1 Projeto de resfriamento de ar e dissipação de calor de sistema de armazenamento de energia industrial e comercial

O resfriamento a ar é o uso do ar como meio de troca de calor, o uso do ar para circular na bateria, o uso da diferença de temperatura entre o módulo da bateria e o ar para transferência de calor, geralmente dividido em resfriamento de ar passivo e ar ativo resfriamento. Os principais fatores que afetam sua eficiência de resfriamento são o modo de resfriamento, o design do campo de fluxo de ar, o arranjo da bateria e a velocidade do vento de entrada de ar.

1.1 Dimensões e espaçamento da bateria
O espaçamento da bateria é um fator chave que afeta o desempenho do resfriamento a ar. O espaçamento adequado da bateria pode não apenas melhorar a eficiência do resfriamento do ar, mas também manter a distribuição uniforme da temperatura da bateria. O espaçamento frontal e traseiro e os ângulos esquerdo e direito das células adjacentes no módulo de bateria foram convertidos em 6 variáveis ​​​​independentes, e a saída de simulação CFD correspondente (temperatura máxima e diferença de temperatura) foi usada para treinar a rede neural bayesiana e a bateria ideal arranjo de espaçamento foi obtido. O estudo mostrou que o espaçamento frontal e traseiro teve menos efeito na temperatura da bateria do que o espaçamento esquerdo e direito. Aumentar o espaçamento da esquerda para a direita na área central da bateria pode melhorar a uniformidade da temperatura de toda a bateria. Uma estratégia paralela de otimização do fornecimento de ar que reduz o espaçamento em torno das células mais frias, aumentando a distância entre as células mais quentes. A eficiência do sistema de refrigeração a ar é otimizada. Sob potência de aquecimento constante, a temperatura máxima da bateria é reduzida em 0,8 K e a diferença máxima de temperatura é reduzida em 2,9 K (em 42%). Esta estratégia de otimização tem um efeito significativo no controle da diferença de temperatura. Sob a taxa de aquecimento instável, a diferença máxima de temperatura durante a descarga de 4 C e 5 C é reduzida em 39% e 37% (1,5 e 1,8 K), respectivamente, e tanto a temperatura máxima quanto a diferença máxima de temperatura são reduzidas. A influência de diferentes espaçamentos de bateria e comprimento de entrada no sistema refrigerado a ar do contêiner de armazenamento é estudada. A condição de simulação é uma descarga de corrente de 1 C e a temperatura ambiente e a temperatura do gás de entrada são 25 e 15 ℃. Os efeitos do espaçamento dos módulos da bateria de 10, 20, 30 mm e do comprimento da entrada de ar de 80, 130, 180 mm na temperatura do sistema foram comparados. Os resultados são apresentados na Tabela 2, o melhor efeito é alcançado quando o espaçamento é de 20 mm e o comprimento da entrada de ar é de 80 mm. Percebe-se que o aumento do espaçamento da bateria pode desempenhar um papel na otimização do sistema dentro de uma determinada faixa, e o efeito torna-se melhor com o encurtamento do comprimento da entrada de ar.

1.2 Projeto do sistema e estratégia de gerenciamento térmico

O objetivo do projeto do sistema e da estratégia de gerenciamento térmico é controlar a temperatura do módulo da bateria de maneira oportuna e eficaz, para que a bateria possa funcionar em um ambiente adequado. A investigação existente inclui principalmente a concepção da estratégia de controlo, o tipo de campo de fluxo de ar e a optimização da velocidade do vento de entrada de ar, de forma a garantir a eficiência do sistema de gestão térmica.
(1) Estratégia de controle do sistema

Visando o gerenciamento térmico do sistema de armazenamento de energia de contêineres de megawatts, foi projetado um conjunto de estratégias de controle de temperatura do sistema de armazenamento de energia, incluindo ar condicionado e ventilador. O sistema controlará a operação e o desligamento do ar condicionado e do ventilador de acordo com a temperatura da bateria e a temperatura ambiente em tempo real. Quando a temperatura ambiente for inferior a 12 ° C, o ar condicionado aquecerá a bateria e, quando a temperatura for superior a 28 ° C, o ar condicionado irá resfriar a bateria. Quando o BTMS detecta que a temperatura de uma BBU é superior a 33°C, o ventilador da BBU inicia de forma independente. Quando a temperatura da BBU é inferior a 31°C, o ventilador da BBU para de funcionar. Os dados mostram que a temperatura operacional da bateria é mantida abaixo de 40 ℃ e a consistência da temperatura é boa sob condições de baixa potência. Um sistema de gerenciamento térmico com múltiplas tomadas é projetado para módulos de bateria 5×5, que é diferente do anterior em um layout de saída, e seu desempenho de dissipação de calor é mais eficaz. Neste estudo, 1 entrada de ar está localizada na parte superior central e 4 saídas de ar estão localizadas no canto inferior direito dos quatro lados, o que tem o melhor efeito de resfriamento. Em comparação com o modelo original, a temperatura máxima, a diferença máxima de temperatura, a temperatura média e o desvio padrão da temperatura são reduzidos em 16,4%, 48,7%, 10,5% e 43,1%, respectivamente. Quando a bateria está descarregada a 3 ° C, a temperatura do módulo da bateria pode ser mantida abaixo de 40 ° C, fornecendo velocidade de entrada de ar de pelo menos 2 m/s, o que pode ser visto que a estratégia garante que a bateria também possa funcionar bem sob condições de grandes taxas.

9 tipos de diagrama de design de campo de fluxo de ar

Campo de temperatura de recipientes de armazenamento sob diferentes estruturas

Temperatura máxima e diferença de temperatura das baterias sob diferentes campos de fluxo de ar

(2) Projeto do layout do sistema
No sistema de resfriamento de ar, ao escolher o padrão de fluxo correto, a eficiência do resfriamento pode ser melhorada ainda mais. A influência de diferentes campos de fluxo de ar na temperatura do módulo de bateria é estudada. Verifica-se que a temperatura do fluido aumentará em sequência durante o processo de fluxo ao usar o fornecimento de ar em série, resultando em uma grande diferença de temperatura entre os dois lados da bateria. O fornecimento de ar paralelo em forma de cunha (tipo Z) pode garantir efetivamente a consistência da temperatura da bateria. A temperatura máxima e a diferença de temperatura da bateria no conjunto de baterias sob 9 designs de campo de fluxo diferentes com a mesma velocidade do ar e eficiência de dissipação de calor foram estudadas, conforme mostrado na Figura 2. Os resultados da Tabela 3 mostram que o efeito de resfriamento do campo de fluxo O nº 3 é o pior, e o Tmax e ΔTmax correspondentes são 329,33 K e 8,22 K, respectivamente. O menor Tmax (324,91 K) e o menor ΔTmax (2,09 K) aparecem nos dias 9 e 7, respectivamente. Pode-se observar que a posição da entrada e da saída tem um impacto significativo no padrão de convecção, e diferentes caminhos de fluxo levam a diferentes distribuições de ar. Quanto maior a velocidade do ar em ambos os lados da bateria, melhor será o efeito de resfriamento, mais próxima será a velocidade do ar em cada canal e melhor será a consistência da temperatura da bateria.

(3) Velocidade do vento de entrada de ar

A velocidade do vento é muito importante para o sistema de refrigeração de ar, uma velocidade razoável do vento pode melhorar o desempenho de refrigeração do sistema, garantindo ao mesmo tempo um baixo consumo de energia. O desempenho de resfriamento do BTMS em diferentes velocidades de vento de entrada foi estudado. BTMS com ar condicionado, quando a temperatura ambiente > 20°C, a temperatura do ar de entrada é de 20°C, quando a temperatura ambiente é igual a 20°C, utilização de refrigeração direta do ar ambiente. A pesquisa mostra que em temperaturas ambientes de 30 ℃ e 50 ℃, a temperatura média e a diferença máxima de temperatura da bateria em um ciclo completo diminuem com o aumento da velocidade do vento. Como pode ser visto na Tabela 4, quando a velocidade do vento é igual a 1 m/s, a bateria consegue manter uma temperatura razoável e a velocidade do vento continua a aumentar, mas os benefícios diminuirão gradativamente e o consumo de energia aumentará. Portanto, a seleção da velocidade do vento em aplicações práticas deve ser equilibrada entre as duas. O estudo também descobriu que aumentar a velocidade do vento pode reduzir a temperatura operacional e a diferença máxima de temperatura da bateria, e a taxa de perda de capacidade da bateria também diminui.

Temperatura de final de ciclo em diferentes velocidades do vento