一种自驱动的多级浸没式液冷系统

本发明涉及储能电站热管理，尤其是一种自驱动的多级浸没式液冷系统。

背景技术：

1、风电、光伏能源存在着间歇波动的问题，为了保证电力系统的安全稳定运行，必须通过储能技术进行削峰填谷、调峰调频。然而，储能电站高密化、集成化发展趋势带来的热安全问题严重限制了其发展。近年来，储能电站热安全问题频频发生，如变压器超温引起运行故障、锂电池充放电过程产生大量废热使电池组超温而出现起火事故等。发展高效可靠的储能电站热管理技术已经成为推动储能发展的迫切需求。

2、当前的储能电站热管理的关键点集中在变压器冷却系统和电池冷却系统两个部分。目前储能电站的冷却主要采取风冷散热或间接式液冷散热，即通过冷却流体与变压器或锂电池组以热对流的形式进行换热。风冷系统虽然结构简单且成本较低，但其散热性能较弱已经难以满足储能电站日益增长的热管理需求。而且，电池冷却系统使用风冷时，电池表面的冷凝水不易干燥，会使电池受到污染而性能衰减。与风冷相比，间接式液冷的散热能力得到提升，但其冷却循环系统配置复杂，空间占用大，还需要额外的能耗来驱动冷却液进行循环，不利于储能电站的可持续性发展。

3、现有研究表明，浸没式液冷由于热源与冷却液直接接触使得其冷却能力以及能耗水平大幅改善。与间接式液冷相比，浸没式液冷系统散热能力更强，热源降温速度更快，均温性也更好，并且由于能效水平高可以减少冷却系统的占用空间。然而，当前的浸没式液冷系统大多数仍然需要机械泵来驱动冷却液循环，不利于储能电站的高密集成化发展，同时对储能电站的能效指标提出了更高的要求。另外，储能电站电池组的正常工作温度极限在40～50℃左右，而变压器的正常工作温度通常在60℃以上。考虑到二者工作温度相差较大，故目前储能电站的热管理系统较为复杂，各个冷却单元均为独立运行，不仅成本较高、占用空间大、负载大，而且能耗较大、不利于后期维护。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种自驱动的多级浸没式液冷系统，解决了储能电站热管理系统换热能力不理想、各部分独立运行且占用空间较大的问题，同时改善了系统能耗情况。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种自驱动的多级浸没式液冷系统，所述液冷系统包括换热器和多个液冷模块，每个所述液冷模块包括壳体和设置在所述壳体内、浸没在浸没式冷却液中的待冷却部件；

4、按照各个所述待冷却部件的安全温度渐变的顺序，采用特斯拉阀将所述多个液冷模块的壳体依次连接，同时采用特斯拉阀将所述换热器高温侧入口与末级液冷模块的壳体出口连接，所述换热器高温侧出口与初级液冷模块的壳体入口连接，且所述换热器的位置高于所述多个液冷模块、所述换热器高温侧出口位置低于换热器高温侧入口；

5、所述浸没式冷却液的相变温度小于末级液冷模块的待冷却部件的安全温度，并大于其余液冷模块的待冷却部件的安全温度，浸没式冷却液在相邻两个液冷模块之间、以及液冷模块与换热器之间沿特斯拉阀正向流动，对各待冷却部件进行逐级冷却，并在换热器中将热量散释到外部环境后，受重力作用再流回初级液冷模块的壳体内，完成梯级散热的自驱动式循环。

6、进一步技术方案为：

7、所述特斯拉阀的主流道壁面上设有多组仿生鸟类气管瓣膜，每组所述仿生鸟类气管瓣膜包括沿主流道壁面两侧对称设置的两个倒钩形微肋柱，所述倒钩形微肋柱位于靠近次流道出口、以及靠近特斯拉岛下游位置处，所述倒钩形微肋柱的导流面使流体沿正向流动，并迫使部分从主流道流向次流道的流体逆原流动方向流回主流道，进而控制流体单向流动。

8、所述多个液冷模块包括第一级液冷模块和第二级液冷模块，第一级液冷模块内设有锂电池组，第二级液冷模块内设有变压器，所述浸没式冷却液的相变温度大于所述锂电池组的安全温度并小于所述变压器的安全温度。

9、所述多个液冷模块包括一级液冷模块、二级液冷模块和三级液冷模块，一级液冷模块内设有锂电池组，二级液冷模块内设有逆变器，三级液冷模块内设有变压器，所述浸没式冷却液的相变温度大于所述锂电池组和逆变器的安全温度并小于所述变压器的安全温度。

10、所述锂电池组为圆柱形锂电池、方形锂电池或软包锂电池。

11、所述壳体的入口、出口分别位于壳体相对两侧面的下部和上部。

12、所述换热器为风冷换热器或水冷换热器。

13、所述浸没式冷却液为氢氟饱和化合物、氢氟不饱和化合物、全氟饱和化合物、全氟不饱和化合物、矿物油中的一种。

14、本发明的有益效果如下：

15、本发明系统的浸没式冷却液的循环流动过程基于热-力耦合作用下的自驱动循环机制，浸没式冷却液在液冷模块内吸收热量发生热膨胀和热对流，产生向外部流动的内在推力，同时得益于特斯拉阀流道的限制逆流作用，只能沿所述特斯拉阀正向流动，再加上换热器与液冷模块之间因高度差形成的重力势能，耦合作用下实现了浸没式冷却液的自驱动单向循环，省去了传统液冷系统布置循环泵的空间以实现紧凑化设计。具体还具备以下优点：

16、1、充分利用了储能电站不同部件的温控要求差异，设计了串联式梯级散热的液冷模块，突破传统储能电站热管理系统各部分独立运行且系统复杂、占用空间大的难题，降低了系统的能耗，为储能电站热管理提供高效可靠的新方案。

17、2、对特斯拉阀结构进行改进，利用仿生的倒钩微肋柱结合主流道、次流道的控流作用，实现了对流体单相及两相流动的有效控制。

18、3、采用散热能力更强，降温速度更快，均温性也更好的浸没式液冷技术，极大地提升了传统储能电站热管理系统的传热性能，有利于其高密集成化发展。

19、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

技术特征：

1.一种自驱动的多级浸没式液冷系统，其特征在于，所述液冷系统包括换热器和多个液冷模块，每个所述液冷模块包括壳体和设置在所述壳体内、浸没在浸没式冷却液中的待冷却部件；

2.根据权利要求1所述的自驱动的多级浸没式液冷系统，其特征在于，所述特斯拉阀的主流道壁面上设有多组仿生鸟类气管瓣膜，每组所述仿生鸟类气管瓣膜包括沿主流道壁面两侧对称设置的两个倒钩形微肋柱，所述倒钩形微肋柱位于靠近次流道出口、以及靠近特斯拉岛下游位置处，所述倒钩形微肋柱的导流面使流体沿正向流动，并迫使部分从主流道流向次流道的流体逆原流动方向流回主流道，进而控制流体单向流动。

3.根据权利要求1所述的自驱动的多级浸没式液冷系统，其特征在于，所述多个液冷模块包括第一级液冷模块和第二级液冷模块，第一级液冷模块内设有锂电池组，第二级液冷模块内设有变压器，所述浸没式冷却液的相变温度大于所述锂电池组的安全温度并小于所述变压器的安全温度。

4.根据权利要求1所述的自驱动的多级浸没式液冷系统，其特征在于，所述多个液冷模块包括一级液冷模块、二级液冷模块和三级液冷模块，一级液冷模块内设有锂电池组，二级液冷模块内设有逆变器，三级液冷模块内设有变压器，所述浸没式冷却液的相变温度大于所述锂电池组和逆变器的安全温度并小于所述变压器的安全温度。

5.根据权利要求3或4所述的自驱动的多级浸没式液冷系统，其特征在于，所述锂电池组(6)为圆柱形锂电池、方形锂电池或软包锂电池。

6.根据权利要求1所述的自驱动的多级浸没式液冷系统，其特征在于，所述壳体的入口、出口分别位于壳体相对两侧面的下部和上部。

7.根据权利要求1所述的自驱动的多级浸没式液冷系统，其特征在于，所述换热器为风冷换热器或水冷换热器。

8.根据权利要求1所述的自驱动的多级浸没式液冷系统，其特征在于，所述浸没式冷却液为氢氟饱和化合物、氢氟不饱和化合物、全氟饱和化合物、全氟不饱和化合物、矿物油中的一种。

技术总结本发明涉及一种自驱动的多级浸没式液冷系统，包括换热器和多个液冷模块，液冷模块包括壳体和设置在壳体内、浸没在浸没式冷却液中的待冷却部件；按照各个待冷却部件安全温度渐变的顺序，采用特斯拉阀将多个液冷模块的壳体依次连接，同时采用特斯拉阀将换热器高温侧入口与末级液冷模块的壳体出口连接，换热器高温侧出口与初级液冷模块的壳体入口连接，且换热器的位置高于多个液冷模块；冷却液相变温度小于末级液冷模块待冷却部件的安全温度，并大于其余液冷模块待冷却部件的安全温度，浸没式冷却液在相邻两个液冷模块之间、以及液冷模块与换热器之间沿特斯拉阀正向流动，形成梯级散热的自驱动式循环。本发明无需外部驱动，改善了系统能耗情况。技术研发人员：邓梓龙,徐世杰,黄永平,张程宾,陈永平,高崴,吴苏晨受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15