基于CFD 的儲(chǔ)能集裝箱散熱系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化
李金芳1，葉琪超2，應(yīng)光耀2，樓可煒2
（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）
本文引文信息：李金芳,葉琪超,應(yīng)光耀,樓可煒.基于CFD的儲(chǔ)能集裝箱散熱系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化[J].浙江電力,2020,39(06):94-98.
0 引言
風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但是與傳統(tǒng)能源相比，其穩(wěn)定性不高。在太陽(yáng)能與風(fēng)能具有天然互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)的地區(qū)，引入儲(chǔ)能系統(tǒng)能使風(fēng)光合成出力更好地跟隨負(fù)荷波動(dòng)，平衡兩者之間的能量差值，有效降低系統(tǒng)總成本，提高經(jīng)濟(jì)性[1]。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝靈活，建設(shè)周期短，是現(xiàn)階段較適合于工程應(yīng)用的技術(shù)[2]。鋰電池所占比重高于鉛蓄電池，是目前分布式儲(chǔ)能中使用最廣泛的電池[3]。鋰電池具有能量密度大、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)、工作溫度范圍寬、可快速充放電、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，被稱為綠色電池；其不足之處是價(jià)格高，過(guò)充會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱、燃燒等安全性問(wèn)題，需要進(jìn)行充電保護(hù)[4]。
儲(chǔ)能系統(tǒng)形式多樣，儲(chǔ)能集裝箱因其具有占地少、便于安裝、可移動(dòng)、一體性強(qiáng)等特點(diǎn)在中小型電站應(yīng)用十分廣泛[2]。儲(chǔ)能系統(tǒng)聚集的電池?cái)?shù)目很多，電池容量和功率較大。大量的電池緊密排列在一個(gè)空間內(nèi)，運(yùn)行工況復(fù)雜多變，容易造成產(chǎn)熱不均勻、溫度分布不均勻、電池間溫差較大等問(wèn)題。長(zhǎng)此以往，必然會(huì)導(dǎo)致部分電池的充、放電性能，容量和壽命周期等下降，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)熱失控，造成事故[5]。虞跨海等人[6]研究了單體鋰離子儲(chǔ)能電池三維電化學(xué)-熱耦合模型，開(kāi)展了不同放電條件下的電池溫升曲線數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以了解鋰電池內(nèi)部具體的溫度分布情況。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格高昂，為保證電池模組的安全運(yùn)行及使用壽命，對(duì)模組進(jìn)行有效的散熱設(shè)計(jì)顯得極其重要。鋰電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要包括空冷、液冷、相變冷卻和熱管冷卻等方法[7]。王帥等人[8]采用了自然對(duì)流散熱和強(qiáng)制風(fēng)冷2 種方式來(lái)分析超級(jí)電容模組，結(jié)果表明自然散熱不能滿足溫度要求，強(qiáng)制風(fēng)冷才能有效抑制模組溫升。鐘國(guó)斌等人[5]通過(guò)分析鋰電池的熱特性，提出可有效組合空冷、水冷、熱管冷卻和相變冷卻等幾種熱管理技術(shù)來(lái)構(gòu)成儲(chǔ)能集裝箱的熱管理系統(tǒng)，從而降低電池的溫度。FAN 等人[9]研究了不同電池間距和空氣流量對(duì)電池組溫度分布的影響，結(jié)果表明在流量不變時(shí)，電池間的溫度分布隨著電池間距的增大而逐漸均勻。李彩紅等人[10]基于鋰離子動(dòng)力電池生熱模型仿真與實(shí)驗(yàn)的研究，驗(yàn)證了局部強(qiáng)化射流冷卻散熱系統(tǒng)在不同充放電倍率下的儲(chǔ)能系統(tǒng)電池模塊中的散熱效果。MAHAMUD 等人[11]提出了一種空氣流動(dòng)方向反復(fù)變換的冷卻方式，這種方式能夠讓電池溫差下降約72%，但是提高了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。為改善中部電池的散熱，YU等人[12]為電池組配置了2 個(gè)風(fēng)扇，加強(qiáng)了局部區(qū)域的通風(fēng)效果。由此可見(jiàn)，通風(fēng)冷卻是儲(chǔ)能集裝箱最基本也最主要的溫度控制方式。本文在通風(fēng)冷卻的基礎(chǔ)上分析通風(fēng)口的數(shù)量、位置等因素對(duì)冷卻效果的影響，優(yōu)化儲(chǔ)能集裝箱的溫度分布，通過(guò)CFD 數(shù)值模擬軟件建立儲(chǔ)能集裝箱的物理模型，分析不同工況下集裝箱內(nèi)的溫度分布情況。
1 數(shù)學(xué)模型
對(duì)儲(chǔ)能集裝箱建立數(shù)學(xué)模型，模型的工質(zhì)為空氣。工質(zhì)的流動(dòng)受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行以下簡(jiǎn)化假設(shè)[13]：儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程為穩(wěn)態(tài)過(guò)程；集裝箱四周壁面密閉，與外界不存在能量與物質(zhì)的傳遞，可視為絕熱條件；電池運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)核區(qū)域各處電流密度均勻，生熱速率一致，可將電池散熱等效為均勻體積內(nèi)熱源。
質(zhì)量守恒方程為：
動(dòng)量守恒方程為：
該計(jì)算模型的邊界條件有：
（1）入口邊界條件：速度入口邊界條件。
（2）出口邊界條件：自由出口邊界條件。
（3）電池壁面邊界條件：均勻體積內(nèi)熱源。
（4）集裝箱壁面邊界條件：固體壁面看作無(wú)滑移邊界，靠近壁面處的邊界層內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)的壁函數(shù)進(jìn)行處理。
2 物理模型
儲(chǔ)能集裝箱模型如圖1 所示，箱體尺寸為12.1 m×3 m×4 m，其內(nèi)部安裝有總?cè)萘繛? 060 kW 的鋰電池，風(fēng)量為3 000 m3/h（換算后入口速度約為0.5 m/s）。每塊鋰電池充放電過(guò)程中假設(shè)其散熱穩(wěn)定，其熱生成量[14]為6 815.1 W/m3，熱流密度大小可根據(jù)電池柜體積和面積折算。配電柜在夏季工況下壁面溫度約為40 ℃，集裝箱壁面溫度為冬夏季環(huán)境溫度。進(jìn)風(fēng)口分散布置在鋰電池模組的周圍，出風(fēng)口裝在配電柜上方。
圖1 儲(chǔ)能集裝箱模型
該模型的工質(zhì)為空氣，模型的入口工質(zhì)溫度與入口速度根據(jù)不同的工況分別設(shè)定。該工質(zhì)的物理性質(zhì)在不同工況下均設(shè)置為：密度為1.110 kg/m3，動(dòng)力粘度為1.897 6×10-5 kg/（m·s），導(dǎo)熱率為0.026 2 W/（m·K），比熱容為1 013 J/（kg·K）。
先建立集裝箱模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再進(jìn)行不同工況的計(jì)算。采用分塊網(wǎng)格劃分的方法對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化，將整個(gè)求解區(qū)域分成多個(gè)小塊，然后對(duì)每個(gè)小塊單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于該模型為規(guī)則的六面體，為了降低網(wǎng)格數(shù)量，全部采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并在進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、風(fēng)道等位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。
網(wǎng)格的數(shù)量決定了計(jì)算的準(zhǔn)確度，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)儲(chǔ)能集裝箱模型的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。采用相同的網(wǎng)格劃分形式、不同的網(wǎng)格密度，繪制網(wǎng)格數(shù)分別為46.5×104，48×104，52×104，56×104 和58×104 的同一模型進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)設(shè)置和計(jì)算方式均相同，得到上述網(wǎng)格數(shù)量下集裝箱內(nèi)的平均溫度分別為309 K，310.1 K，311.5 K，312 K，312.1 K。計(jì)算發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量由56×104 變?yōu)?8×104 時(shí)，平均溫度的改變量?jī)H為0.25%，說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)量在56×104 以上時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果已基本無(wú)影響，所以選取網(wǎng)格數(shù)為56×104 時(shí)的網(wǎng)格密度劃分各個(gè)計(jì)算模型的網(wǎng)格。
3 計(jì)算結(jié)果及分析
3.1 冬季和夏季工況分析
環(huán)境溫度是對(duì)儲(chǔ)能集裝箱溫度場(chǎng)分布的主要影響因素之一。圖2 為冬季工況（環(huán)境溫度280 K）和夏季工況（環(huán)境溫度308 K）下的儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部截面（Y=2 m）溫度分布云圖。
圖2 冬季和夏季工況下集裝箱內(nèi)部截面（Y=2 m）溫度分布
由圖2 可見(jiàn)：在儲(chǔ)能電池及配電柜散熱溫度一致時(shí)，冬季工況下集裝箱內(nèi)溫度沒(méi)有超限，溫度最高點(diǎn)為303 K，不需要另外增加散熱系統(tǒng)進(jìn)行集裝箱散熱；在夏季工況下，環(huán)境溫度較高，集裝箱壁面溫度很高，無(wú)法有效帶走鋰電池和配電柜的散熱量，導(dǎo)致集裝箱內(nèi)平均溫度過(guò)高，溫度最高點(diǎn)達(dá)334.2 K，不僅影響鋰電池的安全運(yùn)行，也影響運(yùn)行檢修人員的人身安全，因此需對(duì)該儲(chǔ)能集裝箱進(jìn)行通風(fēng)散熱優(yōu)化。增加通風(fēng)散熱系統(tǒng)確實(shí)能有效降低儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)的平均溫度，其影響因素主要有通風(fēng)口的形狀、位置、數(shù)量、大小等。在風(fēng)溫相同的情況下，通風(fēng)口的數(shù)量和大小僅影響冷卻風(fēng)流量，流量越大冷卻效果勢(shì)必越強(qiáng)。因此，本文僅討論在風(fēng)溫和流量相同時(shí)，通風(fēng)口位置和形狀對(duì)冷卻效果的影響。
3.2 出風(fēng)口位置對(duì)集裝箱內(nèi)部溫度的影響
分析在夏季工況下出風(fēng)口位置對(duì)集裝箱內(nèi)溫度分布的影響。在其他條件相同的情況下，設(shè)置入口風(fēng)溫308 K，入口風(fēng)速0.5 m/s，出風(fēng)口、形狀、數(shù)量相同，僅出風(fēng)口位置不同的計(jì)算模型，其Y=2 m 截面的溫度分布如圖3 所示。
圖3 出風(fēng)口位置對(duì)溫度分布的影響
由圖3 可以看出：方案3 高溫部分面積最小，平均溫度最低（313.65 K）；方案2 高溫部分面積較大，覆蓋范圍最廣，平均溫度最高（316.45 K）；方案1 的平均溫度為315.25 K。因此在3 種出風(fēng)口布置方案中，方案3 的散熱效果最好。
3 種出風(fēng)口布置方案下的集裝箱內(nèi)部截面（Y=2 m）速度矢量如圖4 所示。可以看出在相同的速度標(biāo)尺下：方案3 集裝箱內(nèi)速度矢量較大，在集裝箱內(nèi)部出現(xiàn)幾個(gè)渦流，使集裝箱內(nèi)部工質(zhì)充分得到擾動(dòng)，換熱時(shí)間較長(zhǎng)，因此平均溫度較低；方案2 速度矢量最小，由于一個(gè)出風(fēng)口距離入風(fēng)口較近，空氣剛進(jìn)入儲(chǔ)能集裝箱，就有部分從左側(cè)的出風(fēng)口流出，即圖4 中流動(dòng)最為密集的區(qū)域，換熱時(shí)間較短，換熱量較少，因此平均溫度較高；方案1 集裝箱內(nèi)工質(zhì)流速較快，工質(zhì)分布均勻，但是沒(méi)有出現(xiàn)渦流，因此換熱效果介于方案2 與方案3 之間。
圖4 不同出風(fēng)口位置方案下集裝箱內(nèi)部截面（Y=2 m）速度矢量
3.3 出風(fēng)口形狀對(duì)集裝箱內(nèi)部溫度的影響
除了出風(fēng)口位置，出風(fēng)口形狀也是影響溫度分布的關(guān)鍵因素。在其他條件相同的情況下，建立入口風(fēng)速0.5 m/s，入口風(fēng)溫308 K，出風(fēng)口布置位置相同，形狀分別為面積相同的矩形、圓形儲(chǔ)能集裝箱計(jì)算模型，其Y=2 m 截面的溫度分布如圖5 所示。
由圖5 可以看出，出風(fēng)口形狀對(duì)儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)的溫度分布影響較為明顯。在出風(fēng)口面積及位置相同的情況下：當(dāng)出風(fēng)口為矩形時(shí)，儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)的平均溫度為313.65 K；當(dāng)出風(fēng)口在為圓形時(shí)，儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)的平均溫度為313.05 K。
不同出風(fēng)口形狀下集裝箱內(nèi)部截面（Y=2 m）的速度矢量如圖6 所示。
圖5 出風(fēng)口形狀對(duì)溫度分布的影響
圖6 不同出風(fēng)口形狀下集裝箱內(nèi)部截面（Y=2 m）速度矢量
由圖6 可以看出，當(dāng)出風(fēng)口分別為面積相同的矩形和圓形時(shí)，集裝箱內(nèi)流體流動(dòng)的趨勢(shì)大致相同，但是圓形出口模型內(nèi)的流場(chǎng)分布更為均勻，速度矢量較大，所以采用圓形出口的集裝箱平均溫度較低。
4 結(jié)論及建議
（1）在冬季工況下，環(huán)境溫度低，儲(chǔ)能集裝箱基本不存在散熱不良的問(wèn)題；而夏季溫度高，加上鋰電池模組和控制柜釋熱，導(dǎo)致集裝箱內(nèi)溫度過(guò)高，影響鋰電池的安全運(yùn)行，需要進(jìn)行通風(fēng)散熱改造。
（2）出風(fēng)口的位置直接影響儲(chǔ)能集裝箱的溫度分布，當(dāng)出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口相對(duì)位置按照方案3布置時(shí)，儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)平均溫度最低，散熱效果最好。
（3）出風(fēng)口的形狀是影響集裝箱內(nèi)溫度分布的因素之一，在出風(fēng)口面積和位置相同時(shí)，圓形出風(fēng)口集裝箱的平均溫度低于矩形出風(fēng)口集裝箱，散熱效果更佳。
參考文獻(xiàn)：（略）
DOI:10.19585/j.zjdl.202006016
