摘要：保温层的设计对保证钠硫电池处于最佳运行状态至关重要。为了解决一维热传导模型结果与实验值相差过大的问题，基于三维导热理论模型，采用有限元软件ANSYSWorkbench建立了保温层实体模型，数值模拟了各层保温材料的温度分布情况，并提出了一种钠硫电池保温结构二次优化设计方案。结果表明：采用三维模型的计算结果与实验值较接近；优化保温层材料与结构后，保温结构厚度缩减了37.5%，且最外层温度明显减低。实验结果可为储能电池保温结构的二次优化设计提供技术参考。
关键词：钠硫电池；保温层；实体模型；温度分布；二次优化设计
近年来，风能与太阳能发电发展迅速，产业规模不断扩大，然而其本身具有不稳定性和不持续性的特点，使得对大规模储能技术的要求不断提高。目前使用的各种储能技术中，钠硫电池因具有能量密度大、寿命长、不受地域限制等优点，逐渐引起各国研发人员的重视[1]。钠硫电池的最佳工作温度环境为270~350℃[2]，并且电池内部的陶瓷材料对于温度变化非常敏感，温度变化过大很可能会导致陶瓷管破裂，从而使电池破坏。为保证钠硫电池的正常使用，需对其进行加热保温，使之在充放电运行过程中始终处于最佳工作温度，同时保证外壁温升小于设计值。因此，对钠硫电池保温层选取合适的材料并进行结构优化设计具有实际意义。目前国内外学者在保温材料与电池热分析方面已经进行了比较深入的研究。李小爽[3]以ICR65/400型锂离子电池为研究对象，建立了电池的二维热模型，对电池放电时的温度场进行了仿真分析。兰伟等[4]针对长寿命热电池的气相SiO2复合保温材料的性能和影响因素进行了研究。Min等[5]针对陶瓷管单元集群及整体电池箱体温度分布进行了数值模拟，其外层保温采用真空薄壁结构。Besser[6]利用轴对称配置的有限差分法模拟了小型氢燃料电池系统的热流量。张建平等[7]为解决钠硫电池非真空保温结构存在的厚度过大等问题，利用多层平壁导热理论建立保温结构数学模型，采用有限元软件进行实体建模与数值模拟，并提出一种通过了实验验证的钠硫电池保温结构优化设计方案。为了提高计算钠硫电池多层材料保温层温升的精度，本文建立了三维平板传热模型，对保温层温度分布进行了数值模拟，并在此基础上提出了一种保温层结构二次优化设计方案。
1模型建立
1.1基本方程.假设材料为各项同性材料，由热力学第一定律，结合导热微分方程，分别将加热板和外表面等效为热力学第一和第三类边界条件，则三维平板稳态导热模型为：1.2求解方法.将三维稳态导热模型进行有限元划分，按照加权余量法思想，经分部积分后可以得到用以确定n个节点温度Ti的矩阵方程为：1.3边界条件.对三维平板实体模型进行载荷施加操作。靠近加热板一侧施加温度载荷，设置值为339℃；外侧表面施加定对流换热系数边界条件，对流换热系数定为5.5W/(m•K)，环境温度定为18℃。
2结果与讨论
2.1不同传热模型对计算结果的影响分析
将保温层热传导问题简化为单幅面半无限大平壁一维稳态导热问题来进行求解时，由于保温箱壁面尺寸大小对结果具有一定影响，可能使计算结果出现一定偏差。为真实反映热量在保温层的传导情况，本文选取钠硫电池保温层壁面实际尺寸参数[8]，建立了保温层三维实体模型并进行精密网格划分，如图1所示。表1为保温层结构的厚度和材料参数，其中，N-MTIF、SVB和GF分别对应纳米隔热纤维材料、特制真空材料和玻璃纤维材料。根据表1中数据，在ANSYSWorkbench软件中建立三维实体模型，使用Steady-StateThermal模块进行求解，得到3个监测点的结果，如图2所示。需要说明的是，测点1、2、3分别对应30mm纳米隔热纤维材料与15mm特制真空材料间、15mm特制真空材料与5mm玻璃纤维材料间、5mm玻璃纤维材料与金属外壳间的温度。可以看出，以三维导热模型为基础的计算结果与经过12h加热后系统温度场保持稳定后的实验箱体测点1、测点2、测点3的温度实测数据较为接近。对比3条曲线后可以得出以下结论：在对保温层进行模拟分析时，三维导热模型能更精确地反映保温层温度分布情况。
2.2保温层结构二次优化
由图2可以看出，测点1处实际温度高于设计要求的180℃，所以需要对结构进行优化设计。分析表1后可知，纳米隔热纤维材料的导热系数已经优于绝大多数非真空保温绝热材料，通过替换材料来改善特制真空材料工作温度条件的办法可行性不强。为此，需要增加第一层厚度，但这会显著增加保温层整体厚度。经过多次比较后，选取气凝胶毡代替最外层的玻璃纤维材料，其导热系数在高温时低至0.030W/(m•K)，是比较理想的隔热材料。优化后的保温层各材料分布及具体每层厚度如图3所示。设定计算类型与时间步长参数后，运用ANSYS求解功能进行运算，可得到有限元模拟分析结果，如图4所示，优化后各测点温度列于表2。可以看出：外壳稳定温度为30.32℃，在环境温度为18℃的条件下，其温升为12.32℃，远低于25℃，且特制真空材料工作环境温度低于180℃，保温层总体厚度不超过50mm，满足设计需求。厂家提供的保温结构厚度为80mm，经过二次优化设计后，厚度缩减了37.5%。另外，占厚度70%的纳米隔热纤维材料承担了55%的热阻，占厚度20%的特制真空材料承担了41%的热阻，与未优化前由特制真空材料承担约85%的热阻相比，温度分布更加均匀，改善效果明显。
3结论
(1)基于三维平板导热理论，建立保温层实体模型，利用有限元软件仿真并与实验结果进行比较验证，得到了一种优化的保温结构设计方案。(2)该设计方案满足保温层设计条件，并通过新型保温材料的应用，成功将保温结构整体厚度缩减了37.5%，有效降低了保温装置的整体体积和质量。(3)优化后的结构热阻分配合理，同时能有效保证各保温材料的使用寿命。
作者：张建平 施锋锋 单位：上海电力学院 能源与机械工程学院 上海电力学院 上海市电力材料防护与新材料重点实验室
