储能钠硫电池保温层优化设计

发布时间：2019-11-24 07:07

【摘要】：为解决钠硫电池非真空保温结构存在的厚度过大、寿命短、可靠性不佳等问题,利用多层平壁导热理论建立保温结构数学模型,采用有限元分析软件ANSYS进行实体建模与数值模拟,分析不同性能保温材料对实际性能的影响,并提出一种通过了实验验证的钠硫电池保温结构优化设计方案.结果表明,优化方案满足了保温结构设计的需求;通过应用新型保温材料使保温结构厚度缩减了37.5%,从而减小了整体体积与重量;总结出根据材料属性与热阻安排保温材料布局的思路,保证了各保温材料在工作条件下的安全可靠.这对未来钠硫电池以及其他装置的保温结构设计与优化提供了技术参考.
【图文】：

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in等［13］针对陶瓷管单元集群及整体电池箱体温度分布进行了数值模拟，其外层保温采用真空薄壁结构．由此可见，钠硫电池作为新能源储能领域的新技术，其保温结构的设计仍然有许多技术问题亟待解决．此外，现有的钠硫电池非真空保温结构设计存在厚度过大、寿命短、可靠性不佳等问题．本文即针对上述问题加以分析，并提出了一种新型的保温结构优化设计方案．1基本模型1．1物理模型描述钠硫电池保温箱呈立方体空腔结构，电池单元置于其中［14］，加热采用板型电加热装置(Heat-er)，安装于保温结构内侧，如图1所示，由内至外分别为:云母板(MP，MicaPlate)、保温结构(TIS，ThermalInsulationStructure)和钢板(SP，SteelPlate)．由于钠硫电池保温箱工作温度一般较低，辐射传热量相对较小，在本研究中予以忽略，将该模型简化为三维立方体空腔导热与对流问题．另外，由于箱体实际尺寸较大，且各壁面结构相同(顶部和底部除外)，故进一步忽略材料品质、加工精度和结构边角结构的影响，认为该模型各壁面传热过程基本相似，且处于传热稳定的状态，即将保温结构简化为单幅面半无限大平壁一维稳态导热问题来解决．图1保温结构示意图Fig．1Diagramofthermalinsulationstructure钠硫电池技术指标要求保温结构采用非真空薄壁的复合保温材料结构，保温结构厚度不超过50mm，在内部工作温度为350℃情况下外壁温升不超过25℃．结合导热微分方程式连同初始条件及边界条件一起，即可完整地描述上述一维稳态导热问题．1649

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∮锰沾上宋?板(CFB，CeramicFiberBoard)、陶瓷纤维毡(CFF，CeramicFiberFelt)和特制真空材料(SVB，SpecialVacuumBoard)，每种材料的厚度及其导热系数列于表1．经过实际运行实验检验，原有保温结构方案在实际运行中所达到的最高温升为19．062℃，满足设计需求．但是，该方案的保温厚度达到了80mm，超出设计要求，导致保温结构整体体积臃肿，限制了钠硫电池的使用和安装，浪费了材料．同时，特制真空材料的最高工作温度达到了250℃左右，大幅超过该材料的正常运行温度限制，很可能导致瞬间损坏或者寿命严重折损．图2原保温结构方案的总体布局Fig．2Overalllayoutoforiginalthermalinsulationstructure表1原保温结构材料参数Table1Parametersofmaterialsusedinoriginalthermalinsulationstructure材料厚度/mm导热系数/(W/(m·K))CFB500．043CFF200．041SVB100．0042．2原保温结构方案材料分析原保温结构选用材料共有3种．第1种陶瓷纤维板与第2种陶瓷纤维毡具有较为低廉的售价和尚可的保温性能(0．04～0．05)，使得其在现今的仪器与建筑保温中获得广泛应用．因此，上述两种材料在原有保温结构方案中作为主要保温材料．但是上述两种材料过于普通的性能直接导致了其热阻承担能力太低:二者总厚度占保温结构总厚度的87．5%，却只承担了约15%的热阻．使得特制真空材料的工作温度不能被有效降低，，并且整体结构厚度大大超出设计需求．第3种特制真空材料有效利用真空结构的低导热率，其导热率约为0．004．远低于常规保温材料．目前广泛应用于保冷工程及部分建筑保温之中．但是，其使用范围通常不能超过180℃，且对装配工艺要求非常严格，否则其真空结构极易发生破损而导致失效．在实际工况中可以看出，由于超低的导热

【参考文献】