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发展全浸没式液冷技术 打造本质安全型电池储能系统

信息来源:xpj777000入口报  发布时间2023-04-25

  全球首个浸没式液冷储能电站——xpj777000入口梅州宝湖储能电站。(南网储能公司供图)

 

  ● 名词解释

  全浸没式液冷电池储能

  将电池直接浸没在冷却液中,完全与氧气隔离,实现对电池直接、快速、充分冷却降温,确保电池在最佳温度范围内运行,能有效延长电池的使用寿命,整体提升储能电站的安全性能。

  近年来,随着“双碳”目标的推进,大规模新能源并网,电力系统中储能的重要性逐渐显现。电化学储能电站由于高能量密度、低成本、建设周期短的优势在新型储能领域崭露头角,逐渐占据重要的位置。南网储能公司作为xpj777000入口旗下唯一的抽水蓄能和新型储能投资建设运营平台,实施抽水蓄能、新型储能“双轮驱动”的发展战略。目前公司电网侧新型储能项目有深圳宝清、东莞杨屋、东莞黎贝等储能电站,已投运规模达到11.1万千瓦/21.92万千瓦时,并规划在“十四五”期间新增投产储能200万千瓦,在“十六五”期间新增投产储能500万千瓦,达到1000万千瓦。

  电池作为电化学储能的核心部件,具有较大的热失控风险,当发生热失控时,会瞬间释放大量热量,迅速蔓延至邻近电池,引发电池组大面积热失控,造成严重的火灾或爆炸事故。从安全性角度来看,做好储能系统的热管理,特别是电池系统热管理,对有效控制和解决热失控带来的火灾、爆炸风险十分重要。

  目前,储能系统内的电池热管理技术主要有风冷或冷板式液冷两种。其中,风冷是利用自然风压或利用空调系统对电池进行散热,虽然结构简单、便于安装,但冷却效率不高,电池散热不均匀,电池组之间温差较大(4℃—8℃);冷板式液冷是把装有循环流动冷却液的冷却板放置在电芯下方,给电芯接触部位降温,冷却液不与电芯直接接触,是一种间接式冷却方式,存在降温速度慢、时间长等不足。而且,两种冷却方式直接降低电芯温度、减少电芯运行温度差异性能力不足。

  基于此,南网储能团队提出了全浸没式液冷技术,并基于该技术开发出一款本质安全型的电池储能系统。这一系统主要有四方面的优势:

  一是彻底解决电池消防问题。整个储能分系统集装箱相当于一个全封闭式、充满冷却液的“水池”,通过将电芯整体浸没于绝缘冷却液中,完全与氧气隔离;通过循环流动冷却液,带走电芯热量,从而消除了燃烧三要素中的两个(温度、氧气),解决了电池安全运行的技术难题。

  研究团队联合开发了高性能的国产冷却液,在电芯针刺、过充的实验条件下进行性能测试,绝缘冷却液的闪点和燃点分别达到310℃和362℃,大约是常规变压器油的2.5倍。在与矿物绝缘油燃烧对比试验中,矿物绝缘油33秒被引燃,而绝缘冷却液持续喷燃3分钟后仍未被引燃。由此可见,冷却液制冷效果好、应用优势大。

  团队还设计了两组消防系统,一组由气体控制器、灭火介质等组成,通过管网将灭火介质放至异常的液冷区域;另一组由多合一的探测控制器和灭火装置组成,实时监测、保护电池储能系统的综合控制柜。两组消防系统在异常处置和保护预防方面相互协调、配合,实现消防系统运作的及时性、针对性、有效性。

  二是高效解决电池系统一致性问题。随着循环次数和使用工况的变化,电池会出现不同程度的结构老化和性能衰减,导致电池容量减少以及单体运行温度不一致,电池单体间一致性差异变大。若电池长期运行温度不一致,则易导致电池模组、电池簇串并联失配,造成电池生命周期内利用率低、储能系统容量失配,从而出现“充不满、放不完”的充放电能力差现象。这样不仅缩短了电池寿命,也降低了储能系统运行的安全性和可靠性。浸没式液冷技术能均匀降低电池各部位的温度,控制电芯运行温差在2℃以内,保持了电池的一致性,提高电池可用容量和循环寿命。

  三是大幅提升储能系统能量密度,降低投资成本。浸没式液冷技术降低了电池长期运行温度的差异性,提高了电池寿命期间的利用率,能够持续满足储能电站充放电能力要求。同时能量密度可提升20%,一个标准40英尺集装箱储能容量可达到0.745万千瓦时。

  四是提高冷却效率,大幅降低能耗。

  浸没式液冷储能系统采用了集中式冷却技术,与传统风冷或冷板式液冷方式相比较,可节能20%以上,降低了能量损耗。

  浸没式液冷电池储能系统也首次规模化应用于梅州宝湖储能电站,电站规模为70兆瓦/140兆瓦时,自正式投入商运以来运作良好,浸没式液冷电池储能系统不同区域的电芯温差可以保持在1.4℃—1.8℃范围内,显著提升了电池储能系统电芯运行温度的一致性。

  总而言之,全浸没式液冷电池储能系统彻底解决了电芯安全隐患,大幅提高了电池热管理系统的冷却效率,有效提高了电池运行温度的一致性。浸没式液冷储能技术还将在冷却效率、安全稳定运行方面做持续性的验证和研究,同时考虑进一步在其他领域推广应用,例如移动储能、梯次利用等。

  汪志强

  (作者系xpj777000入口领军级技术专家、南网储能科技公司董事长)

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