1 تصميم تبريد الهواء وتبديد الحرارة لنظام تخزين الطاقة الصناعية والتجارية

تبريد الهواء هو استخدام الهواء كوسيط للتبادل الحراري، واستخدام الهواء للتدوير في حزمة البطارية، واستخدام فرق درجة الحرارة بين وحدة البطارية والهواء لنقل الحرارة، وينقسم بشكل عام إلى تبريد الهواء السلبي والهواء النشط تبريد. العوامل الرئيسية التي تؤثر على كفاءة التبريد هي وضع التبريد، تصميم مجال تدفق الهواء، ترتيب البطارية وسرعة الرياح مدخل الهواء.

1.1 أبعاد البطارية والتباعد بينها
يعد التباعد بين البطاريات عاملاً رئيسيًا يؤثر على أداء تبريد الهواء. لا يؤدي التباعد المناسب للبطارية إلى تحسين كفاءة تبريد الهواء فحسب، بل يحافظ أيضًا على التوزيع الموحد لدرجة حرارة البطارية. تم تحويل التباعد الأمامي والخلفي والزاوية اليسرى واليمنى للخلايا المجاورة في وحدة البطارية إلى 6 متغيرات مستقلة، وتم استخدام مخرجات محاكاة CFD المقابلة (أقصى درجة حرارة وفرق في درجة الحرارة) لتدريب الشبكة العصبية البايزية، والبطارية المثالية تم الحصول على ترتيب التباعد. وأظهرت الدراسة أن التباعد الأمامي والخلفي كان له تأثير أقل على درجة حرارة البطارية من التباعد الأيسر والأيمن. يمكن أن تؤدي زيادة التباعد من اليسار إلى اليمين في المنطقة الوسطى من مجموعة البطارية إلى تحسين توحيد درجة الحرارة لمجموعة البطارية بأكملها. استراتيجية تحسين إمدادات الهواء المتوازية التي تقلل من التباعد حول الخلايا الأكثر برودة عن طريق زيادة المسافة بين الخلايا الأكثر دفئًا. تم تحسين كفاءة نظام تبريد الهواء. في ظل طاقة التسخين الثابتة، تنخفض درجة الحرارة القصوى لحزمة البطارية بمقدار 0.8 كلفن ويتم تقليل الفرق الأقصى في درجة الحرارة بمقدار 2.9 كلفن (بنسبة 42%). استراتيجية التحسين هذه لها تأثير كبير في التحكم في اختلاف درجات الحرارة. في ظل معدل التسخين غير المستقر، يتم تقليل الحد الأقصى لفرق درجة الحرارة أثناء التفريغ 4 درجات مئوية و5 درجات مئوية بنسبة 39% و37% (1.5 و1.8 كلفن)، على التوالي، ويتم تقليل كل من درجة الحرارة القصوى والحد الأقصى لفرق درجة الحرارة. تمت دراسة تأثير اختلاف المسافات بين البطاريات وطول المدخل في نظام تبريد الهواء لحاوية التخزين. حالة المحاكاة هي 1 درجة مئوية من التفريغ الحالي، ودرجة الحرارة المحيطة ودرجة حرارة الغاز الداخل هي 25 و15 درجة مئوية. تمت مقارنة تأثيرات تباعد وحدة البطارية 10، 20، 30 ملم وطول مدخل الهواء 80، 130، 180 ملم على درجة حرارة النظام. تظهر النتائج في الجدول 2، حيث يتم تحقيق أفضل تأثير عندما تكون المسافة 20 مم وطول مدخل الهواء 80 مم. ويمكن ملاحظة أن زيادة المسافة بين البطاريات يمكن أن تلعب دورًا في تحسين النظام ضمن نطاق معين، ويصبح التأثير أفضل مع تقصير طول مدخل الهواء.

1.2 تصميم النظام واستراتيجية الإدارة الحرارية

الهدف من تصميم النظام واستراتيجية الإدارة الحرارية هو التحكم في درجة حرارة وحدة البطارية في الوقت المناسب وبطريقة فعالة، حتى تتمكن البطارية من العمل في بيئة مناسبة. يتضمن البحث الحالي بشكل أساسي تصميم استراتيجية التحكم، ونوع مجال تدفق الهواء وتحسين سرعة الرياح الداخلة، وذلك لضمان كفاءة نظام الإدارة الحرارية.
(1) استراتيجية التحكم في النظام

بهدف الإدارة الحرارية لنظام تخزين الطاقة بالحاويات ميجاوات، تم تصميم مجموعة من إستراتيجيات التحكم في درجة الحرارة لنظام تخزين الطاقة بما في ذلك مكيف الهواء والمروحة. سيتحكم النظام في تشغيل وإيقاف تشغيل مكيف الهواء والمروحة وفقًا لدرجة حرارة البطارية في الوقت الفعلي ودرجة الحرارة المحيطة. عندما تكون درجة الحرارة المحيطة أقل من 12 درجة مئوية، سيقوم مكيف الهواء بتسخين البطارية، وعندما تكون درجة الحرارة أعلى من 28 درجة مئوية، سيقوم مكيف الهواء بتبريد البطارية. عندما يكتشف نظام BTMS أن درجة حرارة BBU أعلى من 33 درجة مئوية، تبدأ مروحة BBU في العمل بشكل مستقل. عندما تكون درجة حرارة BBU أقل من 31 درجة مئوية، تتوقف مروحة BBU عن العمل. تشير البيانات إلى أن درجة حرارة تشغيل البطارية تظل أقل من 40 درجة مئوية وأن اتساق درجة الحرارة جيد في حالة انخفاض معدل الطاقة. تم تصميم نظام الإدارة الحرارية متعدد المنافذ لوحدات البطارية 5×5، والتي تختلف عن سابقتها في تخطيط منفذ واحد، وأداء تبديد الحرارة أكثر فعالية. في هذه الدراسة، يوجد مدخل هواء واحد في الجزء العلوي الأوسط، ويوجد 4 مخارج هواء في الركن الأيمن السفلي من الجوانب الأربعة، وهو ما يتمتع بأفضل تأثير تبريد. بالمقارنة مع النموذج الأصلي، تم تقليل درجة الحرارة القصوى والحد الأقصى لفرق درجة الحرارة ومتوسط ​​درجة الحرارة والانحراف المعياري لدرجة الحرارة بنسبة 16.4% و48.7% و10.5% و43.1% على التوالي. عندما يتم تفريغ البطارية عند 3 درجات مئوية، يمكن الحفاظ على درجة حرارة وحدة البطارية أقل من 40 درجة مئوية من خلال توفير سرعة مدخل هواء لا تقل عن 2 م/ث، وهو ما يمكن ملاحظة أن الإستراتيجية تضمن إمكانية تشغيل البطارية بشكل جيد أيضًا في ظل ظروف معدل كبير.

9 أنواع من مخطط تصميم مجال تدفق الهواء

مجال درجة حرارة حاويات التخزين تحت هياكل مختلفة

الحد الأقصى لاختلاف درجة الحرارة ودرجة حرارة البطاريات تحت مجالات تدفق الهواء المختلفة

(2) تصميم تخطيط النظام
في نظام تبريد الهواء، عن طريق اختيار نمط التدفق الصحيح، يمكن تحسين كفاءة التبريد بشكل أكبر. تمت دراسة تأثير مجالات تدفق الهواء المختلفة على درجة حرارة وحدة البطارية. وقد وجد أن درجة حرارة السائل سوف ترتفع بالتتابع أثناء عملية التدفق عند استخدام مصدر الهواء التسلسلي، مما يؤدي إلى اختلاف كبير في درجة الحرارة بين جانبي البطارية. يمكن لمزود الهواء المتوازي على شكل إسفين (النوع Z) أن يضمن بشكل فعال اتساق درجة حرارة البطارية. تمت دراسة الحد الأقصى لدرجة الحرارة واختلاف درجة حرارة البطارية في حزمة البطارية تحت 9 تصميمات مختلفة لمجال التدفق بنفس سرعة الهواء وكفاءة تبديد الحرارة، كما هو موضح في الشكل 2. وتظهر نتائج الجدول 3 أن تأثير التبريد لمجال التدفق رقم 3 هو الأسوأ، وTmax وΔTmax المقابلان هما 329.33 K و8.22 K على التوالي. يظهر أدنى Tmax (324.91 K) وأدنى ΔTmax (2.09K) في اليومين التاسع والسابع على التوالي. يمكن ملاحظة أن موضع المدخل والمخرج له تأثير كبير على نمط الحمل الحراري، وتؤدي مسارات التدفق المختلفة إلى توزيع مختلف للهواء. كلما زادت سرعة الهواء على جانبي البطارية، كان تأثير التبريد أفضل، وكلما اقتربت سرعة الهواء في كل قناة، وكان تناسق درجة حرارة البطارية أفضل.

(3) سرعة الرياح مدخل الهواء

تعتبر سرعة الرياح مهمة جدًا لنظام تبريد الهواء، حيث يمكن لسرعة الرياح المعقولة تحسين أداء التبريد للنظام، مع ضمان استهلاك منخفض للطاقة. تمت دراسة أداء التبريد لنظام BTMS عند سرعات رياح مختلفة. BTMS مع تكييف الهواء، عندما تكون درجة الحرارة المحيطة> 20 درجة مئوية، تكون درجة حرارة الهواء الداخل 20 درجة مئوية، عندما تكون درجة الحرارة المحيطة 20 درجة مئوية، واستخدام الهواء المحيط التبريد المباشر. تظهر الأبحاث أنه عند درجات الحرارة المحيطة التي تبلغ 30 درجة مئوية و50 درجة مئوية، ينخفض ​​متوسط ​​درجة الحرارة والحد الأقصى لفرق درجة الحرارة للبطارية في دورة كاملة مع زيادة سرعة الرياح. كما يتبين من الجدول 4، عندما تكون سرعة الرياح تساوي 1 م/ث، يمكن للبطارية الحفاظ على درجة حرارة معقولة، وتستمر سرعة الرياح في الزيادة، ولكن الفوائد ستنخفض تدريجياً، وسيزداد استهلاك الطاقة. ولذلك، فإن اختيار سرعة الرياح في التطبيقات العملية ينبغي أن يكون متوازنا بين الاثنين. ووجدت الدراسة أيضًا أن زيادة سرعة الرياح يمكن أن تقلل من درجة حرارة التشغيل والحد الأقصى لفرق درجة الحرارة للبطارية، كما يتباطأ معدل فقدان قدرة البطارية أيضًا.

درجة حرارة نهاية الدورة عند سرعات الرياح المختلفة