Большое количество батарей в системе хранения энергии, их большая емкость и мощность, плотное расположение, а также сложные и изменчивые условия работы приводят к таким проблемам, как неравномерное распределение температуры и большая разница температур между батареями. Это вызывает ухудшение характеристик батарей, снижение емкости и сокращение срока службы, влияя на работу всей системы, а в серьезных случаях может привести к тепловому разгону и авариям. Для реализации крупномасштабных систем хранения энергии со средним и длительным циклом работы, высокой отказоустойчивостью и высокой безопасностью, технология жидкостного охлаждения стала популярным направлением в области теплового регулирования систем хранения энергии.
В настоящее время на рынке представлены основные методы терморегулирования, которые описаны ниже.
Воздушное охлаждение
Воздушное охлаждение — это метод охлаждения, использующий воздух в качестве холодной среды и конвективную теплопередачу для снижения температуры батареи. Он широко применяется в промышленном холодильном оборудовании, телекоммуникационных базовых станциях и системах контроля температуры в центрах обработки данных, обладая относительно высокой технической зрелостью и надежностью.
Жидкостное охлаждение
Жидкостное охлаждение — это разновидность охлаждения, при которой жидкость используется в качестве хладагента, отводя тепло, выделяемое внутренними компонентами ИТ-оборудования в центре обработки данных, наружу. По сравнению с воздушным охлаждением, конструкция системы жидкостного охлаждения более сложная и компактная, и не требует размещения больших площадей каналов теплоотвода, поэтому занимает относительно небольшую площадь.
охлаждение с помощью тепловых трубок
Охлаждение с помощью тепловых трубок основано на фазовом переходе охлаждающей среды, заключенной внутри трубки, для осуществления теплопередачи, что обеспечивает высокую эффективность рассеивания тепла, безопасность и надежность и т.д., но также и высокую стоимость, а практическое применение в системах хранения энергии большой емкости относительно невелико.
| Сравнение трех основных технических процедур управления тепловыми процессами. | |||
| Характерный | Воздушное охлаждение | Жидкостное охлаждение | фазовый переход охлаждения |
| Охлаждающая среда | Воздух | Жидкость | Материал с фазовым переходом |
| Способ контакта | Напрямую | Косвенно | Напрямую |
| Дизайн | Легкий | Сложный | Легкий |
| эффективность теплопередачи | Ниже | Выше (0,5-10) | Середина |
| Расходы | Ниже | Выше | Середина |
| Защита | Низкие требования, легко достижимо | Сложная система, труднодостижимая. | Простая система, легко реализовать. |
| коэффициент теплопередачи | 25-100 | 1000-15000 | / |
| Равномерность температуры | Неравномерность | Однородность | Однородность |
| Продолжительность жизни | ≥10 лет | 3-5 лет | Связанные с материалами |
| Установка | Легкий | Трудный | Легкий |
| Приложение | Низкая плотность энергии батареи, перезарядка и разрядка | Высокая плотность энергии батареи, скорость перезарядки и разрядки. | Середина |
| Уровень технической зрелости | Зрелый | Зрелый | Незрелый |
Благодаря более высокому коэффициенту теплопередачи и удельной теплоемкости теплоносителя, а также тому факту, что на него не влияют такие факторы, как высота над уровнем моря и атмосферное давление, система жидкостного охлаждения обладает большей теплоотдачей, чем система воздушного охлаждения, что делает ее более подходящей для развития крупномасштабных проектов по хранению энергии с высокой плотностью энергии.
С точки зрения стоимости, согласно соответствующим исследованиям, при одинаковом охлаждающем эффекте энергопотребление жидкостных систем охлаждения обычно значительно ниже, чем у систем воздушного охлаждения. Следовательно, хотя первоначальные инвестиционные затраты на жидкостную систему охлаждения выше, ее общая стоимость за весь жизненный цикл системы хранения энергии может быть ниже, чем у системы воздушного охлаждения. В заключение, мы считаем, что в некоторых сценариях жидкостное охлаждение, как ожидается, постепенно заменит воздушное охлаждение в качестве основного метода регулирования температуры для систем хранения энергии.
| Преимущества жидкостного охлаждения | |
| Низкие затраты на электроэнергию | Жидкостное охлаждение в большинстве случаев использует воду температурой 45°C/113°F для охлаждения. |
| Высокая плотность охлаждающей мощности | Воздушное охлаждение для корпусов мощностью более 20 кВт значительно снижает эффективность жидкостного охлаждения на уровне чипов и иммерсионного охлаждения. |
| Низкое потребление воды | Испарительное охлаждение можно исключить или значительно сократить. |
| Адаптация к суровым условиям окружающей среды | Жидкостное охлаждение под водой не требует циркуляции воздуха и изолировано от внешней среды. |
| Низкий уровень шума | Для жидкостного охлаждения на уровне чипа требуется лишь небольшой поток воздуха. |
| Равномерное рассеивание тепла | Хорошее среднее теплоотведение для систем хранения энергии и силовых батарей. |
| Значительно более низкое энергопотребление | Общее энергопотребление низкое; при одинаковых условиях холодопроизводительности потребление электроэнергии сравнимо с показателями установок с воздушным охлаждением. |
| Эффекты, сохраняющиеся в течение всего года, являются устойчивыми. | Меньше подвержено влиянию погоды, меньше сезонных колебаний |
Масштабы рынка жидкостного охлаждения
Технология жидкостного охлаждения получила признание некоторых предприятий-потребителей.
В августе 2023 года компания Longyuan Power Group опубликовала второй этап рамочного тендера на закупку систем жидкостного охлаждения и предварительно собранных интегрированных кабин преобразователя-бустера для электростанций с накопителями энергии на 2023 год, при этом сметная потребность в системах жидкостного охлаждения для накопителей энергии составила 600 МВт/1200 МВт·ч; Национальная энергетическая группа опубликовала второй этап рамочного тендера на закупку оборудования для хранения энергии на 2023 год, при этом общая стоимость систем жидкостного охлаждения для электростанций с накопителями энергии составила 600 МВт/1200 МВт·ч.
Начиная с 2022 года соответствующие производители активно внедряют системы хранения энергии с жидкостным охлаждением, и ассортимент продукции с жидкостным охлаждением постоянно расширяется.
В мае 2022 года компания Sunny Power запустила PowerTitan для крупных наземных электростанций и PowerStack для коммерческого и промышленного хранения энергии, в обеих системах используется жидкостное охлаждение.
В проекте, который компания GCL EnerD планирует запустить в производство, используется аккумуляторный блок с жидкостным охлаждением, в котором применяются литий-железо-фосфатные элементы с максимальным сроком службы до 15 000 циклов, а также интегрированная система жидкостного охлаждения трубопроводов с разницей температур менее 3 °C. Интегрированные шкафы для хранения энергии с жидкостным охлаждением подразделяются на две основные серии: 100 кВт и 200 кВт, что позволяет удовлетворить потребности всех видов промышленных, коммерческих и электростанций различных размеров и в любых комбинациях. Предварительная сборка позволяет сократить время и затраты на монтаж и наладку на объекте.
| Новый продукт для хранения энергии с жидкостным охлаждением появится в 2022 году. | ||||
| Нет. | Предприятие | Название продукта | Характерный | Приложение |
| Система хранения энергии в контейнере | ||||
| 1 | Келонг | Жидкостно-охлаждаемая система хранения энергии Kelong S | Включает в себя аккумуляторную батарею на 1500 В, кластер, систему жидкостного охлаждения, систему защиты и интеллектуальную систему управления. Безопасно, умно и просто. | Новая сторона производства энергии, сторона энергосети, сторона потребителя |
| 2 | Сунгроу | PowerTitan | Решение для хранения энергии с жидкостным охлаждением | Крупная наземная электростанция |
| 3 | Chinaztt | Система жидкостного охлаждения MUSE1.0 нового поколения | Железофосфатные батареи с керамическим покрытием корпуса, легированием микроэлементами и выравниванием BMS, алюминиевая рама с предварительно обработанными фиолетовым структурными модулями: батарейный отсек со степенью защиты IP67, независимой системой противопожарной защиты, контролем уровня PACK и напылением на уровне кластера, U-образной пластиной жидкостного охлаждения и профессиональной конструкцией трубопроводов. | / |
| 4 | Серматек | Жидкоохлаждаемая контейнерная система хранения энергии Serlattice | Система жидкостного охлаждения с высокой плотностью интеграции, противопожарная защита уровня PACK: локальная система оповещения о пожаре. | Коммерческое и промышленное хранение энергии |
| 5 | Хайберстронг | Система хранения энергии на основе твердотельных взрывозащищенных батарей с жидкостным охлаждением серии HyperSafe | В системе используется твердотельный железофосфатный аккумулятор емкостью 280 Ач; она обеспечивает техническую гарантию по четырем параметрам: безопасность аккумулятора, комплексная безопасность, безопасность для правоохранительных органов и активная безопасность, что гарантирует безопасность всей системы. | / |
| 6 | Чжоугу | Система хранения энергии в контейнере CX-1000 | Степень защиты IP54; защита от коррозии C4-5; модульная и высокоинтегрированная конструкция многоступенчатой системы пожаротушения; а также решение для монтажа кабины в сборе. | / |
| 7 | Нарадапауэр | Система хранения энергии CenterL нового поколения с жидкостным охлаждением | Система с жидкостным охлаждением, оснащенная железофосфатными батареями емкостью 280 Ач, платформа системы 1500 В, отличающаяся высокой эффективностью и комплексной интеграцией, обеспечивающая максимальную безопасность и длительный срок службы, а также улучшенную систему LCOS — четыре основных преимущества. | / |
| 8 | Канун | Система хранения энергии Eve 1500 В с жидкостным охлаждением | Комплексная защита, точный контроль температуры, гибкая компоновка, высокая эффективность — четыре основных преимущества, поддержка платформы напряжения постоянного тока 1500 В, быстрое развертывание, быстрая интеграция в сеть. | / |
| 9 | Ипотиседж | Интеллектуальная система хранения энергии с жидкостным охлаждением на 1500 В | Не требует установки, жидкостное охлаждение, двойная противопожарная защита, интеллектуальное облако, анализ в реальном времени, десятилетний срок службы, пожизненное эксплуатация и техническое обслуживание. | Интеграция возобновляемых источников энергии в электросети, вспомогательные услуги для электросетей, передача и распределение электроэнергии в сети, распределенные и микросети. |
| 10 | Чинтпауэр | Новое поколение Система хранения энергии PowerBlock | Высокоинтегрированный модуль аккумуляторной батареи для хранения энергии, высоковольтный блок, система контроля температуры, система раннего предупреждения о пожаре, система распределения электроэнергии и т. д. | Крупномасштабные установки хранения энергии |
| 11 | Тринасолар | Корпуса для систем хранения энергии с жидкостным охлаждением TrinaStorageEle menta | «Экономичность, высочайшая безопасность, интеллектуальное управление и техническое обслуживание, удобство и гибкость» — четыре основных преимущества. | / |
| 12 | Гитиум | Контейнер с жидкостным охлаждением нового поколения | Применение технологии бокового охлаждения, оптимизация распределения температуры системы за счет многоступенчатой системы терморегулирования с переменным диаметром; многоуровневая электрическая защита; безопасность системы с использованием системы сброса давления при взрыве через выхлопной канал и системы пожаротушения. | сторона сети, сторона электроэнергии |
| 13 | Группа Шуандэн | Shuangdeng PowerBank — новая система хранения энергии с жидкостным охлаждением. | Многомерное противопожарное проектирование и предварительная сборка всей системы с технологией жидкостного охлаждения. | Крупномасштабные установки хранения энергии |
| Универсальный шкаф для хранения энергии | ||||
| 1 | Сунгроу | PowerStack | Решение для хранения энергии с жидкостным охлаждением для «тройной интеграции источников энергии». | Коммерческие и промышленные электростанции |
| 2 | Теплоре | Распределенная система хранения энергии TensorpackT | В основе конструкции корпуса лежит концепция высокой степени интеграции, объединяющая в себе аккумулятор, систему управления батареей (BMS EMS), систему терморегулирования, двунаправленный преобразователь постоянного/переменного тока и систему пожаротушения. | Промышленные и коммерческие объекты, такие как заводские парки, зарядные станции, коммерческие здания, центры обработки данных и т. д. |
| 3
| Серматек | Встроенные наружные шкафы с жидкостным охлаждением | Высокоинтегрированная система управления питанием (PCS), батарея, жидкостное охлаждение, распределение питания и противопожарная система: широкий диапазон входного напряжения, максимальная поддержка 4 параллельных блоков: 3-слойная архитектура BMS, цифровой ЖК-дисплей, интеллектуальная система управления энергопотреблением (EMS) для сбора и мониторинга данных о соответствующем оборудовании. | / |
| 4 | Синексель | Уличный шкаф для хранения аккумуляторов | В качестве основного элемента используется передатчик с накопителем энергии мощностью 30 кВт для малых промышленных и коммерческих потребителей. Поддерживается параллельное подключение нескольких шкафов, что позволяет удовлетворить потребности средних и крупных промышленных и коммерческих комплексов, островных территорий и других объектов, подключенных к сети, а также в условиях автономного энергоснабжения и работы в условиях слабой сети. Интегрированная конструкция «все в одном» обеспечивает простоту подключения и использования. | Мелкие коммерческие и промышленные потребители |
| 5 | Хайберстронг | Новое поколение шкафов для хранения с жидкостным охлаждением серии HyperSafe, предназначенных для искробезопасных твердотельных батарей. | Используется твердотельная батарея на основе калий-железо-фосфата емкостью 280 Ач; реализованы технические меры защиты по четырем направлениям: безопасность батареи, безопасность генерации, безопасность управления и активная безопасность, что обеспечивает безопасность всей системы. | Бытовые системы хранения энергии, электростанции с накопителями энергии, коммерческие и промышленные системы хранения энергии. |
| 6 | Jd-энергия | Модульный жидкостной охладитель, блок питания 1500 В eBlock372 со стороны сетки источника питания. | Конструкция «все в одном» объединяет батарею, систему управления батареей (BMS), систему управления мощностью (PCS), систему безопасности и систему терморегулирования в единый стандартизированный наружный корпус, образуя интегрированную, готовую к использованию систему хранения энергии для промышленных и коммерческих электростанций. | со стороны исходной сети |
| 7 | Коммерческий и промышленный клиентский сегмент Энергетический блок 1000 В eBlock200 | / | Сторона коммерческого и промышленного пользователя | |
| Высоковольтная каскадная система накопления энергии | ||||
| 1 | Японские технологии | Полностью жидкостное охлаждение Высоковольтное каскадное хранилище энергии 35 кВ/12,5 МВт/25 МВт·ч | Трансформатор не требуется, прямой доступ к высокому напряжению выше 6 кВ. Grid: с использованием технологии активного выравнивания напряжения батареи, технологии каскадного высоковольтного хранения энергии и технологии терморегулирования с полностью жидкостным охлаждением. | Сторона генерации, сторона энергосети, сторона промышленного и коммерческого потребителя. |
| 2 | Чжигуан | Каскадная высоковольтная система хранения энергии большой емкости с прямым монтажом, рассчитанная на 35 кВ. | Разработанная совместно компаниями Zhiguang Energy Storage, Huaneng Qingneng Energy Academy и Шанхайским университетом Цзяотун, эта система подходит для строительства новых электростанций с накопителями энергии и крупномасштабных электростанций с электрохимическим накоплением энергии мощностью в несколько гигаватт. | Крупномасштабные установки хранения энергии |
В настоящее время, как отечественные, так и зарубежные производители систем хранения энергии в основном выпускают оборудование на основе технологии жидкостного охлаждения и терморегулирования. Начиная со второй половины прошлого года, во многих проектах постепенно реализуется широкий спектр применений, и некоторые производители даже отказались от систем с воздушным охлаждением, полностью перейдя на технологию жидкостного охлаждения. Поэтому, по сравнению с системами с воздушным охлаждением, технология и сценарии применения жидкостных систем продолжают развиваться, что позволяет лучше удовлетворять насущные потребности рынка в системах хранения энергии, которые требуют увеличения масштаба и плотности энергии. Высокая плотность энергии, компактные размеры, низкое энергопотребление вспомогательных устройств и точное регулирование температуры будут привлекать все больше внимания.
| компании, производящие оборудование для контроля температуры в системах хранения энергии | |||
| Предприятие | Основные клиенты и процесс | Основной продукт | Техническая процедура |
| Энвикул | CATL, BYD, Narada Power, KeLu Electronics, PingGao Group, Sunshine Power, Hyberstrong, а также зарубежные производители наружных блоков кондиционеров серии MC, ведущие системные интеграторы и производители аккумуляторов серии MC; выручка от продаж кондиционеров с накопителями энергии и чиллеров с накопителями энергии серии EMW в 2021 году составила 337 миллионов юаней. | Основные системные интеграторы и производители аккумуляторов серии C; кондиционер с накопителем энергии, чиллер с накопителем энергии серии EMW (2021 год). | Воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение |
| Шенлин | Государственная электросеть и т. д. | Встраиваемый кондиционер на крыше, сплит-система кондиционирования воздуха в помещении, встроенный кондиционер, прецизионный сплит-кондиционер для помещения. | Воздушное охлаждение |
| Тунфэй | В 2020 году компания начала осваивать область температурного контроля в системах хранения энергии и расширила круг своих клиентов, включив в него такие компании, как Sunny Power, Kelong, Trinasolar и другие. | Системы с жидкостным охлаждением, промышленные кондиционеры, устанавливаемые на крыше, интегрированные промышленные кондиционеры, сплит-системы для промышленных кондиционеров, настенные кондиционеры. | Воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение |
| Гаолан | Нашими основными клиентами являются производители распределенных аккумуляторных систем и аккумуляторные заводы, и мы уже начали сотрудничество с компанией Ningde Times. | На основе одноблочных систем жидкостного охлаждения литий-ионных аккумуляторов, крупномасштабных систем жидкостного охлаждения для электростанций с накопителями энергии, сборных корпусов для систем жидкостного охлаждения и т. д. | Жидкостное охлаждение |
| Сунчжи | Компания вошла в систему поставщиков Ningde Times, Vision Energy и других клиентов, при этом два продукта находятся на стадии серийного производства, а несколько продуктов — в стадии разработки. | Система терморегулирования с жидкостным охлаждением для аккумулирования энергии (два продукта находятся в серийном производстве, несколько — в разработке). | Воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение |
| Аотекар | Поставки компании Ningde Times начнутся в 2020 году, а серийное производство систем жидкостного охлаждения для систем хранения энергии стартует в 2021 году. | Система жидкостного охлаждения и терморегулирования для систем хранения энергии | Воздушное охлаждение, жидкостное охлаждение |
Потенциал жидкостного охлаждения как источника энергии в будущем
С точки зрения стоимости, согласно соответствующим исследованиям, энергопотребление систем жидкостного охлаждения обычно значительно ниже, чем у систем воздушного охлаждения при одинаковом охлаждающем эффекте. Поэтому, хотя первоначальные инвестиционные затраты на систему жидкостного охлаждения выше, ее общая стоимость на протяжении всего жизненного цикла системы хранения энергии может быть ниже, чем у системы воздушного охлаждения. В заключение, мы считаем, что в некоторых сценариях жидкостное охлаждение, как ожидается, постепенно заменит воздушное охлаждение в качестве основного метода регулирования температуры для систем хранения энергии.
Несмотря на это, системы жидкостного охлаждения по-прежнему сталкиваются с определенными проблемами в плане надежности. Ранее применение жидкостного охлаждения в области регулирования температуры накопителей энергии было относительно небольшим, а зрелость технологии по сравнению с воздушным охлаждением все еще имеет определенный разрыв, особенно в отношении стабильности и надежности работы. В частности, трубопроводы систем жидкостного охлаждения подвержены коррозии и отложениям, что приводит к засорению или утечке охлаждающей жидкости, в то время как вода, гликоль, силиконовое масло и другие распространенные охлаждающие жидкости могут повредить батарею или вызвать короткое замыкание системы, что создает риски для безопасности электростанций, использующих накопители энергии.
Кроме того, расчетный срок службы системы хранения энергии обычно составляет 15 лет, но срок службы насосов и клапанов внутри системы жидкостного охлаждения часто составляет около 7 лет, и между этими двумя показателями существует определенное несоответствие. Поэтому весьма вероятно, что в процессе эксплуатации проекта хранения энергии потребуется техническое обслуживание или замена компонентов системы жидкостного охлаждения путем ее остановки, что влияет на экономическую эффективность проекта. Конечно, с развитием технологии жидкостного охлаждения мы считаем, что эти проблемы будут решаться одна за другой, и в целом жидкостное охлаждение останется тенденцией дальнейшего развития систем регулирования температуры в системах хранения энергии.
