基于CFD 的儲能集裝箱散熱系統(tǒng)流場優(yōu)化

李金芳，葉琪超，應光耀，樓可煒

（1.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

風能、太陽能等清潔能源產業(yè)發(fā)展迅速，但是與傳統(tǒng)能源相比，其穩(wěn)定性不高。在太陽能與風能具有天然互補優(yōu)勢的地區(qū)，引入儲能系統(tǒng)能使風光合成出力更好地跟隨負荷波動，平衡兩者之間的能量差值，有效降低系統(tǒng)總成本，提高經濟性[1]。電池儲能系統(tǒng)安裝靈活，建設周期短，是現(xiàn)階段較適合于工程應用的技術[2]。鋰電池所占比重高于鉛蓄電池，是目前分布式儲能中使用最廣泛的電池[3]。鋰電池具有能量密度大、自放電小、無記憶效應、工作溫度范圍寬、可快速充放電、使用壽命長、無環(huán)境污染等優(yōu)點，被稱為綠色電池；其不足之處是價格高，過充會導致發(fā)熱、燃燒等安全性問題，需要進行充電保護[4]。

儲能系統(tǒng)形式多樣，儲能集裝箱因其具有占地少、便于安裝、可移動、一體性強等特點在中小型電站應用十分廣泛[2]。儲能系統(tǒng)聚集的電池數(shù)目很多，電池容量和功率較大。大量的電池緊密排列在一個空間內，運行工況復雜多變，容易造成產熱不均勻、溫度分布不均勻、電池間溫差較大等問題。長此以往，必然會導致部分電池的充、放電性能，容量和壽命周期等下降，從而影響整個系統(tǒng)的性能，嚴重時會引發(fā)熱失控，造成事故[5]。虞跨海等人[6]研究了單體鋰離子儲能電池三維電化學-熱耦合模型，開展了不同放電條件下的電池溫升曲線數(shù)值仿真和實驗測試，以了解鋰電池內部具體的溫度分布情況。由于儲能系統(tǒng)價格高昂，為保證電池模組的安全運行及使用壽命，對模組進行有效的散熱設計顯得極其重要。鋰電池熱管理技術主要包括空冷、液冷、相變冷卻和熱管冷卻等方法[7]。王帥等人[8]采用了自然對流散熱和強制風冷2 種方式來分析超級電容模組，結果表明自然散熱不能滿足溫度要求，強制風冷才能有效抑制模組溫升。鐘國斌等人[5]通過分析鋰電池的熱特性，提出可有效組合空冷、水冷、熱管冷卻和相變冷卻等幾種熱管理技術來構成儲能集裝箱的熱管理系統(tǒng)，從而降低電池的溫度。FAN 等人[9]研究了不同電池間距和空氣流量對電池組溫度分布的影響，結果表明在流量不變時，電池間的溫度分布隨著電池間距的增大而逐漸均勻。李彩紅等人[10]基于鋰離子動力電池生熱模型仿真與實驗的研究，驗證了局部強化射流冷卻散熱系統(tǒng)在不同充放電倍率下的儲能系統(tǒng)電池模塊中的散熱效果。MAHAMUD 等人[11]提出了一種空氣流動方向反復變換的冷卻方式，這種方式能夠讓電池溫差下降約72%，但是提高了系統(tǒng)的復雜程度。為改善中部電池的散熱，YU等人[12]為電池組配置了2 個風扇，加強了局部區(qū)域的通風效果。由此可見，通風冷卻是儲能集裝箱最基本也最主要的溫度控制方式。本文在通風冷卻的基礎上分析通風口的數(shù)量、位置等因素對冷卻效果的影響，優(yōu)化儲能集裝箱的溫度分布，通過CFD 數(shù)值模擬軟件建立儲能集裝箱的物理模型，分析不同工況下集裝箱內的溫度分布情況。

1 數(shù)學模型

對儲能集裝箱建立數(shù)學模型，模型的工質為空氣。工質的流動受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括： 質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。對研究對象進行以下簡化假設[13]：儲能系統(tǒng)運行過程為穩(wěn)態(tài)過程；集裝箱四周壁面密閉，與外界不存在能量與物質的傳遞，可視為絕熱條件；電池運行過程中內核區(qū)域各處電流密度均勻，生熱速率一致，可將電池散熱等效為均勻體積內熱源。

質量守恒方程為：

式中： ρ 為密度；U 為速度。

動量守恒方程為：

式中： P 為壓力；η 為運動粘度。

能量方程為：

式中： λeff為有效導熱系數(shù)；T 為流體溫度；cp為流體的比熱容。

在充分發(fā)展的湍流區(qū)域，反映湍流脈動量對流場影響的湍流動能方程和湍流應力方程為標準k-ε 湍流模型。湍流動能方程為：

湍流耗散方程為：

式（4）—（5）中：k，ε 分別為湍流動能和湍流耗散；μ 為動力粘度；μt為湍流粘度，μt=；c1，c2，σk，σε，cμ為湍流模型中的常數(shù)，c1=1.44，c2=1.92，σk=1.00，σε=1.30，cμ=0.09；xi，xj（i，j=1，2，3；i≠j）為三維坐標軸坐標；ui，uj為速度在xi，xj方向上的分量。

該計算模型的邊界條件有：

（1）入口邊界條件： 速度入口邊界條件。

（2）出口邊界條件： 自由出口邊界條件。

（3）電池壁面邊界條件： 均勻體積內熱源。

（4）集裝箱壁面邊界條件： 固體壁面看作無滑移邊界，靠近壁面處的邊界層內采用標準的壁函數(shù)進行處理。

2 物理模型

儲能集裝箱模型如圖1 所示，箱體尺寸為12.1 m×3 m×4 m，其內部安裝有總容量為1 060 kW 的鋰電池，風量為3 000 m3/h（換算后入口速度約為0.5 m/s）。每塊鋰電池充放電過程中假設其散熱穩(wěn)定，其熱生成量[14]為6 815.1 W/m3，熱流密度大小可根據(jù)電池柜體積和面積折算。配電柜在夏季工況下壁面溫度約為40 ℃，集裝箱壁面溫度為冬夏季環(huán)境溫度。進風口分散布置在鋰電池模組的周圍，出風口裝在配電柜上方。

圖1 儲能集裝箱模型

該模型的工質為空氣，模型的入口工質溫度與入口速度根據(jù)不同的工況分別設定。該工質的物理性質在不同工況下均設置為： 密度為1.110 kg/m3，動力粘度為1.897 6×10-5kg/（m·s），導熱率為0.026 2 W/（m·K），比熱容為1 013 J/（kg·K）。

先建立集裝箱模型，對其進行網(wǎng)格劃分，再進行不同工況的計算。采用分塊網(wǎng)格劃分的方法對計算區(qū)域進行離散化，將整個求解區(qū)域分成多個小塊，然后對每個小塊單獨進行網(wǎng)格劃分。由于該模型為規(guī)則的六面體，為了降低網(wǎng)格數(shù)量，全部采用六面體網(wǎng)格進行劃分，并在進風口、出風口、風道等位置進行局部網(wǎng)格加密。

網(wǎng)格的數(shù)量決定了計算的準確度，為了保證計算結果的準確性，對儲能集裝箱模型的網(wǎng)格進行網(wǎng)格無關性驗證。采用相同的網(wǎng)格劃分形式、不同的網(wǎng)格密度，繪制網(wǎng)格數(shù)分別為46.5×104，48×104，52×104，56×104和58×104的同一模型進行計算，參數(shù)設置和計算方式均相同，得到上述網(wǎng)格數(shù)量下集裝箱內的平均溫度分別為309 K，310.1 K，311.5 K，312 K，312.1 K。計算發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量由56×104變?yōu)?8×104時，平均溫度的改變量僅為0.25%，說明網(wǎng)格數(shù)量在56×104以上時對計算結果已基本無影響，所以選取網(wǎng)格數(shù)為56×104時的網(wǎng)格密度劃分各個計算模型的網(wǎng)格。

3 計算結果及分析

3.1 冬季和夏季工況分析

環(huán)境溫度是對儲能集裝箱溫度場分布的主要影響因素之一。圖2 為冬季工況（環(huán)境溫度280 K）和夏季工況（環(huán)境溫度308 K）下的儲能集裝箱內部截面（Y=2 m）溫度分布云圖。

圖2 冬季和夏季工況下集裝箱內部截面（Y=2 m）溫度分布

由圖2 可見： 在儲能電池及配電柜散熱溫度一致時，冬季工況下集裝箱內溫度沒有超限，溫度最高點為303 K，不需要另外增加散熱系統(tǒng)進行集裝箱散熱；在夏季工況下，環(huán)境溫度較高，集裝箱壁面溫度很高，無法有效帶走鋰電池和配電柜的散熱量，導致集裝箱內平均溫度過高，溫度最高點達334.2 K，不僅影響鋰電池的安全運行，也影響運行檢修人員的人身安全，因此需對該儲能集裝箱進行通風散熱優(yōu)化。增加通風散熱系統(tǒng)確實能有效降低儲能集裝箱內的平均溫度，其影響因素主要有通風口的形狀、位置、數(shù)量、大小等。在風溫相同的情況下，通風口的數(shù)量和大小僅影響冷卻風流量，流量越大冷卻效果勢必越強。因此，本文僅討論在風溫和流量相同時，通風口位置和形狀對冷卻效果的影響。

3.2 出風口位置對集裝箱內部溫度的影響

分析在夏季工況下出風口位置對集裝箱內溫度分布的影響。在其他條件相同的情況下，設置入口風溫308 K，入口風速0.5 m/s，出風口、形狀、數(shù)量相同，僅出風口位置不同的計算模型，其Y=2 m 截面的溫度分布如圖3 所示。

圖3 出風口位置對溫度分布的影響

由圖3 可以看出：方案3 高溫部分面積最小，平均溫度最低（313.65 K）；方案2 高溫部分面積較大，覆蓋范圍最廣，平均溫度最高（316.45 K）；方案1 的平均溫度為315.25 K。因此在3 種出風口布置方案中，方案3 的散熱效果最好。

3 種出風口布置方案下的集裝箱內部截面（Y=2 m）速度矢量如圖4 所示?？梢钥闯鲈谙嗤乃俣葮顺呦拢?方案3 集裝箱內速度矢量較大，在集裝箱內部出現(xiàn)幾個渦流，使集裝箱內部工質充分得到擾動，換熱時間較長，因此平均溫度較低；方案2 速度矢量最小，由于一個出風口距離入風口較近，空氣剛進入儲能集裝箱，就有部分從左側的出風口流出，即圖4 中流動最為密集的區(qū)域，換熱時間較短，換熱量較少，因此平均溫度較高；方案1 集裝箱內工質流速較快，工質分布均勻，但是沒有出現(xiàn)渦流，因此換熱效果介于方案2 與方案3 之間。

圖4 不同出風口位置方案下集裝箱內部截面（Y=2 m）速度矢量

3.3 出風口形狀對集裝箱內部溫度的影響

除了出風口位置，出風口形狀也是影響溫度分布的關鍵因素。在其他條件相同的情況下，建立入口風速0.5 m/s，入口風溫308 K，出風口布置位置相同，形狀分別為面積相同的矩形、圓形儲能集裝箱計算模型，其Y=2 m 截面的溫度分布如圖5 所示。

由圖5 可以看出，出風口形狀對儲能集裝箱內的溫度分布影響較為明顯。在出風口面積及位置相同的情況下： 當出風口為矩形時，儲能集裝箱內的平均溫度為313.65 K；當出風口在為圓形時，儲能集裝箱內的平均溫度為313.05 K。

不同出風口形狀下集裝箱內部截面（Y=2 m）的速度矢量如圖6 所示。

圖5 出風口形狀對溫度分布的影響

圖6 不同出風口形狀下集裝箱內部截面（Y=2 m）速度矢量

由圖6 可以看出，當出風口分別為面積相同的矩形和圓形時，集裝箱內流體流動的趨勢大致相同，但是圓形出口模型內的流場分布更為均勻，速度矢量較大，所以采用圓形出口的集裝箱平均溫度較低。

4 結論及建議

（1）在冬季工況下，環(huán)境溫度低，儲能集裝箱基本不存在散熱不良的問題；而夏季溫度高，加上鋰電池模組和控制柜釋熱，導致集裝箱內溫度過高，影響鋰電池的安全運行，需要進行通風散熱改造。

（2）出風口的位置直接影響儲能集裝箱的溫度分布，當出風口與進風口相對位置按照方案3布置時，儲能集裝箱內平均溫度最低，散熱效果最好。

（3）出風口的形狀是影響集裝箱內溫度分布的因素之一，在出風口面積和位置相同時，圓形出風口集裝箱的平均溫度低于矩形出風口集裝箱，散熱效果更佳。