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一篇入门电力/智能电网与电网级储能温控与温度传感器

特普生科技 特普生科技 2022-12-05 13 226

一、国家电力温控基本知识点

电力温控设备,是电力系统稳定运行的重要保障设施。电力温控设备属于专用性空调的重要应用领域。专用性空调是为满足某 些工业工艺和特殊环境的需求,将被控环境的物理参数(如温度、湿度、 风压、风速)、化学参数(如腐蚀性气体的浓度) 、生物参数(如空气 含尘量、微生物量)等严格控制在特定范围内而设计制造的设备, 或者为使用场景的特殊要求(如防爆、防震、抗冲击) 专门设计制造的设备。

环境温控设备,是保障电力设备安全运行和使用寿命提高的重要设施。电力设备运行过程中,内部温度环境过高或过低均不利于电力设备的稳定可靠运行。同时, 由于电流热效应存在,电流通过导体时电阻会消耗部 分电能, 而这部分电能会转化为热能,从而使得发电和送电设备产生发 热问题, 影响电力设备的运行安全和使用寿命。

因而,为保障电力设备安全、稳定的运行,在电力系统中会配置相应的环境温控设备,保障电力设备运行在恒温恒湿的环境下,降低电力设备出现事故的概率。此外, 部分温控设备由于节能降耗设计, 运行能耗低,有助于推进电力系统降低能耗。

温控设备广泛应用于发电、输电和配电等电力产业链主要环节。

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(电力主要产业链环节的代表性温控设备)

1、发电端:

汽力发电机组蒸汽乏汽以及辅助设备的冷却。

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(火力发电厂温控保护系统)

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(典型火力发电厂直接空冷系统主要构成)

2、输电端:

换流站晶闸管换流阀的冷却。

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(运行中的±800kV/5000A 特高压换流阀)

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(阀冷却系统结构示意图)

3、配电端:

变压器及室外控制柜的冷却。 

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(采用强制循环风冷的某发电厂的主变压器)

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(山东临沂变电站控制柜冷却)


二、国家电力热管理

国家电力热管理,是储能系统安全运行保障,市场关注度提升。

1、多技术适用热管理多场景:蒸发冷却

蒸发冷却,是一种具有优异冷却效果且能随负荷变 化自平衡的冷却方式。蒸发冷却分为直接蒸发冷却。 

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(直接蒸发冷却介质流动形式)

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(间接蒸发冷却介质流动形式)

间接蒸发冷却系统技术发展完善, 应用场景广泛。按照冷却器结构可以 分为板式间接蒸发冷却器和管式间接蒸发冷却器两种形式。


2、不同应用场景下, 间接蒸发冷却系统与传统制冷方案和其他自然冷却方法相比优势明显

对于发电- 电动机等应用领域而言:

1 )蒸发冷却系统实现无泵自循环,运行时系统内部压力低,发生工质泄漏的可能性小。

2)蒸发冷却系统可自动根据热负荷调整运行状态,无需外加调节控制装 置。

3)蒸发冷却介质绝缘具有高绝缘性与不燃性,即使发生介质泄漏问 题, 也不会造成短路等重大事故,因此具有较好的安全性。

4)蒸发冷却 系统散热能力强,采用管道内冷的形式应用于发电- 电动机定子线棒冷却 上,可有效降低铜导杆与主绝缘间温差,使线棒在轴向和周向上温度分 布更均匀, 从而降低热应力、提高主绝缘寿命。

5)蒸发冷却系统维护方便,运行、维护成本低。 


对于数据中心等应用领域而言:

1)自然冷源 利用效率高

2)换热链路短,高效换热

3)集成度高,环境要求简单

4) 与传统机械制冷方法相比, 可实现有效节能

5) 户外安装的制冷设备使得空气处理机组的维护更方便


3、多技术适用热管理多场景:空冷/液冷散热

空冷/液冷通过空气/液体流经发热部件,通过接触 换热的方式进行降温。空冷结构简单、成本低、易维护,相较于液冷和 相变材料冷却,空冷的稳定性好, 但空气的低热导率限制了空冷系统的 冷却性能,所以空冷系统冷却速度较慢,散热效果不佳,虽然强制风冷可加强气流运动, 提高散热效率, 但使用风扇或气泵强制对流将造成系 统能量损失。

液冷冷却的冷却剂为液体,相对空气来说,液体具有更大比热容、温度传递快、吸收热量大等优点。同体积液体带走的热量显著大于风冷,热传导的效率亦显著高于空冷,液冷冷却技术优势明显。液冷技术可以分为间接制冷和直接制冷两种方式,电力设备考虑安全问题,一般以间接为主。

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(常见电池空冷/液冷结构示意图)

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(自然冷却与空/液冷特性对比)

液冷冷却目前已大规模应用在数据中心等场合。液冷技术中, 间接制冷或者冷板式比较简单,主要通过冷板与 ICT 设备进行热交换,冷板设计 可给数据中心机架安装液冷门, 也可深入到 ICT 设备中, 与 CPU 等发热器件贴合带走热量,可有效降低数据中心能耗和能源使用效率。

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(华为TaiShan X6000  全液冷系统)

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(曙光冷板式液冷系统示意图)

4、多技术适用热管理多场景:变相材料冷却

相变材料是一类温度变化时发生相变的材料,一 般利用相变过程吸收或释放大量潜热,以达到热管理的目的。常见相变 材料按物理状态可分为气固相变、固液相变、固固相变和气液相变四类,气固和气液相变材料虽然储能密度大,但是发生相变过程时体积变化较 大,不利于实际应用;固固相变材料在相变过程中体积变化小,无气、 液泄漏风险,但是材料难以获取, 且相变温度较高;相比之下,固液相 变材料在熔化或凝固过程中体积变化小,熔点低, 相变潜热大,因此受 到广泛应用。


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(固液相变原理示意图)

相变材料散热应用前景较为广阔。

相变材料散热系统的优点是散热效果 好,无需消耗电池额外能量,同时可用于散热和加热使用;缺点是相变 前的低热导率和相变传热的迟缓性会限制其在极端服役工况下的应用。相变材料散热方法已有较多研究, 其适用范围广,但当电池发热量小, 未达到相变材料熔点时, 相变材料无法通过相变过程潜热, 即相变冷却失效,所以相变材料冷却适用于发热量较大的电池包。考虑到在大倍率放电过程中电池发热量的不一致性。

因此, 在发热量较大部位的相变材 料中插入质量轻的铝热管可以辅助散热,提高电池均温性。目前相变材料冷却多用于电子设备散热。相变材料作为一种被动换能材料具有节能、 环保等优势,目前产业处于起步阶段,未来技术突破将驱动产业加快发展,未来市场前景广阔。



三、智能电网基本知识点

1、电力系统需求:

1.1.电力消费增加

电力是全球能源需求中增长最快的部分,在《能源技术展望》基准情景中, 2007 年到 2050 年之间的消费增加有望超过 150%。新兴经济体将需要使用智能电网高效地满足迅速增加的电力需求。

1.2.波动性发电技术的推广

1.3.交通电气化

蓝图情景估计,到 2050 年交通运输行业会占到总体电力消费的 10%,因为电动汽车和插 电式混合电动汽车会大量增加。如果汽车充电不能实现智能管理, 可能会增加电力基础 设施的高峰负荷,增加当前住宅和服务行业的高峰需求,而且要求进行重大基础设施投资以避免供应失效。

2、电力系统需求:基础设施老化;高峰需求;电力可靠性

3、因此,智能电网出现:

3-1.何为智能电网:

智能电网是使用数字技术和其他先进技术对来自所有发电源的电力输送进行监测和管理以 满足终端用户不同电力需求的电力网络。智能电网概念可以适用于各种商品的基础设施,包括供水、供气、供电和供氢。“更加智能的电力系统”只关注电力系统概念。

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(更加智能的电力系统)

3-2.智能电网推广:

有许多智能电网技术领域,每个领域都由多套单项技术组成, 这些技术横跨整个电网, 从发 电到输电和配电到各类电力消费者。一些技术正得到积极推广,在开发和应用方面都被认为是成 熟的, 而其他技术则要求进一步开发和示范。一个完全优化的电力系统将推广中的所有技术领域。然而,并非需要安装所有技术才能增加电网的“智能性”。

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(完全优化的电力系统推广所有技术领域)

4、开拓与其他电力系统技术领域的新合作:

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(ECG 实施协议对电力行业的关注)


四、国家电力/智能电网与温度传感器

1、温度传感器在国家电力/智能电网的应用
“无论主流的国家电网、还是正在发展到智能电网,热管理贯穿圈电力全产业链。也就是说,国家电力用温度传感器/智能电网用温度传感器,具体用在且不止用在发电环节配置的组合式空调机组、满液式冷水机组、蒸发冷却式冷水机组,还有输电环节配置的组合式空气处理机、组合式空调,还有配电环节配置的温控系统产品、变电站控制柜、变压器、高压电器与冷却设备,还贯穿发电、输电与配电等电力储能设备等等等等”。石冢、芝浦、大泉、华工高理与特普生等温度传感器领域的专家告诉温度传感器研究院的研究员,“智能电网,更基于物联网、云计算,更大量采用了各类传感器。”


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(电力主要产业链环节的代表性温控设备)
“传感器的种类有很多,其中温度传感器使用较为频繁,在电力方面能够直接固定安装在不易监测温度发热点等的位置,因为直接测量接触面的温度所以监测出的数据也最为准确。其传感器本身在工作时不需要额外电源介入,非常适合在普通温度测量方法无法测量的电力系统高压设备连接点、裸露高压或密闭空间处,进行在线温度监测。”


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(更加智能的电力系统)
2、温度传感器在国家电力/智能电网销售渠道上的应用
温度传感器公司的销售团队,要判断自己的产品优势,符不符合国家电力、智能电网客户,也要判断有没有团队深耕细作于国家电力、智能电网产业,如果有,那就搭建“国家电力/智能电网行业温度传感器销售小组”,拓展涉足发电端、输电端、配电端的产品厂家,很多产品用得上温度传感器。也要深耕国家电力、智能电网行业。


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(完全优化的电力系统推广所有技术领域)



五、电网级储能基本知识点

1、储能贯穿新型输电系统

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(储能贯穿新型输电系统)


2、储能产业链

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(储能产业链图)

3、全球储能进入加速发展期

储能是全球电力系统转型中不可或缺的环节。根据 IEA 的测算,为实现 2050 年碳中和的目标,可再生能源发电占比需由   2020 年的 30%以下提升至 2030 年的 60%以上, 2050 年则需达到近 90%。


六、热管理凸显,储能温控乘风而起

1、温控系统是保障锂电池储能正常运行的重要环节。工作温度对锂离子电池性能影响较大, 温度过高将引发严重安全隐患。 

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(磷酸铁锂电池温度特性)

2、热失控是锂电池主要的安全隐患,温度过高是其重要诱因。 

3、储能系统涉及大量单体电芯,温度是影响电池一致性的重要因素。其中, 温度差是影响电池性能最显著的因素之一。对于储能系统而言,  除了保证电池处于适宜工作温度区间, 控制电池间温差处于合理水平以内也极为重要。

4、热管理形式:风冷与液冷

储能热管理形式多样, 风冷及液冷成熟度相对较高。目前主流的热管理方式包括风冷、液冷、 热管冷却和相变冷却四种。

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(储能温控主要方式)

5、储能温控市场迎来高速增长

5-1.液冷方案加速渗透,储能温控单位价值量有望持续提升。

综上, 从制冷性能以及全生命 周期成本角度出发,当前液冷系统的优势已经逐渐开始体现 。从 2021 年各大电池厂商与储 能系统集成商推出的新产品来看,液冷已经成为主流温控方案,我们预计 2022 年起储能系 统中液冷的应用比例将快速提升。目前,液冷系统的单位价格约为空冷系统的 2-3倍,因此随液冷的加速渗透,储能温控系统整体的单位价值量有望呈上升趋势, 2025年全球市场空间有望超过 130 亿元。 

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(液冷已成为各大储能电池/系统集成商新产品中的主流方案)

5-2.温控是储能产业链中“小而精”的细分环节

储能温控系统价值量占比较低但重要性突出,后续降本压力较小。相较而 言,温控在储能系统整体成本中的占比仅为 3%-5%左右,对系统整体的安全性与可靠性则 起着至关重要的作用。因此,我们认为储能集成商或项目业主更倾向于选择高质量、性能稳 定的温控方案,而非单纯地压缩成本,预计未来储能温控面临的降本压力将较为缓和。

储能温控系统在控制精度与运行可靠性上的要求显著高于一般民用及工业制冷领域,行业存在较高的技术壁垒。

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(精密空调与民用空调对比)

储能温控系统定制化程度高,需要充足的项目经验与客户关系积累,头部厂商具备较强的先发优势。

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(储能温控产业链)

多方势力逐鹿储能温控市场。大致将目前储能温控市场的参与者分为数据中心温控厂商、工业领域温控厂商以及车用热管理厂商三大类。

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(储能温控市场主要参与者)

5-3.数据中心温控与储能温控

数据中心与储能集装箱在温控层面存在一定相似性,数据中心温控厂商积极布局储能市场。与储能电池类似,数据中心中部署的服务器在运行时会产生大量热量,因此温控系统是数据 中心必不可少的关键环节。从系统设计、散热方式、控制精度等角度出发,我们认为数据中 心温控与储能系统温控存在一定的相通性,  数据中心领域的经验或可部分移植至储能场景, 近年来英维克、申菱环境等数据中心温控厂商已成为储能温控市场的重要参与者。

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(数据中心温控与储能温控在整体结构上有一定相似性)


七、电网级储能与温度传感器

1、温度传感器在电网级储能上的应用

“温度传感器在储能应用,主要有家庭及工商业储能、通信储能、电网级箱式储能。我们目前还没介入这块业务。”华工高理告诉温度传感器研究员,“这块业务单体需求量少,无法满足我们规模化的要求。

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特普生箱式储能CCS-螺丝固定方案)


“我们特普生温度传感器,用在家庭及工商业储能、通信储能、电网级箱式储能的比较多。”特普生说,“我们2022年推出来储能CCS电池模组温度/电压采集方案,用家庭/工商业储能CCS、通信储能CCS、箱式储能CCS来解决对应不同储能温度采集问题。CCS(Cells Contacting System), 即线束板集成件、采集集成件、总成或线束隔离板。储能CCS,安装在电池包上,形成一套电池模组。

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(特普生家庭/工商业储能CCS-FPC方案)

“我们储能CCS,通过铜铝巴,实现电芯串并联,输出电流;采集电芯电压;采集电芯温度。我们有螺丝固定方案、激光焊接方案、超声焊接方案、FPC方案。”

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(特普生通信储能CCS-激光焊接方案)

2、温度传感器在电网级储能销售渠道上的应用

温度传感器公司的销售团队,要判断自己的产品优势,符不符合电网级储能客户,也要判断有没有团队深耕细作于电网、电网级储能产业,如果有,那就搭建“电网行业温度传感器销售小组”,拓展涉足发电端、输电端、配电端的产品厂家,很多产品用得上温度传感器。也要深耕电网级储能行业,另外,储能温控厂家也是温度传感器的重要目标客户!

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(储能温控产业链)

多方势力逐鹿储能温控市场。大致将目前储能温控市场的参与 者分为数据中心温控厂商、工业领域温控厂商以及车用热管理厂商三大类。

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(储能温控市场)

最后,需要特别提醒的是,为电网级储能提供温控设备与方案的公司,也是温度传感器的客户!

特普生主营温度传感器NTC热敏电阻传感器模块及一体化解决方案,特普生拥有发明专利5项,实用新型27项,保留不公开技术2项,是国内唯一拥有全尺寸全自动单端玻封机、单端热敏电阻测试机的具有芯片设计能力的源头实业,特普生温度传感器,特别好的温度传感器。

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