全钒液流电池的换热方法与流程

1.本发明涉及全钒液流电池领域，具体涉及一种全钒液流电池的换热方法。


背景技术：

2.经过多年的发展，钒电池技术已经趋近成熟。钒电池(vrb)又称全钒氧化还原液流电池，即全钒液流电池，是一种绿色环保的大容量储能装置，其特有的电化学原理使其不同于传统的蓄电池，并具有耐大电流充放电，容量易于调整，可深度放电，电解液重复使用，能实现瞬间充电，寿命长等诸多优点，不会造成环境污染，不仅可与太阳能、风能系统集成，还可用作电站调峰系统、边远地区贮能系统、应急电源系统和电动车能源等优点，因此在大规模储能领域具有广阔的前景，引起了国内外许多研究机构的广泛关注，成为能源领域的研究热点。
3.钒电池将存储在电解液中的能量转换为电能，这是通过两个不同类型的、被隔膜隔开的钒离子之间交换电子来实现的。电解液是由硫酸和钒混合而成的，酸性和传统的铅酸电池一样。由于这个电化学反应是可逆的，所以vrb既可以充电，也可以放电。充放电时随着两种钒离子浓度的变化，电能和化学能相互转换。
4.vrb由两个电解液池和一层层的电池单元组成。每个电池单元由两个“半单元”组成，中间夹着隔膜和用于收集电流的电极。两个不同的“半单元”中盛放着不同离子形态的钒电解液。每个电解液池配有一个泵，用于在封闭的管道中为每一个“半单元”输送电解液。当带电的电解液在电池单元中流动时，电子就流动到外部电路，这就是放电过程。当从外部将电子输送到电池内部时，相反的过程就发生了，这就是给电池单元中的电解液充电，然后再由泵输送回电解液池。在vrb中，电解液在多个电池单元间流动，电压是各单元电压串联形成的。电流密度由电池单元内电流收集极的表面积决定，但是电流的供应取决于电解液在电池单元间的流动，而不是电池层本身。vrb电池技术的一个最重要的特点是：峰值功率取决于电池层总表面积，而电池的电量则取决于电解液的多少。vrb电池的电极和电解液不一定必须放到一块，这就意味着能量的存放可以不受电池外壳的限制。
5.钒电池主要优点如下：
6.功率大：通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加钒电池的功率，目前商业化示范运行的钒电池的功率已达20mw。容量大：通过任意增加电解液的体积，即可任意增加钒电池的电量，可达gwh以上；通过提高电解液的浓度，即可成倍增加钒电池的电量。效率高：由于钒电池的电极催化活性高，且正、负极活性物质分别存储在正、负极电解液储槽中，避免了正、负极活性物质的自放电消耗，钒电池的充放电能量转换效率高达75％以上。寿命长：由于钒电池的正、负极活性物质只分别存在于正、负极电解液中，充放电时无其它电池常有的物相变化，可深度放电而不损伤电池，电池使用寿命长。响应速度快：钒电池堆里充满电解液可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02s，响应速度1ms。可瞬间充电：通过更换电解液可实现钒电池瞬间充电。安全性高：钒电池无潜在的爆炸或着火危险，即使将正、负极电解液混合也无危险，只是电解液温度略有升高。成本低：除离子膜外，
钒电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，材料来源丰富，易回收，不需要贵金属作电极催化剂，成本低。此外，钒电池选址自由度大，可全自动封闭运行，无污染，维护简单，运营成本低。
7.全钒液流电池主要依靠电解液实现充放电。电解液的充放电受电解液温度影响：电解液温度低，电解液启动受影响，甚至温度过低，无法启动，电解液温度高，将影响电池性能，需进行适当冷却。目前，现有的全钒液流电池冷却基本都是通过类似于空调制冷剂冷却空气的冷却方式，或冰箱的冷却方式，用制冷剂冷却电解液，通过压缩机，蒸发器或冷凝器，实现制冷剂的换热和循环。由于全钒液流电池都是大型储能电池，功率较大，所需的制冷剂的换热和循环规模都很大，造成需要较大的压缩机和较多的制冷剂，需要建立制冷所需的场地和设备，占地成本高，设备成本高，维护成本高。
8.综上所述，现有技术中存在以下问题：全钒液流电池电解液的换热需要压缩机和较多的制冷剂，占地成本高，设备成本高，维护成本高。


技术实现要素：

9.本发明提供一种全钒液流电池的换热方法，以解决现有的全钒液流电池电解液的换热需要压缩机和较多的制冷剂，占地成本高，设备成本高，维护成本高的问题。
10.为此，本发明提出一种全钒液流电池的换热方法，所述全钒液流电池的换热方法包括：
11.采用电厂循环水对全钒液流电池的电解液进行换热。
12.进一步地，所述电厂循环水对全钒液流电池的电解液进行换热的初始温度为20～30℃。
13.进一步地，通过安装于正极和/或负极电解液储罐的电解液换热管路进行换热，所述电解液换热管路上设有电解液循环泵及电解液换热器，所述电解液换热器为壳管式换热器，电解液换热器的管侧为电解液，电解液换热器的壳侧为电厂循环水，换热形式采用逆流换热。
14.进一步地，在所述全钒液流电池的电解液的温度低于启动温度t1时，用电厂循环水对全钒液流电池的电解液进行加热，实现全钒液流电池发电的启动。进一步地，电厂循环水通过电厂循环水泵实现循环，不需额外循环泵。
15.进一步地，电厂循环水通过冷却塔或余热回收装置散热，不需额外散热器。
16.进一步地，电厂循环水采用冷却塔冷却时，散热最大功率为全钒液流冷却需求功率的10倍以上。
17.进一步地，通过余热回收装置回收电厂循环水对全钒液流电池的电解液换热过程中获得的热量。
18.进一步地，电厂循环水具有余热回收装置用于供热时，余热回收最大功率为全钒液流冷却需求功率的10倍以上。
19.进一步地，为回收全钒液流电池系统余热而增设余热回收装置时，电厂循环水泵最大流量同时满足电厂乏汽冷却和全钒液流电池冷却需求。
20.进一步地，通过安装于正极和/或负极电解液储罐的电解液换热管路进行换热，所述电解液换热管路上设有电解液循环泵及电解液换热器，所述电解液换热器为板式换热
器。
21.本发明直接采用电厂已有的循环水对全钒液流电池的电解液进行换热，不需要另外建制冷、压缩所需的场地和设备，节省了占地成本、设备成本、使用成本以及维护成本，减少制冷剂的使用，成本降低而且更加环保。
22.进而，电厂循环水正常运行的温度比较稳定，能达到或高于全钒液流电池电解液的启动温度，当全钒液流电池的电解液温度较低时，通过电厂循环水的加热，可以提高全钒液流电池的电解液温度到启动温度，实现正常工作；当全钒液流电池的电解液温度较高时，通过电厂循环水的冷却，全钒液流电池的电解液温度下降到正常工作温度范围内，电厂循环水通过热交换获得的热量可以用于居民采暖供热或生活热水，有利供热，增加经济效益，节能减排。
附图说明
23.图1为本发明的全钒液流电池的换热方法的工作原理示意图。
具体实施方式
24.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
25.如图1所示，本发明提出一种全钒液流电池的换热方法，所述全钒液流电池的换热方法包括：采用电厂循环水对全钒液流电池的电解液进行换热。本发明可以将全钒液流电池电站建在电厂附近或电厂内，能够充分利用电厂的资源。
26.电厂循环水是用来冷却电厂乏汽的，是电厂原有的循环水。直接采用电厂已有的循环水对全钒液流电池的电解液进行换热(例如，电厂已有的循环水进行电厂乏汽冷却之外，另外分出一支用于对全钒液流电池的电解液进行换热)，电厂循环水的温度基本与全钒液流电池正常工作的温度范围相匹配，不需额外的升温或降温即可与全钒液流电池的电解液进行换热，不需要另外建制冷、压缩所需的场地和设备，节省了占地成本、设备成本、使用成本以及维护成本，减少制冷剂的使用，成本降低而且更加环保。
27.进一步地，所述电厂循环水对全钒液流电池的电解液进行换热的初始温度为20～30℃。电厂循环水温度相对比较稳定，冬季温度稍微低些，在20℃左右，夏季温度稍微高些，在30℃左右。一般情况下全钒液流电池长时间安全工作的温度被限制在10～40℃之间,温度过高或过低时,电解液均易出现沉淀、堵塞等问题。本发明采用温度合适的电厂循环水，基本与全钒液流电池电解液的运行温度范围相吻合，并且比全钒液流电池电解液的运行温度范围要窄，适合更安全有效的保障全钒液流电池电解液的正常运行。
28.当全钒液流电池的电解液温度较低时，通过电厂循环水的加热，可以提高全钒液流电池的电解液温度到启动温度，实现正常工作；当全钒液流电池的电解液温度较高时，通过电厂循环水的冷却，全钒液流电池的电解液温度下降到正常工作温度范围内，电厂循环水通过热交换获得的热量可以用于居民采暖供热或生活热水。
29.进一步地，如图1所示，通过安装于正极和/或负极电解液储罐的电解液换热管路进行换热，所述电解液换热管路上设有电解液循环泵及电解液换热器，所述电解液换热器为壳管式换热器，电解液换热器的管侧为电解液，电解液换热器的壳侧为电厂循环水，换热
形式采用逆流换热。图1中，正极电解液储罐的电解液和负极电解液储罐的电解液都进行换热，正极电解液储罐的电解液和负极电解液储罐的电解液实行并联换热，正极电解液储罐和负极电解液储罐都能保证有正常的运行或启动温度。
30.进一步地，在所述全钒液流电池的电解液的温度低于启动温度t1时，用电厂循环水对全钒液流电池的电解液进行加热，实现全钒液流电池发电的启动。电厂循环水在同一时间段(例如同一季节)，温度较为稳定，例如在冬季时，仍然能够达到20℃以上，例如为23℃，25℃左右，能够对温度较低的全钒液流电池的电解液进行加热，实现全钒液流电池发电的启动。这样，无需额外的热能。
31.进一步地，电厂循环水通过电厂循环水泵实现循环，不需额外循环泵。电厂循环水中，对全钒液流电池的电解液进行换热的电厂循环水出水管路和冷却电厂乏汽的电厂循环水回水管路汇聚后分别通过控制阀连接冷却塔和余热回收装置。冷却塔和余热回收装置的出水管汇聚连接，并进入(电厂)循环水泵。电厂循环水补水系统，连接循环水泵入口处，为循环水补水。电厂循环水通过冷却塔或余热回收装置散热，不需额外散热器。全钒液流电池的电解液的换热(包括冷却)过程也不需压缩机，整个全钒液流电池的电解液的换热都是利用电厂原有的资源和设备，提高了电厂资源利用的潜能，并没有造成额外的投资和增加成本和占地。
32.进一步地，电厂循环水采用冷却塔冷却时，散热最大功率为全钒液流冷却需求功率的10倍以上。这样，用于与全钒液流电池的电解液的换热的电厂循环水不会影响到冷却电厂乏汽，保障电厂循环水整体的正常运行。
33.进一步地，通过余热回收装置回收电厂循环水对全钒液流电池的电解液换热过程中获得的热量。全钒液流电池的电解液温度较高时，电厂循环水与全钒液流电池的电解液换热，获得热量，这部分热量通过余热回收装置回收，例如可以用于居民采暖供热或生活热水。
34.进一步地，电厂循环水具有余热回收装置用于供热时，余热回收最大功率为全钒液流冷却需求功率的10倍以上。以避免余热回收太多，消化不下。通常情况下，在余热回收最大功率为全钒液流冷却需求功率的10倍以上时，电厂循环水量比较大，增加一点换热量，不影响循环水的正常运行。
35.进一步地，为回收全钒液流电池系统余热而增设热泵时，电厂循环水泵最大流量同时满足电厂乏汽冷却和全钒液流电池冷却需求。如果电厂已经将循环水余热通过余热回收装置回收，用于供热。那么全钒液流电池的散热量也可以实现回收，这对供热是有利的，增加经济效益，节能减排。
36.进一步地，通过安装于正极和/或负极电解液储罐的电解液换热管路进行换热，所述电解液换热管路上设有电解液循环泵及电解液换热器，正极电解液储罐的电解液和负极电解液储罐的电解液实行并联换热，所述电解液换热器为板式换热器。这样，换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、占地面积小、使用寿命长。
37.本发明巧妙的将全钒液流电池的电解液的正常运行温度与电厂循环水的温度结合起来，无需额外的能量来源即可保障全钒液流电池的电解液的正常运行，相对于其他全钒液流电池的冷却方式或启动方式，减少了压缩机或其他冷却设备或介质的建设和使用，节省了占地成本、设备成本、使用成本以及维护成本，减少制冷剂的使用，成本降低而且更
加环保，能够充分利用电厂现有资源，保障全钒液流电池的长期稳定运行。
38.以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。