Nói đùa thì trong lĩnh vực kiểm soát nhiệt độ lưu trữ năng lượng, thế hệ đầu tiên là làm mát bằng không khí, thế hệ thứ hai và hiện đang chiếm ưu thế là làm mát bằng chất lỏng dạng tấm lạnh, và làm mát bằng chất lỏng ngâm vẫn đang phấn đấu để trở thành thế hệ thứ ba. Đột nhiên, làm mát trực tiếp xuất hiện và gia nhập thị trường theo cách thức nổi bật, cạnh tranh vị trí người kế nhiệm thế hệ thứ ba.
Ngành lưu trữ năng lượng của Trung Quốc đã bước vào giai đoạn phát triển nhanh chóng, đổi mới công nghệ liên tục và đồng bộ hóa nhiều lộ trình công nghệ là một trong những biểu hiện quan trọng của giai đoạn này.
Đặc biệt, khi các ô lưu trữ năng lượng phát triển theo hướng công suất lớn hơn, tích hợp hệ thống phát triển theo hướng quy mô lớn hơn và mật độ năng lượng cao hơn, và các kịch bản ứng dụng trở nên phức tạp và đa dạng hơn, tất cả đều đưa ra các yêu cầu cao hơn về tuổi thọ, độ an toàn, chi phí và các yếu tố khác của hệ thống lưu trữ năng lượng. Từ tích hợp hệ thống đến các thành phần cốt lõi bao gồm ô, 3S, kiểm soát nhiệt độ và phòng cháy chữa cháy, quá trình lặp lại công nghệ vẫn đang tiếp tục.
Là một mắt xích quan trọng trong hệ thống lưu trữ năng lượng, hệ thống kiểm soát nhiệt độ đóng vai trò quan trọng đối với tính an toàn, hiệu quả và tuổi thọ của hệ thống lưu trữ năng lượng. Đặc biệt với nhu cầu ngày càng tăng đối với các ứng dụng như lưu trữ năng lượng dài hạn và lưu trữ năng lượng tốc độ cao, các chỉ số hiệu suất chung cho các thành phần kiểm soát nhiệt độ đã được nâng cao.
Từ thế hệ làm mát bằng không khí đầu tiên đến công nghệ làm mát bằng chất lỏng dạng tấm lạnh phổ biến hiện nay, cho đến công nghệ làm mát bằng chất lỏng ngâm đang nhận được sự quan tâm rộng rãi, công nghệ kiểm soát nhiệt độ đã được phát triển đa hướng trong những năm gần đây để liên tục tối ưu hóa các vấn đề như khả năng chịu nhiệt của pin và sự phân bổ nhiệt độ không đều.
Vào đầu tháng, một tin tức lớn khác đã đến: Viện CRRC Chu Châu, cùng với 14 công ty chuỗi ngành bao gồm Invic, Hisense Network Energy, Tongfei Co., Ltd. và Midea, đã phát hành một hệ thống 6,9 MWh hướng đến tương lai, trong đó liên kết kiểm soát nhiệt độ sử dụng một đơn vị làm mát trực tiếp lưu trữ năng lượng 12kW lần đầu tiên. Ngay khi tin tức này được đưa ra, nó đã thu hút sự chú ý của ngành.
Công nghệ làm mát trực tiếp, ban đầu được sử dụng trong lĩnh vực xe năng lượng mới, đã bước vào ngành lưu trữ năng lượng với sự phô trương lớn. Có tiếng nói ủng hộ cấp cao, cũng như tiếng nói phản đối.
Làm mát trực tiếp nhằm mục đích kiểm soát nhiệt độ lưu trữ năng lượng 3.0?
Trong hai năm qua, công suất lắp đặt năng lượng tái tạo toàn cầu đã tăng nhanh chóng. Theo báo cáo thị trường thường niên "Năng lượng tái tạo 2023" do Cơ quan Năng lượng Quốc tế công bố, vào năm 2023, công suất lắp đặt năng lượng tái tạo toàn cầu sẽ tăng 50% so với năm 2022 và tốc độ tăng trưởng công suất lắp đặt đã vượt quá 30 năm qua. Trong bối cảnh này, sự phát triển của ngành lưu trữ năng lượng đã mở ra một không gian thị trường ngày càng rộng lớn.
Đồng thời, các công ty lưu trữ năng lượng Trung Quốc bị cuốn vào vòng xoáy lưu thông nội bộ. Để thoát ra, công nghệ là sức cạnh tranh cốt lõi nhất, trong khi tính an toàn cao, chi phí thấp và hiệu quả cao là ngưỡng quan trọng nhất để nâng cấp công nghệ lưu trữ năng lượng.
Đặc biệt với xu hướng pin quy mô lớn và mật độ công suất tích hợp ngày càng tăng của các hệ thống lưu trữ năng lượng, hiệu suất pin và nguy cơ mất kiểm soát nhiệt đã trở thành trọng tâm của ngành. Trong số đó, hệ thống kiểm soát nhiệt độ đóng vai trò quan trọng.
Khi xem xét kỹ lưỡng sự tiến bộ của công nghệ kiểm soát nhiệt độ lưu trữ năng lượng, hệ thống làm mát bằng không khí thế hệ đầu tiên rất đơn giản, chi phí sản xuất thấp và dễ lắp đặt; hệ thống làm mát bằng chất lỏng tấm lạnh thế hệ thứ hai bắt đầu sử dụng chất lỏng làm môi trường trao đổi nhiệt, có khả năng dẫn nhiệt lớn và hiệu suất trao đổi nhiệt cao; và hệ thống làm mát bằng chất lỏng ngâm, vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, có ưu điểm là ngăn ngừa hiệu quả sự mất kiểm soát nhiệt và tính đồng nhất nhiệt độ cực độ, nhưng bị mắc kẹt bởi vấn đề chi phí cao và vẫn chưa được giải quyết.
Vào thời điểm ngành công nghiệp đang phát triển nhanh chóng và công nghệ đang lặp lại nhanh chóng, làm mát trực tiếp đột nhiên kết thúc trong một hồ sơ cao. Có báo cáo rằng đơn vị làm mát trực tiếp lưu trữ năng lượng 12kW nói trên áp dụng công nghệ làm mát trực tiếp chất làm lạnh, giúp giảm tổn thất trao đổi nhiệt, giúp hệ thống tiết kiệm năng lượng hơn và giảm chi phí; đồng thời, nó áp dụng thiết kế không yêu cầu tuần hoàn nước và nguy cơ rò rỉ là "bằng không". Đơn vị này có kích thước nhỏ hơn và tiếng ồn thấp hơn, và có thể cung cấp khả năng làm mát lớn hơn trong không gian hạn chế, phù hợp với xu hướng phát triển của mật độ năng lượng ngày càng tăng của các hệ thống lưu trữ năng lượng và giảm không gian khả dụng.
Một số công ty chuỗi cung ứng cho biết công nghệ kiểm soát nhiệt độ làm mát trực tiếp sẽ cung cấp nhiều lựa chọn và định hướng hơn cho sự phát triển của ngành lưu trữ năng lượng và dự kiến sẽ trở thành xu hướng phát triển chính trong lĩnh vực quản lý nhiệt lưu trữ năng lượng trong tương lai.
Một số công ty đã thẳng thắn tuyên bố rằng do nhiệt lượng do các cell pin tạo ra không đủ tập trung và nhiệt lượng tạo ra trên một đơn vị diện tích không lớn nên không cần công nghệ làm lạnh truyền nhiệt cường độ cao như làm lạnh trực tiếp để giải quyết vấn đề.
Làm mát trực tiếp chính xác là gì? Theo thông tin công khai, làm mát trực tiếp là thiết kế làm mát tối giản không cần tuần hoàn nước, cho phép chất làm lạnh làm mát trực tiếp cell pin thông qua tấm lạnh flo và nhanh chóng loại bỏ nhiệt sinh ra thông qua trao đổi nhiệt.
Hiện nay, các công nghệ kiểm soát nhiệt độ phổ biến nhất chủ yếu là làm mát bằng không khí và làm mát bằng chất lỏng tấm lạnh, và làm mát bằng chất lỏng ngâm vẫn đang trong giai đoạn đầu phát triển. Trong bốn công nghệ kiểm soát nhiệt độ được hiển thị trong bảng trên, ngoại trừ làm mát bằng không khí, sử dụng không khí làm môi trường làm mát, làm mát bằng chất lỏng tấm lạnh, làm mát bằng chất lỏng ngâm và làm mát trực tiếp đều sử dụng chất lỏng.
Trong ba công nghệ làm mát bằng chất lỏng, chỉ có làm mát nhúng sử dụng tiếp xúc trực tiếp bằng cách nhúng trực tiếp các cell pin vào chất lỏng nhúng mà không có bất kỳ liên kết truyền nhiệt nào ở giữa. Làm mát bằng chất lỏng dạng tấm lạnh và làm mát trực tiếp đều sử dụng tiếp xúc gián tiếp.
Về mặt cấu trúc, làm mát trực tiếp và làm mát bằng chất lỏng tấm lạnh khá giống nhau. Những người trong ngành cho biết công nghệ làm mát bằng chất lỏng tấm lạnh truyền thống tản nhiệt xuống đáy pin bằng cách đưa nước lạnh vào tấm làm mát bằng chất lỏng, trong khi làm mát trực tiếp thay thế nước trong tấm làm mát bằng chất lỏng tấm lạnh bằng chất làm lạnh, sau đó được sử dụng để làm mát cell pin thông qua tấm lạnh flo.
Tuy nhiên, mặc dù có hình dạng tương tự nhau, nguyên lý trao đổi nhiệt của hai công nghệ này lại không hoàn toàn giống nhau.
Trong làm mát trực tiếp, một mặt, trao đổi nhiệt chênh lệch nhiệt độ được sử dụng. Vì nhiệt độ chất làm lạnh tương đối thấp và bản thân chất làm lạnh có nhiệt dung riêng lớn hơn nhiều so với nước, nên có thể đạt được hiệu suất trao đổi nhiệt cao hơn. Mặt khác, làm mát trực tiếp cũng sử dụng nguyên lý hấp thụ nhiệt bay hơi, hấp thụ nhiệt xung quanh bằng cách chuyển chất làm lạnh từ dạng lỏng sang dạng khí.
Về vấn đề này, một số người trong ngành giải thích rằng "việc kết hợp chặt chẽ hệ thống làm mát pin với hệ thống điều hòa không khí tương đương với việc đặt bộ phận bay hơi trong hệ thống điều hòa không khí trực tiếp vào cụm pin".
Có thể thấy rằng lượng nhiệt có thể loại bỏ bằng phương pháp làm mát trực tiếp trong phương pháp trao đổi nhiệt kép này lớn hơn nhiều so với phương pháp làm mát bằng chất lỏng tấm lạnh chỉ dựa vào trao đổi nhiệt chênh lệch nhiệt độ. Khả năng trao đổi nhiệt tuyệt vời và hiệu suất tổng thể của máy khiến cho phương pháp làm mát trực tiếp dường như có không gian thị trường đáng kể trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng.
Trên thực tế, ý tưởng ứng dụng công nghệ kiểm soát nhiệt độ làm mát trực tiếp vào lĩnh vực lưu trữ năng lượng đã được đề xuất từ lâu, nhưng các sản phẩm và ứng dụng liên quan tương đối hiếm, ngay cả trong các ứng dụng nghiên cứu mới. Lý do là công nghệ làm mát trực tiếp vẫn còn nhiều vấn đề chưa được đột phá.
Trong việc thúc đẩy các sản phẩm kiểm soát nhiệt độ làm mát trực tiếp, an toàn thường được đặt ở vị trí rất nổi bật. Có báo cáo rằng một khi xảy ra rò rỉ, chất làm lạnh sẽ tự động bốc hơi thành khí, khiến nguy cơ rò rỉ bằng không và có thể tránh hiệu quả các mạch điện ngắn và nhiệt độ tăng cao do rò rỉ môi chất làm mát thông thường.
Cần lưu ý rằng hệ thống làm mát trực tiếp phải đối mặt với cường độ áp suất lớn hơn. Một mặt, áp suất của flo lớn hơn nhiều so với áp suất của nước. Áp suất của nước chỉ vài kilôgam, nhưng áp suất của flo cao hơn hàng chục kilôgam; mặt khác, áp suất bay hơi của chất làm lạnh thường đạt tới 3-4 atm, trong khi áp suất làm việc của tấm làm mát chất lỏng thường nằm trong phạm vi 1,3 atm.
Do đó, làm mát trực tiếp sẽ làm tăng đáng kể yêu cầu về độ bền chịu áp suất của tấm lạnh, mối nối và đường ống. Ví dụ, ống nylon thông thường không thể chịu được áp suất như vậy. Mức độ chịu áp suất của tấm làm mát trực tiếp phải gấp ít nhất 4 lần áp suất bay hơi.
Ngoài ra, làm mát trực tiếp có yêu cầu cao hơn nhiều về độ kín của tấm lạnh so với làm mát bằng chất lỏng truyền thống.
Tất cả những yếu tố này sẽ khiến các công ty chuỗi cung ứng rất khó lặp lại công nghệ của họ và chi phí linh kiện cũng sẽ tăng theo. Về mặt kiểm soát hệ thống, làm mát trực tiếp cũng phức tạp hơn vì cần phải xem xét sự phân phối dòng chảy giữa các PACK khác nhau, kiểm soát nhiệt độ bay hơi và thiết kế kênh dòng chảy của tấm lạnh, v.v.
Lấy thiết kế hướng dòng chất làm lạnh trong tấm làm mát trực tiếp làm ví dụ, bộ pin không chỉ phải đảm bảo rằng các cell pin hoạt động ở nhiệt độ hợp lý mà còn phải kiểm soát chênh lệch nhiệt độ giữa các mô-đun khác nhau. Nhìn chung, chênh lệch nhiệt độ của các cell pin không được quá 5 độ. Do đó, điều đặc biệt quan trọng là phải đảm bảo nhiệt độ đồng đều của chính tấm làm mát pin. Do đó, tối ưu hóa hướng dòng chất làm lạnh trong tấm làm mát trực tiếp và cải thiện tính đồng đều nhiệt độ của pin lưu trữ năng lượng là những khó khăn mà hệ thống làm mát trực tiếp cần phải vượt qua.
Có thể thấy, công nghệ làm lạnh trực tiếp vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết để có thể thực sự ứng dụng vào lĩnh vực lưu trữ năng lượng và sẽ còn mất nhiều thời gian nữa mới có thể ứng dụng trên diện rộng.