林元華，杜戴寧

(1.南瑞集團(tuán)有限公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司)，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

為積極響應(yīng)國家“碳達(dá)峰，碳中和”的號召，全國各地配套的儲能設(shè)備建設(shè)越來越紅火。其中以小功率密度的柜式儲能設(shè)備發(fā)展最為迅速，其能量密度大，占地面積較小，可滿足配電臺區(qū)、寫字樓、商場等復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。儲能設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)關(guān)鍵，就是如何合理地進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)前，國內(nèi)儲能設(shè)備的冷卻系統(tǒng)基本以空調(diào)冷卻為主，其生產(chǎn)和維護(hù)成本高，功率密度小，應(yīng)用場景較為苛刻。采用組合式散熱系統(tǒng)，可以提高儲能設(shè)備的功率密度，極大地降低空調(diào)冷卻系統(tǒng)的成本，其小型化的應(yīng)用場景也更靈活，在日趨競爭激烈的市場中更具有優(yōu)勢。

1 高防護(hù)戶外儲能柜組合式散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

合理的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是儲能柜安全可靠、無故障運(yùn)行的保證。組合式散熱系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)流程見圖1，按照此流程對100 kWh的儲能柜進(jìn)行散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 組合散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

1)風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此100 kWh儲能柜為高防護(hù)戶外型儲能柜，戶外防護(hù)等級達(dá)到IP55等級[1]。柜內(nèi)主要發(fā)熱電器元器件的功率、功耗、數(shù)量和散熱方式見表1。考慮到儲能柜的成本壓力，風(fēng)冷散熱系統(tǒng)和空調(diào)冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的組合式散熱系統(tǒng)可大幅降低散熱系統(tǒng)的成本。將對環(huán)境和溫度要求不高的SPC、PCS和UPS裝置單獨(dú)成艙，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷對其進(jìn)行散熱，并將對環(huán)境和溫度要求高的電池PACK單獨(dú)成艙，采用空調(diào)對其進(jìn)行密閉散熱。

表1 發(fā)熱元器件功耗清單

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱風(fēng)道布置在儲能柜的中上部，不但可以避免太陽輻射對高功耗裝置的不利影響，而且可有效避免地面柳絮、灰塵等阻塞風(fēng)道。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的風(fēng)道對稱布置在前后門上，風(fēng)道上都裝有G4過濾效果的棉，風(fēng)機(jī)布置在出風(fēng)側(cè)。此時風(fēng)道長度最短，風(fēng)阻最小?？照{(diào)散熱系統(tǒng)的空調(diào)布置在儲能柜中下部[2]，可有效避免惡劣的地表環(huán)境對空調(diào)的影響。由于工業(yè)空調(diào)冷風(fēng)口和熱回風(fēng)口在同一面上，設(shè)計(jì)一冷風(fēng)送風(fēng)口在儲能柜底部，將柜后部的冷風(fēng)直接送到柜前部，可有效實(shí)現(xiàn)電池的前后同步均勻散熱。組合式散熱系統(tǒng)方案見圖2。

圖2 儲能柜組合式散熱系統(tǒng)示意圖

2)風(fēng)量和制冷量理論計(jì)算

組合式散熱系統(tǒng)中，空調(diào)散熱系統(tǒng)的總制冷量C的計(jì)算公式為C=Cr+Cs+Ch。其中：C為總制冷量，W；Cr為太陽輻射熱量，W；Cs為環(huán)境滲入(出)熱量，W；Ch為元器件發(fā)熱功耗，W；根據(jù)理論計(jì)算公式，Cr=277.5 W，Cs=117.2 W，Ch=1 000 W，則C=1 394.7 W，選型制冷量為1.5 kW的工業(yè)空調(diào)。

3)風(fēng)壓計(jì)算

表2 風(fēng)道損失系數(shù)

組合式散熱系統(tǒng)中，儲能柜采用雙柜結(jié)構(gòu)，空調(diào)只能掛在一側(cè)柜體上，故需要進(jìn)行冷風(fēng)分流設(shè)計(jì)，空調(diào)的內(nèi)循環(huán)風(fēng)量為380 m3/h，分三路導(dǎo)流到機(jī)柜前側(cè)，則每路平均分流約130 m3/h。根據(jù)風(fēng)冷中風(fēng)壓的理論計(jì)算公式可知，P=Pi=12.7 Pa。根據(jù)8030直流風(fēng)機(jī)的性能曲線圖可見，兩個風(fēng)機(jī)自由風(fēng)量為160 m3/h，10～15 Pa時有效風(fēng)量為120～140 m3/h，符合理論計(jì)算系統(tǒng)所需風(fēng)量，故此款風(fēng)機(jī)滿足選型要求。

4)熱仿真分析

儲能柜內(nèi)主要發(fā)熱電器件數(shù)量及功耗見表1，前后風(fēng)道的濾棉取說明書中60 Pa的壓損參數(shù)。組合式散熱系統(tǒng)中包含兩款風(fēng)機(jī)和一個工業(yè)空調(diào)，具體參數(shù)在上述計(jì)算時都有體現(xiàn)。

根據(jù)上述邊界條件，取GB2423中太陽輻射強(qiáng)度參數(shù)1 120 W/m2，采用Flotherm對儲能柜熱進(jìn)行仿真分析[3-5]。圖3、圖4分別為風(fēng)冷散熱系統(tǒng)和空調(diào)冷卻散熱系統(tǒng)小風(fēng)機(jī)實(shí)際工作壓力和風(fēng)量。由圖3可知，風(fēng)機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)風(fēng)量為571.03 m3/h，風(fēng)壓79.79 Pa。風(fēng)量和風(fēng)壓低于整機(jī)理論計(jì)算值，強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)符合要求。且可得出空調(diào)冷卻系統(tǒng)中兩個直流風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)的風(fēng)量和風(fēng)壓值。由圖4可知，風(fēng)機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)的風(fēng)量是47.52 m3/h，風(fēng)壓是17.63 Pa，符合冷風(fēng)導(dǎo)流的設(shè)計(jì)要求。

圖3 風(fēng)冷散熱系統(tǒng)風(fēng)機(jī)實(shí)際工作壓力和風(fēng)量

圖4 空調(diào)冷卻散熱系統(tǒng)小風(fēng)機(jī)實(shí)際工作壓力和風(fēng)量

圖5為儲能柜整柜溫度分布圖。根據(jù)圖5可知，儲能柜強(qiáng)迫風(fēng)冷配電艙中進(jìn)風(fēng)口最高溫度是42.3 ℃，最低溫度是40 ℃，最高溫差是2.3 ℃，處在風(fēng)冷裝置的正常工作溫度區(qū)間；出風(fēng)口最高溫度是48.5 ℃，最高溫差是8.5 ℃，處于風(fēng)機(jī)長壽命周期工作溫度區(qū)間；電池艙中，最高溫度是38.5 ℃，最低溫度是30.1 ℃，最高溫差是8.4 ℃，平均溫差是5.9 ℃，可使電池包長期處在正常工作溫度區(qū)間。綜上，由Flotherm熱仿真分析結(jié)果可知，配電艙和電池艙中的熱仿真數(shù)據(jù)均可滿足熱設(shè)計(jì)的邊界條件，儲能柜組合式散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可達(dá)到熱設(shè)計(jì)的要求。

圖5 儲能柜整柜溫度分布圖

5)高溫?zé)釡y試

在高溫箱中模擬地設(shè)置最高40 ℃的溫度，采用K型熱電偶、數(shù)據(jù)記錄儀等儀器進(jìn)行儲能柜的熱試驗(yàn)[6]。儲能柜內(nèi)空調(diào)冷卻系統(tǒng)的電池艙內(nèi)前后各布置4個測試點(diǎn)，儲能電池包前后側(cè)(靠近空調(diào)側(cè)為后)從上到下各4個監(jiān)測點(diǎn)，并布置環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)1個。儲能柜內(nèi)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的配電艙前后門處各布置2個監(jiān)測點(diǎn)。

儲能柜高溫?zé)釡y試通過的條件為：長時間滿負(fù)荷充放電工作過程中，所有電器件均能滿載正常工作。量化成邊界條件，并以溫差值表示：①配電艙中，進(jìn)風(fēng)口溫度低于風(fēng)冷散熱裝置降容工作溫度45 ℃，進(jìn)出風(fēng)口溫差低于15 ℃，并能控制出風(fēng)口風(fēng)扇在長壽命無故障工作溫度區(qū)間內(nèi)；②電池艙中，儲能柜在滿載充放電測試過程中，電池包周邊最高溫升低于15 ℃，且電池包平均工作溫度長期保持在18 ℃～30 ℃。

配電艙的高溫?zé)釡y試環(huán)境溫度是(40±0.5)℃，由圖6可知(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)，儲能柜在滿負(fù)荷長時間工作后，配電柜內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的溫度趨于平穩(wěn)。進(jìn)風(fēng)口平均溫差趨于1 ℃，出風(fēng)口平均溫差趨于9 ℃，進(jìn)出風(fēng)口平均溫差趨于8 ℃。由此可見，風(fēng)冷配電柜進(jìn)風(fēng)口平均溫度為(41±0.5)℃，出風(fēng)口平均溫度為(49±0.5)℃，可達(dá)到邊界條件一的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。綜上，風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合要求。

圖6 配電艙中溫度監(jiān)測點(diǎn)與環(huán)境溫差及溫差趨勢圖

由圖7可知，儲能柜在長時間滿功率測試時，電池艙內(nèi)平均溫差在5 ℃均線上下波動，高溫試驗(yàn)箱的溫度是(40±0.5)℃，機(jī)柜空調(diào)的制冷溫度點(diǎn)是25 ℃，回差是5 ℃。由此可知電池艙內(nèi)的工作平均溫度約在(30±0.5)℃，與電池限功率工作溫度的最大差額在15 ℃以內(nèi)。且此電池艙在24 h工作時間內(nèi)只需充放電1次，則可知電池包平均工作溫度長期在(25±5)℃。儲能柜電池艙的空調(diào)散熱系統(tǒng)這一部分完全滿足熱設(shè)計(jì)要求。

圖7 電池艙中各檢測點(diǎn)與環(huán)境溫差

綜上可知，儲能柜組合式散熱系統(tǒng)能夠通過高溫?zé)釡y試試驗(yàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但對比熱仿真數(shù)據(jù)可知：組合式散熱系統(tǒng)中，配電艙風(fēng)冷散熱系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)明顯低于高溫?zé)釡y試數(shù)據(jù)，電池艙中空調(diào)冷卻散熱系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)明顯高于高溫?zé)釡y試數(shù)據(jù)。造成以上偏差的原因如下：1)測試環(huán)境的誤差波動所致，如熱電偶的測量精度、高溫箱的溫度波動等；2)三相不平衡治理裝置SPC等采用風(fēng)冷散熱裝置的熱損耗超過3%，理論偏離實(shí)際；3)進(jìn)出風(fēng)口過濾棉的實(shí)際風(fēng)阻比理論數(shù)據(jù)大；4)電池包充放電的實(shí)際工作狀態(tài)不是穩(wěn)定的線性關(guān)系，如虧電多比虧電少充電時實(shí)時功率相差很大；5)空調(diào)實(shí)際工作時的設(shè)置制冷溫度點(diǎn)和回風(fēng)溫度差有一定的誤差，且空調(diào)制冷時，吹出冷風(fēng)的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于25 ℃(實(shí)測在11 ℃左右)。鑒于以上原因，建議：①高溫?zé)釡y試時，增加監(jiān)測點(diǎn)，并做數(shù)據(jù)處理；②可實(shí)際測試常規(guī)過濾棉的風(fēng)阻與風(fēng)速關(guān)系，積累相關(guān)參數(shù)；③在測試過程中，可實(shí)時監(jiān)測風(fēng)冷散熱裝置和電池包的工作電壓電流等；④增加空調(diào)的送回風(fēng)口的溫度實(shí)時監(jiān)測，積累空調(diào)工作的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

2 結(jié)語

高防護(hù)戶外儲能柜的組合式散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程可見，理論計(jì)算結(jié)合熱仿真設(shè)計(jì)，并輔以高溫?zé)釡y試試驗(yàn)，可極大地縮短散熱系統(tǒng)的開發(fā)時間，提高研發(fā)的成功率。且在市場競爭日趨激烈的今天，組合式散熱系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的單一散熱系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)思路更加靈活可變，可發(fā)揮單一散熱系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，市場競爭力更加突出。