導語 在“雙碳”戰(zhàn)略驅動下，我國正在經歷前所未有的能源結構改革，加快規(guī)劃構建新型能源系統(tǒng)是落實“雙碳”目標的重要手段。新型電力系統(tǒng)的推廣意味著大量清潔能源的使用。據國家能源局統(tǒng)計：2023年前三季度，全國可再生能源新增裝機1.72億千瓦，同比增長93%，占新增裝機的76%。其中，光伏發(fā)電和風力發(fā)電新增裝機量分別為12894萬千瓦和3348萬千瓦，共占新增可再生能源裝機總量的94.4%。大規(guī)模風光新能源接入給新型電力系統(tǒng)帶來巨大挑戰(zhàn)，儲能則是解決新能源波動性和不確定性的關鍵舉措之一。在眾多的新型儲能技術路線中，鋰離子電池儲能技術因其場地布置靈活、綜合技術性能好、建設成本低等優(yōu)勢脫穎而出，在現階段國內儲能電站并網/投運規(guī)?？偭恐姓急染薮蟆５S著儲能電站并網/投運規(guī)模井噴式增長，鋰離子電池儲能電站在安全方面的問題正不斷突顯出來，其已經成為制約鋰離子儲能產業(yè)發(fā)展的首要因素。
1.研究背景
在“雙碳”戰(zhàn)略驅動下，我國正在經歷前所未有的能源結構改革，加快規(guī)劃構建新型能源系統(tǒng)是落實“雙碳”目標的重要手段。新型電力系統(tǒng)的推廣意味著大量清潔能源的使用。據國家能源局統(tǒng)計：2023年前三季度，全國可再生能源新增裝機1.72億千瓦，同比增長93%，占新增裝機的76%。其中，光伏發(fā)電和風力發(fā)電新增裝機量分別為12894萬千瓦和3348萬千瓦，共占新增可再生能源裝機總量的94.4%。大規(guī)模風光新能源接入給新型電力系統(tǒng)帶來巨大挑戰(zhàn)，儲能則是解決新能源波動性和不確定性的關鍵舉措之一。在眾多的新型儲能技術路線中，鋰離子電池儲能技術因其場地布置靈活、綜合技術性能好、建設成本低等優(yōu)勢脫穎而出，在現階段國內儲能電站并網/投運規(guī)模總量中占比巨大。但隨著儲能電站并網/投運規(guī)模井噴式增長，鋰離子電池儲能電站在安全方面的問題正不斷突顯出來，其已經成為制約鋰離子儲能產業(yè)發(fā)展的首要因素。
2.研究意義
在推進“碳中和、碳達峰”的背景下，我國能源結構正在向著清潔、低碳、安全、高效方向邁進。鋰離子儲能技術積極助力新型電力系統(tǒng)建設，但同時由于技術迭代過快，針對該技術所突顯出來的問題急需開展相關研究。為深刻認識鋰離子儲能電站中所存在的安全問題并尋找可能的解決方案，有必要從鋰離子儲能電站的發(fā)展現狀出發(fā)，梳理國內外安全事故數據及相關標準，圍繞鋰離子電池儲能電站熱管理技術及鋰離子電池儲能電站消防技術兩方面開展技術綜述。
3.重點內容
1）鋰離子電池儲能電站熱安全管理技術。
①鋰離子電池儲能電站熱管理技術。
在鋰離子電池儲能系統(tǒng)中，溫度是關鍵參數，過高或過低的溫度均會對鋰離子電池產生負面作用。因此，電池的熱管理系統(tǒng)設計對鋰離子儲能電站的安全穩(wěn)定運行起著決定性作用。著重針對鋰電池工作所產生的熱為分析對象，從熱耦合模型、風冷冷卻、液冷冷卻和相變材料冷卻方向梳理現階段國內外的研究進展。
熱管理研究中通常使用鋰電池散熱模型作為理論分析基礎?，F階段的研究重點集中在提升熱耦合模型的構建精度上。
風冷系統(tǒng)是以空氣為介質，利用風扇或自然風對流散熱實現對電池模塊的溫度控制。風冷散熱效果良好，成本低。風冷系統(tǒng)設計圍繞風道設計、電池間距、風扇數量及排列方式等參數，在不同充放電倍率及環(huán)境溫度下的溫控效果開展研究。
液冷系統(tǒng)可分為直接冷卻和間接冷卻，溫升及溫度一致性控制能力良好，能夠滿足現有大容量儲能電站的熱管理需求，但是系統(tǒng)設計復雜，成本較高。直接冷卻技術由于技術復雜度及成本等原因未大面積使用。間接液冷的研究熱點集中在進出口位置、介質流速、液冷管路寬度及走向等參數的組合設計優(yōu)化上。
相變冷卻技術是通過材料的物理變化，實現對外釋放或吸收潛熱，從而達到降溫的目的?，F階段相變冷卻技術多應用于動力電池領域，但隨著單體大容量儲能電池技術的發(fā)展，其將在解決電池表面溫差過大問題上展現優(yōu)勢。
合理的溫控策略也能夠提升熱管理系統(tǒng)的溫控能力，仍能夠保證電池模組處于最佳溫度范圍，并保證電池模組的溫均性，使系統(tǒng)適應極端環(huán)境溫差，同時還可以降低功耗，提升系統(tǒng)經濟性。
②鋰離子儲能電站消防技術。
鋰離子儲能電站是由上萬個電子元器件組合而成，完全避免故障及安全事故的發(fā)生難度極大。但可以通過消防系統(tǒng)設計方案將突發(fā)事故的發(fā)生概率和影響危害程度降到最低，避免人員傷亡降低經濟損失。從現階段鋰離子儲能電站的消防系統(tǒng)設計構成進行梳理，明確預警系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及排氣通風系統(tǒng)的相互關系及各系統(tǒng)主要功能。在消防預警系統(tǒng)方面，明確極早期檢測定位和Pack級消防設計是該領域內亟待解決的熱點研究問題。在滅火系統(tǒng)方面，結合鋰離子電池熱失控機理，尋找并研制能夠抑制鋰離子電池火災并防止復燃的滅火劑與針對熱失控不同節(jié)點制定精確的消防策略是該領域的主要研究方向。
2）技術展望與建議。
當下的儲能電站建設呈現出復雜學科交叉的特點，而現階段的電化學儲能電站多停留在子系統(tǒng)技術層，學科交叉人才短缺，應多進行儲能領域跨學科交流，著重培養(yǎng)儲能領域人才。在技術層，從儲能電站熱管理系統(tǒng)、儲能電站運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、儲能消防與應急系統(tǒng)等獨立子系統(tǒng)的技術迭代開展研究。同時從系統(tǒng)工程角度，開展多子系統(tǒng)控制邏輯優(yōu)化及系統(tǒng)間的聯(lián)動保護優(yōu)化。結合實際工程項目中的運行數據，論證用多系統(tǒng)調度配合來解決問題的可行性?；诂F階段鋰離子儲能電池的發(fā)展情況，結合熱安全管理技術中所存在的問題，提出以下建議與展望：
①在熱管理技術方面，低倍率電池系統(tǒng)的風冷、液冷熱管理方案較為成熟，建議后續(xù)研究聚焦時間效應下溫度不一致性問題，減小對電池性能的負面影響，同步考慮節(jié)能降耗；針對高倍率電池系統(tǒng)，需加快液冷散熱、浸沒式液冷、相變材料等新技術的研究及工程應用。
②在消防技術方面，電芯級的消防監(jiān)測系統(tǒng)設計需基于檢測手段和檢測模式的多樣化，定位精度的具體化及電芯熱仿真精確化進行同步電池單元級細化。消防系統(tǒng)需結合電池熱失控機理開發(fā)多傳感器信息融合的安全預警算法及多系統(tǒng)聯(lián)動的滅火控制策略優(yōu)化。通過多種類型的傳感器的聯(lián)合診斷預警，確保消防系統(tǒng)可以對預發(fā)鋰電池熱失控實現早期監(jiān)測。
③提升熱安全管理能力需加強鋰離子儲能電站智能化水平。通過云邊協(xié)同技術提升儲能電站數據使用效率，結合歷史數據探究儲能電站運行監(jiān)控算法模型，打造“虛實融合，數字孿生”的儲能電站運行模式，進而制定具備精準監(jiān)控與精確預測能力的鋰離子儲能電站安全運維管理方式。
4.結論
在深化能源結構改革的大背景下，新型電力系統(tǒng)是改革的主要陣地。而鋰離子電池儲能技術則是推動新型電力系統(tǒng)快速落地的重要保障。本文首先梳理鋰離子儲能電站發(fā)展現狀，結合鋰離子儲能電站國內外的事故案例及國家標準指出在“大容量”儲能發(fā)展的方向上儲能電站熱安全管理是亟待解決的問題。而后介紹了鋰離子儲能電站熱管理技術及消防技術的發(fā)展現狀和研究熱點。最后根據技術現狀進行未來發(fā)展展望，提出儲能交叉人才培養(yǎng)及多系統(tǒng)多設備聯(lián)動控制與保護策略的重要性。
