводов возврата католита и подачи католита.
8. Способ по п. 6, в котором от 1 до N пар контейнеров электролита подсоединяют к системе батарей таким образом, что контейнер анолита присоединен на одной стороне системы батарей, а контейнер католита присоединен на другой, противоположной, стороне системы батарей.
9. Способ по п. 6, в котором блок батарей определяет первый блок батарей, и от 1 до N пар контейнеров электролита определяют первые пары контейнеров электролита, которые при соединении с первой системой батарей определяют первую модульную вторичную батарею в первой горизонтальной плоскости; и
где способ включает:
выбор второй от 1 до N пар контейнеров электролита для соединения с блоком батарей, определяющим второй блок батарей, вместе при соединении, вторые пары контейнеров электролита, и второй блок батарей, определяющий вторую модульную вторичную батарею во второй горизонтальной плоскости; и
соединение первой модульной вторичной батареи и второй модульной вторичной батареи.
10. Способ по п. 9, в котором от 1 до N пар контейнеров электролита из первой модульной вторичной батареи и второй модульной вторичной батареи расположены таким образом, что контейнеры анолита первой модульной вторичной батареи штабелированы в вертикальном направлении с контейнерами анолита второй модульной вторичной батареи, и контейнеры католита первой модульной вторичной батареи штабелированы в вертикальном направлении с контейнерами католита второй модульной вторичной батареи, и при этом система батарей первой модульной вторичной батареи штабелирована в вертикальном направлении с системой батарей второй модульной вторичной батареи.
11. Способ по п. 6, в котором в нижней части корпуса системы батарей определен объем для получения по меньшей мере некоторого количества вытекающего раствора анолита или раствора католита или обоих, который вытекает из любой из пар контейнеров электролита, обеспечивая тем самым совместное удерживание электролита.
12. Способ по п. 11, дополнительно включающий соединение соответствующего удерживающего кожуха вокруг каждого соединения между системой батарей и соответствующими парами контейнеров электролита для направления раствора для совместного удерживания системой батарей.
13. Способ по п. 11, в котором система батарей содержит дверь доступа через корпус, расположенную над нижней частью корпуса, которая обеспечивает вторичное удерживание.
14. Способ по п. 13, в котором дверь доступа расположена на конце на одной линии с продольной осью системы батарей.
15. Способ по п. 6, дополнительно включающий обнаружение утечки в контейнере электролита одной из N пар контейнеров электролита с использованием системы датчика утечки внутри контейнера электролита, причем система датчика утечки расположена между стенкой контейнера и баком, выполненным с возможностью содержания электролита, и система датчика утечки содержит отстойник, датчик, выполненный с возможностью обнаружения электролита, и фитинг, выполненный с возможностью обеспечения гидравлического сообщения между отстойником и датчиком.
16. Способ по п. 15, дополнительно включающий:
наполнение промежуточного пространства между стенкой контейнера и баком слабо проводящей жидкостью, причем слабо проводящая жидкость является смешиваемой с электролитом, который вытекает из бака, с образованием смеси с электролитом, при этом слабо проводящая жидкость предусмотрена в достаточном объеме, так что смесь с электролитом заполняет отстойник и вступает в контакт с датчиком; и
обнаружение утечки электролита на основании проводимости смеси с электролитом при контакте с датчиком.
17. Батарея по п. 1, где в нижней части корпуса определен объем для приема вытекшего электролита из любой из пар контейнеров электролита, тем самым обеспечивая совместное удерживание электролита системой батарей.
18. Батарея по п. 17, в которой корпус герметизирован в нижней части для определения объема нижнего поддона.
19. Батарея по п. 17, содержащая соответствующий удерживающий кожух вокруг каждого соединения между системой батарей и от 1 до N соответствующих пар контейнеров электролита для направления вытекшего раствора в систему батарей для совместного удерживания.
20. Батарея по п. 17, где система батарей содержит дверь доступа через корпус, расположенную над нижней частью корпуса, при этом объем определен для обеспечения вторичного удерживания.
21. Батарея по п. 20, где дверь доступа расположена на конце на одной линии с продольной осью системы батарей.
22. Система батарей для модульной вторичной батареи, содержащая:
корпус, содержащий множество проточных блоков элементов, электрически связанных между собой;
сеть трубопроводов анолита, сообщающихся по текучей среде с каждым из множества проточных блоков элементов и включающих множество (N) соответствующих пар трубопроводов анолита, при этом каждая из соответствующих пар трубопроводов анолита включает трубопровод возврата анолита и трубопровод подачи анолита; и
сеть трубопроводов католита, сообщающихся по текучей среде с каждым из множества проточных блоков элементов и включающих множество (N) соответствующих пар трубопроводов католита, при этом каждый из соответствующих пар трубопроводов католита включает трубопровод возврата католита и трубопровод подачи католита;
где N пар трубопроводов анолита и N пар трубопроводов католита:
проходят через боковые стороны корпуса; и
расположены на определенном расстоянии друг от друга вдоль боковых сторон корпуса; и
выполнены с возможностью независимого соединения с соответствующими парами от 1 до N соответствующих пар контейнера анолита и контейнера католита, при этом каждый контейнер анолита выполнен с возможностью содержания раствора анолита, и каждый контейнер католита выполнен с возможностью содержания раствора католита, и каждый контейнер анолита и каждый контейнер католита содержится в пределах соответствующего контейнера электролита, так что
соответствующие пары контейнеров анолита и контейнера католита расположены на определенном расстоянии друг от друга вдоль боковых сторон корпуса; а также при этом система батарей позволяет изменять количество раствора анолита, и
где система батарей содействует изменению количества раствора анолита и раствора католита и емкости электроэнергии, которая может накапливаться и выдаваться в соответствии с соединением и использованием от 1 до N пар контейнера анолита и контейнера католита с системой батарей.
