光伏發(fā)電、風力發(fā)電等新能源發(fā)電將成為未來新能源的重點發(fā)展對象。但要克服風能和光伏的間歇性和波動性，整個電力系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)型。儲能技術(shù)是改造中的一項關(guān)鍵技術(shù)。國家“十四五”規(guī)劃和《2030年前碳達峰行動計劃》也明確規(guī)定發(fā)展新型儲能方式。從2020年的投資來看，鋰電池在新能源存儲方式中占比近90%。
圖1 2000—2020年中國儲能市場累計裝機容量。
然而，鋰電池的工作溫度對電池的性能、安全性和生存周期有很大的影響。理想的電池工作溫度為25—35攝氏度，電池組中各模塊之間的溫差應小于5攝氏度。因此，鋰電池的熱管理非常重要。
圖2溫度對電池性能的影響。
目前，鋰電池單元的熱管理方式有兩種主流，風冷和液冷。許多工程師也在研究相變材料與液冷或空冷的混合模式，但目前還不成熟。風冷和液冷各有其特點。防凍液的密度是空氣的1000倍，其比熱是空氣的4倍。因此，液冷作為一種熱載體，與空氣冷卻相比，具有載熱能力大、流動阻力小、換熱效率高等特點。廣泛應用于電池組能量密度高、充放電速度快、環(huán)境溫度變化大的場合。液冷系統(tǒng)可與電池組高度集成。現(xiàn)場安裝方便，占地面積小。不需要擔心灰塵、水蒸氣凝結(jié)等問題。當出現(xiàn)熱失控跡象時，液冷解決方案可以依靠大流量的冷卻介質(zhì)迫使電池組散熱，并在電池模塊之間重新分配熱量，可以快速抑制熱失控的繼續(xù)惡化，降低熱失控的風險。空冷系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單、制造成本低、安裝方便等特點。在電池能量密度低、充放電速度慢的場景中，仍然有很多應用。從冷卻效果來看，風冷比液冷有更大的優(yōu)勢。國外一家機構(gòu)對此做過深入的研究。
1.電池組溫度。
在進氣溫度和極端風速、流量相同的情況下，液冷式電池組的溫度為30—40攝氏度，而風冷式電池組的溫度為37—45攝氏度。液冷具有更好的溫度穩(wěn)定性。
圖3空氣冷卻。
圖4液體冷卻。
2.運行能耗。
經(jīng)過實驗研究，為了達到同樣的電池平均溫度，風冷所需的能耗比液冷高2—3倍。相同功耗的情況下，采用風冷比采用液冷時，電池組的最高溫度要高3—5攝氏度。液體冷卻耗電少。
圖5圖6風冷和液冷的功耗。
3.電池熱失控的風險。
由于空氣比熱容和對流換熱系數(shù)小等因素，電池空冷技術(shù)的傳熱效率較低，電池產(chǎn)生的熱量增加，會造成電池溫度過高，存在熱失控風險。液冷系統(tǒng)可以大大降低電池熱失控的風險。
4.固定資產(chǎn)投資。
根據(jù)美國國家可再生能源驗室（NREL）的數(shù)據(jù)，目前4小時電池儲能系統(tǒng)的電池投資成本為每千瓦時1900元（300美元），而熱管理系統(tǒng)估計占電池成本的2—4%，而液冷系統(tǒng)更容易保證電池在舒適的溫度下工作。空冷系統(tǒng)相比，將延長電池使用壽命20%以上。就綜合生存周期而言，液冷投資較少。
圖7儲能電池投資成本。
結(jié)論空冷系統(tǒng)具有初投資小、維護費用低、可獨立維護等優(yōu)點。它更適合于小型民用或商用電池的熱管理方法。但在大型地面電站等容量大、能量比高的地區(qū)，液冷已逐漸成為主流的電池冷卻方式。
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