中國儲能網訊：為了早日達到“碳達峰、碳中和”的目標，全國各地正在火熱地建設智能電網。儲能作為智能電網的中間調節(jié)環(huán)節(jié)，可實現電網削峰填谷，提高電力設備的利用率和電網穩(wěn)定性，保證電網的安全可靠。隨著儲能設備需求的旺盛，定制化的要求也越來越多。如何快速響應市場需求，以價格更低、性能更可靠的儲能設備提高市場的占有率越發(fā)顯得重要。目前，儲能市場的競爭日趨激烈，降本增效勢在必行。儲能設備散熱系統(tǒng)的合理化設計，仍是結構設計的核心技術難題。本文運用熱仿真軟件分析對比了散熱系統(tǒng)的3種送、回風方式的散熱效果，并通過高溫箱模擬高、低溫進行熱測試，熱仿真與熱測試相結合，以最快的速度、最低的成本實現散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計。
1 高防護戶外儲能柜散熱系統(tǒng)優(yōu)化設計及對比
本文所提及的產品是容量為100kW·h的高防護戶外儲能柜，其防護等級可達IP55。該柜創(chuàng)新地采用組合式散熱系統(tǒng)，其中對溫度和環(huán)境敏感度高的電池艙采用空調散熱系統(tǒng)，對溫度和環(huán)境敏感度低的配電艙采用風冷散熱系統(tǒng)。由于風冷散熱系統(tǒng)的設計較為成熟，且成本已壓縮到極限，因此此次組合式散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計只針對電池艙的空調散熱系統(tǒng)進行。電池艙優(yōu)化共設計出3種方案，通過熱仿真軟件Flotherm進行分析對比，擇優(yōu)選用。
3種方案中電池艙的結構形式均相同，其中空調散熱系統(tǒng)所需制冷總量C的理論計算公式為:
式中:Ch為元器件發(fā)熱功耗，W；Cs為環(huán)境滲入(出)熱量，W；Cr為太陽輻射熱量，W。將Cs=117.2W、Cr=277.5W、Ch=1000W代入式(1)，得C=1394.7W，因此電池艙空調需選擇制冷量為1.5kW的工業(yè)空調。
方案一為電池艙空調的出風和回風均為自由進出風；方案二在電池艙空調的出風口加裝專用風道；方案三是在方案二的基礎上，局部加上風機輔助出風，可實現遠離空調的柜體能夠均分空調吹出的冷風。3種方案的示意圖如圖1所示。其中方案三風機的理論選型設計如下:電池艙內空調出風口均分為三路，其內循環(huán)風機的風量為380m3/h，則每一路出風口的平均風量約為130m3/h，由風機的風壓理論推導公式可得出，單個風機壓力損失P=12.7Pa，據此初步選擇型號為8030的直流風機。根據其P－Q性能曲線圖可知，兩臺風機的自由風量相加為160m3/h，且在壓力為10～15Pa時，兩臺風機的有效風量為120～140m3/h，理論估算出的風量和風壓均滿足設計需求，故風機選型符合設計要求。
高防護儲能柜的組合式散熱系統(tǒng)理論上是風冷組合式散熱系統(tǒng)，采用Flotherm軟件進行熱仿真，軟件中Model Setup設置時，需考慮到熱傳導和對流換熱，選用Flow and transfer解決方案，選擇湍流模型中的Automatic Algebraic選項，軟件可自動計算出湍動黏度，適用于小空間風冷電子設備散熱仿真的絕大多數情況。流體特性定義為:海平面1個標準大氣壓下40℃空氣的物性參數，并定義缺省的環(huán)境溫度為40℃。打開輻射開關，根據儲能柜建設地的經緯度定義太陽輻射的角度和強度。設置Solver Control時，選擇多網格求解器，迭代步數為500步，FanRelaxation選用0.7，并選用usedoubleprecisionsolver選項，這樣設置有助于計算結果的收斂。自由對流風速、監(jiān)測點溫度和壓力等其他參數采用軟件默認參數。
網格劃分時，對系統(tǒng)網格進行全局約束，在考慮計算機計算能力的基礎上，需全力確保網格的質量。為了確保能夠掃描到最小模型上的最小網格，設置網格最小尺寸為1mm，最大尺寸為30mm，并打開smooth按鈕，調整平滑過渡參數，使得網格的長寬比無劇烈的變化。同時對風扇和空調進、出風口等流場變化劇烈的地方局部加密和網格膨脹，風扇的長、寬方向網格膨脹距離為25%，厚度方向為100%，并確保風扇長、寬方向不少于25個網格，膨脹區(qū)域不少于6個網格，風扇厚度方向和膨脹區(qū)域各不少于15個網格。經以上設置，劃分好的系統(tǒng)網格在300萬個左右，最大長寬比在20以內，網格質量較好。其中重點關注的流體域電池模組的網格劃分如圖2所示。
該儲能柜應用在安徽蕪湖，所處地為北緯31°，設備前門朝南，時間設置為7月下旬中午1點，太陽輻射強度為904W/㎡，圖2中箭頭為太陽輻照角度。環(huán)境溫度設為40℃，空調停止制冷溫度設置為25℃，制冷量為1.5kW。儲能柜內發(fā)熱元器件建模后，參照表1進行參數設置。
電池艙中，電池為外購產品，無法建立其詳細的電芯模型，只可通過Cuboid簡化建模，并根據表2對電池模組進行參數設置。
根據以上邊界條件，利用Flotherm軟件對儲能柜進行熱仿真分析，得到3種方案電池艙的內部溫度云圖如圖3所示，3種方案中電池艙的平均溫度、平均溫升、最高溫度和最高溫升數據見表3。
由圖3和表3可見，方案一的最高溫升最大，方案二次之，方案三最低。對比3種方案，方案三最優(yōu)，其熱穩(wěn)定后電池艙內最高溫度低于電池限功率運行溫度45℃，且艙內平均溫升為5.9℃，可保證鋰電池在一年中的大部分時間里運行在最佳環(huán)境中，符合儲能柜邊界設計條件。
2 優(yōu)化方案熱測試
采用K型熱電偶、數據記錄儀在模擬建設地最高溫度為40℃的高溫箱中進行方案三的熱測試。柜內電池艙共布置8個測試點，其位置為:靠近空調的電池側布置4排共4個測試點，遠離空調的電池側布置4排共4個測試點，并在柜外布置環(huán)境測試點1個。
高溫熱測試的邊界條件為:1)儲能柜滿負荷充放電過程中，滿足柜內最高溫升小于15℃，即滿足柜內電池最高溫度低于電池的限功率工作溫度45℃，其中電池的溫度取測試點的最高溫度；2)電池的長壽命存儲溫度區(qū)間為18～30℃。
圖4所示為儲能柜滿負荷運行時電池電量從30%到100%充電過程中的溫差數據，由圖可見，柜內電池與空調環(huán)境的溫差接近5℃。高溫熱試驗的環(huán)境溫度為(40±0.5)℃，空調的停止制冷溫度為25℃，回差為5℃，可見電池的工作溫度保持在(30±0.5)℃以下，低于電池限功率工作溫度45℃。由于儲能柜24h只需充放電一次，因此電池長期存儲的環(huán)境溫度為(25±5)℃。
優(yōu)化后方案三的熱仿真溫度云圖如圖5所示。綜上，電池艙的空調散熱系統(tǒng)通過了高溫熱測試，滿足熱設計的邊界條件。對比熱仿真數據和熱測試數據可見，仿真數據中遠離空調側采樣的平均溫度為31.5℃，平均溫差為6.5℃，靠近空調側采樣的平均溫度為32.9℃，平均溫差為7.9℃，熱測試數據顯著低于熱仿真數據。造成數據結果偏差可能的原因是:1)高溫箱的溫度控制精度、熱電偶的測量精度等測試儀器和測試環(huán)境的影響；2)電池包充放電時，釋放的熱量不是穩(wěn)態(tài)的，且不同工況下釋放的熱量差異較大；3)制冷空調的實際工作狀態(tài)和熱仿真模擬狀態(tài)相差較大，實際設置25℃制冷，5℃的回差，理論上空調出風口溫度為25℃左右，但實測為11℃左右，空調出風口工作溫度偏離理論數據較大。鑒于以上原因，以后工作中將采取以下措施:1)選擇溫度控制精度較高的高溫箱，增加測試點，并進行異常數據的處理；2)尋找空調實際工作中溫度的變化規(guī)律，做好空調送、回風口溫度實時監(jiān)測，進行精確的溫差統(tǒng)計。
3 結束語
盡管該儲能柜電池艙散熱系統(tǒng)優(yōu)化方案二和方案三中最高點的溫差只有1.8℃，滿足儲能柜電池限功率的熱設計要求，但方案三在散熱系統(tǒng)中增加風扇后，可使電池長期工作在長壽命溫度區(qū)間內，有益于電池的長期應用與存儲，延長儲能柜的使用壽命，提升產品的可靠性和經濟性。
對比3種空調散熱系統(tǒng)方案的熱仿真結果可見，空調的冷風送風風道對降低電池艙的局部高溫效果顯著，且可有效控制電池艙的平均溫度。在后期空調散熱系統(tǒng)設計時，需優(yōu)先考慮增加送、回風風道；對比方案三散熱系統(tǒng)的熱仿真結果和高溫熱測試結果可見，熱測試數據顯著低于熱仿真數據，初步確定其為空調實際工作時出風口的制冷溫度偏離熱仿真下空調設置的理論數據?？照{實際制冷工況較復雜，后期需增加此方面的經驗積累，使得仿真結果更加接近測試結果。
