1 Thiết kế tản nhiệt và làm mát không khí hệ thống tích trữ năng lượng công nghiệp và thương mại

Làm mát bằng không khí là việc sử dụng không khí làm môi trường trao đổi nhiệt, sử dụng không khí để lưu thông trong bộ pin, sử dụng chênh lệch nhiệt độ giữa mô-đun pin và không khí để truyền nhiệt, thường được chia thành làm mát không khí thụ động và không khí chủ động làm mát. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu quả làm mát của nó là chế độ làm mát, thiết kế trường luồng không khí, cách bố trí pin và tốc độ gió vào.

1.1 Kích thước và khoảng cách pin
Khoảng cách pin là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất làm mát không khí. Khoảng cách pin phù hợp không chỉ có thể cải thiện hiệu quả làm mát không khí mà còn duy trì sự phân bố nhiệt độ đồng đều của pin. Khoảng cách trước sau và góc trái và phải của các ô liền kề trong mô-đun pin được chuyển đổi thành 6 biến độc lập và đầu ra mô phỏng CFD tương ứng (chênh lệch nhiệt độ và nhiệt độ tối đa) được sử dụng để huấn luyện mạng thần kinh Bayes và pin tối ưu đã thu được sự sắp xếp khoảng cách. Nghiên cứu cho thấy khoảng cách trước và sau ít ảnh hưởng đến nhiệt độ pin hơn khoảng cách bên trái và bên phải. Việc tăng khoảng cách từ trái sang phải ở khu vực giữa của bộ pin có thể cải thiện độ đồng đều nhiệt độ của toàn bộ bộ pin. Chiến lược tối ưu hóa nguồn cung cấp không khí song song giúp giảm khoảng cách xung quanh các ô làm mát bằng cách tăng khoảng cách giữa các ô ấm hơn. Hiệu quả của hệ thống làm mát không khí được tối ưu hóa. Trong điều kiện nguồn nhiệt không đổi, nhiệt độ tối đa của bộ pin giảm 0,8K và chênh lệch nhiệt độ tối đa giảm 2,9K (42%). Chiến lược tối ưu hóa này có tác dụng đáng kể trong việc kiểm soát chênh lệch nhiệt độ. Trong điều kiện tốc độ gia nhiệt không ổn định, chênh lệch nhiệt độ tối đa trong quá trình phóng điện ở 4 C và 5 C giảm lần lượt là 39% và 37% (1,5 và 1,8 K), đồng thời cả nhiệt độ tối đa và chênh lệch nhiệt độ tối đa đều giảm. Nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách pin và chiều dài đầu vào khác nhau trong hệ thống làm mát bằng không khí của thùng chứa. Điều kiện mô phỏng là dòng điện phóng điện 1 C, nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ khí đầu vào là 25 và 15oC. So sánh ảnh hưởng của khoảng cách mô-đun pin là 10, 20, 30 mm và chiều dài cửa hút gió 80, 130, 180 mm đối với nhiệt độ hệ thống. Kết quả được thể hiện ở Bảng 2, hiệu quả tốt nhất đạt được khi khoảng cách là 20 mm và chiều dài của cửa hút gió là 80 mm. Có thể thấy rằng việc tăng khoảng cách giữa các pin có thể đóng vai trò tối ưu hóa hệ thống trong một phạm vi nhất định và hiệu quả sẽ trở nên tốt hơn khi rút ngắn chiều dài của cửa hút gió.

1.2 Thiết kế hệ thống và chiến lược quản lý nhiệt

Mục tiêu của chiến lược thiết kế hệ thống và quản lý nhiệt là kiểm soát nhiệt độ của mô-đun pin một cách kịp thời và hiệu quả để pin có thể hoạt động trong môi trường phù hợp. Nghiên cứu hiện tại chủ yếu bao gồm thiết kế chiến lược điều khiển, loại trường luồng không khí và tối ưu hóa tốc độ gió vào để đảm bảo hiệu quả của hệ thống quản lý nhiệt.
(1) Chiến lược kiểm soát hệ thống

Nhằm mục đích quản lý nhiệt của hệ thống lưu trữ năng lượng container megawatt, một bộ chiến lược kiểm soát nhiệt độ của hệ thống lưu trữ năng lượng bao gồm điều hòa không khí và quạt được thiết kế. Hệ thống sẽ điều khiển hoạt động và tắt máy điều hòa, quạt theo nhiệt độ pin thời gian thực và nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ môi trường thấp hơn 12°C, điều hòa sẽ làm nóng pin, khi nhiệt độ cao hơn 28°C, điều hòa sẽ làm mát pin. Khi BTMS phát hiện nhiệt độ của BBU cao hơn 33°C, quạt của BBU sẽ khởi động độc lập. Khi nhiệt độ của BBU thấp hơn 31°C, quạt của BBU ngừng chạy. Dữ liệu cho thấy nhiệt độ hoạt động của pin được giữ ở mức dưới 40oC và độ ổn định nhiệt độ tốt trong điều kiện tốc độ năng lượng thấp. Hệ thống quản lý nhiệt nhiều ổ cắm được thiết kế cho các mô-đun pin 5 × 5, khác với hệ thống trước đây ở cách bố trí một ổ cắm và hiệu suất tản nhiệt của nó hiệu quả hơn. Trong nghiên cứu này, 1 cửa gió vào nằm ở chính giữa phía trên và 4 cửa gió ra nằm ở góc dưới bên phải của 4 cạnh, có tác dụng làm mát tốt nhất. So với mô hình ban đầu, nhiệt độ tối đa, chênh lệch nhiệt độ tối đa, nhiệt độ trung bình và độ lệch chuẩn nhiệt độ lần lượt giảm 16,4%, 48,7%, 10,5% và 43,1%. Khi pin được xả ở nhiệt độ 3 ° C, nhiệt độ của mô-đun pin có thể được giữ dưới 40 ° C bằng cách cung cấp tốc độ không khí vào ít nhất 2 m/s, có thể thấy rằng chiến lược đảm bảo rằng pin cũng có thể chạy tốt trong điều kiện tỷ lệ lớn.

9 loại sơ đồ thiết kế trường luồng không khí

Trường nhiệt độ của thùng chứa dưới các kết cấu khác nhau

Nhiệt độ tối đa và chênh lệch nhiệt độ của pin trong các trường luồng không khí khác nhau

(2) Thiết kế bố trí hệ thống
Trong hệ thống làm mát không khí, bằng cách chọn kiểu dòng chảy phù hợp, hiệu quả làm mát có thể được cải thiện hơn nữa. Nghiên cứu ảnh hưởng của các trường luồng không khí khác nhau đến nhiệt độ của mô-đun pin. Người ta nhận thấy rằng nhiệt độ của chất lỏng sẽ tăng theo trình tự trong quá trình dòng chảy khi sử dụng nguồn cấp khí nối tiếp, dẫn đến chênh lệch nhiệt độ lớn giữa hai bên của pin. Nguồn cung cấp không khí song song hình nêm (loại Z) có thể đảm bảo hiệu quả sự ổn định của nhiệt độ pin. Nhiệt độ và chênh lệch nhiệt độ tối đa của pin trong bộ pin theo 9 thiết kế trường dòng chảy khác nhau với cùng vận tốc không khí và hiệu suất tản nhiệt đã được nghiên cứu, như trên Hình 2. Kết quả Bảng 3 cho thấy hiệu quả làm mát của trường dòng chảy Số 3 là tệ nhất, Tmax và ΔTmax tương ứng lần lượt là 329,33 K và 8,22 K. Tmax thấp nhất (324,91 K) và ΔTmax (2,09K) thấp nhất lần lượt xuất hiện vào ngày 9 và 7. Có thể thấy rằng vị trí của cửa vào và cửa ra có tác động đáng kể đến mô hình đối lưu và các đường dẫn dòng chảy khác nhau dẫn đến sự phân bố không khí khác nhau. Tốc độ không khí ở cả hai mặt của pin càng cao thì hiệu quả làm mát càng tốt, tốc độ không khí trong mỗi kênh càng gần và độ ổn định nhiệt độ của pin càng tốt.

(3) Tốc độ gió vào

Tốc độ gió rất quan trọng đối với hệ thống làm mát không khí, tốc độ gió hợp lý có thể cải thiện hiệu suất làm mát của hệ thống, đồng thời đảm bảo mức tiêu thụ năng lượng thấp. Hiệu suất làm mát của BTMS ở các tốc độ gió đầu vào khác nhau đã được nghiên cứu. BTMS có điều hòa không khí, khi nhiệt độ môi trường > 20 ° C, nhiệt độ không khí vào là 20 ° C, khi nhiệt độ môi trường bằng 20 ° C, sử dụng làm mát trực tiếp không khí xung quanh. Nghiên cứu cho thấy ở nhiệt độ môi trường xung quanh là 30oC và 50oC, nhiệt độ trung bình và chênh lệch nhiệt độ tối đa của pin trong một chu kỳ hoàn chỉnh sẽ giảm khi tốc độ gió tăng. Như có thể thấy trong Bảng 4, khi tốc độ gió bằng 1 m/s, pin có thể duy trì nhiệt độ hợp lý, tốc độ gió tiếp tục tăng nhưng lợi ích sẽ giảm dần và mức tiêu thụ năng lượng sẽ tăng lên. Vì vậy, việc lựa chọn tốc độ gió trong ứng dụng thực tế cần cân bằng giữa hai tốc độ này. Nghiên cứu cũng cho thấy việc tăng tốc độ gió có thể làm giảm nhiệt độ hoạt động và chênh lệch nhiệt độ tối đa của pin, đồng thời tốc độ hao hụt dung lượng của pin cũng chậm lại.

Nhiệt độ cuối chu kỳ ở các tốc độ gió khác nhau