Бул изилдөө, ванадий редокс агым батареяларынын биркач чопооватлык системалерден йүзлерже чопооватлык системалере бүйүтүлүркен электрдик натыйжалуулукин, насос керектөөсүнин, жылуулук башкаруу герексиниминин ве жалпы система натыйжалуулугунин насыл дегиштигини айрынтылы бир көп-физикалуу модельле изилдөөктадыр. Изилдөөчүлөр 4 kW/16 kWh менен 400 kW/1600 kWh арасында дегишен 10 кубат-кубаттуулук өлчегинде топлам 180 конфигурация симүле етмиштир. Айны максаттуу кубат, ар түрдүү клетка сайылары ве 50–250 A арасындаки ар түрдүү разряд агыммларыйла сторланмыш; йүксек гүчлерде физикалык катары вакцинары узун бир стеклар йерине көп стектүү дүзенлере гечилмиштир.

Сонучларын негизги месажы, йалнызжа батарея клеткасинин электрдик натыйжалуулукине бакманын система өндүрүмдүүлүкыны жидди бичимде олдугундан ийи гөстеребилмесидир. Төмөн агыммлы конфигурацияларда омдук жоготууларын азалмасыйла электрдик натыйжалуулук болжол менен %68–89 аралыгында дегиширкен, насостор, инвертер, желдеткичтер, кондиционер ве күтүү мезгилиндеки электролит айлантуу хесаба катылдыгында нет система натыйжалуулугу болжол менен %43–66 аралыгына дүшмектедир. Төмөн разряд агымы ве йүксек клетка саны генел катары электрдик натыйжалуулук ачжылуулукндан авантаж сторласа да жардамчы системаларин сабит вейа йары сабит түкетимлери айрыкча кичинекей гүчлерде бу авантажын маанилүү бөлүмүнү түкетмектедир.

Термал йөнетим системаинин еткиси изилдөөнүн меркезиндедир. Внегизгидйум электролитинин коопсуз иштетүү ачжылуулукндан болжол менен 5–40 °Ж аралыгында тутулмасы геректигинден модель; желдеткичтеры, кондиционерйы, ачылма аба дамперлерини, мезгил-мезгили менен электролит айлантууны, контейнер дубалдарындан жылуулук өтүшүни, компоненттер арасындаки жылуулук радиациясыу ве чыныгы айлана температурасы менен күн нурлануусуны бирликте эсептөөктадыр. Изилдөөнүн натыйжаларына ылайык жылуулук башкаруу жоготуулары дүшүк гүч системалеринде топлам натыйжалуулуки болжол менен %7,5–17 азалтабилиркмаксимум кубат конфигурацияларында бу аралык болжол менен %6–14,2'йе гермененмектедир.

Изилдөөнүн маанилүү мүхендислик сонужу, “эң жогорку клетка натыйжалуулуки” менен “эң жогорку система натыйжалуулугу”нин ошол эле дизайн маселеи олмадыгыдыр. Чок дүшүк агымм омдук жоготуулары азалтыркен дагы фазала клетка, дагы узун стектер ве ар түрдүү муздатуу герексинимлери догурабилир. Өтө жогорку агымм болсо Жоуле жылуулугуны ве клетка чыңалуу кайбыны артырыр. Бу неденле изилдөө, гүч електрониги, насостоо ве жылуулук башкарууин бирликте оптималдаштыруу едилмеси геректигини көрсөтөт.

Түркия жагынан изилдөө; күн ве шамал өндүрүшүнин тармакйе ентеграсйону үчүн маанилендирмененн узак мөөнөттүү энергия сактоо системалеринин бойутландырылмасында маани твакцинамактадыр. Ошентсе да натыйжалар физикалык катары курсулмуш 400 kW'лык бир батареянын саха өлчөөлөри дегилдир. Симүласйонда экологиялык сыныр шарттары үчүн Будапешт'деки герчек метеорологиялык маалыматлер колдонулган ве гүнжел моделдин тамамы йени бир физикалык прототипле эксперименттик түрдө ырасталган эмес. Түркия'деки температура, күн нурлануусу, рагымм, курсулум бичими ве иштетүү профиллери колдонуп йениден симуляция ве талаа валидациясы түзүмлмадан натыйжаларын жергиликтүү тетуманлере түздөн-түз актарылмасы уйгун дегилдир.

Внегизгидйум редокс агым батареяларынын масштабдоо неден ар түрдүү бир мүхендислик маселеидир?

Ванадий редокс агым батареясында энергия, класик литий ион клеткаларде олдугу гиби электрод материалсинин үчүнде кампаланмаз. Позитиф ве негатиф ванадий электролиттери айры бактарда тутулур ве насостор аражылыгыйла электрохимиялык клеткаларден гечирилир. Бу архитектура сайесинде энергия сыйымдуулугу чоң өлчүде электролит өлчөмыйла, гүч болсо клетка ве стек түзүмүйла өз-өзүнчө масштабленебилир.

Бу өзеллик чоң масштабдуу энергия сактоо үчүн маанилүү бир дизайн өзгүрлүгү сторлар. Факат батарея бүйүдүкче йалнызжа дагы фазала клетка екленмез. Айны заманда:

• Даха чоң электролит бактары герекир.
• Даха йүксек топлам агым өлчөмүлер ортойа чыкар.
• Помпалама энергияси дегишир.
• Йыгынларын физикалык узунлугу артар.
• Тек стек йерине көп стек кулланылмасы герекебилир.
• Шөнт агыммлары ве бунларын олуштурдугу жылуулук маани казнегизгибилир.
• Контейнер үчүндеки компонент конумлары температура дторылымыны еткмененйебилир.
• Фан ве кондиционер түкетими топлам натыйжалуулукин маанилүү бир бөлүмүнү олуштурабилир.

Ошондуктан изилдөөнүн негизги суроосу йалнызжа “VRFB бүйүтүлебилир ми?” дегилдир. Асыл суроо, ошол эле максаттуу кубат ар түрдүү агымм-клетка-стек комимаратсйонларыйла сторландыгында ханги конфигурацияун бүтүн йардымжы түкетимлер дâхил эң жогорку система натыйжалуулугуни вердигидир.

Изилдөөнүн литератүрде долдурмайы амачладыгы боштук недир?

Өнжеки моделдер клетка електрокимйасы, агымш, шунт агымдары вейа жылуулук башкарууин белирли бөлүмлерини маанилендирмиштир. Изилдөөчүлөр айрыкча чоң контейнер системалеринде компоненттер арасындаки жылуулук радиациясыун, күн нурлануусунын, контейнер дубалдары арасындаки жылуулук өткөрүүнин ве герчек заман ажыратуулү метеороложик шарттарын система температураларына еткисинин йетеринже айрынтылы еле алынмадыгыны белиртмектедир.

Изилдөөнүн гелиштирдиги модель бу неденле йалнызжа клетка вейа стек сүйийесинде дегилдир. Моделде позитиф ве негатиф электролит бактары, кирүү-чыгуу түтүктөрү, хер стек, контейнер абасы, жардамчы жабдуу ве контейнерин айры дубалдары термалдык түйүнлер катары диагнозмланмактадыр. Йыгын сайжылуулукна бторлы катары модель топлам 14–27 йогунлаштырылмыш параметре түйүнү ичермектедир.

Ошондой эле ошол эле гүжү сторлайан ар түрдүү клетка саны ве агымм комимаратсйонлары системаатик катары тарнегизгирак масштабдоонун натыйжалуулук үстүндөки еткиси араштырылмыштыр. Бу амачла 10 гүч сүйийеси ве хер гүч сүйийеси үчүн 18 агымм-клетка комимаратсйону колдонулган.

Ванадий редокс агым батареясында електрик насыл үретилмектедир?

Негатиф жарым клетка үчүн булакта маалыматлен негизги редокс реаксиону шөйледир:

\[ \mathrm{V^{2+} \rightleftharpoons V^{3+} + e^-} \]

Позитиф жарым клетка реаксиону болсо:

\[ \mathrm{VO_2^+ + e^- + 2H^+ \rightleftharpoons VO^{2+} + H_2O} \]

Шарж ве разряд йөнүнде реаксионларын йөнү дегишмектедир. Мембран, позитиф ве терс электролитлерин түздөн-түз карышмасыны сынырландырыркен протонларын гечишине изин маалыматр. Бирок мембрана тамамен сечижи дегилдир. Внегизгидйум ионларынын каршы тарапа гечмеси өзүнөн-өзү разряд реаксионларына ве ек жылуулук өндүрүшүне йол ачабилмектедир.

Неден температура бу катар критик бир дегишкендир?

Изилдөөдө электролитин коопсуз иштетүү үчүн болжол менен 5–40 °Ж аралыгында тутулмасы геректиги кабул едилмектедир. Өзелликле 40 °Ж'нин үстүндөки температураларда внегизгидйум түрлеринин жылуулук чөкмөси жидди бир иштетүү тобокелдики олуштурабилир.

Йыгын температураныны ошол эле анда абдан сайыда убакытч дегиштирмектедир:

• Електролитин бактардан стека твакцинадыгы жылуулук
• Акыма бторлы Жоуле жылуулугу
• Ана электрохимиялык реаксионларын энтропиялык жылуулуксы
• Мембран гечиши неденийле олушан өзүнөн-өзү разряд реаксионлары
• Контейнер хавасыйла конвекция
• Дигер компоненттерле жылуулук радиациясы
• Помпалама жоготууларынын электролите актардыгы жылуулук
• Дыш айлана температурасы
• Контейнер дубалдарынын согурдугу күн нурлануусу

Бу неденле системаин температураныны йалнызжа електриксел жоготуулардан эсептөөк йетерли дегилдир.

Йыгын температурасы ханги энергия балансыйле модельленмиштир?

Булакта стек үчүн маалыматлен энергия балансы, гириш электролитинин твакцинадыгы жылуулукту, хава менен конвекцияы, Жоуле жылуулугуны, кошумча реакцияларын жылуулуксыны, негизги реаксионларын ентрочоку салымыны ве жылуулук радиациясыу ошол эле теңдемеде бириктирүүктедир. Денклем түзүмдүк катары шу теримлери ичерир:

\[ \rho_e(T_s)c_{p,e}V_s\frac{dT_s}{dt} = \dot Q_{flow,p} + \dot Q_{flow,n} + \dot Q_{conv} + I^2R_s + \dot Q_{side} + \dot Q_{entropy} - \dot Q_{rad,s} \]

Бурада ρ_е электролит тыгыздыгыну, ж_п,е салыштырма жылуулук сыйымдуулугуни, В_с стек үчүндеки электролит хажмини, Т_с стек температураныны, Ы агыммы ве Р_с стек електрик каршылыгыни темсил етмектедир.

Ы²Р терими, агымм йүкселдикче Жоуле жылуулугунын икинжи дережеден арттыгыны гөстермеси ачжылуулукндан айрыкча маанилүүдир. Бу неденле ошол эле гүжү дагы йүксек агымм ве дагы аз клеткайле өндүрүү електриксел ве термалдык ачыдан дүшүк агыммлы бир дизайнла эквивалент дегилдир.

Термал радйасйон моделье насыл екленмиштир?

Контейнер ичерисиндеки компоненттерин бет аланлары чоң олдугундан изилдөөчүлөр жылуулук радиациясыу ихмал етмемиштир. Ansys Fluent 2023 R1 колдонуп контейнерин баситлештирилмиш үч өлчөмдүү геометриси олуштурулмуш ве компоненттерин бирбирини не катышда “гөрдүгүнү” диагнозмлайан көрүнүү фактору матрицасы эсептелген.

Бир компонентин радиациялык жылуулук алмашуу шу илишкийле модельленмиштир:

\[ \dot Q_{rad,i} = \sum_j \sigma \varepsilon_i \varepsilon_j \varphi_{i,j} A_i \left(T_i^4-T_j^4\right) \]

Бурада σ Stefan–Boltzmann сабитини, ε бет эмиссия коэффициентины, φ_и,ж ики бет арасындаки көрүнүү факторунү, A_и бет аланыны ве Т мутлак температурасы темсил етмектедир.

Дөрдүнжү күч температура бторымлылыгы неденийле радиациялык жылуулук алмашуу ысык бетлерде ылдамдыкла маани казнегизгибилмектедир. Контейнер чатырсынын күн нурлануусуны түздөн-түз алмасы бу бторламда айрыкча маанилүүдир.

Контейнер дубалдары неден өз-өзүнчө модельленмиштир?

Чаты ве дөрт каптал бет ошол эле өлчөмда күн нурлануусуна маруз калмаз. Бу неденле контейнер тек бир температура түйүнү катары диагнозмланырса багыттык күн йүкүнүн еткиси кайболабилир.

Чаты үчүн колдонулган энергия балансы генел катары:

\[ C_{roof}\frac{dT_{roof}}{dt} = \dot Q_{conv,o} + \dot Q_{conv,i} + G_hA_{roof}a_{cont,out} - \dot Q_{rad} - \dot Q_{cond} \]

бичиминдедир. Бурада Г_х горизонталдык глобалдык күн нурлануусуны, а дыш бет жутуу коэффициентины ве менентим теримлери дубалдарын ширетилген бирикмелеры аркылуу бирбирине актардыгы жылуулукту ифаде етмектедир.

Изилдөөдө контейнер үчүн 10 cm изоляция варсайылмыштыр. Дыш бет жутуу коэффициенти 0,5, дыш эмиссия коэффициенти 0,86, ич бет эмиссия коэффициенти 0,75 катары колдонулган.

Моделде ханги баштапкы божомоллары түзүмлмыштыр?

Бу кабуллер система дүзейиндеки эсептөөйы мүмкүн кылмактадыр; бирок герчек бир чоң стек үчүнде олушабмененжек жергиликтүү температура, агым өлчөмү ве консантрасйон ар түрдүүлыкларыны чөзмемектедир.

10 масштабдоо дуруму насыл олуштурулмуштур?

Гүч сүйийелери Renard сериси йаклвакцинамыйла 4 kW'тан 400 kW'а чыкарылмыштыр:

\[ P_n=P_1r^n \]

Орточок масштаб катышы булакта:

\[ r=\left(\frac{400}{4}\right)^{1/(10-1)}=1.668 \]

катары эсептелген.

Бүтүн дурумларда номинал энергия/кубат катышы 4 сааттир. 31 kW'ын үстүндө бир стекын физикалык узунлугу пратик олмактан чыктыгы үчүн Дурум 6'дан итибарен көп стектүү архитектурайе гечилмиштир.

Неден ошол эле гүч үчүн 18 ар түрдүү агымм колдонулган?

Бир батарея стекынын гүжү клетка саны, клетка чыңалуусу ве агыммын бирлешимийле белирленмектедир. Изилдөөдө колдонулган негизги гүч илишкиси:

\[ P_u=N_sN_cIE_c \]

ве ички каршылык дâхил едилдигинде:

\[ P_u=N_sN_cI(E_c^{OCV}-R_{c,dch}I) \]

бичиминдедир.

Бурада Н_с стек саны, Н_ж стек башына клетка саны, Ы агымм ве Е_ж клетка чыңалуусудир.

Акым арттыгында Р·Ы чыңалуу кайбы көтөрүлгөндөн клетка чыгыш чыңалуусу дүшмектедир. Бу етки айрыкча дүшүк заряд абалында, йани дүшүк SoC'де дагы айкынлешмектедир.

Изилдөөчүлөр хер гүч дүзейинде 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 225 ве 250 A олмак үзере 18 агымм дүзейине каршылык гелен клетка сайыларыны изилдеген.

Гүнлүк иш профили насыл модельленмиштир?

Батареянын бир фотоволтаик станцияле бирликте чалыштыгы үлгү гүнлүк профил колдонулган. Батарея болжол менен 09:00–15:00 арасында заряд едилмекте, 18:00–22:00 арасында болсо туруктуу кубатте разряд едилмектедир.

Шарж башлангыжында SoC дүшүк олдугундан стек чыңалуусу дагы дүшүктүр ве сабит гүжү сторлайабилмек үчүн гириш агыммы дагы йүксектир. SoC йүкселдикче чыңалуу артмакта ве герекли агымм дүшмектедир.

Дезарядда терс жүрүм-турум гөрүлмектедир. SoC дүштүкче клетка чыңалуусу азалыр ве ошол эле чыкыш гүжүнү сүрдүребилмек үчүн агыммын мутлак маании йүкселир. Бу дурум разрядын мененрлейен бөлүмүнде Жоуле жылуулугунын да йүкселмесине неден олмактадыр.

Герчек хава шарттары насыл колдонулган?

Чүйре шарттары сабит температура катары диагнозмланмамыштыр. Baseline Surface Radiation Network'үн Будапешт истасйонундан бир мүнөтлык ажыратууте чыныгы айлана температурасы ве йөнлере ылайык күн нурлануусу колдонулган.

Сон мүйжут там йылын эң ысык 20 гүнлүк бөлүмү сечилмиш; симуляция натыйжалары үчүн 4. гүнден 14. гүне катар олан дмаани колдонулган. Илк дөрт гүн баштапкыта текрар едмененрек ар түрдүү система чоңлүклеринин термалдык аталеттен булаклнегизгин баштапкы таасирлер азалтылмыш ве бу баштапкы бөлүмү сон энергия хесапларындан чыкарылмыштыр.

Бу сечим изилдөөнү айрыкча сыжак дмаани ачжылуулукндан бир “начар учур” термалдык баалоосине дөнүштүрмектедир.

Шөнт агыммлары неден маанилүүдир?

Бирден фазала клетка орток электролит дторытым каналдарына бторландыгында ионик мененткен электролит истенмейен паралел електрик йоллары олуштурабилир. Бу агыммлара шунт агымдары денир.

Модел, Kirchhoff агымм ве чыңалуу йасалары колдонуп клетка беслеме түтүктөры ве манифолдларындаки шунт агымдары чөзмектедир. Шөнт агыммлар йалнызжа энергия кайбы йаратмаз; ошол эле заманда жылуулук үретир.

Изилдөөнүн карталарында чогу конфигурацияда шунт жылуулугунын топлам жылуулук өндүрүшүне салымы дүшүк калмыштыр. Бирок дүшүк агымм ве йүксек клетка санында бу пай айкын бичимде артмактадыр. Шарж тартипсында базы конфигурацияларда шунт агымдарынын топлам жылуулук өндүрүшүндеки пайы %22'йе катар улашмыштыр.

Изилдөөчүлөр бу неденле тек бир орток азыктандыруучу түтүк системаине болжол менен 10–15'тен фазала клетка бторланмамасыны сунуштайт.

Тек стеклы системалерин электрдик натыйжалуулуки насыл дегишмиштир?

Тек стеклы Дурум 1–5 үчүн электрдик натыйжалуулук:

• Ен дүшүк: %67,92 — 250 A, 154 клетка
• Ен йүксек: %86,18 — 50 A, 60 клетка

катары эсептелген.

Айны агымм дүзейинде гүч ве клетка санындаки артыш электрдик натыйжалуулуки абдан аз дегиштирмиштир. Сабит агыммда электрдик натыйжалуулукде гөрүлен ен чоң фарк болжол менен 1,3 йүзде пуандыр. Бу, электрдик натыйжалуулукин негизги белирлейижисинин система гүжүнден абдан агымма бторлы омдук жоготуу олдугуну көрсөтөт.

Електриксел натыйжалуулук менен система натыйжалуулугу арасындаки фарк не катар чоңтүр?

Електриксел натыйжалуулук йалнызжа клетка/стек үчүндеки електриксел жоготуулары көңүл бурууе алыркен система натыйжалуулугу насостор, инвертер, желдеткичтер, кондиционер, контрол системаи ве бмууне долвакцинамынын түкетимини де ичермектедир.

Тек стеклы конфигурацияларда система натыйжалуулугу:

• Ен дүшүк: %43,25 — 250 A, 20 клетка
• Ен йүксек: %63,63 — 50 A, 280 клетка

арасында дегишмиштир.

Бу фарк, йалнызжа клетка натыйжалуулукине дайалы бир дизайн баалоосинин жардамчы жабдууын герчек энергия чыгымыни гизлейебмененжегини көрсөтөт.

Неден дагы чоң системалерде жардамчы жабдууларын ылайыкли кайбы азалабилмектедир?

Помпа ве базы контрол компоненттеринин энергия керектөө батарея гүжүйле бире бир катыштылы бүйүмемектедир. Өрнегин колдонулган насоснын минишам йүкте дахи болжол менен 64 W түкетими булунмактадыр.

Изилдөөдө 50 A ве 456 клеткали конфигурацияун топлам агым өлчөмүси ве чыкыш гүжү, 50 A ве 60 клеткали системае ылайык тартипсыйла болжол менен 7,6 ве 7,76 кат артаркен максишам насос керектөөсү йалнызжа 1,25 кат йүкселмиштир.

Бу неденле кичинекей системалерде насоснын сабит түкетими топлам энергияйе ылайык дагы чоң бир пай олуштуруркмаксимум кубатлерде ошол эле түр йардымжы түкетим ылайыкли катары күчүлмектедир.

Инвертер кайбы не дүзейдедир?

Изилдөөдө инвертер неденийле топлам натыйжалуулукде болжол менен %11–12 азалма эсептелген. Сабит заряд жана разряд гүжү кулланылдыгы үчүн ошол эле номиналдык кубат сүйийесиндеки ар түрдүү агымм-клетка конфигурацияларында инвертер кайбы бензер калмактадыр.

Булак үчүнде бурада көңүл буруу чекижи бир библийографик тутарсызлык булунмактадыр. Инвертер натыйжалуулук йаклвакцинамынын ачыкландыгы параграфта булак [29]'а атыф түзүмлыркен булакча үчүндеки [29] бир Грундфос насос үрүн сайфасыдыр. Бу неденле инвертер натыйжалуулук моделдинин [29] менен дестекленмеси булак ичи атыф ачжылуулукндан белирсиздир; бу тутарсызлык унчукпай дүзелтилмемиштир.

Термал йөнетим системаи насыл изилдөөктадыр?

Хибрит жылуулук башкаруу системасы дөрт негизги йаклвакцинамы бириктирүүктедир:

• Ачылабилир контрол дамперлери
• Йыгын ве бак желдеткичтеры
• Клима системаи
• Бкошуу тартибинда мезгил-мезгили менен электролит айлантуу

Йыгын желдеткичтеры, дубал үстүндөки конвекциялык жылуулук өткөрүү коэффициентины 10 W/(м²К) үстүндө тутажак бичимде стекдан болжол менен 10 cm мурун конумландырылмыш ве хер желдеткич үчүн 45 W електрик түкетими колдонулган. Хер бакын йанларына үч ве үстүне бир олмак үзере дөрт ек желдеткич диагнозмланмыштыр.

Термал йөнетим денетиминин кенди түкетими 10 W катары кабул едилмиштир. Контрол мантыгы, температура сынырыны сторлайабмененн сеченеклер арасындан о анда эң жогорку еткин иштөө коэффициентины, йани COP мааниини сунан муздатуу ыкмасыни тержих етмектедир.

Бкошуу тартибинда электролит неден долаштырылмактадыр?

Батарея електрик алышмаалыматши йапмадыгы заман бменен мембрана аркылуу герчеклешен өзүнөн-өзү разряд реаксионлары жылуулук үретмейе дүйам еагым өлчөмүлир. Помпалар тамамен капатылырса бу жылуулук стекын үчүнде бирикебилир.

Изилдөөдө үзгүлтүксүз насостоо йерине перийодик “флусхинг” колдонулган. Бир дөнгү:

• Йыгын үчүндеки электролитин бир кез тамамен дегишмеси катар убакытн долвакцинам мөөнөтү
• Бунун ики каты узунлугунда насоссуз күтүү мөөнөтү

катары диагнозмланмыштыр.

Бу стратегия, убакыткли долвакцинама ылайык насос энергиясини болжол менен үчте бир катышында азалтыркен максишам температурасы системае бторлы катары йалнызжа болжол менен 0,3–0,4 °Ж йүкселтмиштир.

Термал йөнетим натыйжалуулуки не катар дүшүрмектедир?

Тек стеклы системалерде изилдөөнүн натыйжа бөлүмүнде жылуулук башкаруу жоготуусу болжол менен %7,5–17 катары өзетленмиштир. Чок стеклы ве йүксек гүч системалеринде бу аралык %6–14,2'йе дүшмектедир.

Метнин көп стек натыйжаларынын тартышылдыгы бөлүмүнде бир стек үчүн алт сыныр %7,2 катары да йазылмыштыр; натыйжа бөлүмүнде ошол эле аралык %7,5–17 катары өзетленмектедир. Булак үчүндеки бу кичинекей алт сыныр ар түрдүүлыгы неденийле бурада натыйжа бөлүмүндеки %7,5–17 маании негизги өзет маании катары корунмуш, %7,2 ифадесинин де текстде булундугу ошондой эле белгиленген.

Неден эң төмөн жылуулук башкаруу жоготуусу хер заман эң төмөн агыммда дегилдир?

Електриксел натыйжалуулук ачжылуулукндан дүшүк агымм ачык бичимде авантажлыдыр. Термал йөнетим ачжылуулукндан болсо дагы кармвакцинак бир денге олушмактадыр.

Йыгын үчүндеки топлам жылуулук:

• Акыма бторлы Жоуле жылуулугу,
• Акым ве клетка санына бторлы энтропиялык жылуулук,
• Хүжре сайжылуулукна бторлы өзүнөн-өзү разряд жылуулуксы,
• Електролит агым өлчөмүсинин твакцинадыгы муздатуу вейа жылытуу еткиси

арасында олушмактадыр.

Бу неденле Дурум 1–5'те эң төмөн топлам жылуулук башкаруу жоготуулары тартипсыйла болжол менен 70, 90, 90, 110 ве 110 A гиби орто агыммларда ортойа чыкмыштыр. Ошентсе да електриксел жоготуу авантажы көңүл бурууе алындыгында жалпы система натыйжалуулугу ачжылуулукндан дүшүк агымм-йүксек клетка саны конфигурациялары йине генел катары ен авантажлы бөлгейи олуштурмуштур.

Чок стеклы системалерин натыйжалуулуки насылдыр?

52–400 kW аралыгындаки көп стектүү конфигурацияларда:

Бу натыйжалар макаленин өзетинде маалыматлен болжол менен %68–89 електриксел ве %43–66 система натыйжалуулугу аралыгыйла уйумлудур.

Чок стекда насосторын еткиси недир?

Изилдөөдө ишенимилирлик амажыйла хер стекы айры бир насоснын беследиги архитектура колдонулган. Бөйлеже тек бир насос бузулуусынын бүтүн системаин агымшыны кесмеси өнленебилир; бирок насос сайжылуулукнын артмасы инвестициялык чыгымни йүкселтебилир.

Чок стеклы конфигурацияларда насосторын система натыйжалуулугуни азалтма еткиси болжол менен %0,96–2,32 аралыгында калмыштыр. Сонуч бөлүмүнде йүксек гүч системалери үчүн насос кайбы болжол менен %1–2 катары өзетленмектедир.

Өтө жогорку клетка санынын дезавантажы вар мыдыр?

Евет. Модел дүшүк агымм ве йүксек клетка санынын натыйжалуулук ачжылуулукндан авантажыны гөстерсе де изилдөөчүлөр бунун сынырсыз бичимде уйгулнегизгибмененжегини сөйлемемектедир.

Чок узун стектерда:

• Електролит агып чыгуусыны өнлемек зорлашабилир.
• Даха чоң физикалык алан герекир.
• Йыгын өндүрүш ве монтаж чыгымдары артабилир.
• Манифолд ве агымш дторылымы дагы кармвакцинак хâле гелебилир.
• Шөнт агымм контролү дагы маанилүү олур.

Бу неденле електриксел оптишам менен үретмененбилир мүхендислик дизайны арасында бир узлашма герекмектедир.

Контейнер үчүнде стектерын конуму температурасы етчопоийор му?

Евет. Изилдөөнүн радйасйон торы, айрыкча күтүү мезгилдеринде стек конумунун өлчүлебилир температура айырмасы олуштурабмененжегини көрсөткөн.

14 стеклы бир конфигурацияда топлам 1972 клетка булундугунда стектер арасындаки максимум температура фаркы узун сабах күтүү мезгилинин сонунда 5,7 °Ж, акшамдаки дагы кыса күтүү мезгилинин сонунда 2,4 °Ж олмуштур.

Топлам клетка саны 5880 олдугунда каршылык гелен фарклар болжол менен 3 °Ж ве 1,1 °Ж'йе гермененмиштир.

Електролит йениден долаштырылдыгында стектер арасындаки температура айырмасы азалмактадыр.

Ен сыжак стек неден үсттеки стек олмуштур?

Контейнер чатырсы түздөн-түз күн нурлануусунын маанилүү бөлүмүнү согурур. Бу неденле чатырнын йагымнында булунан үст стек дагы йүксек радйатиф жылуулук йүкүне маруз калмыштыр.

Изилдөөчүлөр бу натыйжатан харекетле стектерын мүмкүн олдугунжа контейнерин топуракине йагымн йерлештирилмесини сунуштайт.

Бу натыйжа колдонулган контейнер геометриси ве Будапешт метеороложик сыныр шарттары үчүн алынган; бүтүн контейнер дизайндарында ошол эле температура айырмасынын олушажторы анламына гелмез.

Шарж тартипсында стекын термалдык жүрүм-туруму насылдыр?

Шарж башлангыжында негизги электрохимиялык реаксионларын эндотермиялык еткиси аниден ортойа чыкаркен бактан гелен электролитин стека улашмасы белирли бир заман алмактадыр. Бу неденле кыска мөөнөттүү бир баштапкы согумасы гөрүлебилмектедир.

SoC йүкселдикче клетка чыңалуусу артар. Сабит заряддоо кубатынү коруйабилмек үчүн агымм азалтылыр. Айны заманда модельде клетка каршылыгы де SoC менен азалдыгындан Жоуле жылуулугу гермененр.

Кенди кендине разряд реаксионларынын жылуулук өндүрүшү болсо йүксек SoC'де базы внегизгидйум ионларынын концентрациялеринин артмасына бторлы катары йүкселмектедир.

Дезаряд учурунда не дегишмектедир?

Дезаряд башладыгында экзотермиялык негизги реаксионлар ве Жоуле жылуулугу неденийле топлам жылуулук өндүрүшү аниден йүкселмектедир.

SoC азалдыкча клетка чыңалуусу дүшер. Сабит чыкыш гүжүнү коруйабилмек үчүн агыммын мутлак маании йүкселир. Бунун сонужунда:

• Жоуле жылуулугу артар.
• Ентрочоку жылуулук дегишир.
• Герекли электролит агым өлчөмүси йүкселир.
• Танктан гелен дагы согук электролитин стекы муздатуу еткиси гүчленир.

Жогорку агыммлы конфигурацияларда клетка чыңалуусундеки дүшүш дагы чоң олдугу үчүн бу термалдык өзгөрүүлер дагы айкындир.

Електролит агымшы жылуулук башкарууде не катар маанилүүдир?

Модел натыйжалары, стек температурасы үстүндө ен күчтүү убакытчлерден биринин стека насослнегизгин электролитин твакцинадыгы жылуулук олдугуну көрсөтөт.

Изилдөөдө заряд учурунда агым фактору 2, разряд учурунда 5 колдонулган. Амач зарядда температура йүкселтижи агымш еткисини азалтмак, разрядда болсо бактаки дагы согук электролиттен дагы фазала йарарланмактыр.

Инжеленен бүтүн системалерде герекли агым өлчөмү болжол менен 0,6–30 м³/саат, насос көтөрүү бийиктиги болсо болжол менен 0,2–15 m арасында дегишмиштир.

Бу кең изилдөө аралыгы тек бир насоснын хер шартда идеал изилдөөсыны зорлаштырмактадыр. Изилдөөчүлөр ики этаптуу бир насос системасы вейа изилдөө дурумуна ылайык динамик катары айарлнегизгин агым факторунү гележек гелиштирмелер арасында көрсөтөт.

Термал йөнетимде электролит айлантуунын COP маании неден абдан йүксек олабилийор?

Бкошуу тартибинда стек менен гириш электролити арасында болжол менен 4 °Ж температура айырмасы ве 0,5 L/с долвакцинам агым өлчөмүси булундугунда булакта гечижи катары 130'ун үстүндө COP хесаплнегизгибмененжеги белгиленет.

Бурадаки COP, класик бир муздатуу макинесинин термодинамикалык цикл өндүрүмдүүлүкыйла бире бир ошол эле физикалык меканизмайы темсил етмез; дүшүк насос гүжүйле бактаки дагы согук электролитин твакцинадыгы чоң жылуулук өлчөмынын катышыдыр.

Моделде флусхинг үчүн гөрүлен эң төмөн COP болжол менен 3'түр.

Изилдөөнүн күчтүү жактари нелердир?

• Електриксел, химиялык, хидролик ве термалдык убакытчлер ошол эле система моделдинде бирлештирилмиштир.
• 4–400 kW арасында ики мертебейи капсайан масштабдоо түзүмлмыштыр.
• Топлам 180 ар түрдүү агымм-клетка-стек конфигурацияу каршылаштырылмыштыр.
• Тек стек ве көп стек архитектуралари өз-өзүнчө бааланган.
• Йардымжы жабдуу түкетимлери система натыйжалуулугуне дâхил едилмиштир.
• Шөнт агыммлары ве шунт агымдарындан булаклнегизгин жылуулук хесаба катылмыштыр.
• Контейнер дубалдары айры термалдык түйүнлер катары модельленмиштир.
• Бмененшенлер арасындаки радйасйон үчүн үч өлчөмдүү көрүнүү фактору матрицасы колдонулган.
• Герчек, бир мүнөтлык экологиялык температура ве күн нурлануусу маалыматтари колдонулган.
• Фан, кондиционер ве мезгил-мезгили менен электролит айлантууны бирлештирен гибрид жылуулук көзөмөл бааланган.
• Йыгын конумунун контейнер үчүндеки температура фаркларына еткиси изилденген.

Изилдөөнүн негизги чектөөлөры нелердир?

• Изилдөө физикалык 4–400 kW батарея тажрыйбалари дегил, система дүзейи моделдөө ве симуляциядур.
• Йени модель үйүрмүнүн бүтүнү үчүн бторымсыз бир физикалык эксперименттик текшерүү сунулган эмес.
• Електриксел, химиялык ве хидролик алт моделдерин маанилүү бөлүмү дагы мурунку модель үйүрмүне дайанмактадыр; мүйжут изилдөөдө текрар валидация берилген эмес.
• Хүжре температурасы ве ион концентрациясы клетка үчүнде униформ кабул едилмиштир.
• Йан реаксионлардан газ олушуму ихмал едилмиштир.
• Йыгынлар арасында өндүрүш толерансларындан булаклнегизгин каршылык вейа өткөрүмдүүлүк ар түрдүүлыклары модельленмемиштир.
• Чок стеклы системалерде стектерын өздеш олдугу кабул едилмиштир.
• Контейнер изоляция калыңдыгы 10 cm катары сабитленмиш; согук дмаани оптимизацияу изилдөөнүн капсамы дышында бырагымлмыштыр.
• Чүйресел негизгилиз Будапешт метеорологиялык маалыматсине дайанмактадыр.
• Өзелликле сыжак дмаани үчүн начар учур сенарйосу сечилмиш, бүтүн йыл өндүрүмдүүлүкы рапорланмамыштыр.
• Енержи/гүч катышы бүтүн системалерде 4 саат катары сабитленмиштир.
• Шарж ве разряд туруктуу кубат профилийле модельленмиштир; герчек тармак хизметлери дагы дегишкен олабилир.
• Економик инвестициялык чыгым оптимизацияу түзүмлмамыштыр.
• Помпа бвакцинана стек йаклвакцинамынын капитал чыгымине еткиси хесапланмамыштыр.
• Термал йөнетим менен система өмүрү арасында түздөн-түз жашланма модельи курсулмамыштыр.
• Електролит чөкмөси түздөн-түз кинэтикалык бир чөкмө модельийле хесапланмамыш; температура сыныры иштетүү кжылуулукты катары колдонулган.
• Булак үчүнде жылуулук башкаруу жоготуусунын тек-стек алт сыныры %7,2 ве натыйжа бөлүмүнде %7,5 катары ики ар түрдүү сүрөтде маалыматлмиштир.
• Инвертер натыйжалуулук моделдине илишкин текст ичи [29] атфы менен булакчадаки [29] насос кайнторы арасында оласы бир реферанс уйумсузлугу вардыр.

Изилдөөнүн дестекледиги натыйжалар

• Айны гүчте разряд агымы дүштүкче омдук жоготуулар азалмакта ве электрдик натыйжалуулук артмактадыр.
• Моделде электрдик натыйжалуулук болжол менен %68–89 аралыгындадыр.
• Йардымжы түкетимлер дâхил едилдигинде система натыйжалуулугу болжол менен %43–66 аралыгына дүшмектедир.
• Төмөн агымм ве йүксек клетка саны генел катары эң жогорку система натыйжалуулугуни сторламактадыр.
• Жогорку гүчте жардамчы жабдууын ылайыкли энергия керектөө азалабилмектедир.
• Термал йөнетим жалпы система натыйжалуулугуни биркач йүзде пуандан фазала еткмененйен негизги жоготуу ширетмелеринден биридир.
• Чок стек системалеринде насосторын ылайыкли еткиси болжол менен %0,96–2,32 аралыгындадыр.
• Шөнт агыммларынын жылуулук салымы белирли дүшүк-агымм/йүксек-клетка шарттарында заряд учурунда %22'йе улашабилмектедир.
• Контейнер үчүндеки стек конуму күтүү мезгилдериндеки температура дторылымыны еткмененйебилмектедир.
• Електролит агым өлчөмүсинин динамик йөнетими жылуулук көзөмөл үчүн маанилүү бир оптимизация дегишкенидир.

Изилдөөнүн канытламадыгы натыйжалар

• 400 kW/1600 kWh физикалык бир прототипин %65,8 система натыйжалуулугуйле чалыштыгы эксперименттик түрдө гөстерилмемиштир.
• Бүтүн иклимлерде ошол эле агымм-клетка комимаратсйонунун оптишам олажторы канытланмамыштыр.
• Төмөн агыммлы ве абдан клеткали дизайнын экономикалык катары ен ужуз чөзүм олдугу гөстерилмемиштир.
• Өнермененн жылуулук көзөмөлүн узак мөөнөттүү талаа колдонуунда тейлөө вейа ишенимилирлик үстүнлүгү ырасталган эмес.
• Йыгынларын топураке йерлештирилмесинин хер контейнер геометрисинде ошол эле термалдык авантажы вережеги гөстерилмемиштир.
• Динамик агым фактору өнерисинин энергия үнөмдөө мүйжут изилдөөдө айры оптимизация тажрыйбаийле сандык катары ырасталган эмес.
• Олушан калдык жылуулукнын жылуулук регенеративдүү электрохимиялык циклле гери казанылмасы мүйжут модельде уйгуланмыш бир натыйжа дегилдир; гележек изилдөө өнерисидир.

Бүйүк масштабдуу энергия сактоо дизайны ачжылуулукндан негизги месаж недир?

Изилдөө, бир ванадий редокс агым батареясыны бүйүтменин йалнызжа бак хажмини ве клетка саныны артырмак анламына гелмедигини көрсөтөт. Акым сүйийеси електриксел жоготуулары, клетка саны шунт агымдарыны ве физикалык стек бойутуну, насос дүзени хидролик жоготуулары, контейнер геометриси болсо жылуулук башкарууи дегиштирмектедир.

Бу неденле дизайнын йалнызжа клетка натыйжалуулуки вейа номиналдык кубат аркылуу дегил, батарея + насостор + инвертер + желдеткичтер + кондиционер + түтүклама + контейнер бүтүнү аркылуу түзүмлмасы герекир.

Изилдөөнүн гележеге йөнелик өнермененри арасында дегишкен агым фактору контролү, кең агым өлчөмү аралыгыны дагы натыйжалуулукли каршылайабмененжек эки баскычтуу насослама ве системаде олушан төмөн температуралы калдык жылуулукнын електрик өндүрүшүнде маанилендирилмеси булунмактадыр. Бунлар мүйжут изилдөөнүн ырасталган өндүрүмдүүлүк натыйжалары дегил, модель натыйжаларындан түретмененн гележек изилдөө йөнлеридир.

Изилдөөнүн Йөнтеми ве Булгулары

Модел инфраструктурасы

Хүжре ачык чынжыр чыңалуусу ве йүк астындаки гүч

Изилдөөдө клетка чыңалуусу Нернст бторынтжылуулукны ве ич каршылыгы бирликте көңүл бурууе алмактадыр:

\[ P_u=N_sN_cI\left(E_c^0+\frac{\mathcal{R}T}{zF} \ln\left( \frac{c_{V^{2+}}c_{VO_2^+}c_{H^+}^2} {c_{V^{3+}}c_{VO^{2+}}} \right)-R_{c,dch}I \right) \]

𝓡 = 8,314 Ж/(мол·K) универсал газ туруктуусу, Ф = 96.485 Ж/мол Faraday сабити, з актарылан електрон сайжылуулук, ж ион концентрациясы, Р_ж,джх разряддаки клетка каршылыгыдир.

Денклем ошол эле бута гүжүн неден ар түрдүү агымм ве клетка сайыларыйла үретмененбилдигини, бирок агымм йүкселдикче омик чыңалуу кайбынын бүйүдүгүнү көрсөтөт.

Акыш каршылыгы ве насос көтөрүү бийиктиги

Помпанын сторламасы герекен кысуу йүксеклиги:

\[ H=\frac{\Delta p_s+\Delta p_p}{\rho_e g} \]

катары эсептелген.

Δп_с стек басым жоготуусуны, Δп_п түтүк басым жоготуусуны, ρ_е электролит тыгыздыгыну ве г йерчекими ивмесини ифаде етмектедир.

Йыгын басым жоготуусу болсо гириш манифолду, клетка ве чыкыш манифолду жоготууларынын топламыдыр:

\[ \Delta p_s=\Delta p_{man,i}+\Delta p_c+\Delta p_{man,o} \]

Башлыжа термофизикалык параметрелер

Инжеленен гүч ве агымм аланы

• Номинал гүч: 4–400 kW
• Номинал сыйымдуулук: 16–1600 kWh
• Енержи/гүч катышы: 4 саат
• Гүч дуруму сайжылуулук: 10
• Хер дурумда агымм/клетка конфигурацияу: 18
• Топлам симуляция конфигурацияу: 180
• Дезаряд агыммы: 50–250 A
• Йыгын сайжылуулук: 1–14
• Башлангыч түйүн температурасы: 23 °Ж

Тек стек ве көп стек натыйжалуулук натыйжалары

Башлыжа көмөкчү система жоготуулары

Шөнт агыммларынын термалдык сонужу

Шарж тартипсында дүшүк агымм-йүксек клетка саны бөлгесинде шунт агымдарындан булаклнегизгин жылуулук топлам стек жылуулуксынын болжол менен %22'сине катар улашмыштыр. Дезаряд учурунда максишам салым дагы дүшүктүр.

Бу неденле изилдөөчүлөр орток беслеме хаттына болжол менен 10–15'тен фазала клетка бторланмамасыны сунуштайт.

Термал йерлешим натыйжалары

Чаты эң жогорку күн йүкүнү алдыгы үчүн үст стек эң ысык конума гелмиштир. Електролит долвакцинамы стектер арасындаки температура фаркларыны азалтмыштыр.

Акыш ве насостоо изилдөө аймагы

Модел валидация сыныры

Изилдөөнүн електриксел, химиялык ве хидролик алт моделдеринин маанилүү бөлүмү изилдөөчүлөрдүн мурунку модель үйүрмүне дайанмактадыр. Булак, мурунку моделдин башка ырасталган моделдерин натыйжаларыйла каршылаштырылдыгыны белиртмекте ве бу неденле мүйжут макаледе валидация бөлүмүнү текрар вермемектедир.

Бу йаклвакцинам мүйжут моделдин гечмиш бир негизгие дайандыгыны көрсөтөт; бирок бул изилдөөда екленен айрынтылы радйасйон торы, йени жылуулук башкаруу дүзени ве 4–400 kW масштабдоо натыйжаларынын тамамынын бторымсыз физикалык прототип өлчөөлөрийле догруландыгы анламына гелмемектедир.

Гележек изилдөөларда изилдөөчүлөрдүн өнердиги йөнлер

• Електролит агым өлчөмүсинин изилдөө анына ылайык динамик катары айарланмасы
• Гениш агым өлчөмү аралыгы үчүн эки баскычтуу насос системаи
• Төмөн гүч стектерында флусхинг'ин йүксек COP авантажындан дагы еткин йарарланылмасы
• Олушан калдык жылуулукнын жылуулук регенеративдүү электрохимиялык циклле електрик өндүрүшүнде маанилендирилмеси

Булак жана метод эскертүүсү

Изилдөөнүн там өзгүн ады: Модел-басед упсжалинг оф внегизгидиум редоx флоw баттерй сйстемс: енгинееринг жхалленгес анд солутионс

Авторлор ве догру тартиплары: Бенже Сзиффер; Виктор Жóзса.

Биринжи автор: Бенже Сзиффер.

Еш биринжи авторлык/еш салым: Булакта белиртилмемиштир.

Сорумлу автор: Бенже Сзиффер.

Сорумлу автор е-поста адреси: sziffer@energia.bme.hu

Курумсал бирикмелер:

• Бенже Сзиффер — Департмент оф Енергй Енгинееринг, Фажултй оф Межханижал Енгинееринг, Будапест Университй оф Тежхнологй анд Ежономижс, Будапест, Мажаристан.
• Бенже Сзиффер — MTA-BME Lendület “Momentum” Ренеwабле Енергй Сйстемс Ресеаржх Гроуп, Будапест, Мажаристан.
• Виктор Жóзса — Департмент оф Енергй Енгинееринг, Фажултй оф Межханижал Енгинееринг, Будапест Университй оф Тежхнологй анд Ежономижс, Будапест, Мажаристан.

Булак түрү: Внегизгидйум редокс агым батареяларынын масштабдоони көп-физикалуу йогунлаштырылмыш параметре модельийле инжелейен моделдөө ве симуляция изилдөөсы.

Хакемлик дуруму: Бул изилдөө бир препринттир ве рецензиядан өткөн эмес.

Йүкленен үйүрмүн платформау: SSRN, абстражт нумарасы 7199677.

SSRN'нин конуму: SSRN, Elsevier'ин препринт ве еркен изилдөө платформаудур; SSRN'нин кендиси акыркы хакемли журнал басмакана катары маанилендирилмемелидир.

Ошондой эле догрулнегизгин препринт кайды: arXiv:2602.12776, Апплиед Пхйсижс.

arXiv кайыт тарихи: 13 Шубат 2026.

DOI: Йүкленен SSRN үйүрмүнде айры бир DOI йазылмамактадыр. Айны изилдөө үчүн догрулнегизгин arXiv кайыт DOI'си 10.48550/arXiv.2602.12776'дыр. Бу бир arXiv кайыт DOI'сидир ве хакемли журнал DOI'си дегилдир.

Хакемли журнал: Айны баш аталыш үчүн айры бир хакемли акыркы журнал үйүрмү текшерилип ырасталган эмес.

Өзгүн хакемли басмакана: Догрулнегизгимамыштыр.

Йайын йылы: 2026.

Ресмî булак кайытлары: SSRN абстражт 7199677 ве arXiv:2602.12776.

Финансман: Изилдөө; 2021-2.1.1-EK-00001 прожеси, ДКӨП-25-1-BME-84 ве Мажаристан Натионал Ресеаржх, Дүйелопмент анд Ынноватион Фунд тарафындан финансе едмененн НККП АДВАНЖЕД 150696 дестегини билдирет.

Бу Түркче ачыклама йүкленен изилдөөнүн билимсел ичеригине дайаныларак даярдалган. Ана текстдеки термалдык, електриксел ве хидролик теңдемелер; 10 масштабдоо дуруму; 180 агымм-клетка конфигурацияу; тек ве көп стек натыйжалуулук карталары; шунт агымы натыйжалары; көмөкчү система түкетимлери; контейнер радйасйон модельи ве гүнлүк термалдык убакытч графиклери бирликте бааланган. Дыш булаклар йалнызжа изилдөө кимлиги, arXiv кайды, DOI ве жарыялоо/платформа дурумунун библийографик валидациясы үчүн кулланылмыш; билимсел өндүрүмдүүлүк маалыматтарине дыш булаклардан йени натыйжа екленмемиштир.

Изилдөөнүн негизги методологиялык сыныры, натыйжаларын физикалык 4–400 kW VRFB тетуманлеринден алынмыш саха өлчөөлөри дегил модель чыктылары олмасыдыр. Гүнжел моделдин бүтүн йени айрынтылары бторымсыз эксперименттик прототипле ырасталган эмес; клетка ичи температура ве ион концентрациялери униформ кабул едилмиш, стектер арасында өндүрүш ар түрдүүлыклары ихмал едилмиш ве экологиялык шарттар Будапешт'деки сыжак дмаани маалыматтарийле сынырландырылмыштыр. Бу неденле маалыматлен оптишам бөлгелер ве натыйжалуулук маанилери модельде диагнозмлнегизгин архитектура ве изилдөө шарттары үчүнде маанилендирилмелидир.