一种船舶用铁铬液流储能系统及其控制系统的制作方法

本技术涉及铁铬液流储能技术的领域，尤其是涉及一种船舶用铁铬液流储能系统及其控制系统。

背景技术：

1、液流电池是一种电化学储能系统，通过流动的液态电解质在外部储罐之间进行能量的存储与释放，相较于传统的电池，液流电池的储能容量取决于电解质的体积、浓度，而非电池本身体积，因此，其具有能量密度高、循环寿命长、温度范围宽等优点。

2、铁铬液流储能技术为其中一种技术路线，采用资源丰富的铁、铬作为活性材料。在铁铬液流电池充电过程中，铁和铬两种金属离子分别在电堆正、负级发生氧化还原反应，将电能转化为化学能储存起来；在放电过程中，这些金属离子又通过反向的氧化还原反应将化学能转化为电能输出。

3、部分新能源船舶以将铁铬液流储能技术应用于船舶，取代或部分代替船舶传统的燃油供源方式，缓解海上能源消耗和环境污染问题。但，安装铁铬液流储能电池后，需要考虑整个船舶电网系统的可靠性与安全性的问题。

4、比如，铬溶液的反应活性较差，稳定性不足，需要定期维护铁铬液流电池，在单一电堆维修时应避免影响船舶电网设备与船舶电网中的其他电堆。

技术实现思路

1、为了确保船舶在航行中铁铬液流储能电池提供稳定的电力供应，本技术提供一种船舶用铁铬液流储能系统。

2、一方面，本技术提供一种船舶用铁铬液流储能系统，采用如下的技术方案：

3、一种船舶用铁铬液流储能系统，包括填装有正极电解液的正极电解液柜、填装有负极电解液的负极电解液柜，其特征在于，包括：

4、电解单元，每个所述电解单元由电堆组成，用作电源，所述电解单元对应所述正极电解液柜、所述负极电解液柜设置两组电解液管，一组所述电解液管用于正极电解液的输入、输出，一组所述电解液管用于负极电解液的输入、输出；

5、电解液泵，设置于所述正极电解液柜的所述电解液管、所述负极电解液柜的所述电解液管、正、负极电解液输送方向上所述电解单元的上游，提供电解液输送动力；

6、第一分隔阀，设置于每根所述电解液管与所述电解单元连接处，用于控制所述电解单元的电解液输入、输出；

7、第二分隔阀，设置于所述电解液管与所述电解液泵连接处，用于控制所述电解液泵的电解液输入、输出；

8、限流阀，设置于所述电解液管于所述正极电解液柜、负极电解液柜连接处。

9、通过采用上述技术方案，正极电解液柜与负极电机液柜分别向四个电解单元，每个电解单元中均设置有用于发电的电堆，电堆中正极电解液与负极电解液发生化学反应，产生电流，用于船舶电网系统的供能；即对于每个电解单元，均设置四条管路，一条管路用于正极电解液的流出，一条管路用于正极电解液的流入，一条管路用于负极电解液的流入，一条管路用于负极电解液的流出；其中，每个电解单元的每条管路上均设置第一分隔阀，用于将电解单元于四条管路上全封闭，将该电解单元于其他电解单元隔离，由此，当每个电解单元发生故障或电解液泄漏时，通过第一分隔阀将其分离，避免影响其他的电解单元，尽可能减少泄漏量，保证铁铬液流储能系统的稳定性；

10、电解液泵提供电解液从正极电解液柜至电解单元、负极电解液柜至电解单元的电解液循环动力，由于液流储能电池的发电量受电解单元内电解液的浓度影响，因此，可以通过控制电解液泵的输送功率，改变单位时间内流入、流出电解单元的电解液的流量来实现控制输出电流；具体地说，随电解单元中氧化还原反应的发生，金属离子浓度越来越低，需要往电解单元中持续输送正、负极电解液，调低电解液泵的输送功率，可以减弱电解单元中金属离子的浓度，增加电解液泵的输送功率可以增加电解单元中金属离子的浓度；

11、基于上述电解液泵的输送原理，在从正极电解液柜至电解单元之间、负极电解液柜至电解单元之间均设置限流阀，可以通过阀门改变管道的流通度，配合电解液泵控制电解液的流通情况；而第二分隔阀用于隔离电解液泵，当电解液泵需要维修时，即时隔离电解液泵，停掉液流储能系统，避免造成危险事故，或紧急情况下，当液流储能系统过压、过热或其他异常情况时隔离电解液泵，通过模块化隔离避免损坏电解液泵。

12、对于本技术中的铁铬液流电池，正极选用包含铁离子、亚铁离子的电解液，负极选用包含铬离子、二价铬离子的电解液。

13、可选的，所述电解液泵于所述正极电解液柜的所述电解液管、所述负极电解液柜的所述电解液管处均设置两个；

14、同一组所述电解液管的两所述电解液泵并联设置；

15、同一组所述电解液管的两所述电解液泵两端均设置有所述第二分隔阀。

16、通过采用上述技术方案，设置两个并联的电解液泵代表在电解液泵处有两组电解液输送通道，同一组电解液管中的两个电解液泵，一个为常开状态，一个为备用状态，两组电解液管中常开状态的电解液泵发生故障时，另一个处于备用状态下的电解液泵可以即时切换，保证船舶电力的不间断供应。

17、可选的，每个所述电解单元由多个电堆并联组成，每个电堆与每组所述电解液管的连接处均设置有所述第一分隔阀。

18、通过采用上述技术方案，多个电堆并联而成增加整个电解单元的储能容量，实际应用中，可根据船舶电网中的负载总量、设备总量选择电堆数量；多个电堆并联为一个电解单元，这个电解单元的输出功率为多个点对的输出功率相加，确保电解单元的输出功率适配船舶负载。

19、一方面，针对上述一种船舶用铁铬液流储能系统，本技术提供一种船舶用铁铬液流储能系统的控制系统，采用如下的技术方案：

20、一种船舶用铁铬液流储能系统，包括数据采集模块、集中控制模块；

21、所述数据采集模块采集所述电解单元内电解液的金属离子浓度，采集所述正极电解液柜、所述负极电解液柜内部电解液容量、电解液浓度、气体浓度，并将监测数据发送至所述集中控制模块中；

22、所述集中控制模块连接多个所述电解模块、所述电解液泵、所述第二分隔阀、所述限流阀，所述集中控制模块根据所述数据采集模块发送相应的控制指令，改变所述电解液泵、所述第二分隔阀、所述限流阀的运行参数。

23、通过采用上述技术方案，数据采集模块与集中控制模块组成一条控制链，即数据采集模块采集前端的运行单元、运行模块的运行参数，实时报备给集中控制模块，由集中控制模块根据采集数据判断当前每个设备、每个单元、每个模块是否处于异常或者正常状态下，针对处于异常状态下的部分，集中控制模块朝相应的控制单元、控制模块发出控制指令，调整其运行参数。

24、可选的，所述数据采集模块包括液温监测单元、负载监控单元、气体分析单元、容量监测单元、电流监测单元；

25、所述液温监测单元用于监测所述电解单元内部电解液温度，将采集的温度数据发送至所述集中控制模块中，所述集中控制模块根据温度数据计算当前电解液的活性、电化学反应的化学反应速率；

26、所述负载监控单元用于实时监测船舶内部电网中的负载，将监测数据间隔预设周期发送至所述集中控制模块中，所述集中控制模块根据电网负载实时变化情况调整电解液于所述电解液管中的流量；

27、所述气体分析单元设置于所述电解单元内的每个电堆中，所述气体分析单元抽取电堆内部气体，并对采样气体成分分析，将分析结果发送至所述集中控制模块内；

28、所述容量监测单元设置于所述正极电解液柜、所述负极电解液柜中，检测电解液容量，所述集中控制单元内设有最低容量值，所述容量监测单元实时检测所述正极电解液柜、所述负极电解液柜中电解液的容量，将检测数据发送至所述集中控制单元中，所述集中控制单元判断检测数据与最低容量值；

29、所述电流监测单元设置于每个电堆的输电线，用于监测每个电堆实时的化学发电量与流入电网中的电量，将监测结果发送至所述集中控制模块中。

30、通过采用上述技术方案，数据采集单元主要针对带船舶电网即船舶内铁铬液流储能电池的多个部分进行五种主要参数的采集；

31、其一，液温监测单元采集电解单元内部的发生氧化还原反应的电解液的温度，电解液的温度通过影响电解液的活性和电化学的反应速率影响电池的性能，将电解液的温度保持在合理范围内可以保持较高的电解单元的发电效率，比如，本技术中铁铬液流电池的温度区间较广，对于海上极寒天气或酷暑环境均能较好的适应，相比之下，技术较为成熟的全钒液流电池高效运行的环境温度仅为0-45℃，超过这个温度区间发电效率大大降低；集中控制单元实时接收液温监测单元的监测数据；

32、其二，负载监控单元监测船舶内实时变化的电网负载，夜间航行中船舶电网负载较低，日间航行中人员活动的影响下，船舶电网负载较高，负载监控单元将负载量发送至集中控制模块中，由集中控制模块改变电解单元的发电量，以适配船舶电网中的负载；

33、其三，气体分析单元采集每个电解单元内的每个电堆中的气体，分析气体成分，上传分析结构，气体分析单元能够检测出当前易燃易爆气体的含量；但，在本技术中，由于铁铬液流电池的电解质溶液采用盐酸溶液，没有爆炸风险，但仍需要气体分析单元检测电堆中气体含量，以分析电解液分解、气化现象是否正常；通常情况下，气体分析单元的气体采集口设置在电堆壳体的内顶壁中；

34、其四，容量监测单元实时监测正极电解液柜、负极电解液柜中的电解液容量，有效监测电解液柜中是否存在电解液泄漏的问题；

35、其五，电流监测单元设置在每个电堆与电网之间的输电线中，监测电堆的实时发电量，通过对实时发电量的监测能够计算出电堆的发电效率、电网的入电量，以使电量更好地匹配负载。

36、可选的，交换机，所述交换机设置有多个；

37、多个所述交换机均连接每个所述电解模块、每个所述电解液泵、每个所述第二分隔阀、每个所述限流阀，多个所述交换机均连接所述集中控制模块，组成多个并行数据传输通道。

38、通过采用上述技术方案，一个交换机用于集中控制模块与电解模块、电解液泵、第二分隔阀、限流阀的信息、指令的收发，即一个交换机可架设一条信息与指令的传输通道，为了保证铁铬液流储能系统的稳定运行，本技术中设置两个交换机搭建两条独立的信息收发通道，当其中一条通道某个节点断开时，该节点两端的两个装置或者设备可采用第二个交换机实时沟通；

39、类似于电解液泵，两个交换机的状态也为一个运行、一个备份。

40、可选的，还包括人机交互模块；

41、所述人机交互模块连接所述集中控制模块，用于显示所述数据采集模块的数据采集信息、所述集中控制模块的指令结果，相关控制人员根据所述人机交互模块的显示结果键入操作指令，通过所述集中控制模块调控所述电解模块、所述电解液泵、所述第二分隔阀、所述限流阀。

42、通过采用上述技术方案，人机交互模块用于朝相关人员显示船舶电网或铁铬液流储能系统中各部分的运行参数，船舶控制人员或相关人员可以根据人机交互模块的显示键入相关的操作指令改变船舶的运行状态。

43、可选的，还包括变压模块；

44、所述变压模块设置于每个电堆与船舶电网之间，将输出的直流电转换供电网负载使用的交流电；所述变压模块受所述中心控制模块控制，调整流向电网的电流。

45、通过采用上述技术方案，变压模块接收中心控制模块的指令，将铁铬液流电池的直流电转换为交流电输出到电网中，变压模块能够搭配变压器，直接改变流入电网的交流电流与交流电压，适配电网负载。