CN219286502U - 一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置，包括集装箱壳体、电池舱和储能变流升压舱，集装箱长侧面正南朝阳放置，壳体外壁涂敷掺有温控变色粉末的涂层，保温层采用均匀混合相变微胶囊的石膏板，对储能集装箱起到隔热保温的作用；电池舱主风道为环形连通装置，由两台对角布置的机柜空调双向对流提供均匀稳定的风量，主风道的冷却/加热气体由各垂直分布的支风道经各风管输送到电池箱，自上而下连接电池箱的入风风管的扩压风嘴截面积逐渐变大，利用压力差增加下端入风量。本实用新型可以降低外界环境对储能集装箱内电池系统的影响，降低空调耗电量，使风量分布更均匀，降低各电池间温差，提高电池运行的稳定性与安全性。

Description

一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置

技术领域

本实用新型涉及储能电池热管理技术领域和相变储热技术领域，尤其涉及一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置。

背景技术

近年来，随着对环境问题的关注及政府的支持，可再生能源发电得到了大力发展，但由于太阳能、风能等可再生能源具有间歇性、波动性和随机性，随着装机容量的不断增加，电网的稳定受到了一定的威胁，因此，为抑制可再生能源发电输出功率波动，提高电网安全性，储能技术得到了迅速发展。随着光伏配置储能电站的示范应用，集装箱储能系统容量持续增加，储能电池因散热不均导致的电池性能差异制约了储能技术的发展，热管理技术被广泛应用于储能系统中，通过机柜空调对储能电池实施强制风冷热管理，使电池工作在适宜的温度内。

对于集装箱式储能系统，内部锂离子电池排列紧密，容易导致热量积累及散热不均，而锂离子电池性能受温度影响较大，如果电池组未能及时冷却，热量的积累最终会引起电池的热失效，从而缩短电池组的整体寿命；而当户外温度过低时，可导致电池容量严重缩减，且无法进行充电。此外集装箱外部环境对箱内电池热管理系统影响较大，集装箱壳体的保温效果越差，集装箱内部电池热管理系统的保温性能越差，导致用于控温的空调能耗大量增加。机柜空调能耗约占集装箱储能系统总能耗的3/4，如何减少储能过程中空调制冷/制热功率的消耗成为大规模应用与推广储能系统的难题之一。

发明专利(CN109768348A)公开了一种高寒地区储能集装箱热管理系统，通过将集装箱内墙体分割成电池室和设备室，将设备室内的热量通过轴流风机导入电池室内，但设备室内热量有限，对电池室内温度保温效果较差，且轴流风机的使用增加了电量的使用，使系统能耗增加。

实用新型专利(CN209267921U)公开了一种集装箱储能电站使用的风道系统，空调的顶端设有送风口并与风道系统连接，主风道上沿长度方向均匀设置多个出风口，风道出风口通过竖直支风道与电池箱进风口连接，但气流流至主风道末端时风量较少，竖直支风道导出的风量流至电池簇底部电池箱时较小，电池箱风量分布不均匀，各电池间温差较大。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置，以解决现有电池储能集装箱制冷/制热耗电量高与电池散热不均匀的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下的技术方案：

本实用新型为一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置，涉及储能电池热管理技术领域和相变储热技术领域。

所述一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置包括壳体、电池舱和储能变流升压舱，所述壳体由外壁、保温层和内壁组成；所述电池舱左右两侧均固定有电池架，电池架呈对角安装有机柜空调，所述电池架上端沿电池舱内部设有与机柜空调相连的主风道，所述主风道通过各支风道与各电池箱相连，流至风墙内的热风通过出风口三排出；所述储能变流升压舱用于放置整流升压设备，所述储能变流升压舱一侧为储能变流器，另一侧设有检修门，所述储能变流升压设备侧设有出风口一；所述电池舱和储能变流升压舱通过保温隔板分隔成两个区域。

优选地，所述储能集装箱长侧面正南朝阳放置，长侧面上涂敷温控变色粉末，增大对光能的反射和利用，铺设均匀混合相变微胶囊石膏板的面积更大，更有效的降低外界环境温度对集装箱内温度的影响。

优选地，所述集装箱壳体外壁的表板采用不锈钢板材，所述不锈钢表板表面涂敷掺有温控变色粉末的反射涂层，所述温控变色粉末根据环境温度不同变化颜色，增大吸收/反射太阳光。

优选地，所述集装箱壳体保温层选用均匀混合含有相变微胶囊的石膏板，所述相变微胶囊以二氧化硅为壁材、石蜡为芯材。二氧化硅微胶囊外壳为石蜡提供稳定的相变空间，起到保护和密封石蜡的作用。当集装箱外或箱内温度高于石蜡的相变温度时，石蜡发生相变、熔化，在温度不发生变化的情况下吸收传递的热量，对集装箱内起到隔热作用；当集装箱外或箱内温度低于石蜡的相变温度时，石蜡释放所储存的潜热，对集装箱内温度起到保温作用。

优选地，所述主风道环形连通，对角放置两台功率为1.5kW的机柜空调，所述机柜空调为整体式内置立柜空调，包括机壳及机壳内的蒸发器、冷凝器、压缩机和内风机，蒸汽压缩式机柜空调通过压缩机将冷媒压缩、冷凝放热，再蒸发吸热来降低温度，所述机壳内设置有两条管道，分别为入风管道和排风管道，两条分管道使得内风机的气流回路和外风机的气流回路完全分离。制冷时，内风机吸入外界空气并将柜内的热量排出，有效避免空气形成对流，制冷效果较好；制热时，四通阀使制冷剂在冷凝器与蒸发器的流动方向与制冷时相反。

优选地，两台空调同时开启，在主风道内形成对流，使主风道各处风量分布均匀，所述支风道通过扩压风嘴与各电池箱连接，所述扩压风嘴出风口大小相同，入风口沿支风道至上而下逐渐增大。

优选地，所述风墙下端设有出风口三，所述出风口三内部设有风扇，通过控制风扇转动抽出风墙内由电池箱流出气体。

本实用新型所达到的有益效果是：

本实用新型提出了一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置，用于减少储能集装箱空调耗电量及降低各电池间温差，集装箱长侧面正南放置，增大了光照面积，更充分的利用了光能，尤其适用于高寒高海拔地区；集装箱壳体表板涂敷含有温控变色粉末的反射涂层，变色粉末依据温度高低改变颜色，通过吸收或反射光照对集装箱起到一定的隔热/保温效果；含有相变微胶囊的石膏板保温层，在相变过程中吸收或释放大量潜热，具有较好隔热/保温性能；对风道进行优化设计，改善流入各电池的风量分布均匀性，减小因各电池间温差带来的电池性能下降及安全性问题。该系统结构简单、安全性高、效果明显，广泛适用于集装箱式储能系统热管理领域，能够更好地服务于锂电池储能系统热管理。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型，下面将用附图来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型储能集装箱的外部结构示意图；

图2为本实用新型储能集装箱的内部结构示意图；

图3为本实用新型中的风道与电池箱连接主视图；

图4为本实用新型中的电池箱入风口示意图；

图5为本实用新型中的扩压风嘴示意图；

图6为本实用新型中的电池箱出风口示意图。

其中：1、壳体；1a、壳体外壁；1b、壳体保温层；1c、壳体内壁；2、检修门；3、出风口一；4、进风口；5、出风口二；6、出风口三；7、电池舱；8、储能变流升压舱；9、储能变流器；10、保温隔板；11、主风道；12、支风道；13、机柜空调；14、电池架；15、电池箱；15a、电池箱入风口；15b、电池箱出风口；16、风墙；17、风墙隔板；18、扩压风嘴。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的装置进行清楚和完整地描述。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

参照图1，为储能集装箱的外部结构示意图，所述集装箱壳体外壁1a涂敷掺有温控变色粉末的反射涂层，依据温度高低改变颜色，外界温度较高时，粉末呈现较浅的颜色，对太阳光起到反射的作用，外界温度较低时，粉末呈现较深的颜色，增大对太阳光的吸收，对箱内电池系统起到隔热/保温作用。壳体外壁1a与内壁1c之间的夹层加装了保温层1b，所述保温层1b厚度为20mm，所用保温石膏板内均匀混合了相变微胶囊，所述相变微胶囊以石蜡为芯材、二氧化硅为壁材，西藏昼夜温差较大，白天太阳日照较足，相变材料吸收太阳照射的热量，对箱内电池系统起到隔热作用，夜晚环境温度变低，相变材料释放潜热，对箱内电池系统起到保温作用。温控变色粉末涂层和混有相变胶囊保温层协同作用，实现对集装箱内温度被动式控温的作用。

参照图2，为储能集装箱的内部结构示意图，所述集装箱内部由相变石膏板10分隔成电池舱7和储能变流升压舱8，所述储能变流升压舱内的储能变流器9运行产生的热量，主要由内部风扇通过出风口一排出，小部分被相变石膏板吸收；所述电池舱7中的电池充放电产生大量的热，为主要产热源。

目前集装箱式储能系统散热风道存在风量不均匀的问题，主要有两个原因，其一是在进气的过程中，在靠近进气口的一侧易产生涡流，导致风量主要汇聚在风道前端，流至风道末端风量较少，气流分布不均匀；其二是各出风口送风不均匀，并且存在离进气口越远，气流越小的情况。针对这两个原因制定了两方面的改进措施，设计环形回路主风道11和扩压风嘴18。

参照图2和图3为集装箱式储能电站的风道结构示意图，所述集装箱式储能电站内部装有机柜空调13，机柜空调13在储能集装箱内呈对角布置，机柜空调13顶端连接主风道11，所述主风道11位于电池架14上方，主风道设有与对角布置的机柜空调13出风口连接的风道进风口，整个主风道构成了一个环形回路。所述主风道11沿电池架14竖直排列方向均匀设置有多个支风道出风口12，所述支风道出风口12与电池箱15的进风口连接，所述电池箱15内设有温度传感器，由温度传感器采集电池箱15内的温度信号传送至机柜空调13，所述的机柜空调13根据温度信号控制风量与温度。

参照图4，为本实用新型中支风道散热结构的示意图，隔热板17与集装箱内壁1c构成了单独隔间风墙16，支风道12位于风墙16内，支风道12通过导风软管与电池箱入风口15a相连，将冷却/加热气体送至各电池箱内。

进一步，为了减少涡流现象，提高气体分布均匀性，所述电池入风口15a采用扩压风嘴18。

参照图5，为扩压风嘴结构剖面示意图，支风道各入风口的扩压风嘴自上而下截面积不断增大，形成了压力差，在气体压力的作用下，向截面积小的一侧产生压力，即自上而下各入风口压力差增大，使更多风量流入支风道末端。

参照图6，为电池箱排风口剖面示意图，各电池箱15内冷却气体经U型流槽的结构，吸收电池热量排出的热风，通过在风墙上均匀设置电池出风口15b，直接排出到风墙内，通过排风扇抽出。通过对风道进行优化设计，改善风量在电池箱15内部的分布均匀性，提高冷却/加热效率，降低机柜空调13的功率消耗，实现对集装箱内温度主动式控温的作用。

如图1-6所示，本实施例提供了一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置，所述集装箱长侧面正南朝阳放置，集装箱壳体外壁1a涂敷的掺有温控变色粉末的反射涂层，夏季时太阳照射较强，集装箱外壁温度较高，温控变色粉末随温度的上升改变颜色，温度越高温控变色粉末呈现的颜色越浅，以此来反射太阳光线，降低集装箱壳体外壁1a的表面温度；冬季时太阳照射较弱，且外界环境温度较低，温控变色粉末随温度的下降改变颜色，温度越低温控变色粉末呈现的颜色越深，增强对太阳光的吸收。优选地，集装箱外壁1a与内壁1c之间的夹层设有保温层1b，保温层为相变石膏板，即石膏板中均匀混合了封装有石蜡相变材料的微胶囊，石蜡在相变过程中，大量吸收热量/释放潜热，实现对集装箱内的温度调控，有效减缓箱内温度波动，对箱内储能系统起到隔热/保温的作用，减少环境温度对箱内电池系统的影响。

集装箱内分隔成两室，分别是电池舱7和储能变流升压舱8。储能变流升压舱8控制电池的充电和放电过程，进行交直流的转换，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。电池舱7内对称布置6个电池簇，电池簇之间采用并联的连接方式，每个电池簇有6层电池架14，每层电池架上叠放3个电池箱15，电池箱15之间采用串联的连接方式，每个电池箱15内有36个单体磷酸铁锂电池串联，单个磷酸铁锂电池容量为3.2V/240Ah，整个电池系统的容量约为3MW·h(P＝6×6×3×36×240Ah×3.2V＝2985984W·h)。电池在充放电过程中，产生大量的热量，每个电池箱内设有温度传感器，由温度传感器采集电池箱15内的温度信号传送至机柜空调13，机柜空调13根据温度信号控制风量与温度。内设有温度传感器，由温度传感器采集电池箱15内的温度信号传送至机柜空调13，所述机柜空调13根据温度信号控制风量与温度。磷酸铁锂电池工作的最佳温度区间为0-40℃，温度高于40℃时属于高温阶段，电池过热导致热失效，温度低于0℃属于低温阶段，电池容量发生严重缩减。具体的，当温度传感器检测到电池箱内电池温度高于40℃时，空调开启制冷模式，待电池箱内电池温度降低至40℃以下，且回温温差小于2℃，机柜空调13停止制冷；当温度传感器检测到电池箱内电池温度低于0℃时，空调开启加热模式，待电池箱内电池温度升高至0℃以上，且回温温差小于2℃，机柜空调13停止制热。

如图2、图3所示，为解决在风道前端易产生涡流现象和离入风口端越远风量越少的问题，将主风道11布置于电池簇上方，机柜空调13在储能集装箱内呈对角布置，主风道11一端与空调顶端连接，另一端与对角布置的空调连接的风道相连通，主风道11构成了一个环形回路，冷却空气汇入主风道后，在主风道内进行双向流动，使风量分布均匀。隔热板17与集装箱内壁1c构成了风墙16，风墙上对应电池箱出入风口位置设有开口，主风道11上与电池箱排列位置对应，设置竖直的支风道12，均匀的将冷却/加热气体分配至各支风道12。支风道12位于风墙16内，支风道12通过导风软管与电池箱入风口15a相连，将气体送至各电池箱内，避免风量损失，实现精细化利用。

如图4、图5、图6所示，为了减少风量易在风道前端产生涡流的现象，增大流至支风道末端汇入电池簇底部电池箱的风向，所述电池入风口15a采用扩压风嘴18，支风道12各入风口的扩压风嘴18自上而下截面积不断增大，与各电池箱连通的管道截面积不变，扩压风嘴内形成了压力差，在气体压力的作用下，向截面积小的一侧产生压力，使更多冷却气体流入，扩压风嘴两端截面积差越大，形成的压力差越大，汇入的风量越多。支风道自上而下各入风口截面积增大，压力差增大，更多风量流入支风道末端，改善了支风道末端流入风量较少，电池簇底部电池箱内流入风量较少的问题，提高了风量分布均匀性。电池箱15内电池模组采用U型流槽结构，在风墙上设置出风口与电池箱U型流槽出风口15b直接连通，冷却气体流入各电池箱内，充分吸收电池热量后，通过电池箱出风口15b排入风墙内，由排气风扇将热风排出。

本实用新型的工作原理：

集装箱壳体外表面涂敷掺有温控变色材料的反射涂层，根据外界环境温度的不同，变换为不同颜色，增强对阳光的吸收/反射。白天温度较高时，壳体外壁热量传递给相变保温层，铺设有相变胶囊的石膏板具有在不改变自身温度的情况下通过改变物质状态吸收能量的特性，吸收热量减少高温对箱内储能系统的影响；夜间温度较低时，相变石膏板释放潜热，对箱体进行保温，使电池工作在适宜的温度内，有效的减小环境温度对集装箱内温度的影响，起到较好的隔热/保温作用。

电池舱空调呈对角放置，主风道环形连通，两台空调顶端与主风道连接，空气产生双向对流，使各支风道风量分布较均匀；各支风道由主风道接出，通过扩压风嘴与各电池箱相连，为电池箱输送冷风，对电池进行散热；电池箱自上而下所用扩压风嘴入风口不断增大，利用压差改善电池簇底部电池箱流入风量较少的问题，减小各电池间温差；经扩压风嘴流入U形流槽电池箱的冷却气体，对电池组强制散热后，经电池箱出风口流入风墙后经排气扇排出。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“长”、“侧”、“竖直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

以上所述的实施例仅是对本实用新型装置进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计理念的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置，包括壳体、电池舱、储能变流升压舱，其特征在于，所述壳体由外壁、保温层、内壁构成；所述电池舱内部左右两侧各固定有电池架，电池架呈对角安装有机柜空调，所述电池架上端沿电池舱内部设有与机柜空调相连的主风道，所述主风道通过各支风道与各电池箱相连，流至风墙内的热风通过出风口三排出；所述储能变流升压舱装设一台储能变流器，所述储能变流升压舱与电池舱通过保温隔板分隔成两个区域。

2.根据权利要求1所述的一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置，其特征在于，所述壳体外壁涂敷掺有温控变色粉末的反射涂层，根据环境温度变化变色粉末呈现不同颜色。

3.根据权利要求1所述的一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置，其特征在于，所述保温层与保温隔板所用保温石膏板内均匀混合了相变微胶囊。

4.根据权利要求1所述的一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置，其特征在于，所述主风道位于电池架上方，为环形连通结构，对角接入两台机柜空调，所述机柜空调由进风口进风、出风口二排风；所述主风道通过各支风道将冷风送至电池箱，用于电池冷却，热风冷却后由电池箱出风口排入风墙；所述支风道位于风墙内，通过扩压风嘴接入电池箱入风口；所述风墙一侧为隔板，另一侧为集装箱外壳内壁；所述扩压风嘴入风口至上而下逐渐变大，使得各电池箱风量均匀。

5.根据权利要求1所述的一种基于相变材料和环形风道的储能集装箱控温装置，其特征在于，所述储能变流升压舱设有检修门，储能变流升压舱控制电池的充放电过程与进行交直流的转换。

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