導(dǎo)語 在“雙碳”戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，我國正在經(jīng)歷前所未有的能源結(jié)構(gòu)改革，加快規(guī)劃構(gòu)建新型能源系統(tǒng)是落實(shí)“雙碳”目標(biāo)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(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)：2023年前三季度，全國可再生能源新增裝機(jī)1.72億千瓦，同比增長93%，占新增裝機(jī)的76%。其中，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)量分別為12894萬千瓦和3348萬千瓦，共占新增可再生能源裝機(jī)總量的94.4%。大規(guī)模風(fēng)光新能源接入給新型電力系統(tǒng)帶來巨大挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能則是解決新能源波動(dòng)性和不確定性的關(guān)鍵舉措之一。在眾多的新型儲(chǔ)能技術(shù)路線中，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)因其場地布置靈活、綜合技術(shù)性能好、建設(shè)成本低等優(yōu)勢脫穎而出，在現(xiàn)階段國內(nèi)儲(chǔ)能電站并網(wǎng)/投運(yùn)規(guī)模總量中占比巨大。但隨著儲(chǔ)能電站并網(wǎng)/投運(yùn)規(guī)模井噴式增長，鋰離子電池儲(chǔ)能電站在安全方面的問題正不斷突顯出來，其已經(jīng)成為制約鋰離子儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要因素。
1.研究背景
在“雙碳”戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，我國正在經(jīng)歷前所未有的能源結(jié)構(gòu)改革，加快規(guī)劃構(gòu)建新型能源系統(tǒng)是落實(shí)“雙碳”目標(biāo)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(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)：2023年前三季度，全國可再生能源新增裝機(jī)1.72億千瓦，同比增長93%，占新增裝機(jī)的76%。其中，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)量分別為12894萬千瓦和3348萬千瓦，共占新增可再生能源裝機(jī)總量的94.4%。大規(guī)模風(fēng)光新能源接入給新型電力系統(tǒng)帶來巨大挑戰(zhàn)，儲(chǔ)能則是解決新能源波動(dòng)性和不確定性的關(guān)鍵舉措之一。在眾多的新型儲(chǔ)能技術(shù)路線中，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)因其場地布置靈活、綜合技術(shù)性能好、建設(shè)成本低等優(yōu)勢脫穎而出，在現(xiàn)階段國內(nèi)儲(chǔ)能電站并網(wǎng)/投運(yùn)規(guī)?？偭恐姓急染薮?。但隨著儲(chǔ)能電站并網(wǎng)/投運(yùn)規(guī)模井噴式增長，鋰離子電池儲(chǔ)能電站在安全方面的問題正不斷突顯出來，其已經(jīng)成為制約鋰離子儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的首要因素。
2.研究意義
在推進(jìn)“碳中和、碳達(dá)峰”的背景下，我國能源結(jié)構(gòu)正在向著清潔、低碳、安全、高效方向邁進(jìn)。鋰離子儲(chǔ)能技術(shù)積極助力新型電力系統(tǒng)建設(shè)，但同時(shí)由于技術(shù)迭代過快，針對該技術(shù)所突顯出來的問題急需開展相關(guān)研究。為深刻認(rèn)識(shí)鋰離子儲(chǔ)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(chǔ)能電站的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，梳理國內(nèi)外安全事故數(shù)據(jù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，圍繞鋰離子電池儲(chǔ)能電站熱管理技術(shù)及鋰離子電池儲(chǔ)能電站消防技術(shù)兩方面開展技術(shù)綜述。
3.重點(diǎn)內(nèi)容
1）鋰離子電池儲(chǔ)能電站熱安全管理技術(shù)。
①鋰離子電池儲(chǔ)能電站熱管理技術(shù)。
在鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，溫度是關(guān)鍵參數(shù)，過高或過低的溫度均會(huì)對鋰離子電池產(chǎn)生負(fù)面作用。因此，電池的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)對鋰離子儲(chǔ)能電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性作用。著重針對鋰電池工作所產(chǎn)生的熱為分析對象，從熱耦合模型、風(fēng)冷冷卻、液冷冷卻和相變材料冷卻方向梳理現(xiàn)階段國內(nèi)外的研究進(jìn)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(chǔ)?，F(xiàn)階段的研究重點(diǎn)集中在提升熱耦合模型的構(gòu)建精度上。
風(fēng)冷系統(tǒng)是以空氣為介質(zhì)，利用風(fēng)扇或自然風(fēng)對流散熱實(shí)現(xiàn)對電池模塊的溫度控制。風(fēng)冷散熱效果良好，成本低。風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)圍繞風(fēng)道設(shè)計(jì)、電池間距、風(fēng)扇數(shù)量及排列方式等參數(shù)，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(xiàn)有大容量儲(chǔ)能電站的熱管理需求，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高。直接冷卻技術(shù)由于技術(shù)復(fù)雜度及成本等原因未大面積使用。間接液冷的研究熱點(diǎn)集中在進(jìn)出口位置、介質(zhì)流速、液冷管路寬度及走向等參數(shù)的組合設(shè)計(jì)優(yōu)化上。
相變冷卻技術(shù)是通過材料的物理變化，實(shí)現(xiàn)對外釋放或吸收潛熱，從而達(dá)到降溫的目的?，F(xiàn)階段相變冷卻技術(shù)多應(yīng)用于動(dòng)力電池領(lǐng)域，但隨著單體大容量儲(chǔ)能電池技術(shù)的發(fā)展，其將在解決電池表面溫差過大問題上展現(xiàn)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(yīng)極端環(huán)境溫差，同時(shí)還可以降低功耗，提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。
②鋰離子儲(chǔ)能電站消防技術(shù)。
鋰離子儲(chǔ)能電站是由上萬個(gè)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(shè)計(jì)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(jīng)濟(jì)損失。從現(xiàn)階段鋰離子儲(chǔ)能電站的消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成進(jìn)行梳理，明確預(yù)警系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及排氣通風(fēng)系統(tǒng)的相互關(guān)系及各系統(tǒng)主要功能。在消防預(yù)警系統(tǒng)方面，明確極早期檢測定位和Pack級(jí)消防設(shè)計(jì)是該領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的熱點(diǎn)研究問題。在滅火系統(tǒng)方面，結(jié)合鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理，尋找并研制能夠抑制鋰離子電池火災(zāi)并防止復(fù)燃的滅火劑與針對熱失控不同節(jié)點(diǎn)制定精確的消防策略是該領(lǐng)域的主要研究方向。
2）技術(shù)展望與建議。
當(dāng)下的儲(chǔ)能電站建設(shè)呈現(xiàn)出復(fù)雜學(xué)科交叉的特點(diǎn)，而現(xiàn)階段的電化學(xué)儲(chǔ)能電站多停留在子系統(tǒng)技術(shù)層，學(xué)科交叉人才短缺，應(yīng)多進(jìn)行儲(chǔ)能領(lǐng)域跨學(xué)科交流，著重培養(yǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域人才。在技術(shù)層，從儲(chǔ)能電站熱管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能電站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、儲(chǔ)能消防與應(yīng)急系統(tǒng)等獨(dú)立子系統(tǒng)的技術(shù)迭代開展研究。同時(shí)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(dòng)保護(hù)優(yōu)化。結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，論證用多系統(tǒng)調(diào)度配合來解決問題的可行性。基于現(xiàn)階段鋰離子儲(chǔ)能電池的發(fā)展情況，結(jié)合熱安全管理技術(shù)中所存在的問題，提出以下建議與展望：
①在熱管理技術(shù)方面，低倍率電池系統(tǒng)的風(fēng)冷、液冷熱管理方案較為成熟，建議后續(xù)研究聚焦時(shí)間效應(yīng)下溫度不一致性問題，減小對電池性能的負(fù)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(shù)的研究及工程應(yīng)用。
②在消防技術(shù)方面，電芯級(jí)的消防監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行同步電池單元級(jí)細(xì)化。消防系統(tǒng)需結(jié)合電池?zé)崾Э貦C(jī)理開發(fā)多傳感器信息融合的安全預(yù)警算法及多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)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(yù)警，確保消防系統(tǒng)可以對預(yù)發(fā)鋰電池?zé)崾Э貙?shí)現(xiàn)早期監(jiān)測。
③提升熱安全管理能力需加強(qiáng)鋰離子儲(chǔ)能電站智能化水平。通過云邊協(xié)同技術(shù)提升儲(chǔ)能電站數(shù)據(jù)使用效率，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)探究儲(chǔ)能電站運(yùn)行監(jiān)控算法模型，打造“虛實(shí)融合，數(shù)字孿生”的儲(chǔ)能電站運(yùn)行模式，進(jìn)而制定具備精準(zhǔn)監(jiān)控與精確預(yù)測能力的鋰離子儲(chǔ)能電站安全運(yùn)維管理方式。
4.結(jié)論
在深化能源結(jié)構(gòu)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(chǔ)能技術(shù)則是推動(dòng)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(chǔ)能電站發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合鋰離子儲(chǔ)能電站國內(nèi)外的事故案例及國家標(biāo)準(zhǔn)指出在“大容量”儲(chǔ)能發(fā)展的方向上儲(chǔ)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(chǔ)能電站熱管理技術(shù)及消防技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn)。最后根據(jù)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行未來發(fā)展展望，提出儲(chǔ)能交叉人才培養(yǎng)及多系統(tǒng)多設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制與保護(hù)策略的重要性。
