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      國家在2020年9月提出了2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”的重要承諾，新型儲能作為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)裝備，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要支撐技術(shù)之一,。因此，國家能源局和有關(guān)部門先后發(fā)布了《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》和《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》,，為新型儲能創(chuàng)新方向和規(guī)模化發(fā)展提供了指導(dǎo)意見,。電化學(xué)儲能作為新型儲能的主力軍,，已經(jīng)開始由兆瓦級別的示范應(yīng)用邁向吉瓦級別的規(guī)模市場化。目前,，電化學(xué)儲能電站冷卻系統(tǒng)形成了兩種主流的方案,，分別為風(fēng)冷系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)，本文對兩種冷卻系統(tǒng)從占地面積,、投資成本,、運(yùn)行效率及冷卻系統(tǒng)損耗、安全性,、運(yùn)行維護(hù),、電池壽命等方面做出對比分析。

      本文選定一座電化學(xué)儲能電站作為研究對象,，額定容量為200MW/400MWh，接入系統(tǒng)電壓等級為220kV,，220kV側(cè)采用單母線接線方式,。全站配置兩臺主變壓器，主變低壓側(cè)標(biāo)稱電壓為35kV,，35kV側(cè)采用單母線分段接線方式,。儲能電站直流側(cè)經(jīng)變流器及就地變壓器接至35kV側(cè)母線。全站戶內(nèi)設(shè)備采用預(yù)制艙式設(shè)備,，不建設(shè)建筑物,，預(yù)制艙均采用單層布置。

      電化學(xué)儲能電站升壓站與儲能電池艙冷卻方式選擇無關(guān),，全站配置主變壓器,、GIS設(shè)備、無功補(bǔ)償裝置、35kV配電裝置預(yù)制艙,、二次設(shè)備預(yù)制艙,、站用變、避雷針等電氣設(shè)備,，占地面積約為3000m²,。依據(jù)《電化學(xué)儲能電站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51048）最新要求，儲能設(shè)備布置滿足以下條件：

      1.應(yīng)滿足防火分區(qū)要求,，單個防火分區(qū)電池能量不超過50MWh,。防火分區(qū)間采用防火墻隔離，預(yù)制艙外輪廓距離防火墻之間不應(yīng)小于1米,。

      2.電池預(yù)制艙長邊間距不宜小于3米,，短邊間距不宜小于3米。

      3.消防道路采用環(huán)形路,，道路寬度不小于4米,，轉(zhuǎn)彎半徑不小于7米。

      A. 風(fēng)冷方案：儲能電站配置174臺1.15MW/2.3MWh儲能電池預(yù)制艙,，采用步入式結(jié)構(gòu)，長寬尺寸為12.2米*2.44米,；配置87臺升壓預(yù)制艙,，長寬尺寸為7米*3米。儲能設(shè)備及相關(guān)道路共占地面積約為26300m²,。布置圖如下圖1,。

圖1 風(fēng)冷方案儲能區(qū)域平面布置圖

      B. 液冷方案：儲能電站配置144臺1.4MW/2.8MWh儲能電池預(yù)制艙，采用非步入式結(jié)構(gòu),，長寬尺寸為11米*1.7米,；配置72臺升壓預(yù)制艙，長寬尺寸為7米*3米,。儲能設(shè)備及相關(guān)道路共占地面積約為19080m²,。布置圖如下圖2。

圖2 液冷方案儲能區(qū)域平面布置圖

      綜上,，風(fēng)冷方案約較液冷方案用地多占7220m²,。

      目前液冷系統(tǒng)因設(shè)備材料價格及工藝復(fù)雜等因素，相對風(fēng)冷系統(tǒng)成本較高,。但考慮占地面積小,、電纜用量減少，現(xiàn)場安裝工作量降低等因素,，液冷系統(tǒng)比風(fēng)冷系統(tǒng)多出的成本,，可以在其他項目中減少,；而且冷卻系統(tǒng)在儲能電站總體成本中占比不高，因此,，液冷方式下儲能電站的總體投資一般不會比風(fēng)冷方案高,。

      本文僅對冷卻系統(tǒng)的用電損耗進(jìn)行對比，對于線纜及變壓器等其他設(shè)備運(yùn)行造成的損耗以及其他設(shè)備的用電損耗不做詳細(xì)分析,，僅做簡單估計,。目前市場上，各設(shè)備廠家冷卻系統(tǒng)用電功率各不相同,，本文參考某廠家設(shè)備的用電功率,，電化學(xué)儲能電站冷卻系統(tǒng)由儲能電站站用變供電。

      A. 風(fēng)冷方案：單臺儲能電池艙內(nèi)風(fēng)冷系統(tǒng)用電功率約為28kW,，全站冷卻系統(tǒng)用電功率為4872kW,，計及其他損耗及電池、變流器等設(shè)備效率,，全站運(yùn)行效率約為82.8%,。

      B. 液冷方案：單臺儲能電池艙內(nèi)液冷系統(tǒng)用電功率約為22kW，全站冷卻系統(tǒng)用電功率為3168kW,，計及其他損耗及電池,、變流器等設(shè)備效率，全站運(yùn)行效率約為84.4%,。

      綜上,，因液冷系統(tǒng)用電功率相比較風(fēng)冷系統(tǒng)更低，且冷卻系統(tǒng)在站用電中的占比較大,，故采用液冷系統(tǒng)時儲能電站運(yùn)行效率有所提升,。另應(yīng)注意到，當(dāng)采用液冷系統(tǒng)時,，因全站站用電負(fù)荷較低,，更有利于站用變壓器的選擇,。

      A. 風(fēng)冷方案：電化學(xué)儲能電站的冷卻系統(tǒng)采用風(fēng)冷時,，在正常運(yùn)行過程中，風(fēng)冷系統(tǒng)本身無發(fā)生火災(zāi)爆炸等風(fēng)險,。截止目前,，國內(nèi)外暫未發(fā)生因風(fēng)冷系統(tǒng)故障導(dǎo)致的火災(zāi)爆炸危險事故。

      B. 液冷方案：電化學(xué)儲能電站的冷卻系統(tǒng)采用液冷時,，因液冷系統(tǒng)部分設(shè)備安裝在電池模組內(nèi),，當(dāng)設(shè)備老化或密封不足時，存在漏液風(fēng)險,，會導(dǎo)致電池模組內(nèi)短路,，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)危險事故,。液冷系統(tǒng)故障已引發(fā)過火災(zāi)爆炸事故，此事件發(fā)生在2021年澳大利亞儲能電站,。特斯拉2021年7月澳大利亞的火災(zāi)事故調(diào)查報告顯示,，Megapack儲能系統(tǒng)的液冷系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致電池短路,，并引發(fā)電子元件起火,，而局部過熱造成了電池?zé)崾Э兀瑹崾Э芈?，進(jìn)而導(dǎo)致火災(zāi),。

      綜上，液冷系統(tǒng)相比較風(fēng)冷系統(tǒng),，存在更大的發(fā)生火災(zāi)爆炸事件的概率,。通過調(diào)研市場現(xiàn)有液冷系統(tǒng)，關(guān)于泄漏風(fēng)險,，現(xiàn)有密封技術(shù)尚無法百分百保證不出現(xiàn)漏液的可能,。故風(fēng)冷系統(tǒng)在安全性方面更具備優(yōu)勢。

      在定期巡檢風(fēng)冷系統(tǒng)時,，風(fēng)冷系統(tǒng)與電池運(yùn)行相對獨(dú)立,，空調(diào)的巡檢與電池部分相關(guān)性不大。模組風(fēng)扇需查看風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)情況,，操作簡單,。當(dāng)空調(diào)故障時，運(yùn)行人員對空調(diào)進(jìn)行維修,，無需對電池簇進(jìn)行操作,。當(dāng)模組風(fēng)扇發(fā)生故障時，拆除相應(yīng)電池pack進(jìn)行維修,，不影響其他電池運(yùn)行,。在定期巡檢液冷系統(tǒng)時，需操作閥門,、控制器等設(shè)備,，運(yùn)維工作量大，通常需要廠家專業(yè)人員配合完成巡檢工作,。當(dāng)有設(shè)備故障時,，因液冷板等設(shè)備安裝在電池pack底部，需要關(guān)閉不同電池pack液冷板之間閥門,，防止防凍液滲漏,，并拆除相應(yīng)電池，返廠對液冷系統(tǒng)進(jìn)行拆除維修,。

      綜上,，液冷系統(tǒng)相對于風(fēng)冷系統(tǒng),，在日常運(yùn)維時更加復(fù)雜，對運(yùn)行人員的運(yùn)維經(jīng)驗及運(yùn)維素質(zhì)要求更高,。且液冷系統(tǒng)發(fā)生故障時,，需返廠維修，增加了維修周期,。

      目前電化學(xué)儲能電站多采用鋰離子電池,，其性能及生命周期受到工作溫度的影響非常大，理想的電池工作溫度為25至35攝氏度,。所以冷卻系統(tǒng)作為儲能電站的熱管理系統(tǒng),，對于鋰離子電池尤其重要。在電池能量密度高,，充放電速度快,，環(huán)境溫度變化大的儲能電站內(nèi)，液冷系統(tǒng)與電池包高度集成,，能夠平緩的對電池包內(nèi)部溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),，且有效的將電池包溫度控制在電池合理運(yùn)行范圍內(nèi)。通過防凍液在液冷系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動的方式,，使各電池之間溫度控制相對均衡,，保證各電池之間溫度差異不大。同時,，液冷系統(tǒng)與電池包高度集成的方式,，能夠提升冷卻系統(tǒng)的溫控效率。

      相對的,，風(fēng)冷系統(tǒng)的溫控方式受到各模組風(fēng)扇運(yùn)行工況的影響,，運(yùn)行過程中各電池之間溫度不如液冷系統(tǒng)均衡，溫控效率不如液冷系統(tǒng)高,，同時會造成部分電芯運(yùn)行在電池理想工作溫度以外,，損傷電池壽命。因此,，液冷系統(tǒng)對電池的性能及生命周期更有利,。因提高了電池運(yùn)行時長，延長了電池使用壽命,，在儲能電站全生命周期的考慮下,，相對降低了全站電池的投資,。

      電化學(xué)儲能電站采用液冷系統(tǒng)時,，相比較風(fēng)冷系統(tǒng)，具備占地面積小,、運(yùn)行效率高,、冷卻系統(tǒng)損耗低,、站用變選型方便及對電池的性能和生命周期更友好等優(yōu)勢，從全生命周期的角度,，液冷方案較風(fēng)冷方案更具備經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,。但是，液冷系統(tǒng)也同時存在著漏液等安全事故風(fēng)險,，且運(yùn)維成本相對較高,，對運(yùn)行人員素質(zhì)要求也相對較高。因此,，當(dāng)液冷系統(tǒng)解決安全問題,，達(dá)到安全性可控，且運(yùn)維有保障的情況下,，建議優(yōu)先采用液冷系統(tǒng),。

作者：萬里揚(yáng)能源科技研究院