林元華，杜戴寧

(1.南瑞集團有限公司(國網(wǎng)電力科學研究院有限公司)，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

為積極響應國家“碳達峰，碳中和”的號召，全國各地配套的儲能設備建設越來越紅火。其中以小功率密度的柜式儲能設備發(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、商場等復雜的應用環(huán)境。儲能設備結(jié)構(gòu)設計的主要技術關鍵，就是如何合理地進行冷卻系統(tǒng)的設計。當前，國內(nèi)儲能設備的冷卻系統(tǒng)基本以空調(diào)冷卻為主，其生產(chǎn)和維護成本高，功率密度小，應用場景較為苛刻。采用組合式散熱系統(tǒng)，可以提高儲能設備的功率密度，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 高防護戶外儲能柜組合式散熱系統(tǒng)設計

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

圖1 組合散熱系統(tǒng)設計流程

1)風道結(jié)構(gòu)設計

此100 kWh儲能柜為高防護戶外型儲能柜，戶外防護等級達到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?？紤]到儲能柜的成本壓力，風冷散熱系統(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裝置單獨成艙，采用強迫風冷對其進行散熱，并將對環(huán)境和溫度要求高的電池PACK單獨成艙，采用空調(diào)對其進行密閉散熱。

表1 發(fā)熱元器件功耗清單

強迫風冷散熱風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、灰塵等阻塞風道。風冷散熱系統(tǒng)的風道對稱布置在前后門上，風道上都裝有G4過濾效果的棉，風機布置在出風側(cè)。此時風道長度最短，風阻最小?？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)冷風口和熱回風口在同一面上，設計一冷風送風口在儲能柜底部，將柜后部的冷風直接送到柜前部，可有效實現(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)風量和制冷量理論計算

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)風壓計算

表2 風道損失系數(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，故需要進行冷風分流設計，空調(diào)的內(nèi)循環(huán)風量為380 m3/h，分三路導流到機柜前側(cè)，則每路平均分流約130 m3/h。根據(jù)風冷中風壓的理論計算公式可知，P=Pi=12.7 Pa。根據(jù)8030直流風機的性能曲線圖可見，兩個風機自由風量為160 m3/h，10～15 Pa時有效風量為120～140 m3/h，符合理論計算系統(tǒng)所需風量，故此款風機滿足選型要求。

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)中包含兩款風機和一個工業(yè)空調(diào)，具體參數(shù)在上述計算時都有體現(xiàn)。

根據(jù)上述邊界條件，取GB2423中太陽輻射強度參數(shù)1 120 W/m2，采用Flotherm對儲能柜熱進行仿真分析[3-5]。圖3、圖4分別為風冷散熱系統(tǒng)和空調(diào)冷卻散熱系統(tǒng)小風機實際工作壓力和風量。由圖3可知，風機實際工作點風量為571.03 m3/h，風壓79.79 Pa。風量和風壓低于整機理論計算值，強迫風冷設計符合要求。且可得出空調(diào)冷卻系統(tǒng)中兩個直流風機工作點的風量和風壓值。由圖4可知，風機實際工作點的風量是47.52 m3/h，風壓是17.63 Pa，符合冷風導流的設計要求。

圖3 風冷散熱系統(tǒng)風機實際工作壓力和風量

圖4 空調(diào)冷卻散熱系統(tǒng)小風機實際工作壓力和風量

圖5為儲能柜整柜溫度分布圖。根據(jù)圖5可知，儲能柜強迫風冷配電艙中進風口最高溫度是42.3 ℃，最低溫度是40 ℃，最高溫差是2.3 ℃，處在風冷裝置的正常工作溫度區(qū)間；出風口最高溫度是48.5 ℃，最高溫差是8.5 ℃，處于風機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)均可滿足熱設計的邊界條件，儲能柜組合式散熱系統(tǒng)的設計可達到熱設計的要求。

圖5 儲能柜整柜溫度分布圖

5)高溫熱測試

在高溫箱中模擬地設置最高40 ℃的溫度，采用K型熱電偶、數(shù)據(jù)記錄儀等儀器進行儲能柜的熱試驗[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，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，并布置環(huán)境監(jiān)測點1個。儲能柜內(nèi)強迫風冷散熱系統(tǒng)的配電艙前后門處各布置2個監(jiān)測點。

儲能柜高溫熱測試通過的條件為：長時間滿負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，進風口溫度低于風冷散熱裝置降容工作溫度45 ℃，進出風口溫差低于15 ℃，并能控制出風口風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 ℃。

配電艙的高溫熱測試環(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)，儲能柜在滿負荷長時間工作后，配電柜內(nèi)各監(jiān)測點的溫度趨于平穩(wěn)。進風口平均溫差趨于1 ℃，出風口平均溫差趨于9 ℃，進出風口平均溫差趨于8 ℃。由此可見，風冷配電柜進風口平均溫度為(41±0.5)℃，出風口平均溫度為(49±0.5)℃，可達到邊界條件一的各項設計指標要求。綜上，風冷散熱系統(tǒng)的設計符合要求。

圖6 配電艙中溫度監(jiān)測點與環(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，高溫試驗箱的溫度是(40±0.5)℃，機柜空調(diào)的制冷溫度點是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計要求。

圖7 電池艙中各檢測點與環(huán)境溫差

綜上可知，儲能柜組合式散熱系統(tǒng)能夠通過高溫熱測試試驗，達到設計要求。但對比熱仿真數(shù)據(jù)可知：組合式散熱系統(tǒng)中，配電艙風冷散熱系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)明顯低于高溫熱測試數(shù)據(jù)，電池艙中空調(diào)冷卻散熱系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)明顯高于高溫熱測試數(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等采用風冷散熱裝置的熱損耗超過3%，理論偏離實際；3)進出風口過濾棉的實際風阻比理論數(shù)據(jù)大；4)電池包充放電的實際工作狀態(tài)不是穩(wěn)定的線性關系，如虧電多比虧電少充電時實時功率相差很大；5)空調(diào)實際工作時的設置制冷溫度點和回風溫度差有一定的誤差，且空調(diào)制冷時，吹出冷風的溫度遠遠低于25 ℃(實測在11 ℃左右)。鑒于以上原因，建議：①高溫熱測試時，增加監(jiān)測點，并做數(shù)據(jù)處理；②可實際測試常規(guī)過濾棉的風阻與風速關系，積累相關參數(shù)；③在測試過程中，可實時監(jiān)測風冷散熱裝置和電池包的工作電壓電流等；④增加空調(diào)的送回風口的溫度實時監(jiān)測，積累空調(diào)工作的相關經(jīng)驗參數(shù)。

2 結(jié)語

高防護戶外儲能柜的組合式散熱系統(tǒng)設計過程可見，理論計算結(jié)合熱仿真設計，并輔以高溫熱測試試驗，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)，其設計思路更加靈活可變，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。