مقدمه
خنک کننده هوا و خنک کننده مایع ذاتاً خوب یا بد نیستند ، فقط در صورت استفاده در مکان های مناسب (سناریوها) می توان مزایای مربوط به آنها را به طور کامل تحقق بخشید. بنابراین ، چرا بیشتر محصولات ذخیره انرژی به جای خنک کننده هوا ، خنک کننده مایع را انتخاب می کنند؟
قبل از سال 2021 ، روش اتلاف گرما برای محصولات ذخیره انرژی به طور یکنواخت خنک شده بود (به جز Megapack تسلا).
در آن زمان ، بیشتر محصولات بزرگ ذخیره سازی 40 سیستم پیاده روی کانتینر بود که طبق استانداردهای ملی نیاز به نگهداری مسیرهای نگهداری/فرار پرسنل و بارگیری هرچه بیشتر باتری ها داشتند. به منظور قرار دادن باتری های بیشتر ، برخی از تولید کنندگان حتی از ظروف بزرگتر {2}}}} ظروف پا استفاده کرده اند که حداکثر ظرفیت 2MWH برای یک ظرف 40 فوت است.
طرفداران زیادی در داخل جعبه وجود دارند تا گرما را از باتری از بین ببرند و وقتی افراد وارد می شوند ، یک دسته از صداهای وزوز را از طرفداران می شنوند.
امروزه ، سیستم های ذخیره انرژی با 5 میلیوچ باتری در یک ظرف 20 فوت بسته بندی شده اند و این امر باعث می شود تا از طریق خنک کننده هوا ، نیاز به اتلاف گرما را دشوار کند. بنابراین ، سیستم های خنک شده با هوا و مایع علاوه بر موارد ذکر شده در بالا چه مزایایی دارند؟
1. مزایای سیستم خنک کننده مایع
1 طراحی و بازده اتلاف گرما
پیچیدگی طراحی
خنک کننده هوا: فناوری خنک کننده هوا بالغ است و ساختار ساده است. مهندسان هنگام طراحی خنک کننده هوا را انتخاب می کنند. طراحی اصلی آن انتخاب فن و طراحی مجرای هوا است که گرما را از طریق همرفت هوا از بین می برد. محیط اتلاف گرما هوا است که غیرقابل توصیف است و بنابراین هزینه ای نسبتاً کم دارد. تجهیزات اصلی خنک کننده هوا تهویه مطبوع و مجاری هوا است که برای سناریوهای کم مصرف و متوسط مناسب است ، اما برآورده کردن نیازهای اتلاف گرما با چگالی بالا مانند جعبه فعلی 5MWH/20 پا دشوار است.
خنک کننده مایع: یک سیستم گردش خون مایع (مانند صفحات خنک کننده ، پمپ ها ، مبدل های حرارتی و غیره) باید طراحی شود که بسیار پیچیده است اما می تواند مستقیماً با منبع گرما تماس بگیرد. راندمان هدایت حرارتی آن 6 برابر خنک کننده هوا است و باعث می شود تا تجهیزات چگالی پر انرژی مناسب باشد. نتیجه گیری: اگرچه طراحی خنک کننده مایع پیچیده است ، اما راندمان اتلاف گرما آن به طور قابل توجهی بالاتر است ، به خصوص برای سیستم های ذخیره انرژی با قدرت بالا مناسب است.
اثر اتلاف گرما و یکنواختی دما
خنک کننده مایع از طریق گردش خون خنک کننده ، کنترل دما دقیق را به دست می آورد ، با اختلاف دما که می تواند در مدت 3 درجه کنترل شود ، در حالی که خنک کننده هوا به جریان هوای محیط متکی است ، با اختلاف دما معمولاً بیش از 7 درجه است. محیط های درجه حرارت بالا به راحتی می توانند منجر به وخامت قوام سلولی شوند و بر عمر باتری تأثیر بگذارند. نتیجه گیری: خنک کننده مایع دارای یکنواختی درجه حرارت بهتر و پایداری اتلاف گرما است و می تواند عمر باتری را افزایش دهد.
2 سناریوی برنامه سازگاری
محیط زیست و نیازهای برق
خنک کننده هوا: مناسب برای محیط های در فضای باز و سناریوهای کم مصرف و متوسط (مانند ذخیره انرژی صنعتی و تجاری ، ایستگاه های پایه ارتباطی) ، اما به محیط های با درجه حرارت بالا و رطوبت بالا حساس است و دارای اثرات محدودی در اتلاف گرما است.
خنک کننده مایع: در ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ (مانند صد پروژه سطح مگاوات در سمت شبکه) ، میزان شارژ و تخلیه بالا و سناریوهای دمای شدید مزایای قابل توجهی دارد. به عنوان مثال ، نیروگاه های ذخیره انرژی مشترک در نینگکسیا ، گانسو و سایر مکان ها راه حل های خنک کننده مایع را اتخاذ می کنند.
نتیجه گیری: خنک کننده مایع برای چگالی قدرت بالا و نیازهای پیچیده محیطی مناسب تر است.
3 نگهداری و قابلیت اطمینان
حفظ پیچیدگی
خنک کننده هوا: نگهداری آسان ، فقط نیاز به تمیز کردن فن و مجرای هوا دارد ، اما نیاز به کنترل مکرر گرد و غبار محیطی و کنترل دما کافی ندارد.
خنک کننده مایع: لازم است که به طور منظم نشت خنک کننده ، خوردگی و عملکرد شیر پمپ را بررسی کنید. مراحل نگهداری دست و پا گیر است ، اما ثبات سیستم زیاد است و میزان خرابی آن پایین است. به عنوان مثال ، زمان نگهداری یک سیستم خنک کننده مایع 2-3 برابر سیستم خنک کننده هوا است ، اما خطر خاموش شدن بسیار کم است.
نتیجه گیری: خنک کننده مایع هزینه های نگهداری بالایی دارد اما قابلیت اطمینان بهتر و ثبات عملیاتی طولانی مدت را دارد.
خطرات امنیتی
خنک کننده هوا هیچ خطری برای نشت مایع ندارد ، اما به تهویه مطبوع و طرفداران متکی است ، که خطر گرمای بیش از حد را به همراه دارد.
خنک کننده مایع نیاز به پیشگیری از نشت و خوردگی دارد ، اما خطرات را می توان به طور موثری از طریق طراحی آب بندی بالا و بهینه سازی مواد کنترل کرد.
4 طول عمر و مصرف انرژی
تأثیر بر عمر باتری
برای هر 20 درجه افزایش دما ، عمر چرخه باتری با {1} بار کاهش می یابد. خنک کننده مایع می تواند دمای سلول باتری را در درجه {2}} تثبیت کند. خنک کننده هوا ممکن است در محیط های درجه حرارت بالا به بیش از 38 درجه برسد و باعث تسریع تخریب باتری شود.
نتیجه گیری: خنک کننده مایع به طور قابل توجهی عمر باتری را طولانی می کند و هزینه های جایگزینی کامل چرخه عمر را کاهش می دهد.
عملکرد مصرف انرژی
خنک کننده مایع از انرژی کمتری نسبت به خنک کننده هوا استفاده می کند. به عنوان مثال ، با ظرفیت خنک کننده 3 کیلو وات ، مصرف انرژی خنک کننده مایع تنها 1/6 از خنک کننده هوا است و سرعت اتلاف گرما سریعتر است و در نتیجه زمان خنک کننده کوتاهتر پس از خاموش شدن است.
نتیجه گیری: خنک کننده مایع دارای اثرات قابل صرفه جویی در مصرف انرژی طولانی مدت و کاهش هزینه های عملیاتی است.
5 مقایسه هزینه
هزینه اولیه
هزینه سیستم های خنک شده هوا نسبتاً کم است (حدود 1.1 یوان در WH) ، در حالی که خنک کننده مایع به صفحات خنک کننده ، پمپ ها و سایر اجزای نیاز دارد و در نتیجه افزایش هزینه حدود 18 ٪ (حدود 1.3 یوان/WH) است.
هزینه چرخه زندگی
اگرچه خنک کننده مایع سرمایه گذاری اولیه بالایی دارد ، اما هزینه کلی آن به دلیل کم مصرف انرژی (صرفه جویی در بیش از 30 ٪ صورتحساب برق) ، طول عمر طولانی (کاهش فرکانس جایگزینی باتری) و میزان شکست پایین ، نسبت به خنک کننده هوا برتر است. به عنوان مثال ، هزینه کامل چرخه عمر یک پروژه خنک کننده مایع 5 مگاواتی 20 ٪ {3}}} ٪ پایین تر از یک پروژه خنک کننده هوا است.
نتیجه گیری: خنک کننده مایع از نظر اقتصاد چرخه عمر کامل مزایای بیشتری دارد.
6 در فضا صرفه جویی کنید
سیستم خنک کننده مایع دارای یک ادغام بالایی است و ردپای ظروف ذخیره انرژی با همان ظرفیت در مقایسه با خنک کننده هوا حدود 40 ٪ کاهش می یابد و این امر را برای سناریوهای کمیاب زمین مناسب می کند. باتری فعلی 5MWH می تواند در یک ظرف 20 فوت قرار بگیرد ، عمدتاً به این دلیل که سیستم خنک کننده مایع فضای زیادی را ذخیره می کند.
2. مضرات سیستم های خنک کننده مایع
1 حفاظت از محیط زیست و ایمنی
خنک کننده مایع سمی است
اتیلن گلیکول مورد استفاده برای خنک کننده مایع سمی است و نشت ممکن است خاک و آبهای زیرزمینی را آلوده کند و نیاز به آب بندی دقیق و بازیافت دارد. سیستم خنک کننده هوا هیچ خطری برای نشت مایع ندارد و از نظر محیط زیست سازگار با محیط زیست است. به عنوان مثال ، در حادثه آتش نشانی در ایستگاه ذخیره انرژی Tesla Megapack در سال 2021 در استرالیا ، نشت سیستم خنک کننده مایع باعث ایجاد یک باتری کوتاه شده و منجر به فراری حرارتی شد.
این مورد نشان می دهد که خنک کننده مایع نیازهای سختی را برای آب بندی و کیفیت مواد دارد و در هنگام طراحی سیستم های خنک کننده مایع باید این خطر خرابی در نظر گرفته شود.
ایمنی سیستم خنک کننده هوا
سیستم خنک کننده هوا نیازی به نگرانی در مورد خطر نشت ندارد. این امر به عملکرد مداوم تهویه مطبوع و طرفداران متکی است و جدی ترین مشکل گرمای بیش از حد محلی است. با این حال ، میزان تصادف کلی پایین تر از خنک کننده مایع است
2 تولید و نصب پیچیده
تولید سیستم های خنک کننده مایع پیچیده است
سفارشی سازی صفحات خنک شده با مایع و تولید آزمایشی قالب ها مورد نیاز است ، با یک چرخه تحقیق و توسعه طولانی و موانع ثبت اختراع درگیر.
خنک کننده هوا به طراحی مجرای هوای استاندارد ، با درجه بالایی از حالت مشترک و هزینه قابل کنترل متکی است.
زمان نصب طولانی
جداسازی و مونتاژ کابینت های باتری خنک شده مایع بیش از 2 ساعت طول می کشد (شامل زهکشی ، آزمایش آب بندی و غیره) ، در حالی که خنک کننده هوا فقط 20 دقیقه طول می کشد ، برای سناریوهای استقرار سریع مناسب است.
3 سطح سر و صدای زیاد
سر و صدای واحدهای خنک شده مایع معمولاً کمتر از یا مساوی با 75dB (نزدیک به تهویه مطبوع با هوا) است ، اما با بهینه سازی طراحی دریچه پمپ و مواد عایق صدا می توان آن را کاهش داد. Megapack Tesla فن را به بالای جعبه ذخیره انرژی منتقل می کند و بدنه پمپ را درون کابینت نصب می کند و راهی برای کاهش سر و صدا است.
منبع اصلی سر و صدای خنک کننده هوا فن (کمتر از یا مساوی 60dB) است که به طور کلی ساکت تر است.
3. روند خنک کننده محصولات بزرگ ذخیره سازی آینده
خنک کننده هوا+محلول هیبریدی خنک کننده مایع: ترکیب مزایای هر دو در برخی از سناریوها ، مانند استفاده از خنک کننده هوا برای کاهش هزینه ها در مناطق کم و متوسط و استفاده از خنک کننده مایع برای بهبود راندمان اتلاف گرما در مناطق هسته با قدرت بالا.
خنک کننده مایع غوطه وری: این ابتدایی ترین روش اتلاف گرما است که به طور مستقیم با منبع گرما برای از بین بردن گرما با منبع گرما تماس می گیرد. راندمان اتلاف گرما بسیار بیشتر از مصرف گرما از طریق صفحه خنک کننده است. اگر خنک کننده مایع سنتی مجرای هوا را در مقایسه با سیستم های خنک کننده هوا از بین ببرد ، پس خنک کننده مایع غوطه وری صفحات سرد را بیشتر از بین می برد. با غوطه ور شدن به طور مستقیم سلولهای باتری ، اتلاف حرارت شدید (اختلاف دما کمتر از یا برابر با 1 درجه) حاصل می شود که ممکن است در آینده جایگزین خنک کننده مایع سنتی در ذخیره انرژی با چگالی بالا شود.
4 خلاصه
تحت فناوری فعلی باتری و نیازهای اتلاف گرما ، فناوری خنک کننده مایع نقاط درد اصلی ذخیره انرژی بزرگ را در سناریوهای چگالی قدرت بالا (5MWH/20 فوت) از طریق اتلاف گرمای کارآمد ، کنترل دقیق دما ، مصرف کم انرژی و طول عمر طولانی حل می کند.
با وجود هزینه اولیه و پیچیدگی نگهداری اولیه ، از مزایای اقتصادی و قابلیت اطمینان قابل توجهی در کل چرخه عمر خود برخوردار است. با استفاده از مقیاس بزرگ خنک کننده مایع (مانند میزان نفوذ مورد انتظار 45 ٪ تا سال 2025) ، بلوغ زنجیره صنعتی باعث کاهش بیشتر هزینه ها و ترویج آن به عنوان "راه حل بهینه" برای ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ می شود.
postscript: کلیه اقدامات اتلاف گرما و محافظت در برابر آتش در اطراف سلولهای باتری متمرکز شده است. اگر سلولهای باتری با درجه حرارت بالا با تبادل مستقیم گرما با هوا بتوانند در آینده به صورت انبوه تولید شوند و خود سلولهای باتری می توانند در برابر دمای بالاتر مقاومت کنند ، پس می توان هزینه سیستم های ذخیره انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش داد. این فناوری است که به نفع بشریت است.