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2022年储能温控技术趋势分析:主流技术风冷、液冷,在研技术热管冷却、相变冷却

发布时间:2022-09-07  来源:立鼎产业研究网  点击量: 6477 

目前,大容量锂电池储能系统可采用的温控技术主要包括四种,分别适用于产热率、环境温度不同的应用场景:

•风冷:以空气为介质进行热交换。主要特点为结构简单、成本低,但散热速度和效率较低,适用于电池产热率不高的储能项目;

•液冷:以液体为介质进行热交换。主要特点为散热速度和效率更高,但结构更复杂、成本更高,同时需考虑冷却介质泄露的风险;

•热管冷却(尚处于实验室阶段):依靠管内冷却介质发生相变来实现换热。主要特点为散热速度和效率高于液冷,冷却介质泄露风险更低,但成本更高;

•相变冷却(尚处于实验室阶段):通过相变材料吸收热量,并结合风冷//液冷系统等导出热量。主要特点是结构紧凑、接触热阻低、冷却效果好,吸收的热量需要依靠液冷系统、风冷系统等导出,但相变材料占空间,成本高。

典型储能温控技术的性能特点


资料来源:CNKI

——风冷技术

风冷:即风冷直膨系统,是以空气为冷却介质,实现热源侧换热。

•主要构成部件:主要由室内机(包括压缩机、蒸发器、膨胀阀等)和室外机(冷凝器等)构成,室内机与室外机一一对应;

•工作原理:压缩机抽取压缩室内热量,形成高温高压气体送入室外的冷凝器中,气体通过向外放热液化,液体回到蒸发器中向室内吸热蒸发,后回到压缩机,完成一次制冷循环。

•优点:结构简单、易维护、安装成本低。

•缺点:空气的比热容低,导热系数也很低,因此冷却效率较差,适用于发热功率小的中小型设备温控。

在储能项目的应用中,由于不同集装箱的电池能量密度、摆放位置、容量大小等有所不同,因此需要运用风道对集装箱内空气流向进行定制化设计。

•散热风道:包括与空调出口连接的主风道、主风道内的挡风板、风道出口以及电池架两端的挡风板,作用为将空调输出的气流输送至各风道出口处,并保证各出口气体流量一致。

•工作原理:空调输出的气流经风道出口流入电池模组内部,流经电池单体表面对电池单体进行热交换,然后由风扇抽出。

•定制化要求:1)风道出口的位置及风量需要合理分配,使流场及温度场分布更均匀;2)各出风口的气体流量需一致,送风需保持均匀性,以避免产生局部热点。

——液冷技术

液冷:以液体为冷却介质,实现热源侧换热;根据液体与热源接触方式不同,液冷可以分为直接/间接接触型液冷。

•主要构成部件:主要由室内机(包括压缩机、蒸发器、膨胀阀等)和室外机(冷却塔等)构成,一般室外机只有一台,分散热源流入冷却塔中进行集中散热;

•工作原理:直接接触型为冷却液与电池直接接触进行换热;间接接触型为冷却液在冷却管/板中流动,与电池间接接触换热。

•优点:液体的比热容、导热系数高于气体,因此冷却效率更高、耗能更低。

•缺点:成本高、工况复杂、冷却塔占地大、存在漏液风险。

当前直接接触型液冷的应用仍不成熟(出于对漏液风险的考虑),液冷在储能的应用上以间接接触型为主,因此在实际应用中需要对间接接触的流道数量、流量、流速等进行定制化设计。

•定制化的要求—多目标优化设计,以获得性价比更高的方案:液冷系统的冷却效果与冷板间电池数目、冷却剂流速、冷板厚度等设计参数有关,通过提高流道数量、冷却剂流速、冷板厚度,可以有效降低平均温度和让温度分布更为均匀,但相应的投资成本也会随着增加。此外,流量的边际增大效果会随着流量的增大而递减。因此,需要进行多目标优化设计,从而获得一个性价比较高的设计方案。

液冷流道在电池系统中的分布示例


资料来源:CNKI

——在研技术

热管冷却:依靠封闭管壳内工质相变来实现高效换热。

主要构成部件:由管壳、管芯及工质组成,分为蒸发段、绝热段和冷凝段。

•工作原理:热管的蒸发段受热时毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体,液体在沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。由于毛细力造成的虹吸作用这一特点,使热管可在非重力方向传热。

•优点:导热效率更高,温度控制可做到等温、恒温,冷却介质。

•缺点:尚处于实验室阶段,技术不成熟。

相变材料冷却:利用相变材料发生相变进行吸热。相变材料分为无机和有机相变材料,其中无机相变材料主要有石墨、熔融盐、结晶水等,有机相变材料例主要有石蜡、醋酸等。

•工作原理:温度不变的情况下改变物质状态并且提供潜热物质,转变物理性质来吸收或释放大量潜热,达到降温的目的;此外,相变材料冷却与其它冷却方式(如风冷、液冷等)耦合形成的散热系统亦有使用。

•优点:系统结构简单,空间利用率高,不需额外耗功,电池组温均性较好。

•缺点:导热系数低,导热性能差,无法用于电池的高产热工况,尚处于实验室阶段。

目前两种新技术仍在实验室阶段,考虑研发和新技术测试认证时间,从中期维度看,认为33--55年内实现规模化应用的可能性不大。

相变材料冷却的工作原理


资料来源:CNKI

——技术趋势

1、目前储能温控以风冷为主,主要系:

•当前储能项目对制冷效率要求相对不高:行业中装机量占比较高的是通信基站、小型地面电站等带电量、功率密度相对较小的项目,风冷方案的制冷效率可以满足项目的安全标准;

•风冷设备成本低于液冷,当前储能项目对成本较敏感:单GWh风冷、液冷的价值量约30009000万元,其中液冷主机约5000万元,由于当前储能项目在部分应用场景中经济性不强,叠加当前电池成本不断上涨,下游需求对装机成本的敏感性强,因此会趋向于选择成本更低的风冷方案。

预计,中期来看液冷占比有望持续上升,主要系:

•储能项目的发热量将不断提升,风冷的制冷效率可能无法满足部分项目散热需求:中期来看,能量型储能如新能源电站、离网储能等更大电池容量、更高系统功率密度的项目装机量上升,以及功率型储能对调峰调频性能要求的提升,将带动储能项目的平均发热量提升,届时对制冷效率更高的液冷的需求将有望提升。

2、技术方向的选择与项目所处环境有关:

•室外温度:极端高温地区用风冷影响制冷效果,极端低温地区用液冷存在结冰风险。

•极端高温:风冷运行过程中,室外机将冷凝器的高温冷媒与外界空气进行热交换,当室外温度过高、内外温差太小时,热交换效率将变差,使得机组冷媒冷凝压力提高,最终会导致机组压缩机的制冷功率下降;

•极端低温:当室外温度达到零下时,液冷中管道、冷却塔里的液体会产生结冰现象,导致温控系统无法使用,甚至可能引起管道冻裂,目前采取的应对方式是往液体中添加防冻液,但过量的防冻液可能会造成管道、管壁、塔身腐蚀。

•水资源丰富程度:缺水地区不适合用液冷。液冷的工作原理是依靠液体进行热交换,需要消耗大量的水(尤其是采用开式冷却塔或闭式蒸发冷却塔),因此要求储能项目地需要有充足的水资源。

技术方向的选择与项目发热量有关:

•发热量较小的项目用风冷足够满足需求:如小型地面电站、户用、通信基站等储能项目。

•发热量较大的项目需要用液冷:如装机容量较大的发电侧项目、调峰调频要求较高的电网侧项目等。

因此,中期来看,尽管液冷的占比会提高,但两种技术仍会有其应用场景。新装机的储能项目大概率选择风冷方案:1)位于极端低温、水资源缺乏地区;2)为发热量不高的小型地面电站、户用、通信基站项目;大概率选择液冷方案:位于极端高温地区。


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