Ushbu tadqiqot vanadiy redoks oqim batareyalari bir necha kilovattli tizimlardan yuzlab kilovattli tizimlargacha kattalashtirilganda elektr samaradorligi, nasos iste’moli, issiqlik boshqaruvi talabi va umumiy tizim samaradorligi qanday o‘zgarishini batafsil ko‘p-fizikali model yordamida o‘rganadi. Tadqiqotchilar 4 kW/16 kWh dan 400 kW/1600 kWh gacha bo‘lgan 10 ta quvvat-sig‘im masshtabida jami 180 ta konfiguratsiyani simulyatsiya qilgan. Bir xil maqsadli quvvat turli hujayra sonlari va 50–250 A oralig‘idagi turli razryad toklarida ta’minlangan; yuqori quvvatlarda jismonan haddan tashqari uzun bitta stek o‘rniga ko‘p stekli tuzilmalarga o‘tilgan.

Natijalarning asosiy xabari shuki, faqat batareya hujayrasining elektr samaradorligiga qarash tizim ishlashini jiddiy ravishda haqiqatdagidan yaxshiroq ko‘rsatishi mumkin. Past tokli konfiguratsiyalarda omik yo‘qotishlar kamayishi bilan elektr samaradorligi taxminan %68–89 oralig‘ida bo‘lsa, nasoslar, inverter, ventilyatorlar, konditsioner va kutish davridagi elektrolit aylanishi hisobga olinganda sof tizim samaradorligi taxminan %43–66 gacha tushadi. Past razryad toki va ko‘p hujayra soni odatda elektr samaradorligi nuqtayi nazaridan afzallik bersa-da, yordamchi tizimlarning doimiy yoki yarim doimiy iste’moli, ayniqsa kichik quvvatlarda, bu afzallikning muhim qismini yo‘qqa chiqaradi.

Issiqlik boshqaruvi tizimining ta’siri tadqiqot markazida turadi. Vanadiy elektrolitini xavfsiz ishlatish uchun taxminan 5–40 °C oralig‘ida ushlab turish zarur deb qabul qilingani sababli model ventilyatorlar, konditsioner, ochiladigan havo damperlari, davriy elektrolit aylanishi, konteyner devorlari orqali issiqlik o‘tishi, komponentlar orasidagi termal nurlanish hamda haqiqiy atrof-muhit harorati va quyosh nurlanishini birgalikda hisoblaydi. Tadqiqot natijalariga ko‘ra, issiqlik boshqaruvi yo‘qotishlari past quvvatli tizimlarda umumiy samaradorlikni taxminan %7,5–17 kamaytirishi mumkin, yuqori quvvatli konfiguratsiyalarda esa bu oraliq taxminan %6–14,2 gacha pasayadi.

Tadqiqotning muhim muhandislik xulosasi shuki, “eng yuqori hujayra samaradorligi” bilan “eng yuqori tizim samaradorligi” bir xil loyihalash muammosi emas. Juda past tok omik yo‘qotishlarni kamaytiradi, biroq ko‘proq hujayra, uzunroq steklar va boshqa sovitish talablarini keltirib chiqarishi mumkin. Juda yuqori tok esa Joule issiqligi va hujayra kuchlanishi yo‘qotilishini oshiradi. Shu sababli tadqiqot quvvat elektronikasi, nasoslash va issiqlik boshqaruvini birgalikda optimallashtirish kerakligini ko‘rsatadi.

Turkiya nuqtayi nazaridan tadqiqot quyosh va shamol ishlab chiqarishini tarmoqqa integratsiya qilish uchun ko‘rib chiqilayotgan uzoq muddatli energiya saqlash tizimlarini o‘lchamlashda ahamiyatli. Biroq natijalar jismonan qurilgan 400 kW quvvatli batareyaning dala o‘lchovlari emas. Simulyatsiyada atrof-muhit chegara shartlari uchun Budapeshtdagi haqiqiy meteorologik ma’lumotlar ishlatilgan va joriy modelning barchasi yangi jismoniy prototip bilan tajribaviy tasdiqlanmagan. Turkiyadagi harorat, quyosh nurlanishi, balandlik, o‘rnatish shakli va ishlash profillaridan foydalanib qayta simulyatsiya va dala tasdiqlashi bajarilmasdan natijalarni mahalliy inshootlarga to‘g‘ridan-to‘g‘ri ko‘chirish maqsadga muvofiq emas.

Vanadiy redoks oqim batareyalarini masshtablash nega boshqa muhandislik muammosidir?

Vanadiy redoks oqim batareyasida energiya klassik litiy-ion hujayralardagi kabi elektrod materiali ichida saqlanmaydi. Musbat va manfiy vanadiy elektrolitlari alohida baklarda saqlanadi va nasoslar orqali elektrokimyoviy hujayralardan o‘tkaziladi. Ushbu arxitektura tufayli energiya sig‘imini asosan elektrolit miqdori bilan, quvvatni esa hujayra va stek tuzilishi bilan alohida masshtablash mumkin.

Bu xususiyat katta miqyosli energiya saqlash uchun muhim loyihalash erkinligini beradi. Biroq batareya kattalashganda faqat ko‘proq hujayra qo‘shilmaydi. Shu bilan birga:

• Kattaroq elektrolit baklari kerak bo‘ladi.
• Umumiy oqim sarfi yuqoriroq bo‘ladi.
• Nasoslash energiyasi o‘zgaradi.
• Steklarning jismoniy uzunligi ortadi.
• Bitta stek o‘rniga ko‘p stekdan foydalanish zarur bo‘lishi mumkin.
• Shunt toklar va ular hosil qiladigan issiqlik muhimlashishi mumkin.
• Konteyner ichidagi komponentlar joylashuvi harorat taqsimotiga ta’sir qilishi mumkin.
• Ventilyator va konditsioner iste’moli umumiy samaradorlikning muhim qismini tashkil qilishi mumkin.

Shuning uchun tadqiqotning asosiy savoli faqat “VRFB kattalashtirilishi mumkinmi?” emas. Asosiy savol, bir xil maqsadli quvvat turli tok-hujayra-stek kombinatsiyalari bilan ta’minlanganda, barcha yordamchi iste’mollarni ham qo‘shganda qaysi konfiguratsiya eng yuqori tizim samaradorligini berishidir.

Tadqiqot adabiyotdagi qaysi bo‘shliqni to‘ldirishni maqsad qilgan?

Oldingi modellar hujayra elektrokimyosi, oqim, shunt toklar yoki issiqlik boshqaruvining ayrim qismlarini baholagan. Tadqiqotchilar, ayniqsa yirik konteyner tizimlarida, komponentlar orasidagi termal nurlanish, quyosh nurlanishi, konteyner devorlari orasidagi issiqlik o‘tkazuvchanligi va real vaqt aniqligidagi meteorologik sharoitlarning tizim haroratlariga ta’siri yetarlicha batafsil ko‘rib chiqilmaganini ta’kidlaydi.

Shu sababli tadqiqotda ishlab chiqilgan model faqat hujayra yoki stek darajasida emas. Modelda musbat va manfiy elektrolit baklari, kirish-chiqish quvurlari, har bir stek, konteyner havosi, yordamchi uskuna va konteynerning alohida devorlari termal tugunlar sifatida ta’riflangan. Steklar soniga qarab model jami 14–27 ta jamlangan parametr tugunini o‘z ichiga oladi.

Bundan tashqari, bir xil quvvatni ta’minlaydigan turli hujayra soni va tok kombinatsiyalari tizimli ravishda ko‘rib chiqilib, masshtablashning samaradorlikka ta’siri o‘rganilgan. Shu maqsadda 10 ta quvvat darajasi va har bir quvvat darajasi uchun 18 ta tok-hujayra kombinatsiyasi ishlatilgan.

Vanadiy redoks oqim batareyasida elektr qanday ishlab chiqariladi?

Manfiy yarim hujayra uchun manbada berilgan asosiy redoks reaksiyasi quyidagicha:

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

Musbat yarim hujayra reaksiyasi esa:

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

Zaryadlash va razryadlash yo‘nalishida reaksiyalar yo‘nalishi o‘zgaradi. Membrana musbat va manfiy elektrolitlarning bevosita aralashishini cheklab, protonlarning o‘tishiga imkon beradi. Biroq membrana mutlaqo selektiv emas. Vanadiy ionlarining qarama-qarshi tomonga o‘tishi o‘z-o‘zidan razryadlanish reaksiyalariga va qo‘shimcha issiqlik hosil bo‘lishiga olib kelishi mumkin.

Nega harorat shunchalik muhim o‘zgaruvchidir?

Tadqiqotda elektrolit xavfsiz ishlashi uchun taxminan 5–40 °C oralig‘ida ushlab turilishi kerak deb qabul qilingan. Ayniqsa 40 °C dan yuqori haroratlarda vanadiy turlarining termal cho‘kishi jiddiy ekspluatatsion xavf tug‘dirishi mumkin.

Stek haroratini bir vaqtning o‘zida ko‘plab jarayonlar o‘zgartiradi:

• Elektrolit baklardan stekka olib keladigan issiqlik
• Tokka bog‘liq Joule issiqligi
• Asosiy elektrokimyoviy reaksiyalarning entropik issiqligi
• Membrana orqali o‘tish tufayli yuzaga keladigan o‘z-o‘zidan razryad reaksiyalari
• Konteyner havosi bilan konveksiya
• Boshqa komponentlar bilan termal nurlanish
• Nasoslash yo‘qotishlarining elektrolitga o‘tkazadigan issiqligi
• Tashqi muhit harorati
• Konteyner devorlari yutadigan quyosh nurlanishi

Shu sababli tizim haroratini faqat elektr yo‘qotishlardan hisoblash yetarli emas.

Stek harorati qaysi energiya balansi bilan modellashtirilgan?

Manbada stek uchun berilgan energiya balansi kiruvchi elektrolit olib keladigan issiqlikni, havo bilan konveksiyani, Joule issiqligini, yon reaksiyalar issiqligini, asosiy reaksiyalarning entropik hissasini va termal nurlanishni bitta tenglamada birlashtiradi. Tenglama tuzilish jihatidan quyidagi hadlarni o‘z ichiga oladi:

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

Bu yerda ρ_e elektrolit zichligini, c_p,e solishtirma issiqlik sig‘imini, V_s stek ichidagi elektrolit hajmini, T_s stek haroratini, I tokni va R_s stekning elektr qarshiligini ifodalaydi.

I²R hadi tok oshgani sari Joule issiqligi kvadratik ravishda ortishini ko‘rsatishi bilan ayniqsa muhim. Shu sababli bir xil quvvatni yuqori tok va kamroq hujayra bilan ishlab chiqarish elektr va termal jihatdan past tokli dizaynga teng emas.

Termal nurlanish modelga qanday qo‘shilgan?

Konteyner ichidagi komponentlarning sirt maydonlari katta bo‘lgani sababli tadqiqotchilar termal nurlanishni e’tibordan chetda qoldirmagan. Ansys Fluent 2023 R1 yordamida konteynerning soddalashtirilgan uch o‘lchamli geometriyasi yaratilgan va komponentlarning bir-birini qay darajada “ko‘rishini” ifodalovchi ko‘rish faktori matritsasi hisoblangan.

Bir komponentning radiatsion issiqlik almashinuvi quyidagi munosabat bilan modellashtirilgan:

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

Bu yerda σ Stefan–Boltzmann doimiysini, ε sirt emissivlik koeffitsiyentini, φ_i,j ikki sirt orasidagi ko‘rish faktorini, A_i sirt maydonini va T mutlaq haroratni ifodalaydi.

Haroratning to‘rtinchi darajasiga bog‘liqligi sababli radiatsion issiqlik almashinuvi issiq sirtlarda tezda muhimlashishi mumkin. Konteyner tomining quyosh nurlanishini bevosita qabul qilishi shu nuqtayi nazardan ayniqsa muhim.

Konteyner devorlari nega alohida-alohida modellashtirilgan?

Tom va to‘rtta yon sirt bir xil miqdorda quyosh nurlanishiga duch kelmaydi. Shu sababli konteyner bitta harorat tuguni sifatida ta’riflansa, yo‘nalishga bog‘liq quyosh yukining ta’siri yo‘qolishi mumkin.

Tom uchun ishlatilgan energiya balansi umumiy ko‘rinishda:

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

ko‘rinishidadir. Bu yerda G_h gorizontal global quyosh nurlanishini, a tashqi sirt yutish koeffitsiyentini, o‘tkazuvchanlik hadlari esa devorlarning manba bilan bog‘langan ulanishlari orqali bir-biriga uzatadigan issiqlikni ifodalaydi.

Tadqiqotda konteyner uchun 10 cm izolyatsiya qabul qilingan. Tashqi sirt yutish koeffitsiyenti 0,5, tashqi emissivlik koeffitsiyenti 0,86, ichki sirt emissivlik koeffitsiyenti 0,75 sifatida ishlatilgan.

Modelda qanday boshlang‘ich farazlar qilingan?

Bu qabul qilishlar tizim darajasidagi hisobni mumkin qiladi; biroq haqiqiy yirik stek ichida yuzaga kelishi mumkin bo‘lgan mahalliy harorat, oqim sarfi va konsentratsiya farqlarini yechmaydi.

10 ta masshtablash holati qanday yaratilgan?

Quvvat darajalari Renard qatori yondashuvi bilan 4 kW dan 400 kW gacha oshirilgan:

\[ P_n=P_1r^n \]

Umumiy masshtab koeffitsiyenti manbada:

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

sifatida hisoblangan.

Barcha holatlarda nominal energiya/quvvat nisbati 4 soat. 31 kW dan yuqorida bitta stekning jismoniy uzunligi amaliy bo‘lmay qolganligi sababli 6-holatdan boshlab ko‘p stekli arxitekturaga o‘tilgan.

Nega bir xil quvvat uchun 18 ta turli tok ishlatilgan?

Batareya stekining quvvati hujayralar soni, hujayra kuchlanishi va tokning kombinatsiyasi bilan belgilanadi. Tadqiqotda ishlatilgan asosiy quvvat munosabati:

\[ P_u=N_sN_cIE_c \]

va ichki qarshilik hisobga olinganda:

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

ko‘rinishidadir.

Bu yerda N_s steklar soni, N_c har bir stekdagi hujayralar soni, I tok va E_c hujayra kuchlanishidir.

Tok oshganda R·I kuchlanish yo‘qotilishi ortgani uchun hujayra chiqish kuchlanishi kamayadi. Bu ta’sir ayniqsa zaryad holati past, ya’ni SoC past bo‘lganda aniqroq namoyon bo‘ladi.

Tadqiqotchilar har bir quvvat darajasida 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 225 va 250 A bo‘lgan 18 ta tok darajasiga mos keladigan hujayra sonlarini ko‘rib chiqqan.

Kunlik ishlash profili qanday modellashtirilgan?

Batareya fotovoltaik stansiya bilan birga ishlaydigan namunaviy kunlik profil ishlatilgan. Batareya taxminan 09:00–15:00 oralig‘ida zaryadlanadi, 18:00–22:00 oralig‘ida esa doimiy quvvatda razryadlanadi.

Zaryadlash boshida SoC past bo‘lgani sababli stek kuchlanishi ham pastroq bo‘ladi va doimiy quvvatni ta’minlash uchun kirish toki yuqoriroq bo‘ladi. SoC oshgan sari kuchlanish ko‘tariladi va kerakli tok kamayadi.

Razryadda buning aksi kuzatiladi. SoC pasaygan sari hujayra kuchlanishi tushadi va bir xil chiqish quvvatini ushlab turish uchun tokning mutlaq qiymati oshadi. Bu holat razryadning keyingi qismida Joule issiqligining ham ortishiga olib keladi.

Haqiqiy ob-havo sharoitlari qanday ishlatilgan?

Atrof-muhit sharoitlari doimiy harorat sifatida belgilanmagan. Baseline Surface Radiation Network tarmog‘ining Budapesht stansiyasidan bir daqiqalik aniqlikdagi haqiqiy atrof-muhit harorati va yo‘nalishlar bo‘yicha quyosh nurlanishi ishlatilgan.

Oxirgi mavjud to‘liq yilning eng issiq 20 kunlik davri tanlangan; simulyatsiya natijalari uchun 4-kundan 14-kungacha bo‘lgan davr ishlatilgan. Dastlabki to‘rt kun boshida takrorlanib, turli tizim o‘lchamlarining termal inertsiya sababli paydo bo‘ladigan boshlang‘ich ta’sirlari kamaytirilgan va bu boshlang‘ich qism yakuniy energiya hisoblaridan chiqarib tashlangan.

Ushbu tanlov tadqiqotni ayniqsa issiq davr nuqtayi nazaridan “yomon holat” termal baholashiga aylantiradi.

Shunt toklar nega muhim?

Bir nechta hujayra umumiy elektrolit taqsimlash kanallariga ulanganida, ion o‘tkazuvchi elektrolit istalmagan parallel elektr yo‘llarini hosil qilishi mumkin. Bu toklar shunt toklar deb ataladi.

Model Kirchhoff tok va kuchlanish qonunlari yordamida hujayra oziqlantirish quvurlari va manifoldlardagi shunt toklarni yechadi. Shunt toklar faqat energiya yo‘qotishini keltirib chiqarmaydi; ular issiqlik ham hosil qiladi.

Tadqiqot xaritalarida ko‘pchilik konfiguratsiyalarda shunt issiqligining umumiy issiqlik hosil bo‘lishiga hissasi past bo‘lib qolgan. Biroq past tok va ko‘p hujayra sonida bu ulush sezilarli ravishda oshadi. Zaryadlash vaqtida ayrim konfiguratsiyalarda shunt toklarning umumiy issiqlik hosil bo‘lishidagi ulushi %22 gacha yetgan.

Shu sababli tadqiqotchilar bitta umumiy oziqlantirish quvuri tizimiga taxminan 10–15 tadan ko‘p hujayra ulamaslikni tavsiya qiladi.

Bitta stekli tizimlarning elektr samaradorligi qanday o‘zgargan?

Bitta stekli 1–5-holatlar uchun elektr samaradorligi:

• Eng past: %67,92 — 250 A, 154 hujayra
• Eng yuqori: %86,18 — 50 A, 60 hujayra

sifatida hisoblangan.

Bir xil tok darajasida quvvat va hujayralar sonining ortishi elektr samaradorligini juda kam o‘zgartirgan. Doimiy tokda elektr samaradorligida kuzatilgan eng katta farq taxminan 1,3 foiz punktini tashkil qilgan. Bu elektr samaradorligining asosiy belgilovchisi tizim quvvatidan ko‘ra tokka bog‘liq omik yo‘qotish ekanini ko‘rsatadi.

Elektr samaradorligi bilan tizim samaradorligi orasidagi farq qanchalik katta?

Elektr samaradorligi faqat hujayra/stek ichidagi elektr yo‘qotishlarni hisobga oladi, tizim samaradorligi esa nasoslar, inverter, ventilyatorlar, konditsioner, boshqaruv tizimi va kutish davridagi aylanish iste’molini ham o‘z ichiga oladi.

Bitta stekli konfiguratsiyalarda tizim samaradorligi:

• Eng past: %43,25 — 250 A, 20 hujayra
• Eng yuqori: %63,63 — 50 A, 280 hujayra

oralig‘ida o‘zgargan.

Bu farq faqat hujayra samaradorligiga asoslangan dizayn bahosi yordamchi uskunaning haqiqiy energiya xarajatini yashirishi mumkinligini ko‘rsatadi.

Nega kattaroq tizimlarda yordamchi uskunalarning nisbiy yo‘qotishi kamayishi mumkin?

Nasos va ayrim boshqaruv komponentlarining energiya iste’moli batareya quvvatiga birga-bir mutanosib ravishda oshmaydi. Masalan, ishlatilgan nasos minimal yukda ham taxminan 64 W iste’mol qiladi.

Tadqiqotda 50 A va 456 hujayrali konfiguratsiyaning umumiy oqim sarfi va chiqish quvvati 50 A va 60 hujayrali tizimga nisbatan mos ravishda taxminan 7,6 va 7,76 marta oshgan, maksimal nasos iste’moli esa atigi 1,25 marta ko‘tarilgan.

Shuning uchun kichik tizimlarda nasosning doimiy iste’moli umumiy energiyaga nisbatan kattaroq ulushni tashkil qiladi, yuqori quvvatlarda esa shu turdagi yordamchi iste’mol nisbatan kichrayadi.

Inverter yo‘qotishi qanday darajada?

Tadqiqotda inverter sababli umumiy samaradorlikda taxminan %11–12 pasayish hisoblangan. Doimiy zaryadlash va razryadlash quvvati ishlatilgani sababli bir xil nominal quvvat darajasidagi turli tok-hujayra konfiguratsiyalarida inverter yo‘qotishi o‘xshash bo‘lib qoladi.

Manba ichida bu yerda e’tiborga molik bibliografik nomuvofiqlik mavjud. Inverter samaradorligi yondashuvi tushuntirilgan paragrafda [29] manbaga havola berilgan, biroq bibliografiyadagi [29] Grundfos nasos mahsuloti sahifasidir. Shu sababli inverter samaradorligi modelining [29] bilan qo‘llab-quvvatlanishi matn ichidagi havola nuqtayi nazaridan noaniq; bu nomuvofiqlik jimlik bilan tuzatilmagan.

Issiqlik boshqaruvi tizimi qanday ishlaydi?

Gibrid issiqlik boshqaruvi tizimi to‘rtta asosiy yondashuvni birlashtiradi:

• Ochiladigan boshqaruv damperlari
• Stek va bak ventilyatorlari
• Konditsioner tizimi
• Kutish vaqtida davriy elektrolit aylanishi

Stek ventilyatorlari devordagi issiqlik uzatish koeffitsiyentini 10 W/(m²K) dan yuqori ushlab turish uchun stekdan taxminan 10 cm oldinda joylashtirilgan va har bir ventilyator uchun 45 W elektr iste’moli qabul qilingan. Har bir bakning yon tomonlariga uchtadan va yuqorisiga bittadan, jami to‘rtta qo‘shimcha ventilyator belgilangan.

Issiqlik boshqaruvi nazoratining o‘z iste’moli 10 W deb qabul qilingan. Boshqaruv mantiqi harorat chegarasini ta’minlay oladigan variantlar orasidan ayni paytda eng yuqori samarali ishlash koeffitsiyentini, ya’ni COP qiymatini beradigan sovitish usulini tanlaydi.

Kutish vaqtida elektrolit nega aylantiriladi?

Batareya elektr almashinuvi qilmayotgan paytda ham membrana orqali yuz beradigan o‘z-o‘zidan razryad reaksiyalari issiqlik hosil qilishda davom etishi mumkin. Nasoslar butunlay o‘chirilsa, bu issiqlik stek ichida to‘planishi mumkin.

Tadqiqotda doimiy nasoslash o‘rniga davriy “flushing” qo‘llangan. Bir sikl:

• Stek ichidagi elektrolit bir marta to‘liq almashtirilishiga teng aylanish vaqti
• Buning ikki baravar uzunligidagi nasossiz kutish vaqti

sifatida ta’riflangan.

Ushbu strategiya doimiy aylanishga nisbatan nasos energiyasini taxminan uchdan birga kamaytirgan, maksimal haroratni esa tizimga qarab atigi taxminan 0,3–0,4 °C ga oshirgan.

Issiqlik boshqaruvi samaradorlikni qancha pasaytiradi?

Bitta stekli tizimlarda tadqiqotning xulosa qismida issiqlik boshqaruvi yo‘qotishi taxminan %7,5–17 deb umumlashtirilgan. Ko‘p stekli va yuqori quvvatli tizimlarda bu oraliq %6–14,2 gacha kamayadi.

Matnning ko‘p stekli natijalar muhokama qilingan qismida bitta stek uchun quyi chegara %7,2 deb ham yozilgan; xulosa qismida ayni oraliq %7,5–17 sifatida umumlashtirilgan. Manbadagi bu kichik quyi chegara farqi sababli bu yerda xulosa qismidagi %7,5–17 qiymati asosiy umumiy qiymat sifatida saqlangan, %7,2 ifodasi ham matnda borligi alohida ko‘rsatilgan.

Nega eng past issiqlik boshqaruvi yo‘qotishi har doim eng past tokda emas?

Elektr samaradorligi nuqtayi nazaridan past tok aniq afzallikka ega. Issiqlik boshqaruvi nuqtayi nazaridan esa murakkabroq muvozanat yuzaga keladi.

Stek ichidagi umumiy issiqlik:

• Tokka bog‘liq Joule issiqligi,
• Tok va hujayralar soniga bog‘liq entropik issiqlik,
• Hujayralar soniga bog‘liq o‘z-o‘zidan razryad issiqligi,
• Elektrolit oqimining olib boradigan sovitish yoki isitish ta’siri

o‘rtasida shakllanadi.

Shu sababli 1–5-holatlarda eng past umumiy issiqlik boshqaruvi yo‘qotishlari mos ravishda taxminan 70, 90, 90, 110 va 110 A kabi o‘rta tok qiymatlarida yuzaga kelgan. Shunga qaramay, elektr yo‘qotish afzalligi hisobga olinganda umumiy tizim samaradorligi bo‘yicha past tok-ko‘p hujayra konfiguratsiyalari baribir odatda eng afzal hududni tashkil qilgan.

Ko‘p stekli tizimlarning samaradorligi qanday?

52–400 kW oralig‘idagi ko‘p stekli konfiguratsiyalarda:

Bu natijalar maqola xulosasida keltirilgan taxminiy %68–89 elektr va %43–66 tizim samaradorligi oralig‘iga mos keladi.

Ko‘p stekda nasoslarning ta’siri qanday?

Tadqiqotda ishonchlilik maqsadida har bir stekni alohida nasos ta’minlaydigan arxitektura ishlatilgan. Shunday qilib bitta nasos ishdan chiqishi butun tizim oqimini to‘xtatishining oldini olish mumkin; biroq nasoslar sonining ortishi kapital xarajatlarni oshirishi mumkin.

Ko‘p stekli konfiguratsiyalarda nasoslarning tizim samaradorligini kamaytirish ta’siri taxminan %0,96–2,32 oralig‘ida qolgan. Xulosa qismida yuqori quvvatli tizimlar uchun nasos yo‘qotishi taxminan %1–2 deb umumlashtirilgan.

Juda ko‘p hujayra sonining kamchiligi bormi?

Ha. Model past tok va ko‘p hujayra sonining samaradorlik afzalligini ko‘rsatsa-da, tadqiqotchilar buni cheksiz qo‘llash mumkinligini aytmaydi.

Juda uzun steklarda:

• Elektrolit sizishini oldini olish qiyinlashishi mumkin.
• Kattaroq jismoniy maydon kerak bo‘ladi.
• Stek ishlab chiqarish va montaj xarajatlari ortishi mumkin.
• Manifold va oqim taqsimoti murakkablashishi mumkin.
• Shunt tokni nazorat qilish muhimroq bo‘ladi.

Shuning uchun elektr optimum bilan ishlab chiqarilishi mumkin bo‘lgan muhandislik dizayni o‘rtasida murosa zarur.

Konteyner ichida steklarning joylashuvi haroratga ta’sir qiladimi?

Ha. Tadqiqotning radiatsiya tarmog‘i, ayniqsa kutish davrlarida, stek joylashuvi o‘lchanadigan harorat farqini yuzaga keltirishi mumkinligini ko‘rsatgan.

14 stekli konfiguratsiyada jami 1972 hujayra bo‘lganda steklar orasidagi maksimal harorat farqi uzoq ertalabki kutish davri oxirida 5,7 °C, kechqurungi qisqaroq kutish davri oxirida 2,4 °C bo‘lgan.

Umumiy hujayralar soni 5880 bo‘lganda mos farqlar taxminan 3 °C va 1,1 °C gacha pasaygan.

Elektrolit yana aylantirilganda steklar orasidagi harorat farqi kamayadi.

Nega eng issiq stek yuqoridagi stek bo‘lgan?

Konteyner tomi quyosh nurlanishining muhim qismini bevosita yutadi. Shu sababli tomga yaqin joylashgan yuqori stek yuqoriroq radiatsion issiqlik yukiga duch kelgan.

Tadqiqotchilar bu natijadan kelib chiqib steklarni imkon qadar konteyner poliga yaqin joylashtirishni tavsiya qiladi.

Bu natija ishlatilgan konteyner geometriyasi va Budapesht meteorologik chegara sharoitlari uchun olingan; barcha konteyner dizaynlarida ayni harorat farqi yuzaga kelishini anglatmaydi.

Zaryadlash vaqtida stekning termal xatti-harakati qanday?

Zaryadlash boshida asosiy elektrokimyoviy reaksiyalarning endotermik ta’siri birdan yuzaga chiqadi, bakdan keladigan elektrolitning stekka yetib kelishi esa ma’lum vaqt oladi. Shu sababli qisqa muddatli boshlang‘ich sovish kuzatilishi mumkin.

SoC oshgan sari hujayra kuchlanishi ko‘tariladi. Doimiy zaryadlash quvvatini ushlab turish uchun tok kamaytiriladi. Shu bilan birga, modelda hujayra qarshiligi ham SoC bilan kamaygani uchun Joule issiqligi pasayadi.

O‘z-o‘zidan razryad reaksiyalarining issiqlik hosil qilishi esa yuqori SoC da ayrim vanadiy ionlari konsentratsiyasi oshishiga bog‘liq ravishda ortadi.

Razryad vaqtida nima o‘zgaradi?

Razryad boshlanganda ekzotermik asosiy reaksiyalar va Joule issiqligi sababli umumiy issiqlik hosil bo‘lishi birdan ortadi.

SoC kamaygan sari hujayra kuchlanishi tushadi. Doimiy chiqish quvvatini ushlab turish uchun tokning mutlaq qiymati oshadi. Natijada:

• Joule issiqligi ortadi.
• Entropik issiqlik o‘zgaradi.
• Kerakli elektrolit oqim sarfi oshadi.
• Bakdan keladigan sovuqroq elektrolitning stekni sovitish ta’siri kuchayadi.

Yuqori tokli konfiguratsiyalarda hujayra kuchlanishining tushishi kattaroq bo‘lgani uchun bu termal o‘zgarishlar yanada yaqqol.

Elektrolit oqimi issiqlik boshqaruvida qanchalik muhim?

Model natijalari stek haroratiga eng kuchli ta’sir qiluvchi jarayonlardan biri stekka nasos bilan yuboriladigan elektrolit olib keladigan issiqlik ekanini ko‘rsatadi.

Tadqiqotda zaryadlash vaqtida oqim faktori 2, razryad vaqtida 5 ishlatilgan. Maqsad zaryadlashda oqimning haroratni oshiruvchi ta’sirini kamaytirish, razryadda esa bakdagi sovuqroq elektrolitdan ko‘proq foydalanishdir.

Ko‘rib chiqilgan barcha tizimlarda kerakli oqim sarfi taxminan 0,6–30 m³/soat, nasos bosimi balandligi esa taxminan 0,2–15 m oralig‘ida o‘zgargan.

Bu keng ishlash oralig‘i bitta nasosning har bir sharoitda ideal ishlashini qiyinlashtiradi. Tadqiqotchilar ikki bosqichli nasos tizimini yoki ish holatiga qarab dinamik sozlanadigan oqim faktorini kelajakdagi takomillashtirish yo‘nalishlari qatorida ko‘rsatadi.

Issiqlik boshqaruvida elektrolit aylanishining COP qiymati nega juda yuqori bo‘lishi mumkin?

Kutish vaqtida stek bilan kiruvchi elektrolit orasida taxminan 4 °C harorat farqi va 0,5 L/s aylanish oqimi bo‘lganda, manbada vaqtincha 130 dan yuqori COP hisoblanishi mumkinligi ko‘rsatilgan.

Bu yerdagi COP klassik sovitish mashinasining termodinamik sikl samaradorligi bilan aynan bir xil jismoniy mexanizmni ifodalamaydi; bu past nasos quvvati yordamida bakdagi sovuqroq elektrolit olib chiqadigan katta issiqlik miqdorining nisbatidir.

Modelda flushing uchun ko‘rilgan eng past COP taxminan 3.

Tadqiqotning kuchli tomonlari nimalar?

• Elektr, kimyoviy, gidravlik va termal jarayonlar bir xil tizim modelida birlashtirilgan.
• 4–400 kW oralig‘ida ikki tartibni qamrab oluvchi masshtablash bajarilgan.
• Jami 180 ta turli tok-hujayra-stek konfiguratsiyasi taqqoslangan.
• Bitta stekli va ko‘p stekli arxitekturalar alohida baholangan.
• Yordamchi uskuna iste’moli tizim samaradorligiga kiritilgan.
• Shunt toklar va shunt toklar sababli hosil bo‘ladigan issiqlik hisobga olingan.
• Konteyner devorlari alohida termal tugunlar sifatida modellashtirilgan.
• Komponentlar orasidagi radiatsiya uchun uch o‘lchamli ko‘rish faktori matritsasi ishlatilgan.
• Haqiqiy, bir daqiqalik atrof-muhit harorati va quyosh nurlanishi ma’lumotlari ishlatilgan.
• Ventilyator, konditsioner va davriy elektrolit aylanishini birlashtiruvchi gibrid termal boshqaruv baholangan.
• Stek joylashuvining konteyner ichidagi harorat farqlariga ta’siri o‘rganilgan.

Tadqiqotning asosiy cheklovlari nimalar?

• Tadqiqot jismoniy 4–400 kW batareya tajribalari emas, balki tizim darajasidagi modellashtirish va simulyatsiyadir.
• Yangi model versiyasining to‘liq qismi uchun mustaqil jismoniy tajribaviy tasdiqlash taqdim etilmagan.
• Elektr, kimyoviy va gidravlik quyi modellarning muhim qismi oldingi model versiyasiga asoslangan; joriy tadqiqotda qayta tasdiqlash berilmagan.
• Hujayra harorati va ion konsentratsiyasi hujayra ichida bir xil deb qabul qilingan.
• Yon reaksiyalardan gaz hosil bo‘lishi e’tiborga olinmagan.
• Steklar orasida ishlab chiqarish tolerantliklari sababli yuzaga keladigan qarshilik yoki o‘tkazuvchanlik farqlari modellashtirilmagan.
• Ko‘p stekli tizimlarda steklar bir xil deb qabul qilingan.
• Konteyner izolyatsiyasi qalinligi 10 cm da qat’iy belgilangan; sovuq davr optimallashtirishi tadqiqot doirasidan tashqarida qoldirilgan.
• Atrof-muhit tahlili Budapesht meteorologik ma’lumotlariga asoslangan.
• Ayniqsa issiq davr uchun yomon holat ssenariysi tanlangan, butun yil ishlashi hisobot qilinmagan.
• Energiya/quvvat nisbati barcha tizimlarda 4 soat qilib belgilangan.
• Zaryadlash va razryadlash doimiy quvvat profili bilan modellashtirilgan; haqiqiy tarmoq xizmatlari o‘zgaruvchanroq bo‘lishi mumkin.
• Iqtisodiy kapital xarajat optimallashtirishi bajarilmagan.
• Har bir nasosga bitta stek yondashuvining kapital xarajatga ta’siri hisoblanmagan.
• Issiqlik boshqaruvi bilan tizim umri o‘rtasida bevosita qarish modeli qurilmagan.
• Elektrolit cho‘kishi bevosita kinetik cho‘kish modeli bilan hisoblanmagan; harorat chegarasi ekspluatatsion cheklov sifatida ishlatilgan.
• Manbada issiqlik boshqaruvi yo‘qotishining bitta stek uchun quyi chegarasi %7,2 va xulosa qismida %7,5 sifatida ikki xil ko‘rsatilgan.
• Inverter samaradorligi modeliga oid matndagi [29] havola bilan bibliografiyadagi [29] nasos manbasi orasida ehtimoliy manba nomuvofiqligi mavjud.

Tadqiqot qo‘llab-quvvatlaydigan xulosalar

• Bir xil quvvatda razryad toki kamaygan sari omik yo‘qotishlar kamayadi va elektr samaradorligi ortadi.
• Modelda elektr samaradorligi taxminan %68–89 oralig‘ida.
• Yordamchi iste’mollar kiritilganda tizim samaradorligi taxminan %43–66 gacha tushadi.
• Past tok va ko‘p hujayra soni odatda eng yuqori tizim samaradorligini ta’minlaydi.
• Yuqori quvvatda yordamchi uskunaning nisbiy energiya iste’moli kamayishi mumkin.
• Issiqlik boshqaruvi umumiy tizim samaradorligiga bir necha foiz punktidan ortiq ta’sir qiluvchi asosiy yo‘qotish manbalaridan biridir.
• Ko‘p stekli tizimlarda nasoslarning nisbiy ta’siri taxminan %0,96–2,32 oralig‘ida.
• Shunt toklarning issiqlik hissasi ma’lum past-tok/ko‘p-hujayra sharoitlarida zaryadlash paytida %22 gacha yetishi mumkin.
• Konteyner ichidagi stek joylashuvi kutish davrlaridagi harorat taqsimotiga ta’sir qilishi mumkin.
• Elektrolit oqim sarfini dinamik boshqarish termal nazorat uchun muhim optimallashtirish o‘zgaruvchisidir.

Tadqiqot isbotlamagan xulosalar

• 400 kW/1600 kWh jismoniy prototip %65,8 tizim samaradorligi bilan ishlashi tajribaviy ravishda ko‘rsatilmagan.
• Barcha iqlimlarda ayni tok-hujayra kombinatsiyasi optimal bo‘lishi isbotlanmagan.
• Past tokli va ko‘p hujayrali dizayn iqtisodiy jihatdan eng arzon yechim ekani ko‘rsatilmagan.
• Tavsiya etilgan termal boshqaruvning uzoq muddatli dala ishlatishida texnik xizmat yoki ishonchlilik ustunligi tasdiqlanmagan.
• Steklarni polga joylashtirish har bir konteyner geometriyasida ayni termal afzallikni berishi ko‘rsatilmagan.
• Dinamik oqim faktori taklifining energiya tejashi joriy tadqiqotda alohida optimallashtirish tajribasi bilan miqdoriy tasdiqlanmagan.
• Hosil bo‘lgan chiqindi issiqlikni termal regenerativ elektrokimyoviy sikl bilan qayta tiklash joriy modelda qo‘llangan natija emas; kelajak tadqiqot taklifidir.

Katta miqyosli energiya saqlash dizayni nuqtayi nazaridan asosiy xabar nima?

Tadqiqot vanadiy redoks oqim batareyasini kattalashtirish faqat bak hajmi va hujayralar sonini oshirish degani emasligini ko‘rsatadi. Tok darajasi elektr yo‘qotishlarni, hujayralar soni shunt toklarni va stekning jismoniy o‘lchamini, nasos tuzilishi gidravlik yo‘qotishlarni, konteyner geometriyasi esa issiqlik boshqaruvini o‘zgartiradi.

Shu sababli dizayn faqat hujayra samaradorligi yoki nominal quvvat bo‘yicha emas, balki batareya + nasoslar + inverter + ventilyatorlar + konditsioner + quvurlar + konteyner butunligi bo‘yicha amalga oshirilishi kerak.

Tadqiqotning kelajakka yo‘naltirilgan takliflari qatoriga o‘zgaruvchan oqim faktori nazorati, keng oqim sarfi oralig‘ini samaraliroq qoplay oladigan ikki bosqichli nasoslash va tizimda hosil bo‘ladigan past haroratli chiqindi issiqlikni elektr ishlab chiqarishda baholash kiradi. Bular joriy tadqiqotning tasdiqlangan ishlash natijalari emas, balki model natijalaridan kelib chiqqan kelajak tadqiqot yo‘nalishlaridir.

Tadqiqot usuli va natijalari

Model infratuzilmasi

Hujayraning ochiq zanjir kuchlanishi va yuk ostidagi quvvat

Tadqiqotda hujayra kuchlanishi Nernst munosabati va ichki qarshilikni birgalikda hisobga oladi:

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

𝓡 = 8,314 J/(mol·K) universal gaz doimiysi, F = 96.485 C/mol Faraday doimiysi, z uzatilgan elektronlar soni, c ion konsentratsiyasi, R_c,dch razryaddagi hujayra qarshiligidir.

Tenglama bir xil maqsadli quvvat nega turli tok va hujayra sonlari bilan ishlab chiqarilishi mumkinligini, biroq tok oshgan sari omik kuchlanish yo‘qotishi ortishini ko‘rsatadi.

Oqim qarshiligi va nasos bosim balandligi

Nasos ta’minlashi kerak bo‘lgan bosim balandligi:

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

sifatida hisoblangan.

Δp_s stek bosim yo‘qotishini, Δp_p quvur bosim yo‘qotishini, ρ_e elektrolit zichligini va g erkin tushish tezlanishini ifodalaydi.

Stek bosim yo‘qotishi esa kirish manifoldu, hujayra va chiqish manifoldu yo‘qotishlarining yig‘indisidir:

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

Asosiy termofizik parametrlar

Ko‘rib chiqilgan quvvat va tok maydoni

• Nominal quvvat: 4–400 kW
• Nominal sig‘im: 16–1600 kWh
• Energiya/quvvat nisbati: 4 soat
• Quvvat holatlari soni: 10
• Har bir holatda tok/hujayra konfiguratsiyasi: 18
• Jami simulyatsiya konfiguratsiyasi: 180
• Razryad toki: 50–250 A
• Steklar soni: 1–14
• Boshlang‘ich tugun harorati: 23 °C

Bitta stek va ko‘p stek samaradorligi natijalari

Asosiy yordamchi tizim yo‘qotishlari

Shunt toklarning termal natijasi

Zaryadlash paytida past tok-ko‘p hujayra hududida shunt toklar sababli hosil bo‘lgan issiqlik jami stek issiqligining taxminan %22 gacha yetgan. Razryad vaqtida maksimal hissa pastroq.

Shu sababli tadqiqotchilar umumiy oziqlantirish liniyasiga taxminan 10–15 tadan ko‘p hujayra ulamaslikni tavsiya qiladi.

Termal joylashuv natijalari

Tom eng yuqori quyosh yukini olgani sababli yuqori stek eng issiq holatga kelgan. Elektrolit aylanishi steklar orasidagi harorat farqlarini kamaytirgan.

Oqim va nasoslash ishlash sohasi

Modelni tasdiqlash chegarasi

Tadqiqotning elektr, kimyoviy va gidravlik quyi modellarining muhim qismi tadqiqotchilarning oldingi model versiyasiga asoslanadi. Manba oldingi model boshqa tasdiqlangan modellar natijalari bilan taqqoslanganini bildiradi va shu sababli joriy maqolada tasdiqlash bo‘limini takrorlamaydi.

Bu yondashuv joriy model oldingi asosga tayanganini ko‘rsatadi; biroq ushbu tadqiqotga qo‘shilgan batafsil radiatsiya tarmog‘i, yangi issiqlik boshqaruvi tuzilmasi va 4–400 kW masshtablash natijalarining barchasi mustaqil jismoniy prototip o‘lchovlari bilan tasdiqlanganini anglatmaydi.

Kelajak tadqiqotlari uchun tadqiqotchilar tavsiya qilgan yo‘nalishlar

• Elektrolit oqim sarfini ish holatiga qarab dinamik ravishda sozlash
• Keng oqim sarfi oralig‘i uchun ikki bosqichli nasos tizimi
• Past quvvatli steklarda flushing ning yuqori COP afzalligidan samaraliroq foydalanish
• Hosil bo‘lgan chiqindi issiqlikni termal regenerativ elektrokimyoviy sikl bilan elektr ishlab chiqarishda baholash

Manba va usul haqida izoh

Tadqiqotning to‘liq asl nomi: Model-based upscaling of vanadium redox flow battery systems: engineering challenges and solutions

Mualliflar va to‘g‘ri tartibi: Bence Sziffer; Viktor Józsa.

Birinchi muallif: Bence Sziffer.

Teng birinchi mualliflik/teng hissa: Manbada ko‘rsatilmagan.

Mas’ul muallif: Bence Sziffer.

Mas’ul muallif elektron pochta manzili: sziffer@energia.bme.hu

Institutsional aloqalar:

• Bence Sziffer — Department of Energy Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Budapest University of Technology and Economics, Budapest, Vengriya.
• Bence Sziffer — MTA-BME Lendület “Momentum” Renewable Energy Systems Research Group, Budapest, Vengriya.
• Viktor Józsa — Department of Energy Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Budapest University of Technology and Economics, Budapest, Vengriya.

Manba turi: Vanadiy redoks oqim batareyalarini ko‘p-fizikali jamlangan parametr modeli bilan masshtablashni o‘rganadigan modellashtirish va simulyatsiya tadqiqoti.

Peer-review holati: Ushbu tadqiqot preprint bo‘lib, peer-review dan o‘tmagan.

Yuklangan versiya platformasi: SSRN, abstract raqami 7199677.

SSRN ning maqomi: SSRN Elsevier ning preprint va erta tadqiqot platformasidir; SSRN ning o‘zi yakuniy peer-review qilingan jurnal nashriyoti sifatida baholanmasligi kerak.

Shuningdek tasdiqlangan preprint yozuvi: arXiv:2602.12776, Applied Physics.

arXiv ro‘yxatga olish sanasi: 13 Fevral 2026.

DOI: Yuklangan SSRN versiyasida alohida DOI ko‘rsatilmagan. Xuddi shu ish uchun tasdiqlangan arXiv yozuvi DOI si 10.48550/arXiv.2602.12776. Bu arXiv yozuvi DOI si bo‘lib, peer-review qilingan jurnal DOI si emas.

Peer-review qilingan jurnal: Xuddi shu nom uchun alohida yakuniy peer-review qilingan jurnal versiyasi tasdiqlanmagan.

Asl peer-review qilingan nashriyot: Tasdiqlanmagan.

Nashr yili: 2026.

Rasmiy manba yozuvlari: SSRN abstract 7199677 va arXiv:2602.12776.

Moliyalashtirish: Tadqiqot 2021-2.1.1-EK-00001 loyihasi, DKÖP-25-1-BME-84 va Vengriya National Research, Development and Innovation Fund tomonidan moliyalashtirilgan NKKP ADVANCED 150696 qo‘llab-quvvatlashini bildiradi.

Ushbu o‘zbekcha izoh yuklangan tadqiqotning ilmiy mazmuni asosida tayyorlangan. Asosiy matndagi termal, elektr va gidravlik tenglamalar; 10 ta masshtablash holati; 180 ta tok-hujayra konfiguratsiyasi; bitta va ko‘p stek samaradorlik xaritalari; shunt tok natijalari; yordamchi tizim iste’moli; konteyner radiatsiya modeli va kunlik termal jarayon grafiklari birgalikda baholangan. Tashqi manbalar faqat tadqiqot identifikatsiyasi, arXiv yozuvi, DOI va nashr/platforma holatini bibliografik tasdiqlash uchun ishlatilgan; ilmiy ishlash ma’lumotlariga tashqi manbalardan yangi natija qo‘shilmagan.

Tadqiqotning asosiy metodologik cheklovi shuki, natijalar jismoniy 4–400 kW VRFB inshootlaridan olingan dala o‘lchovlari emas, model natijalaridir. Joriy modelning barcha yangi tafsilotlari mustaqil tajribaviy prototip bilan tasdiqlanmagan; hujayra ichidagi harorat va ion konsentratsiyalari bir xil deb qabul qilingan, steklar orasidagi ishlab chiqarish farqlari e’tiborga olinmagan va atrof-muhit sharoitlari Budapeshtdagi issiq davr ma’lumotlari bilan cheklangan. Shu sababli berilgan optimal hududlar va samaradorlik qiymatlari modelda ta’riflangan arxitektura va ishlash sharoitlari doirasida baholanishi kerak.