مقدمة
تبريد الهواء والتبريد السائل ليسا جيدًا أو سيئًا بطبيعته ، فقط عند استخدامه في الأماكن المناسبة (السيناريوهات) ، يمكن تحقيق مزاياها بالكامل. فلماذا تختار معظم منتجات تخزين الطاقة تبريدًا سائلًا بدلاً من تبريد الهواء؟
قبل عام 2021 ، تم تبريد طريقة تبديد الحرارة لمنتجات تخزين الطاقة بشكل موحد (باستثناء Tesla Megapack).
في ذلك الوقت ، كانت معظم منتجات التخزين الكبيرة التي تبلغ مساحتها 40 قدمًا ، والتي تتطلب حجز طرق صيانة/هروب الموظفين وفقًا للمعايير الوطنية وتحميل أكبر عدد ممكن من البطاريات. من أجل استيعاب المزيد من البطاريات ، استخدم بعض الشركات المصنعة حاويات أكبر -53 ، مع سعة أقصى قدرها 2MWH لحاوية 40 قدم.
هناك العديد من المعجبين داخل الصندوق لتبديد الحرارة من البطارية ، وعندما يدخل الناس ، يسمعون مجموعة من الأصوات الصاخبة من الجماهير.
في الوقت الحاضر ، يتم تعبئة أنظمة تخزين الطاقة بـ 5 أمتار من البطاريات في حاوية 20 قدمًا ، مما يجعل من الصعب تلبية متطلبات تبديد الحرارة من خلال تبريد الهواء. لذا ، ما هي المزايا الأخرى التي تبرزها الأنظمة المبردة بالهواء والسائل إلى جانب تلك المذكورة أعلاه؟
1. مزايا نظام التبريد السائل
1 كفاءة التصميم وتبديد الحرارة
تعقيد التصميم
تبريد الهواء: تقنية تبريد الهواء ناضجة والهيكل بسيط. سيختار المهندسون تبريد الهواء عند التصميم. تصميمها الأساسي هو اختيار المروحة وتصميم القناة الهوائية ، والتي تتبدد الحرارة من خلال الحمل الحراري. وسط تبديد الحرارة هو الهواء ، وهو أمر لا ينضب ، وبالتالي له تكلفة منخفضة نسبيا. المعدات الأساسية لتبريد الهواء هي تكييف الهواء وقنوات الهواء ، وهي مناسبة لسيناريوهات الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة ، ولكن من الصعب تلبية متطلبات تبديد الحرارة عالية الكثافة ، مثل صندوق 5MWW/20 قدم الحالي.
التبريد السائل: يجب تصميم نظام الدورة الدموية السائلة (مثل لوحات التبريد ، والمضخات ، والمبادلات الحرارية ، وما إلى ذلك) ، وهو معقد للغاية ولكن يمكنه الاتصال مباشرة بمصدر الحرارة. كفاءة الموصلية الحرارية هي 6 أضعاف كفاءة تبريد الهواء ، مما يجعلها مناسبة لمعدات الكثافة عالية الطاقة. الخلاصة: على الرغم من أن تصميم التبريد السائل معقد ، إلا أن كفاءة تبديد الحرارة أعلى بكثير ، وخاصة مناسبة لأنظمة تخزين الطاقة عالية الطاقة.
تأثير تبديد الحرارة وتوحيد درجة الحرارة
يحقق التبريد السائل تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة من خلال دوران سائل التبريد ، مع وجود اختلاف في درجة الحرارة يمكن التحكم فيه في غضون 3 درجة ، في حين يعتمد تبريد الهواء على تدفق الهواء المحيط ، مع وجود اختلاف في درجة الحرارة عادة 7 درجة. يمكن أن تؤدي بيئات درجة الحرارة العالية بسهولة إلى تدهور تناسق الخلايا وتؤثر على عمر البطارية. الخلاصة: التبريد السائل لديه توحيد درجات الحرارة بشكل أفضل واستقرار تبديد الحرارة ، ويمكن أن يمتد عمر البطارية.
2 القدرة على تكييف سيناريو التطبيق
متطلبات البيئة والطاقة
تبريد الهواء: مناسب للبيئات الخارجية وسيناريوهات الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة (مثل تخزين الطاقة الصناعية والتجارية ، ومحطات قاعدة الاتصالات) ، ولكنها حساسة لبيئات درجة الحرارة العالية والرطوبة العالية ، مع تأثيرات تبديد حرارة محدودة.
التبريد السائل: له مزايا كبيرة في تخزين الطاقة على نطاق واسع (مثل مائة مشاريع المستوى ميجاوات على جانب الشبكة) ، ومعدلات شحن وتفريغ عالية ، وسيناريوهات درجات الحرارة القصوى. على سبيل المثال ، تعتمد محطات طاقة تخزين الطاقة المشتركة في Ningxia و Gansu وغيرها من الأماكن حلول تبريد سائلة.
الخلاصة: التبريد السائل أكثر ملاءمة لكثافة الطاقة العالية والمتطلبات البيئية المعقدة.
3 الصيانة والموثوقية
الحفاظ على التعقيد
تبريد الهواء: يسهل الصيانة ، يتطلب فقط تنظيف المروحة والقناة الهوائية ، ولكنه يتطلب معالجة متكررة للغبار البيئي وعدم كفاية التحكم في درجة الحرارة.
التبريد السائل: من الضروري التحقق بانتظام من تسرب سائل التبريد والتآكل وتشغيل صمام المضخة. خطوات الصيانة مرهقة ، لكن ثبات النظام مرتفع ومعدل الفشل منخفض. على سبيل المثال ، يكون وقت الصيانة لنظام التبريد السائل 2-3 مرات نظام تبريد الهواء ، لكن خطر الإغلاق منخفض للغاية.
الخلاصة: التبريد السائل له تكاليف صيانة عالية ولكن موثوقية أفضل ، واستقرار تشغيلي طويل الأجل قوي.
المخاطر الأمنية
لا يتعرض تبريد الهواء إلى خطر تسرب سائل ، ولكنه يعتمد على تكييف الهواء والمراوح ، مما يشكل خطرًا على ارتفاع درجة الحرارة.
يتطلب التبريد السائل الوقاية من التسرب والتآكل ، ولكن يمكن التحكم في المخاطر بشكل فعال من خلال تصميم الختم العالي وتحسين المواد.
4 استهلاك العمر واستهلاك الطاقة
التأثير على عمر البطارية
لكل زيادة 20 درجة في درجة الحرارة ، تنخفض عمر دورة البطارية بمرات {1}}. يمكن أن يستقر التبريد السائل على درجة حرارة خلية البطارية عند درجة {2}}. قد يصل تبريد الهواء إلى أكثر من 38 درجة في بيئات درجات الحرارة العالية ، مما يسارع تدهور البطارية.
الخلاصة: التبريد السائل يطيل بشكل كبير عمر البطارية ويقلل من تكاليف استبدال دورة الحياة الكاملة.
عملية استهلاك الطاقة
يستهلك التبريد السائل طاقة أقل من تبريد الهواء. على سبيل المثال ، مع قدرة تبريد 3 كيلو وات ، فإن استهلاك الطاقة للتبريد السائل هو 1/6 فقط من تبريد الهواء ، وسرعة تبديد الحرارة أسرع ، مما يؤدي إلى وقت تبريد أقصر بعد الإغلاق.
الخلاصة: التبريد السائل له آثار كبيرة لتوفير الطاقة ويقلل من تكاليف التشغيل.
5 مقارنة التكلفة
التكلفة الأولية
تكلفة الأنظمة المبردة بالهواء منخفضة نسبيًا (حوالي 1.1 يوان/WH) ، في حين أن التبريد السائل يتطلب لوحات تبريد ومضخات ومكونات أخرى ، مما يؤدي إلى زيادة تكلفة حوالي 18 ٪ (حوالي 1.3 يوان/WH).
تكلفة دورة الحياة
على الرغم من أن التبريد السائل له استثمار أولي مرتفع ، إلا أن تكلفته الإجمالية متفوقة على تبريد الهواء بسبب انخفاض استهلاك الطاقة (توفير أكثر من 30 ٪ من فواتير الكهرباء) ، وعمر طويل (تقليل تردد استبدال البطارية) ، ومعدل الفشل المنخفض. على سبيل المثال ، تكون تكلفة دورة الحياة الكاملة للمشروع المبرد سائل 5 ميجاوات 20 ٪ -30 ٪ من مشروع مشروع مبرد بالهواء.
الخلاصة: التبريد السائل لديه المزيد من المزايا من حيث اقتصاد دورة الحياة الكاملة.
6 توفير مساحة
يتمتع نظام التبريد السائل بدرجة عالية من التكامل ، ويتم تقليل بصمة حاويات تخزين الطاقة بنفس السعة بنحو 40 ٪ مقارنة بتبريد الهواء ، مما يجعله مناسبًا للسيناريوهات النادرة. يمكن أن تتلاءم بطارية 5MWH الحالية مع حاوية 20 قدمًا ، وذلك أساسًا لأن نظام التبريد السائل يوفر مساحة كبيرة.
2. عيوب أنظمة التبريد السائل
1 حماية البيئة وسلامتها
التبريد السائل سام
الإيثيلين جليكول المستخدم للتبريد السائل سام وقد يلوث التسرب التربة والمياه الجوفية ، مما يتطلب علاجًا صارمًا لإعادة التدوير ؛ لا يخاطر النظام المبرد بالهواء بالتسرب السائل وهو أكثر ملاءمة للبيئة. على سبيل المثال ، في حادث حريق Tesla Megapack Energy Storage Storage 2021 في أستراليا ، تسبب تسرب نظام التبريد السائل في حلبة قصيرة للبطارية ، مما يؤدي إلى الركض الحراري.
توضح هذه الحالة أن التبريد السائل له متطلبات صارمة لختم وجودة المواد ، ويجب مراعاة مخاطر الفشل عند تصميم أنظمة التبريد السائل.
سلامة نظام تبريد الهواء
لا يجب أن يقلق النظام المبرد بالهواء بشأن خطر التسرب. يعتمد على التشغيل المستمر لتكييف الهواء والمشجعين ، والمشكلة الأكثر خطورة هي ارتفاع درجة الحرارة المحلية. ومع ذلك ، فإن معدل الحوادث الإجمالي أقل من معدل التبريد السائل
2 الإنتاج المعقد والتركيب
إنتاج أنظمة التبريد السائل معقد
مطلوب تخصيص الألواح المبردة السائل والإنتاج التجريبي للقوالب ، مع وجود دورة بحث وتطوير طويلة وحواجز براءات الاختراع.
يعتمد تبريد الهواء على تصميم قناة الهواء الموحدة ، مع درجة عالية من الوضع الشائع والتكلفة القابلة للتحكم.
وقت التثبيت الطويل
يستغرق تفكيك وتجميع خزانات البطارية المبردة السائل أكثر من ساعتين (تتضمن تصريفًا ، واختبار الختم ، وما إلى ذلك) ، بينما يستغرق تبريد الهواء 20 دقيقة فقط ، وهو مناسب لسيناريوهات النشر السريعة.
3 مستوى ضوضاء مرتفع
عادة ما تكون ضجيج الوحدات المبردة السائل أقل من أو تساوي 75 ديسيبل (بالقرب من تكييف الهواء المبرد بالهواء) ، ولكن يمكن تقليله بشكل أكبر عن طريق تحسين تصميم صمام المضخة ومواد عزل الصوت. تقوم Tesla's Megapack بتحريك المروحة إلى أعلى صندوق تخزين الطاقة ويقوم بتثبيت جسم المضخة داخل الخزانة كوسيلة لتقليل الضوضاء.
مصدر الضوضاء الرئيسي لتبريد الهواء هو المروحة (أقل من أو تساوي 60dB) ، وهو أكثر هدوءًا بشكل عام.
3. اتجاه التبريد لمنتجات التخزين الكبيرة في المستقبل
تبريد الهواء+حل هجين سائل للتبريد: الجمع بين مزايا كلاهما في بعض السيناريوهات ، مثل استخدام تبريد الهواء لتقليل التكاليف في مناطق الطاقة المنخفضة والمتوسطة ، واستخدام التبريد السائل لتحسين كفاءة تبديد الحرارة في المناطق الأساسية ذات الطاقة العالية.
التبريد السائل الغمر: هذه هي طريقة تبديد الحرارة الأكثر بدائية ، والتي تتصل مباشرة بمصدر الحرارة مع المصدر البارد لتبديد الحرارة. كفاءة تبديد الحرارة أعلى بكثير من كفاءة أخذ الحرارة من خلال لوحة التبريد. إذا كان التبريد السائل التقليدي يلغي قنوات الهواء مقارنة بأنظمة تبريد الهواء ، فإن غمر التبريد السائل يزيل اللوحات الباردة. عن طريق الانغماس مباشرة في خلايا البطارية ، يمكن تحقيق تبديد الحرارة الشديد (اختلاف درجة الحرارة أقل من أو يساوي 1 درجة) ، مما قد يحل محل التبريد السائل التقليدي في تخزين الطاقة عالي الكثافة في المستقبل.
4. ملخص
بموجب تقنية البطارية الحالية ومتطلبات تبديد الحرارة ، تحل تقنية التبريد السائل نقاط الألم الأساسية لتخزين الطاقة الكبير في سيناريوهات الكثافة العالية (5MW/20 قدم) من خلال تبديد حرارة فعال ، والتحكم الدقيق في درجة الحرارة ، واستهلاك الطاقة المنخفضة ، وعمر طويل.
على الرغم من ارتفاع تكلفة التكلفة والصيانة الأولية ، إلا أنه يتمتع بمزايا اقتصادية وموثوقية كبيرة طوال دورة حياتها بأكملها. مع التطبيق على نطاق واسع للتبريد السائل (مثل معدل الاختراق المتوقع بنسبة 45 ٪ بحلول عام 2025) ، فإن استحقاق السلسلة الصناعية سيقلل من التكاليف ويعززها باعتبارها "الحل الأمثل" لتخزين الطاقة على نطاق واسع.
PostScript: تتركز جميع تدابير تبديد الحرارة وحماية الحرائق حول خلايا البطارية. إذا كان يمكن إنتاج خلايا البطارية عالية الحرارة في المستقبل في المستقبل من خلال تبادل الحرارة مباشرة بالهواء ، ويمكن لخلايا البطارية نفسها تحمل درجات حرارة أعلى ، يمكن أن تقل تكلفة أنظمة تخزين الطاقة بشكل كبير. هذه هي التكنولوجيا التي تفيد الإنسانية.