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一氧化碳传感器在集装箱式锂离子电池储能系统中的应用

来源:江南娱乐-意甲尤文图斯亚
时间:2023-10-11 12:00:09
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一氧化碳传感器在集装箱式锂离子电池储能系统中的应用当前全球能源状况日益紧张,新能源行业的发展已成为必然趋势。储能作为新能源领域的新兴产业,已经在部分区域建立了储能电站,对提升配电网

当前全球能源状况日益紧张,新能源行业的发展已成为必然趋势。储能作为新能源领域的新兴产业,已经在部分区域建立了储能电站,对提升配电网对分布式电源的接纳能力、稳定电网末端节点电压水平、作为电网故障或检修时的备用电源等方面发挥着巨大作用。同时,在智能电网建设的变用电环节中,储能电站也具有很大的经济价值,其安全性稳定性对于整个系统的经济性意义重大。

随着我国碳达峰与碳中和目标的提出,新能源在一次能源消费中的比重不断提高,逐步替代化石能源。习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上强调,要实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。随着新能源成为主力能源,电网的稳定运行将面临更大的挑战。储能由于具有选址容易、配置灵活等特点,是实现可再生能源消纳和保证电网安全、稳定运行的有效手段,已经在电源侧、电网侧和用户侧等领域得到广泛应用。

集装箱式锂离子电池储能系统作为一种新型储能装备,具有较高的功率密度和能量密度、寿命长、可靠性高及环境适应性强等优点,在电源侧、电网侧和用户侧都具有广泛的应用前景。近年来,江苏、河南、湖南、青海和福建等地电网侧百兆瓦级锂离子电池储能电站相继建设投运,在平抑新能源电力波动、提升清洁能源外送能力、电网调峰、调频和电力辅助服务等领域发挥了重要作用。大容量集装箱式锂离子电池储能系统成为未来发展的趋势。

集装箱式锂离子电池储能系统是以标准集装箱为载体,将锂离子电池、电池管理系统、监控系统、空调系统、消防系统和配电系统集成在集装箱内,以实现高集成度、大容量和可移动的储能装置。然而,锂离子电池的电解液溶剂具有闪点低、化学活性高和极易燃烧的特点,即使在集装箱设计中考虑了防护措施,仍很难避免由于锂电池过充电、过放电、短路和机械性破坏时所导致的储能电池内部热失控,进而导致爆炸、燃烧等连锁反应。当某一组锂电池发生热失控后,会对周围的电池产生强烈的热冲击,造成热失控蔓延,同时生成大量烷烃类可燃气体,可能发生严重的火灾甚至爆炸事故。近年来,电化学储能电站安全事故时有发生,国内外已总计发生30多起储能电站起火事故,造成财产损失和人员伤亡。锂离子电池储能系统的安全问题成为制约行业快速发展的重要因素,越来越受到社会各界的关注。

我国部分研究机构近年来开展了储能电池火灾防护技术研究、电化学储能电池热失控实验检测技术研究等基础性课题研究。然而,现有的研究主要针对单体电池及电池模块级别,对锂离子电池储能柜、电池簇及储能系统开展的相关实验研究较少,相关安全测试方法、标准规范尚未建立健全。此外,集装箱式锂离子电池储能系统电池簇单体数量多,电池簇并联数量大。单体锂离子电池一旦发生热失控火灾,燃烧温度高,燃烧速度快,扑救难度大。不同化学体系的锂离子电池燃烧差异性大,产生大量的有毒、有害烟气,在燃烧过程中可能存在爆炸的危险。当火灾发生后造成剧烈燃烧,导致储能系统整体失火或爆炸,给消防灭火救援工作带来巨大的挑战。

集装箱式锂离子电池储能系统火灾早期探测和安全预警

在电池火灾前期,进行有效准确地探测并预警,采取相应的消防手段,防止火灾的进一步蔓延。在安全阀打开前,应做好电池故障诊断工作,及早进行预警。当电池安全阀打开时,会产生大量的气体和烟雾,如CO的体积分数可以从2.4×10-6迅速增加至190×10-6。

此外,释放气体如CO2、CH4、挥发性有机化合物(VOC)等,在安全阀打开时都有明显的增加,因此,可以通过相关的气体传感器,再配合烟雾传感器、火灾探测器、温度传感器等,根据电站电池的热失控特性,设定相应的预警阈值,将多种特征参数进行耦合,当不同传感器参数达到所设阈值时,发出警报,实现锂离子电池火灾早期探测和预警,并根据警报采取相应的控制措施,防止锂离子电池火灾的进一步扩大。

此外,应根据量程和灵敏度,选取适当的传感器和探测器,同时设置冗余系统,保证电站火灾早期探测和预警装置的准确响应。

我们可以从动力锂电池热失控时产生的大量气体入手,锂离子电池热失控的时候,电池内部会有大量的一氧化碳释放出来。一氧化碳不仅是易燃易爆的气体,更可以与人体内的血红蛋白结合,使其失去与氧气结合的能力,从而导致我们缺氧甚至窒息。所以我们可以通过检测一氧化碳的浓度来判断电池热失控。在这里工采网给大家推荐一款纽扣式一氧化碳传感器(CO传感器)TGS5141

日本FIGARO 纽扣式一氧化碳传感器(CO传感器)

TGS5141一氧化碳传感器CO传感器是费加罗研发的可电池驱动的电化学式传感器,使用一个特殊的电极取代了储水器,由于去除了TGS5042中使用的储水器,TGS5141与TGS5042相比,其外形尺寸缩减到只有后者的10%大小。非常适用于高集成电子产品,对CO的灵敏度高、将CO浓度线性输出,设计方便,自带出厂预标定灵敏度系数,方便用户使用与性能追溯,寿命长达10年以上。

毕竟是事关我们的生命安全,对于精度还是有要求的,测量不准的话又怎么能给出正确的警报呢?TGS5141输出电流与一氧化碳浓度之间在0~1,000ppm范围内显示了± 5%以内偏差的较高直线性。不同浓度CO对应的输出电流可以参考下图。

同时我们也要关注传感器的长期稳定性,这就要求传感器寿命足够长,更要求传感器输出长期稳定,不然会使报警值改变,造成早报晚报甚至不报等情况了。TGS5141的寿命长达十年以上,长期稳定性也是十分优秀,可以参考下图。(Y轴显示的是在任何时间点300ppm一氧化碳中的输出电流(I)和测试第一天300ppm一氧化碳中的输出电流(Io)的比值。)

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储能电站内会有各种各样的气味,要是传感器抗干扰性不好的话,也是很容易造成误报的,所以这个传感器要求对CO灵敏度高,对其他气体的灵敏度越低越好。TGS5141就很好,对大部分气体的灵敏度都是非常低的,对CO灵敏度又很高的,见下图。

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并且考虑到电站内的温度范围是比较宽广的,基本所有传感器受温度的影响又是比较明显的,所以厂家针对TGS5141做出了温度补偿系数表,OEM客户可以直接利用补偿系数对传感器进行温度补偿,从而使传感器在不同温度下也能有高精度的输出。补偿系数见下图。

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原文标题:一氧化碳传感器在集装箱式锂离子电池储能系统中的应用

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