1 Progettazione del raffreddamento ad aria e della dissipazione del calore di sistemi di accumulo di energia industriale e commerciale

Il raffreddamento ad aria è l'uso dell'aria come mezzo di scambio termico, l'uso dell'aria per circolare nel pacco batteria, l'uso della differenza di temperatura tra il modulo batteria e l'aria per il trasferimento di calore, generalmente suddiviso in raffreddamento ad aria passivo e aria attiva raffreddamento. I principali fattori che influenzano l'efficienza del raffreddamento sono la modalità di raffreddamento, la progettazione del campo del flusso d'aria, la disposizione della batteria e la velocità del vento in ingresso.

1.1 Dimensioni e spaziatura della batteria
La spaziatura della batteria è un fattore chiave che influisce sulle prestazioni del raffreddamento ad aria. Una distanza adeguata tra le batterie può non solo migliorare l'efficienza del raffreddamento ad aria, ma anche mantenere la distribuzione uniforme della temperatura della batteria. La spaziatura anteriore e posteriore e l'angolo sinistro e destro delle celle adiacenti nel modulo batteria sono stati convertiti in 6 variabili indipendenti e il corrispondente output della simulazione CFD (temperatura massima e differenza di temperatura) è stato utilizzato per addestrare la rete neurale bayesiana e la batteria ottimale è stata ottenuta la disposizione della spaziatura. Lo studio ha dimostrato che la spaziatura anteriore e posteriore ha avuto un effetto minore sulla temperatura della batteria rispetto alla spaziatura sinistra e destra. Aumentando la spaziatura da sinistra a destra nell'area centrale del pacco batteria è possibile migliorare l'uniformità della temperatura dell'intero pacco batteria. Una strategia di ottimizzazione della fornitura d'aria parallela che riduce la distanza attorno alle celle più fredde aumentando la distanza tra le celle più calde. L'efficienza del sistema di raffreddamento ad aria è ottimizzata. Con una potenza di riscaldamento costante, la temperatura massima della batteria viene ridotta di 0,8 K e la differenza di temperatura massima viene ridotta di 2,9 K (del 42%). Questa strategia di ottimizzazione ha un effetto significativo nel controllo della differenza di temperatura. Con una velocità di riscaldamento instabile, la differenza di temperatura massima durante la scarica a 4 C e 5 C è ridotta rispettivamente del 39% e del 37% (1,5 e 1,8 K), e sia la temperatura massima che la differenza di temperatura massima sono ridotte. Viene studiata l'influenza della diversa spaziatura delle batterie e della lunghezza di ingresso nel sistema raffreddato ad aria del contenitore di stoccaggio. La condizione di simulazione è una scarica di corrente di 1 C e la temperatura ambiente e la temperatura del gas in ingresso sono 25 e 15 ℃. Sono stati confrontati gli effetti della spaziatura dei moduli batteria di 10, 20, 30 mm e della lunghezza dell'ingresso dell'aria di 80, 130, 180 mm sulla temperatura del sistema. I risultati sono mostrati nella Tabella 2, l'effetto migliore si ottiene quando la spaziatura è di 20 mm e la lunghezza dell'ingresso dell'aria è di 80 mm. Si può vedere che l'aumento della spaziatura della batteria può svolgere un ruolo nell'ottimizzazione del sistema entro un certo intervallo e l'effetto migliora con la riduzione della lunghezza dell'ingresso dell'aria.

1.2 Progettazione del sistema e strategia di gestione termica

L'obiettivo della progettazione del sistema e della strategia di gestione termica è controllare la temperatura del modulo batteria in modo tempestivo ed efficace, in modo che la batteria possa funzionare in un ambiente adatto. La ricerca esistente comprende principalmente la progettazione della strategia di controllo, il tipo di campo del flusso d'aria e l'ottimizzazione della velocità del vento in ingresso, in modo da garantire l'efficienza del sistema di gestione termica.
(1) Strategia di controllo del sistema

Mirando alla gestione termica del sistema di accumulo di energia in contenitori da megawatt, è stata progettata una serie di strategie di controllo della temperatura del sistema di accumulo di energia che include condizionatore d'aria e ventilatore. Il sistema controllerà il funzionamento e lo spegnimento del condizionatore d'aria e della ventola in base alla temperatura della batteria in tempo reale e alla temperatura ambiente. Quando la temperatura ambiente è inferiore a 12°C, il condizionatore riscalderà la batteria, mentre quando la temperatura è superiore a 28°C, il condizionatore raffredderà la batteria. Quando il BTMS rileva che la temperatura di una BBU è superiore a 33°C, la ventola della BBU si avvia autonomamente. Quando la temperatura della BBU è inferiore a 31°C, la ventola della BBU smette di funzionare. I dati mostrano che la temperatura operativa della batteria viene mantenuta al di sotto di 40 ℃ e la consistenza della temperatura è buona in condizioni di basso consumo energetico. Un sistema di gestione termica multi-uscita è progettato per moduli batteria 5×5, che è diverso dal precedente nel layout di una uscita e le sue prestazioni di dissipazione del calore sono più efficaci. In questo studio, 1 ingresso dell'aria si trova in alto al centro e 4 uscite dell'aria si trovano nell'angolo in basso a destra dei quattro lati, ottenendo il miglior effetto di raffreddamento. Rispetto al modello originale, la temperatura massima, la differenza di temperatura massima, la temperatura media e la deviazione standard della temperatura sono ridotte rispettivamente del 16,4%, 48,7%, 10,5% e 43,1%. Quando la batteria è scarica a 3°C, la temperatura del modulo batteria può essere mantenuta al di sotto dei 40°C fornendo una velocità di ingresso dell'aria di almeno 2 m/s, da cui si può vedere che la strategia garantisce che anche la batteria possa funzionare bene in condizioni di tassi elevati.

9 tipi di diagrammi di progettazione del campo del flusso d'aria

Campo di temperatura dei contenitori di stoccaggio sotto diverse strutture

Temperatura massima e differenza di temperatura delle batterie in diversi campi di flusso d'aria

(2) Progettazione del layout del sistema
Nel sistema di raffreddamento ad aria, scegliendo il giusto modello di flusso, l'efficienza del raffreddamento può essere ulteriormente migliorata. Viene studiata l'influenza di diversi campi di flusso d'aria sulla temperatura del modulo batteria. Si è riscontrato che la temperatura del fluido aumenterà in sequenza durante il processo di flusso quando si utilizza l'alimentazione d'aria in serie, determinando una grande differenza di temperatura tra i due lati della batteria. L'alimentazione d'aria parallela a forma di cuneo (tipo Z) può garantire efficacemente la coerenza della temperatura della batteria. Sono state studiate la temperatura massima e la differenza di temperatura della batteria nel pacco batteria in 9 diversi modelli di campo di flusso con la stessa velocità dell'aria ed efficienza di dissipazione del calore, come mostrato nella Figura 2. I risultati della Tabella 3 mostrano che l'effetto di raffreddamento del campo di flusso N.3 è il peggiore e i corrispondenti Tmax e ΔTmax sono rispettivamente 329,33 K e 8,22 K. Il Tmax più basso (324,91 K) e il ΔTmax più basso (2,09 K) compaiono rispettivamente il 9 e il 7. Si può vedere che la posizione dell'ingresso e dell'uscita hanno un impatto significativo sul modello di convezione e diversi percorsi di flusso portano a una diversa distribuzione dell'aria. Maggiore è la velocità dell'aria su entrambi i lati della batteria, migliore sarà l'effetto di raffreddamento, più vicina sarà la velocità dell'aria in ciascun canale e migliore sarà la costanza della temperatura della batteria.

(3) Velocità del vento in ingresso aria

La velocità del vento è molto importante per il sistema di raffreddamento ad aria, una velocità del vento ragionevole può migliorare le prestazioni di raffreddamento del sistema, garantendo al tempo stesso un basso consumo energetico. Sono state studiate le prestazioni di raffreddamento del BTMS a diverse velocità del vento in ingresso. BTMS con aria condizionata, quando la temperatura ambiente > 20 ° C, la temperatura dell'aria in ingresso è 20 ° C, quando la temperatura ambiente è pari a 20 ° C, l'uso del raffreddamento diretto dell'aria ambiente. La ricerca mostra che a temperature ambiente di 30 ℃ e 50 ℃, la temperatura media e la differenza di temperatura massima della batteria in un ciclo completo diminuiscono con l'aumento della velocità del vento. Come si può vedere dalla Tabella 4, quando la velocità del vento è pari a 1 m/s, la batteria può mantenere una temperatura ragionevole e la velocità del vento continua ad aumentare, ma i benefici diminuiranno gradualmente e il consumo di energia aumenterà. Pertanto, la scelta della velocità del vento nelle applicazioni pratiche dovrebbe essere bilanciata tra le due. Lo studio ha inoltre scoperto che l'aumento della velocità del vento può ridurre la temperatura operativa e la differenza di temperatura massima della batteria, e anche il tasso di perdita di capacità della batteria viene rallentato.

Temperatura di fine ciclo a diverse velocità del vento