張子峰，王 林，陳東紅，王驍雄，朱東梅，李麗娜

（深圳比亞迪電力科學(xué)研究院，廣東 深圳 518118）

近年來，隨著堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)，儲能技術(shù)的需求不斷增大。首先，隨著社會總用電量的不斷增加，電力消耗的晝夜峰谷差在日益增大；其次，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的輸出功率受自然環(huán)境的影響，會產(chǎn)生隨機性和間歇性波動，隨著風(fēng)能等可再生能源在電力系統(tǒng)中所占比例的逐漸增加，其并網(wǎng)穩(wěn)定性已成為風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題[1-4]；再次，越來越多的用戶對負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量提出更高的要求[5-6]。儲能技術(shù)的使用可以有效地實現(xiàn)用戶需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差，平滑負(fù)荷，降低供電成本，同時可以促進(jìn)可再生能源的利用，提高電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性并提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保證供電的可靠性[7]。

然而，隨著儲能應(yīng)用需求的逐漸增多，這些應(yīng)用需求也對儲能系統(tǒng)的應(yīng)用形式提出了新的要求；如占地少、建設(shè)快、可移動等，于是集裝箱式儲能系統(tǒng)應(yīng)運而生。集裝箱式儲能系統(tǒng)將電池系統(tǒng)、交直流轉(zhuǎn)換裝置及監(jiān)控系統(tǒng)集中放置在一個或多個標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，多個產(chǎn)品以整體的形式交付給用戶，運輸方便且易于安裝。

國內(nèi)外對電池儲能系統(tǒng)的研究，特別是大容量鋰離子電池儲能系統(tǒng)，還處于初步研究與試驗階段[8-16]，大容量集成接入電網(wǎng)的應(yīng)用直到 2008年10月后才開始有報道，其中，美國A123 Systems 公司已經(jīng)開發(fā)出2 MW×0.25 h 的H-APU 柜式磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)。美國 AES 公司與 A123 Systems公司合作，于 2009 年在其電網(wǎng)中安裝多個H-APU 柜式儲能系統(tǒng)，在國內(nèi)，作為領(lǐng)先的儲能系統(tǒng)完整方案提供者，某公司也開發(fā)出了基于磷酸鐵鋰電池儲能技術(shù)的 200 kW×4 h 柜式儲能電站，后續(xù)又相繼完成了雪佛龍（2 MW/4 MW·h）、杜克能源（200 kW/500 kW·h）、卡塔爾（250 kW/500 kW·h）等多個大型集裝箱儲能項目，主要應(yīng)用于削峰填谷和新能源靈活接入。

集裝箱式儲能系統(tǒng)具有高集成性及可移動性的特點，因此也對系統(tǒng)的散熱和承重抗震能力提出了更高的要求。對此，作者團(tuán)隊對此做了針對性的研究與設(shè)計，更好地保證了系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。

1 集裝箱式儲能系統(tǒng)的散熱設(shè)計

1.1 整體散熱方案

集裝箱式儲能系統(tǒng)內(nèi)部元件集成度高，散熱空間有限，而且在戶外使用無遮擋情況下，陽光輻射以及電子設(shè)備本身耗散的熱量作用使得密封機柜內(nèi)部溫度有可能超出設(shè)備允許的范圍，裝置長時間在超負(fù)荷高溫下運行，會引起元器件性能的降低，進(jìn)而導(dǎo)致裝置故障，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此做好集裝箱儲能系統(tǒng)的散熱設(shè)計對系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行具有重要意義[17]。

一般的通風(fēng)方式有自然通風(fēng)、機械通風(fēng)和混合通風(fēng)3種形式，其中工業(yè)通風(fēng)可選擇的方案有：自然進(jìn)風(fēng)、自然排風(fēng)方案；自然進(jìn)風(fēng)、機械排風(fēng)方案；機械進(jìn)風(fēng)、自然排風(fēng)方案；機械進(jìn)風(fēng)、機械排風(fēng)方案[18-19]。某公司集裝箱式儲能系統(tǒng)采用全面通風(fēng)，由自然通風(fēng)與機械通風(fēng)相結(jié)合的方式進(jìn)行。自然通風(fēng)是通過在集裝箱側(cè)壁開百葉窗來實現(xiàn)的，見圖1，此百葉窗為集裝箱內(nèi)外空氣交換的進(jìn)風(fēng)口，同時也承擔(dān)著空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的作用。機械通風(fēng)是在集裝箱的另一端設(shè)置排風(fēng)口，通過風(fēng)機的排風(fēng)作用將集裝箱內(nèi)部的空氣排出箱外，同時也帶走部分熱量以此來實現(xiàn)集裝箱內(nèi)外的氣體交換和熱交換。

圖1 集裝箱式儲能系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)

1.2 電池系統(tǒng)散熱方案及熱仿真

電池系統(tǒng)主要由空調(diào)散熱，如圖2所示，空調(diào)采用上出風(fēng)，出風(fēng)口與導(dǎo)風(fēng)管采用法蘭連接，由導(dǎo)風(fēng)管將空調(diào)出風(fēng)導(dǎo)入到風(fēng)墻內(nèi)，風(fēng)墻與集裝箱墻體密封連接，形成一個腔體，風(fēng)墻靠近電池的一面開有小孔用于出風(fēng)，小孔上裝有手動可調(diào)風(fēng)口，用以調(diào)節(jié)出風(fēng)口的風(fēng)量、大小及方向，風(fēng)口正對電池，通過風(fēng)墻上均勻分布的小風(fēng)口實現(xiàn)均勻出風(fēng)，使集裝箱內(nèi)溫場均勻。

圖2 電池儲能系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)

散熱系統(tǒng)總體由三部分構(gòu)成：空調(diào)、導(dǎo)風(fēng)管和風(fēng)墻（圖3），空調(diào)提供冷風(fēng)，導(dǎo)風(fēng)管將冷風(fēng)導(dǎo)入風(fēng)墻，風(fēng)墻內(nèi)部通過風(fēng)口調(diào)節(jié)將冷風(fēng)送至每包電池，達(dá)到平衡溫場的目的，見圖4。

圖3 風(fēng)墻散熱結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 風(fēng)墻內(nèi)部冷量流向圖

電子設(shè)備的熱仿真分析能夠較真實地模擬系統(tǒng)的熱狀況，在產(chǎn)品的設(shè)計階段進(jìn)行熱仿真、熱分析，確定產(chǎn)品溫度的分布情況，可驗證散熱設(shè)計的有效性，進(jìn)而提高產(chǎn)品的可靠性、縮短開發(fā)周期[20]。

電池作為集裝箱儲能系統(tǒng)內(nèi)的主要發(fā)熱部件，合理有效的電池散熱方案可保證系統(tǒng)整體的可靠性、壽命及安全性，在設(shè)計其散熱方案時，會選用Icepak軟件對電池系統(tǒng)的溫差和流場進(jìn)行模擬仿真分析和驗證。下文過程簡述了以電池溫差在5 ℃之內(nèi)、溫升60 ℃以下，集裝箱內(nèi)流場流速均勻為目標(biāo)，對某一集裝箱電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行的散熱仿真實驗。

（1）依照原始模型，建立Icepak模型，見圖5。

圖5 電池系統(tǒng)Icepak模型

（2）加載初始條件，求解計算，主要參數(shù)見表1。

表1 主要參數(shù)表

（3）檢查分析仿真結(jié)果。仿真生成的溫度分布圖如圖6及圖7所示。

圖6 原始模塊的熱流模擬內(nèi)部溫度分布圖

圖7 原始模塊的熱流模擬內(nèi)部溫度場分布圖

從以上仿真結(jié)果可以看出，進(jìn)風(fēng)口直徑為 60 mm、進(jìn)風(fēng)口溫度為10 ℃、進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為1.12 m/s情況下，整個集裝箱溫場均勻，空氣溫場只有0.3 ℃的溫差，電池系統(tǒng)只有2 ℃溫差，系統(tǒng)散熱效果良好，符合設(shè)計要求。

2 集裝箱式儲能系統(tǒng)的抗震設(shè)計

2.1 抗震設(shè)計方法概述

目前應(yīng)用或在研的抗震設(shè)計方法，主要包括基于力的抗震設(shè)計方法、基于位移的抗震設(shè)計方法和基于能量的抗震設(shè)計方法。

基于力的抗震設(shè)計方法可分為靜力法和反應(yīng)譜法。靜力法認(rèn)為地震對結(jié)構(gòu)的破壞作用與其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的水平慣性力有關(guān)，因此提出把地震作用看成作用在建筑物上的一個總水平力，其大小為建筑物總重量與地震系數(shù)的乘積。該方法認(rèn)為結(jié)構(gòu)在地震作用下，隨地基做整體水平剛體移動，結(jié)構(gòu)運動加速度等于地面運動加速度，且慣性力沿建筑高度均勻分布，沒有考慮結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)。反應(yīng)譜法依據(jù)地震加速度反應(yīng)譜計算地震作用引起的結(jié)構(gòu)的水平慣性力，其中，地震加速度反應(yīng)譜為一系列自振周期，阻尼不同的單自由度體系在給定輸入地震動作用下的最大加速度反應(yīng)，該方法考慮了結(jié)構(gòu)的自振特性，比靜力法更加合理。基于力的抗震設(shè)計方法是目前及未來一段時間內(nèi)主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[21-26]。

基于位移的抗震設(shè)計方法認(rèn)為在地震作用下，結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因在于結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件的變形和耗能能力不足，認(rèn)為在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形小于目標(biāo)位移更合理。目前，該方法還處于研究階段，在工程設(shè)計中還未應(yīng)用[27-28]。

基于能量的抗震設(shè)計方法認(rèn)為結(jié)構(gòu)響應(yīng)首次超越最大位移或最大承載能力的單一破壞準(zhǔn)則，對許多實際震害現(xiàn)象都無法做出合理的解釋，如1976年 7月 28日的唐山地震，南開大學(xué)主樓塔樓在主震中雖然遭到嚴(yán)重破壞卻沒有倒塌，在余震中反而倒塌；1966年6月27日，發(fā)生于美國Parkfield 的地震，地震動的峰值加速度很高，由于地震動持時很短，只有幾秒鐘，震害卻不嚴(yán)重。合理的解釋這些震害現(xiàn)象，需要考慮地震動持時引起的結(jié)構(gòu)積累損傷破壞。目前基于能量的抗震設(shè)計方法還未作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的方法，但在結(jié)構(gòu)驗算時，在有些國家的規(guī)范中已經(jīng)被應(yīng)用[29-31]。

2.2 集裝箱儲能系統(tǒng)抗震設(shè)計

某公司集裝箱儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上是由國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱改裝而成，其防震設(shè)計結(jié)構(gòu)同國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱等同。除此之外，在進(jìn)行箱體改裝時在主要承力支點都加設(shè)加強梁（集裝箱頂部和底部，這里只展示頂部加強），如圖8所示，保證不會因為儲能系統(tǒng)的重量而發(fā)生箱體變形的現(xiàn)象，由歷史項目也充分驗證了此結(jié)構(gòu)的防震效果。

圖8 集裝箱頂部加強示意圖

同時，電池架作為儲能系統(tǒng)中的主要受力部件，在設(shè)計上也采用了防震結(jié)構(gòu)，如圖9所示，每個電池架由5根立柱支撐，立柱與圖8中的頂部加強梁和其對應(yīng)的底部加強梁焊接，使電池架與集裝箱成為一個整體。電池的安裝固定依靠電池架上的壓條，如圖10所示，使電池在各個方向都無法移動，各壓條與電池接觸部位加塞軟膠墊，避免因震動而產(chǎn)生的剛性碰撞。

為了驗證電池架設(shè)計的合理性，運用CAE仿真，在靜態(tài)以及模擬地震條件下對電池架的受力情況進(jìn)行了有限元分析，為驗證在地震條件下電池架的結(jié)構(gòu)是否安全、合理提供理論依據(jù)。

圖9 電池架結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 電池架整體效果圖

2.2.1 建模模型及模擬條件說明

模具材料為Q235A，材料性能參數(shù)見表2。板材厚度，中間三角架加強筋為 3 mm，5根豎梁為 2.5 mm，其余部分皆為2mm。CAE仿真環(huán)境信息見表3。

表2 Q235A材料性能參數(shù)

表3 CAE仿真環(huán)境信息

2.2.2 電池架在靜態(tài)環(huán)境下的受力分析

在靜態(tài)環(huán)境下，即僅受電池重力時，按每個電池30 kg計算，每層支撐板受力約600 N，其最大節(jié)點應(yīng)力及最大節(jié)點形變見圖11及圖12。由有限元分析結(jié)果可知，電池架最大節(jié)點受力為89 MPa，最大節(jié)點位移 0.75 mm。取安全系數(shù)為 1.5，則235/1.5=156.7>89（MPa），而且該點出現(xiàn)在中間三角架極點位置，電池架主體部分均無出現(xiàn)該極大點，可知結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

圖11 靜態(tài)環(huán)境下的節(jié)點變形

圖12 靜態(tài)環(huán)境下的節(jié)點應(yīng)力

2.2.3 電池架在地震條件下的受力分析

在地震條件下，根據(jù)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，模擬等同電池架在受電池重力作用的同時，受到1.569倍重力水平加速度的作用，阻尼系數(shù)取0.02，其最大節(jié)點應(yīng)力及最大節(jié)點形變見圖13及圖14。

圖13 地震條件下的節(jié)點變形

由有限元分析結(jié)果可知，最大節(jié)點受力145.4 MPa，最大節(jié)點位移 2.977 mm，取安全系數(shù)為 1.5，則235/1.5=156.7>145.4（MPa），該點出現(xiàn)在中間三角架極點位置，電池架主體部分均無出現(xiàn)該極大點，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

圖14 地震條件下的節(jié)點應(yīng)力

計算結(jié)果表明，電池架的受力和穩(wěn)定性能夠滿足工作要求。結(jié)合公司已有工程案例進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明主要桿件應(yīng)力值、結(jié)構(gòu)變形和位移均小于理論計算值，電池架內(nèi)力和變形均滿足要求，工作穩(wěn)定。實踐證明所建立的有限元模型能夠很好地模擬各個工況下電池架的受力情況，為電池架吊裝施工控制和受力情況提供了理論上的控制依據(jù)。

3 結(jié) 論

基于集裝箱式儲能系統(tǒng)的特殊形式，本工作主要分析了系統(tǒng)的散熱及抗震性設(shè)計，以真實案例為背景，仿真并驗證了設(shè)計的合理性。散熱、抗震對于保證儲能系統(tǒng)的安全、可靠運行有著重要意義，目前集裝箱儲能系統(tǒng)還處在發(fā)展初期，行業(yè)內(nèi)針對該類系統(tǒng)的散熱、抗震研究也還未形成較統(tǒng)一的認(rèn)識，在后續(xù)的生產(chǎn)開發(fā)中，生產(chǎn)者將結(jié)合實際案例需求對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行不斷的探索研究。

與此同時，隨著新能源發(fā)電的不斷發(fā)展，集裝箱式儲能系統(tǒng)以其顯著的優(yōu)點，在電網(wǎng)中的應(yīng)用也將越來越廣泛，其優(yōu)點如下。①高集成度，占地少，不受地域和空間限制。多個設(shè)備集中放置在一個20英尺（589 cm×234 cm×239 cm）或40英尺（1200 cm×234 cm×239 cm）集裝箱內(nèi)，所占空間很少，解決了建造站房不便捷地區(qū)（如偏遠(yuǎn)地區(qū)或人口建筑集中的城市中心）的應(yīng)用問題。②快速部署，安裝便捷。標(biāo)準(zhǔn)工程化產(chǎn)品，需要用戶完成的安裝工作很少，相對于建造站房所需要的 3～5個月，安裝僅需1個月。③建設(shè)、運營成本低。節(jié)省了高額的土建成本，同時基于模塊化的產(chǎn)品設(shè)計，管理簡單，大幅減少了運行維護(hù)成本。④模塊化設(shè)計，擴展能力強。模塊化產(chǎn)品，便于擴展，客戶可根據(jù)業(yè)務(wù)需求分期投資，減少前期投資壓力。⑤靈活性強，可按需布置。具有可移動性，可靈活應(yīng)用于多個場合，滿足多種臨時性突發(fā)需求。

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