集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱及抗震性研究

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(lái)，隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，儲(chǔ)能技術(shù)的需求不斷增大。首先，隨著社會(huì)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(yáng)能等可再生能源的輸出功率受自然環(huán)境的影響，會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)性和間歇性波動(dòng)，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(wèn)題[1-4]；再次，越來(lái)越多的用戶對(duì)負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量提出更高的要求[5-6]。儲(chǔ)能技術(shù)的使用可以有效地實(shí)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(shí)可以促進(jìn)可再生能源的利用，提高電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)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(chǔ)能應(yīng)用需求的逐漸增多，這些應(yīng)用需求也對(duì)儲(chǔ)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(dòng)等，于是集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。集裝箱式儲(chǔ)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(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，多個(gè)產(chǎn)品以整體的形式交付給用戶，運(yùn)輸方便且易于安裝。

國(guó)內(nèi)外對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，特別是大容量鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，還處于初步研究與試驗(yàn)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(bào)道，其中，美國(guó)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(chǔ)能系統(tǒng)。美國(guó) AES 公司與 A123 Systems公司合作，于 2009 年在其電網(wǎng)中安裝多個(gè)H-APU 柜式儲(chǔ)能系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)，作為領(lǐng)先的儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)的 200 kW×4 h 柜式儲(chǔ)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(gè)大型集裝箱儲(chǔ)能項(xiàng)目，主要應(yīng)用于削峰填谷和新能源靈活接入。

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

1 集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)

1.1 整體散熱方案

集裝箱式儲(chǔ)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(wú)遮擋情況下，陽(yáng)光輻射以及電子設(shè)備本身耗散的熱量作用使得密封機(jī)柜內(nèi)部溫度有可能超出設(shè)備允許的范圍，裝置長(zhǎng)時(shí)間在超負(fù)荷高溫下運(yùn)行，會(huì)引起元器件性能的降低，進(jìn)而導(dǎo)致裝置故障，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此做好集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[17]。

一般的通風(fēng)方式有自然通風(fēng)、機(jī)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(jī)械排風(fēng)方案；機(jī)械進(jìn)風(fēng)、自然排風(fēng)方案；機(jī)械進(jìn)風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)方案[18-19]。某公司集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)采用全面通風(fēng)，由自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合的方式進(jìn)行。自然通風(fēng)是通過(guò)在集裝箱側(cè)壁開百葉窗來(lái)實(shí)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(shí)也承擔(dān)著空調(diào)進(jìn)風(fēng)口的作用。機(jī)械通風(fēng)是在集裝箱的另一端設(shè)置排風(fēng)口，通過(guò)風(fēng)機(jī)的排風(fēng)作用將集裝箱內(nèi)部的空氣排出箱外，同時(shí)也帶走部分熱量以此來(lái)實(shí)現(xiàn)集裝箱內(nèi)外的氣體交換和熱交換。

圖1 集裝箱式儲(chǔ)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(gè)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(dòng)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(duì)電池，通過(guò)風(fēng)墻上均勻分布的小風(fēng)口實(shí)現(xiàn)均勻出風(fēng)，使集裝箱內(nèi)溫場(chǎng)均勻。

圖2 電池儲(chǔ)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(guò)風(fēng)口調(diào)節(jié)將冷風(fēng)送至每包電池，達(dá)到平衡溫場(chǎng)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(shí)地模擬系統(tǒng)的熱狀況，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(yàn)證散熱設(shè)計(jì)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(chǔ)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(jì)其散熱方案時(shí)，會(huì)選用Icepak軟件對(duì)電池系統(tǒng)的溫差和流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真分析和驗(yàn)證。下文過(guò)程簡(jiǎn)述了以電池溫差在5 ℃之內(nèi)、溫升60 ℃以下，集裝箱內(nèi)流場(chǎng)流速均勻?yàn)槟繕?biāo)，對(duì)某一集裝箱電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行的散熱仿真實(shí)驗(yàn)。

（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(jì)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(chǎng)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(gè)集裝箱溫場(chǎng)均勻，空氣溫場(chǎng)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(jì)要求。

2 集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)

2.1 抗震設(shè)計(jì)方法概述

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

基于力的抗震設(shè)計(jì)方法可分為靜力法和反應(yīng)譜法。靜力法認(rèn)為地震對(duì)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(gè)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(dòng)，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)加速度等于地面運(yùn)動(dòng)加速度，且慣性力沿建筑高度均勻分布，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)。反應(yīng)譜法依據(jù)地震加速度反應(yīng)譜計(jì)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(dòng)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(jì)方法是目前及未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[21-26]。

基于位移的抗震設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)，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(jì)中還未應(yīng)用[27-28]。

基于能量的抗震設(shè)計(jì)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(duì)許多實(shí)際震害現(xiàn)象都無(wú)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(méi)有倒塌，在余震中反而倒塌；1966年6月27日，發(fā)生于美國(guó)Parkfield 的地震，地震動(dòng)的峰值加速度很高，由于地震動(dòng)持時(shí)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(dòng)持時(shí)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(jì)方法還未作為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法，但在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)，在有些國(guó)家的規(guī)范中已經(jīng)被應(yīng)用[29-31]。

2.2 集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)

某公司集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱改裝而成，其防震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱等同。除此之外，在進(jìn)行箱體改裝時(shí)在主要承力支點(diǎn)都加設(shè)加強(qiáng)梁（集裝箱頂部和底部，這里只展示頂部加強(qiáng)），如圖8所示，保證不會(huì)因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)的重量而發(fā)生箱體變形的現(xiàn)象，由歷史項(xiàng)目也充分驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)的防震效果。

圖8 集裝箱頂部加強(qiáng)示意圖

同時(shí)，電池架作為儲(chǔ)能系統(tǒng)中的主要受力部件，在設(shè)計(jì)上也采用了防震結(jié)構(gòu)，如圖9所示，每個(gè)電池架由5根立柱支撐，立柱與圖8中的頂部加強(qiáng)梁和其對(duì)應(yīng)的底部加強(qiáng)梁焊接，使電池架與集裝箱成為一個(gè)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(gè)方向都無(wú)法移動(dòng)，各壓條與電池接觸部位加塞軟膠墊，避免因震動(dòng)而產(chǎn)生的剛性碰撞。

為了驗(yàn)證電池架設(shè)計(jì)的合理性，運(yùn)用CAE仿真，在靜態(tài)以及模擬地震條件下對(duì)電池架的受力情況進(jìn)行了有限元分析，為驗(yàn)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(shuō)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(qiáng)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(shí)，按每個(gè)電池30 kg計(jì)算，每層支撐板受力約600 N，其最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力及最大節(jié)點(diǎn)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(diǎn)受力為89 MPa，最大節(jié)點(diǎn)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(diǎn)出現(xiàn)在中間三角架極點(diǎn)位置，電池架主體部分均無(wú)出現(xiàn)該極大點(diǎn)，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(diǎn)變形

圖12 靜態(tài)環(huán)境下的節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)應(yīng)力及最大節(jié)點(diǎn)形變見圖13及圖14。

圖13 地震條件下的節(jié)點(diǎn)變形

由有限元分析結(jié)果可知，最大節(jié)點(diǎn)受力145.4 MPa，最大節(jié)點(diǎn)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(diǎn)出現(xiàn)在中間三角架極點(diǎn)位置，電池架主體部分均無(wú)出現(xiàn)該極大點(diǎn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

圖14 地震條件下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

計(jì)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(cè)，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(jì)算值，電池架內(nèi)力和變形均滿足要求，工作穩(wěn)定。實(shí)踐證明所建立的有限元模型能夠很好地模擬各個(gè)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(chǔ)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(jì)，以真實(shí)案例為背景，仿真并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。散熱、抗震對(duì)于保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行有著重要意義，目前集裝箱儲(chǔ)能系統(tǒng)還處在發(fā)展初期，行業(yè)內(nèi)針對(duì)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(shí)，在后續(xù)的生產(chǎn)開發(fā)中，生產(chǎn)者將結(jié)合實(shí)際案例需求對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷的探索研究。

與此同時(shí)，隨著新能源發(fā)電的不斷發(fā)展，集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)以其顯著的優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)中的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛，其優(yōu)點(diǎn)如下。①高集成度，占地少，不受地域和空間限制。多個(gè)設(shè)備集中放置在一個(gè)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(wèn)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(duì)于建造站房所需要的 3～5個(gè)月，安裝僅需1個(gè)月。③建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本低。節(jié)省了高額的土建成本，同時(shí)基于模塊化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，管理簡(jiǎn)單，大幅減少了運(yùn)行維護(hù)成本。④模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展能力強(qiáng)。模塊化產(chǎn)品，便于擴(kuò)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(qiáng)，可按需布置。具有可移動(dòng)性，可靈活應(yīng)用于多個(gè)場(chǎng)合，滿足多種臨時(shí)性突發(fā)需求。

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