الإدارة الحرارية لبطاريات التدفق

بطاريات التدفق السائل (RFBs) تولد الكثير من الحرارة أثناء التشغيل. إذا لم يكن من الممكن تبديد الحرارة في الوقت المناسب وبطريقة فعالة، فسترتفع درجة حرارة البطارية، مما يؤثر على أداء البطارية وسلامتها. ترتبط ظروف التفاعل الكهروكيميائي، والتوصيل الأيوني، ومعدل تحرك الأيونات عبر الغشاء، ولزوجة المنحل بالكهرباء ارتباطًا وثيقًا بدرجة الحرارة أثناء التشغيل. على وجه التحديد، يمكن أن تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة ثابت معدل التفاعل وتعزيز حركية التفاعل في التفاعل الكهروكيميائي. في الوقت نفسه، ستؤدي درجة الحرارة المرتفعة أيضًا إلى تقليل لزوجة المنحل بالكهرباء، وبالتالي زيادة كفاءة نقل أيونات الفاناديوم من الجسم الرئيسي إلى سطح القطب وتقليل جهد استقطاب التركيز. ومع ذلك، عندما تتجاوز درجة الحرارة نطاقًا معينًا، سيكون لذلك تأثير مميت.

أخذ بطارية تدفق الأكسدة والاختزال الفاناديوم (VRFB) على سبيل المثال، نطاق درجة حرارة التشغيل العادي هو 0 ~ 40 درجة مئوية. مع زيادة درجة الحرارة، سيتم تعزيز تفاعل تطور الهيدروجين على القطب السالب بشكل كبير، مما يؤدي إلى انخفاض في كفاءة كولومبيك. وفي الوقت نفسه، يتم تعزيز قدرة نشر أيونات الفاناديوم عبر الغشاء الأيوني، مما يزيد من قدرة التلاشي. بالإضافة إلى ذلك، فإن أيونات الفاناديوم النشطة في المنحل بالكهرباء تكون غير مستقرة وعرضة لهطول الأمطار عندما تكون درجة الحرارة غير طبيعية. عندما يتم وضع المنحل بالكهرباء المكون من 2 مول/لتر VO+2+3 مول/لتر H2SO4 عند درجة حرارة 40 درجة مئوية لمدة يومين، يتحول VO+2 إلى ترسيب V2O5؛ وبعد وضعه عند درجة حرارة 15 درجة مئوية لمدة 7 أيام، سوف يترسب V2+ الموجود في الإلكتروليت. سيؤدي هذا الراسب المتولد إلى سد قناة التدفق، وتغطية شعر الكربون والغشاء الأيوني، مما يؤدي إلى زيادة فقدان طاقة المضخة وفشل البطارية.

ستؤدي درجة الحرارة المرتفعة المستمرة أيضًا إلى تسريع شيخوخة الأقطاب الكهربائية الداخلية وغشاء البروتون والمواد الأخرى للبطارية، وبالتالي تقليل عمر خدمة البطارية. ولذلك، فإن الإدارة الحرارية لدرجة الحرارة لها أهمية كبيرة للحفاظ على التشغيل المستقر لبطاريات التدفق.

من أجل ضمان التشغيل المستقر والآمن لبطاريات التدفق، من الضروري إنشاء نموذج حراري للتنبؤ بدرجة حرارة المنحل بالكهرباء والتحكم فيها وتوجيه المزيد من التحكم في تحسين البطارية، والذي يعد أيضًا جزءًا مهمًا من نظام الإدارة الحرارية.

تشمل العوامل التي تولد الحرارة أثناء تشغيل بطاريات تدفق سائل الفاناديوم بالكامل التفاعلات الكهروكيميائية، والإمكانات الزائدة، والاحتكاك الهيدروليكي، والتفاعلات المتقاطعة، والتحويلات، والتي تمثل التفاعلات الكهروكيميائية وتوليد الحرارة ذات الإمكانات الزائدة نسبة أكبر مقارنة بالثلاثة الأخرى.

في الوقت الحاضر، تنقسم طرق تكنولوجيا الإدارة الحرارية لأنظمة تخزين الطاقة الكهروكيميائية بشكل أساسي إلى أربع فئات: تبريد الهواء، والتبريد السائل، وتبريد الأنابيب الحرارية، والتبريد المتغير الطور. طرق التكنولوجيا السائدة للإدارة الحرارية لتخزين طاقة بطارية التدفق السائل في السوق هي تبريد الهواء والتبريد السائل. يعتمد اختيار طرق تبديد الحرارة هذه على حجم البطارية وتصميمها وظروف التشغيل وفعالية التكلفة.

1) تبريد الهواء

تبريد الهواء هو تبريد الرياح، والذي يستخدم الهواء كوسيلة لإزالة الحرارة داخل النظام عن طريق التوصيل الحراري والحمل الحراري، وبالتالي تبريد النظام. ينقسم تبريد الهواء إلى تبريد الهواء الطبيعي وتبريد الهواء القسري حسب وضع القيادة. يستخدم تبريد الهواء الطبيعي الظروف الطبيعية مثل ضغط الرياح الطبيعي، واختلاف درجة حرارة الهواء، وفرق كثافة الهواء لتحقيق تأثير تبريد على البطارية.

معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري لتبريد الهواء الطبيعي أقل بكثير من معامل تبريد الهواء القسري، لذلك من الصعب تبديد الحرارة الناتجة عن البطارية تمامًا. بالنسبة لشحن البطارية وتفريغها بمعدل منخفض، يمكن التحكم في درجة حرارة النظام ضمن نطاق درجة حرارة معين، ولكن الزيادة في كثافة تيار النظام يمكن أن تتسبب بسهولة في تجاوز درجة الحرارة نطاق الحد. لذلك، على الرغم من أن تبريد الهواء الطبيعي يتميز بمزايا البساطة والخفة والتكلفة المنخفضة، إلا أن نطاق تطبيقه صغير للغاية ونادرا ما يتم دراسته الآن. تبريد الهواء القسري هو إزالة الحرارة من خلال تدفق الهواء القسري الناتج عن منفاخ أو مروحة. في هذا الوقت، تم تحسين معامل نقل الحرارة لتدفق الهواء القسري بشكل كبير. بالمقارنة مع التبريد السائل، يتميز تبريد الهواء بمزايا الهيكل البسيط وسهولة الصيانة والتكلفة المنخفضة، ولكنه يتطلب كمية معينة من الكهرباء، كما أن كفاءة تبديد الحرارة وسرعة تبديد الحرارة وتوحيد درجة الحرارة ضعيفة. عادة ما تكون مناسبة لأنظمة البطاريات الصغيرة أو المتوسطة الحجم.

2) التبريد السائل

يستخدم التبريد السائل (التبريد السائل) سائل التبريد كوسيط ويستخدم حرارة محددة أعلى ومعامل نقل الحرارة لتبديد الحرارة. يمكن أن توفر أنظمة التبريد السائلة كفاءة أعلى في تبديد الحرارة وتأثيرات أفضل للتحكم في درجة الحرارة، ولكن تعقيد النظام وتكلفته مرتفعان نسبيًا أيضًا، ومناسبان لأنظمة البطاريات الكبيرة. تشتمل سوائل التبريد شائعة الاستخدام على الماء، ومحلول جلايكول الإثيلين المائي، وجلايكول الإثيلين النقي، ومبرد تكييف الهواء، وزيت السيليكون. نظرًا لأن الشحنة الموجودة في المنحل بالكهرباء لبطارية التدفق تتدفق بسهولة على طول سائل التبريد إلى النظام بأكمله، فهي أكثر خطورة، لذا فإن اختيار وسيط التبريد مهم جدًا أيضًا. ومع ذلك، فإن الطريقة الأكثر شيوعًا لبطاريات التدفق هي استخدام مبادلات حرارية مقاومة للتآكل وغير موصلة للكهرباء. المواد الداخلية بشكل عام هي نفس تلك الموجودة في صهاريج تخزين الإلكتروليت، باستخدام PVC أو PP، أو باستخدام مبادلات حرارية أنبوبية من معدن التيتانيوم، ويتم تغطية السطح الداخلي بطبقة TiO2 مقاومة للتآكل لحماية المبادل الحراري من تآكل حمض الكبريتيك. .

باعتبارها واحدة من أكثر تقنيات تخزين الطاقة المتجددة الواعدة، فإن مشكلة ارتفاع درجة حرارة بطارية تدفق الفاناديوم أثناء التشغيل تؤثر بشكل كبير على كفاءة النظام واستقراره. لذلك، هناك حاجة إلى طرق مختلفة ممكنة لتوفير حل ممكن لنظام الإدارة الحرارية VRFB.