CN112131801B - 一种箱式储能系统热设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热仿真技术领域，特别涉及一种箱式储能系统热设计方法。该方法包括：热源计算、系统分析、几何建模、参数设定、网格划分和仿真计算、解析仿真数据等。本发明通过传热学理论计算和储能系统实际应用所需环境的分析，做出初步热设计方案，在软件仿真的帮助下，根据运行仿真数据，有针对性的调整设计参数，使设计更贴近实际应用，最终得到合适的设计方案。实现箱式储能系统的可靠性热分析，使用此方法可极大提高箱式储能系统的设计效率和结构优化。
Description
技术领域
本发明涉及热仿真技术领域，特别涉及一种箱式储能系统热设计方法。
背景技术
随着新能源行业的蓬勃发展，配合风光发电系统的优化应用，越来越多的箱式储能系统投入使用；而基于系统能量密度要求越来越高，项目所处环境又基本在室外，散热问题已经成为制约系统技术进步的因素之一。对箱式储能系统在设计阶段进行热分析，可以获得一定工作状态下的电池组、储能设备、箱内环境等的温度场分布等特征参数，提供风机、空调、风道等温度气流调节设施的设计依据，为系统的设置和改进提供指导和理论依据，同时也是一种科学、经济的技术方法。现有箱式储能设备大多只考虑箱内系统本身设备的总发热并加空调制冷，极少综合分析外部环境和系统换热，以及内部气流流动对储能系统整体的影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种箱式储能系统热设计方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种箱式储能系统热设计方法，该方法包括：热源计算、系统分析、几何建模、参数设定、网格划分和仿真计算、解析仿真数据等；其特征在于:具体包含以下步骤：
步骤1：针对储能系统特点，对箱内设备进行发热量(W)计算，确定热源；
步骤2：根据系统外观及安装环境，进行箱体内外壁面黑度(ε)、外壁面照度(Qsun)设定；
步骤3：根据箱体壁面材料及结构计算综合导热系数值(h总)；
步骤4：在计算程序中输入箱体尺寸、导热系数、设备发热量、黑度等参数，计算箱式储能系统需要的散热量；
步骤5：根据每个热源自身的散热设计情况，分为辐射散热、自然对流散热、强制对流散热等类型；分析结果转化为传热学模型，作为热分析设计输入；
步骤6：建立几何模型，获得系统箱体及各设备模型参数，设置箱体进出风口位置及大小；
步骤7：根据实际工况，对箱式储能系统进行物理参数设置，包括施加温度载荷、边界条件设置、流体模型选择等；
步骤8：运行CFD软件对几何模型进行网格划分；
步骤9：运行CFD软件进行仿真计算，输出；
步骤10：对仿真结果进行分析，如系统内温度场分布满足运行要求，则热设计可行，输出热分析报告；如系统内温度场分布不满足运行要求，箱式系统中存在热集中，则调整制冷量、风口或风道形式等模型参数，重复步骤6-9，直至仿真结果满足要求。
进一步的，所述几何建模包括对箱体、电池组、储能设备、通风孔、空调、风机等进行建模。
进一步的，所述箱式包括机柜式、集装箱式。
进一步的，所述储能系统由电池组、控制单元、能量转换设备、配电设备等组成。
进一步的，所述步骤1中，W＝I2R；其中I指设备的运行电流，R指设备内阻。
进一步的，所述步骤2中，Qsun＝光照强度I0×吸收率α×光照面积A；根据系统安装位置的经纬度和箱体尺寸，确定箱体外壁面照度(Qsun)；根据箱体外观颜色及粗糙度，确定箱体内外壁面黑度(ε)。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
(1)本发明提供的一种箱式储能系统热设计方法，通过传热学理论计算和储能系统实际应用所需环境的分析，做出初步热设计方案，在软件仿真的帮助下，根据运行仿真数据，有针对性的调整设计参数，使设计更贴近实际应用，最终得到合适的设计方案。实现箱式储能系统的可靠性热分析，使用此方法可极大提高箱式储能系统的设计效率和结构优化。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的设计方法流程图。
具体实施方式
(实施例1)
见图1，本发明包括：热源计算、系统分析、几何建模、参数设定、网格划分和仿真计算、解析仿真数据等；以简单的20kW微网储能柜式系统为例，内部主要发热设备有电源模块和变流器，其中电源模块四组，变流器一套。柜体尺寸为800×800×2200(mm)，箱体壁面为内外0.5mm钢板，中间夹45mm保温层的三层结构。
步骤1：针对储能系统特点，对箱内设备进行发热量(W)计算，确定热源。
每组电源模块100A放电时，内阻为6.05mΩ，发热量W＝I2R＝60.5W。
变流器发热量为100W。
则系统内部总发热量为60.5×4+100＝342W。
步骤2：根据系统外观及安装环境，进行箱体内外壁面黑度(ε)、外壁面照度(Qsun)设定。
1)确定外壁面照度影响：根据系统安装位置经纬度查得，当地太阳辐射强度为1120W/m2，吸收效率取0.2，Qsun＝光照强度I0×吸收率α×光照面积A，则
Qsun＝1120×0.2×7.68＝1720W
太阳照射使得箱体温度升高，Δt＝Qsun/(c*m)＝0.62℃，其中c为比热容460J/(kg*℃)，m为箱体外壳质量6kg。
安装室外环境温度最高设定为40℃，考虑太阳照射升温，根据设备性能，箱内温度需控制在30℃以下，则温差为11℃。
2)确定箱体外表面黑度影响：箱体材质为钢板，查表得黑度ε＝0.28，辐射系数Cb＝5.67W/(m2.K4)。则由玻尔兹曼定律得，辐射热损失为：
Q＝εACb[(T1/100)4-(T2/100)4]
＝14.6W
式中A为辐射面积。
步骤3：根据箱体壁面材料及结构计算综合导热系数值(h总)。
箱体壁面为内外0.5mm钢板，中间夹45mm保温层的三层结构。钢板导热系数为45W/(m*K)，保温层导热系数为0.04W/(m*K)，计算箱壁的综合导热系数值：
式中b1、b2、b3为箱体壁面三层结构分别的厚度，h1、h2、h3为各层的导热系数(根据各层材料查表可得)。
则太阳照射增加的发热量为：
Q＝hA△T/b＝84.5W
式中h为综合导热系数，A为导热面积，△T为温差，b为壁厚。
步骤4：在计算程序中输入箱体尺寸、导热系数、设备发热量、黑度等参数，计算箱式储能系统需要的散热量。计算程序为现有程序。
步骤5：根据每个热源自身的散热设计情况，分为辐射散热、自然对流散热、强制对流散热等类型；分析结果转化为传热学模型，作为热分析设计输入。选择系统所需空调，根据系统发热量，考虑其他损耗等，选择空调制冷功率500W。
步骤6：对系统进行几何建模等操作，获得系统箱体及各设备模型参数，设置箱体进出风口位置及大小。
步骤7：根据实际工况，对箱式储能系统进行物理参数设置，包括施加温度载荷、边界条件设置、流体模型选择等。
步骤8：运行CFD软件对几何模型进行网格划分。
步骤9：运行CFD软件进行仿真计算，输出。
步骤10：对仿真结果进行分析，如系统内温度场分布满足运行要求，则热设计可行，输出热分析报告；如系统内温度场分布不满足运行要求，箱式系统中存在热集中，则调整制冷量、风口或风道形式等模型参数，重复步骤6-9，直至仿真结果满足要求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种箱式储能系统热设计方法，该方法包括：热源计算、系统分析、几何建模、参数设定、网格划分和仿真计算、解析仿真数据；其特征在于：具体包含以下步骤：
步骤1：针对储能系统特点，对箱内设备进行发热量W计算，确定热源；
步骤2：根据系统外观及安装环境，进行箱体内外壁面黑度ε、外壁面照度Qsun设定；
步骤3：根据箱体壁面材料及结构计算综合导热系数值h总；
步骤4：在计算程序中输入箱体尺寸、导热系数、设备发热量、黑度参数，计算箱式储能系统需要的散热量；
步骤5：根据每个热源自身的散热设计情况，分为辐射散热、自然对流散热、强制对流散热类型；每个热源散热的分析结果通过CFD软件进行网格划分并转化为相应的传热学模型，传热学模型的输出结果作为热分析设计输入；
步骤6：建立几何模型，获得系统箱体及各设备模型参数，设置箱体进出风口位置及大小；
步骤7：根据实际工况，对箱式储能系统进行物理参数设置，包括施加温度载荷、边界条件设置、流体模型选择；
步骤8：运行CFD软件对几何模型进行网格划分；
步骤9：运行CFD软件进行仿真计算，输出；
步骤10：对仿真结果进行分析，如系统内温度场分布满足运行要求，则热设计可行，输出热分析报告；如系统内温度场分布不满足运行要求，箱式系统中存在热集中，则调整制冷量、风口或风道形式，重复步骤6-9，直至仿真结果满足要求。
2.根据权利要求1所述的箱式储能系统热设计方法，其特征在于：所述几何建模包括对箱体、电池组、储能设备、通风孔、空调、风机进行建模。
3.根据权利要求1所述的一种箱式储能系统热设计方法，其特征在于：所述箱式包括机柜式、集装箱式。
4.根据权利要求1所述的一种箱式储能系统热设计方法，其特征在于：所述储能系统由电池组、控制单元、能量转换设备、配电设备组成。
5.根据权利要求1所述的一种箱式储能系统热设计方法，其特征在于：所述步骤1中，W＝I2R；其中I指设备的运行电流，R指设备内阻。
6.根据权利要求1所述的一种箱式储能系统热设计方法，其特征在于：所述步骤2中，Qsun＝光照强度I0×吸收率α×光照面积A；根据系统安装位置的经纬度和箱体尺寸，确定箱体外壁面照度Qsun；根据箱体外观颜色及粗糙度，确定箱体内外壁面黑度ε。
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