一种具有曲率递减渐缩流道的风冷储能柜风道结构

技术领域

本发明涉及新能源储能柜散热结构领域，具体而言，涉及一种具有曲率递减渐缩流道的风冷储能柜风道结构。

背景技术

储能逆变器作为储能装置和电网的柔性接口，实现了交流系统和直流系统的能量双向流动。高功率密度的储能逆变器运行过程中会产生大量热，为了保证电子器件的安全运行，目前主要冷却形式为强迫风冷。储能逆变器中的主要热耗部件包含功率模块、电抗器、变压器等，它们之间通常采用相互隔离、各自独立的并联风道，从而避免热耗部件之间的相互影响。

对于电抗器的风冷方案，主流的风路流向为自下而上，采用风机在风道上方抽风的形式，具体而言，主要采用两种风道构型：等截面风道和收缩截面风道。对于等截面风道，在散热方面，由于三相绕组的中间相面临更大的热负荷，等截面风道的设计会使的电抗器中间相的绕组温升高于其余两相，不利于电抗器的整体冷却；此外，在空间上，等截面风道面积过大、占据柜体较大空间。对于收缩截面风道，是基于提高风速和节省柜体体积的角度考虑，在电抗器上方缩减风道面积，风道截面积收缩的位置往往采用直角型线或者圆弧型线，而这两种型线会产生较大流动阻力，使的风机工作点风压高、风机能耗大。

发明内容

针对传统风冷储能柜电抗器风道设计中存在的电抗器绕组温升不一致、中间绕组温度高、风道流动阻力大的问题，本发明提出一种具有曲率递减渐缩流道的风冷储能柜风道结构，基于电抗器三相绕组的温度分布规律，针对中间绕组温度较高的问题，采用位于中间绕组上方的收缩截面风道，截面积收缩的位置采用曲率递减的渐缩式型线，可提高电抗器三相绕组温升一致性，降低电抗器整体温度，并减少流动阻力，使风机工作点风压降低，因而可选用尺寸更小、功率更低的风机，进一步节省了柜体空间、降低风机能耗。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有曲率递减渐缩流道的风冷储能柜风道结构，包括进风口、风冷腔、负压腔和出风口，所述结构底部为进风口，其顶部为出风口，所述进风口与风冷腔连接，所述出风口与负压腔连接；在所述风冷腔、负压腔之间连接曲率递减渐缩流道。

进一步的，所述曲率递减渐缩流道的曲率递减型线由样条曲线生成。

进一步的，所述曲率递减渐缩流道的曲率分布表达式为

其中，x为曲线的归一化长度，取值范围[0,1]，代表曲线由起点到终点；A

本发明的优点在于：

1. 将电抗器等截面风道改为收缩截面风道，节省了柜体空间。

2. 风道截面收缩的位置位于电抗器中间绕组上方，有效地降低了中间绕组的最高温，并解决了电抗器三相绕组温升不一致的问题。

3. 相较于传统的恒定曲率圆弧型线，截面积收缩的位置采用一种曲率逐渐降低的渐缩式型线，流动阻力降低，风机工作点风压降低。

4. 相较于传统的恒定曲率圆弧型线，采用曲率递减的渐缩风道使风机工作点风压降低，在保证相同风量的情况下，可选用尺寸更小、功率更低的风机，进一步节省了柜体空间、降低风机能耗。

5. 相较于传统的恒定曲率圆弧型线，采用曲率递减的渐缩风道使风机工作点风压降低，如果风机不变，则风机工作点风量增加，流道风速增加，因此可使电抗器绕组的最高温进一步降低。

附图说明

图1为现有3种风道构型的对比图；

图2为本发明风道结构的示意图；

图3为本发明风道结构的剖面图；

图4为本发明的三个实施例的曲率递减渐缩流道局部放大型线及曲率分布图；

图5为本发明的三个实施例的截面收缩位置的速度场。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

图1为现有3种风道构型的对比，分别是等截面风道、变截面—双侧风道（截面收缩位置在电抗器双侧绕组的上方）、变截面-中间风道（截面收缩位置在电抗器中间绕组的上方）。由图1中（a）所示，中间绕组温度75.2℃、双侧绕组70.3℃；由图1中（b）所示，中间绕组温度77.4℃、双侧绕组69.5℃；由图1中（c）所示，中间绕组温度70.7℃、双侧绕组71.9℃。根据上述温度分布规律，在等截面风道的情形下，电抗器中间绕组温度最高；在采用变截面风道时，如图1中（b）所示，如果截面收缩位置在双侧绕组，只能略微降低双侧绕组温度，反而会增加中间绕组温度，加剧三个绕组温度的不一致性；因此，应优先考虑强化中间绕组的散热，如图1中（c）所示，在中间绕组上方采用变截面风道，可以使其最高温降低4.5℃，且三相绕组温度的一致性提高。此外，采用变截面风道，也节省了电抗器上方的柜体空间。

在采用变截面-中间风道的基础上，为了使截面收缩位置的流动阻力降低，当前主流的方式是使用恒定曲率的圆弧过渡，本发明为了使流动阻力进一步降低，提供一种具有曲率递减渐缩流道的风冷储能柜风道结构。

如图2所示，风道结构整体流动方向为自下而上， 底部为进风口1，顶部为出风口7，出风口7直接连至散热风机抽风。气流从进风口1进入风道内部风冷腔4，经过电抗器铁芯2、电抗器3的两侧绕组、中间绕组对电抗器进行冷却散热，在电抗器的上方，流道截面积开始减少，收缩后的流道位于电抗器中间绕组的正上方。

如图3所示，截面积收缩的位置采用曲率递减渐缩流道5（图中虚线区域），气体经过收缩流道后进入顶部负压腔6，该负压腔6的主要作用是使顶部多个风机所产生的负压均匀分布，最终，气体经过顶部出风口7离开风道，进入顶部散热风机中。

实施例

为进一步说明曲率递减渐缩流道5相较于恒曲率的圆弧型线而言，具有更小的流动阻力，本发明进一步列举3种曲率递减渐缩流道5与恒定曲率流道进行对比。

图4为3种曲率递减渐缩流道5与恒定曲率流道的型线和曲率分布对比。根据图4中（a）所示，这3种曲率递减型线均由样条曲线生成，曲率分布表达式为4次多项式，具体表达式如式1所示，这3种曲率递减型线的具体系数如表1所示，

其中，x为曲线的归一化长度，取值范围[0,1]，代表曲线由起点到终点；A

表1 曲率递减型线表达式系数

根据图4中（b）所示，对于曲率递减型线而言，在流道起点处，曲率最大，且大于原恒定曲率值，随着流向位置的推移，曲率按照4次多项式的规律迅速减少至恒定曲率值以下，在25%长度以后，具有曲率递减型线的曲率已经小于恒定曲率型线，意味着前者的局部流道面积缩减率已经小于后者，可使前者在整个流道中具有更小的流动阻力。

上述3种满足4次多项式分布的曲率递减型线和原恒定曲率型线对应的速度场计算结果如图5所示。对于原恒定曲率圆弧型线，在截面收缩至接近最小面积时，由于曲率仍保持不变，使流道面积收缩率过高，因此局部流体速度过大、壁面剪切较强，甚至出现局部的分离，带来较高的流动阻力；对于3种满足4次多项式分布的曲率递减渐缩型线，在截面收缩至接近最小面积时，由于型线曲率为递减的规律，此时的型线曲率递减至较小值，流道面积收缩率较低，流体速度和壁面剪切力都相较于恒曲率情形减少，且未出现明显的边界层分离，流动阻力能够进一步降低。相较于传统的恒定曲率圆弧型线，采用曲率递减渐缩型线可使流动阻力降低约25%-30%。在采用相同的散热风机的情形下，风机工作点风压降低约25%，可使风量增加约10%，进一步的增加电抗器中间绕组的风速，使其最高温降低约3℃。综上述，曲率递减型线相较于恒定曲率型线具有更低的流动阻力，其核心作用原理在于：前者在流道起点处曲率最大，且大于原恒定曲率值，随着流向位置的推移，前者曲率按照4次多项式的规律迅速减少至恒定曲率值以下，在25%长度以后，具有曲率递减型线的曲率已经小于恒定曲率型线，即前者的局部流道面积缩减率已经小于后者，前者的近壁流体速度和壁面剪切力均减少，因而前者在整个流道中具有更小的流动阻力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。