集裝箱儲能系統散熱及抗震性研究

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研究院，廣東 深圳 518118）

近年來，隨著堅強智能電網的建設，儲能技術的需求不斷增大。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，風能、太陽能等可再生能源的輸出功率受自然環境的影響，會產生隨機性和間歇性波動，隨著風能等可再生能源在電力系統中所占比例的逐漸增加，其并網穩定性已成為風力發電等技術應用的關鍵問題[1-4]；再次，越來越多的用戶對負荷側電能質量提出更高的要求[5-6]。儲能技術的使用可以有效地實現用戶需求側管理，消除晝夜峰谷差，平滑負荷，降低供電成本，同時可以促進可再生能源的利用，提高電網系統運行的穩定性并提高電網電能質量，保證供電的可靠性[7]。

然而，隨著儲能應用需求的逐漸增多，這些應用需求也對儲能系統的應用形式提出了新的要求；如占地少、建設快、可移動等，于是集裝箱式儲能系統應運而生。集裝箱式儲能系統將電池系統、交直流轉換裝置及監控系統集中放置在一個或多個標準集裝箱內，多個產品以整體的形式交付給用戶，運輸方便且易于安裝。

國內外對電池儲能系統的研究，特別是大容量鋰離子電池儲能系統，還處于初步研究與試驗階段[8-16]，大容量集成接入電網的應用直到 2008年10月后才開始有報道，其中，美國A123 Systems 公司已經開發出2 MW×0.25 h 的H-APU 柜式磷酸鐵鋰電池儲能系統。美國 AES 公司與 A123 Systems公司合作，于 2009 年在其電網中安裝多個H-APU 柜式儲能系統，在國內，作為領先的儲能系統完整方案提供者，某公司也開發出了基于磷酸鐵鋰電池儲能技術的 200 kW×4 h 柜式儲能電站，后續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，主要應用于削峰填谷和新能源靈活接入。

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

1 集裝箱式儲能系統的散熱設計

1.1 整體散熱方案

集裝箱式儲能系統內部元件集成度高，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備本身耗散的熱量作用使得密封機柜內部溫度有可能超出設備允許的范圍，裝置長時間在超負荷高溫下運行，會引起元器件性能的降低，進而導致裝置故障，影響整個系統的穩定性，因此做好集裝箱儲能系統的散熱設計對系統的安全、穩定運行具有重要意義[17]。

一般的通風方式有自然通風、機械通風和混合通風3種形式，其中工業通風可選擇的方案有：自然進風、自然排風方案；自然進風、機械排風方案；機械進風、自然排風方案；機械進風、機械排風方案[18-19]。某公司集裝箱式儲能系統采用全面通風，由自然通風與機械通風相結合的方式進行。自然通風是通過在集裝箱側壁開百葉窗來實現的，見圖1，此百葉窗為集裝箱內外空氣交換的進風口，同時也承擔著空調進風口的作用。機械通風是在集裝箱的另一端設置排風口，通過風機的排風作用將集裝箱內部的空氣排出箱外，同時也帶走部分熱量以此來實現集裝箱內外的氣體交換和熱交換。

圖1 集裝箱式儲能系統散熱結構

1.2 電池系統散熱方案及熱仿真

電池系統主要由空調散熱，如圖2所示，空調采用上出風，出風口與導風管采用法蘭連接，由導風管將空調出風導入到風墻內，風墻與集裝箱墻體密封連接，形成一個腔體，風墻靠近電池的一面開有小孔用于出風，小孔上裝有手動可調風口，用以調節出風口的風量、大小及方向，風口正對電池，通過風墻上均勻分布的小風口實現均勻出風，使集裝箱內溫場均勻。

圖2 電池儲能系統散熱結構

散熱系統總體由三部分構成：空調、導風管和風墻（圖3），空調提供冷風，導風管將冷風導入風墻，風墻內部通過風口調節將冷風送至每包電池，達到平衡溫場的目的，見圖4。

圖3 風墻散熱結構示意圖

圖4 風墻內部冷量流向圖

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

電池作為集裝箱儲能系統內的主要發熱部件，合理有效的電池散熱方案可保證系統整體的可靠性、壽命及安全性，在設計其散熱方案時，會選用Icepak軟件對電池系統的溫差和流場進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、溫升60 ℃以下，集裝箱內流場流速均勻為目標，對某一集裝箱電池儲能系統進行的散熱仿真實驗。

（1）依照原始模型，建立Icepak模型，見圖5。

圖5 電池系統Icepak模型

（2）加載初始條件，求解計算，主要參數見表1。

表1 主要參數表

（3）檢查分析仿真結果。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部溫度分布圖

圖7 原始模塊的熱流模擬內部溫度場分布圖

從以上仿真結果可以看出，進風口直徑為 60 mm、進風口溫度為10 ℃、進風口風速為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，電池系統只有2 ℃溫差，系統散熱效果良好，符合設計要求。

2 集裝箱式儲能系統的抗震設計

2.1 抗震設計方法概述

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

基于力的抗震設計方法可分為靜力法和反應譜法。靜力法認為地震對結構的破壞作用與其產生的結構的水平慣性力有關，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的乘積。該方法認為結構在地震作用下，隨地基做整體水平剛體移動，結構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，沒有考慮結構的動力效應。反應譜法依據地震加速度反應譜計算地震作用引起的結構的水平慣性力，其中，地震加速度反應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，該方法考慮了結構的自振特性，比靜力法更加合理。基于力的抗震設計方法是目前及未來一段時間內主要的結構設計方法[21-26]。

基于位移的抗震設計方法認為在地震作用下，結構倒塌的主要原因在于結構重要構件的變形和耗能能力不足，認為在結構設計時，控制結構在地震作用下的變形小于目標位移更合理。目前，該方法還處于研究階段，在工程設計中還未應用[27-28]。

基于能量的抗震設計方法認為結構響應首次超越最大位移或最大承載能力的單一破壞準則，對許多實際震害現象都無法做出合理的解釋，如1976年 7月 28日的唐山地震，南開大學主樓塔樓在主震中雖然遭到嚴重破壞卻沒有倒塌，在余震中反而倒塌；1966年6月27日，發生于美國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，震害卻不嚴重。合理的解釋這些震害現象，需要考慮地震動持時引起的結構積累損傷破壞。目前基于能量的抗震設計方法還未作為結構抗震設計的方法，但在結構驗算時，在有些國家的規范中已經被應用[29-31]。

2.2 集裝箱儲能系統抗震設計

某公司集裝箱儲能系統結構上是由國際標準集裝箱改裝而成，其防震設計結構同國際標準集裝箱等同。除此之外，在進行箱體改裝時在主要承力支點都加設加強梁（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的重量而發生箱體變形的現象，由歷史項目也充分驗證了此結構的防震效果。

圖8 集裝箱頂部加強示意圖

同時，電池架作為儲能系統中的主要受力部件，在設計上也采用了防震結構，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，避免因震動而產生的剛性碰撞。

為了驗證電池架設計的合理性，運用CAE仿真，在靜態以及模擬地震條件下對電池架的受力情況進行了有限元分析，為驗證在地震條件下電池架的結構是否安全、合理提供理論依據。

圖9 電池架結構示意圖

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仿真環境信息見表3。

表2 Q235A材料性能參數

表3 CAE仿真環境信息

2.2.2 電池架在靜態環境下的受力分析

在靜態環境下，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，其最大節點應力及最大節點形變見圖11及圖12。由有限元分析結果可知，電池架最大節點受力為89 MPa，最大節點位移 0.75 mm。取安全系數為 1.5，則235/1.5=156.7>89（MPa），而且該點出現在中間三角架極點位置，電池架主體部分均無出現該極大點，可知結構穩定性滿足要求。

圖11 靜態環境下的節點變形

圖12 靜態環境下的節點應力

2.2.3 電池架在地震條件下的受力分析

在地震條件下，根據提供的相關數據，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，阻尼系數取0.02，其最大節點應力及最大節點形變見圖13及圖14。

圖13 地震條件下的節點變形

由有限元分析結果可知，最大節點受力145.4 MPa，最大節點位移 2.977 mm，取安全系數為 1.5，則235/1.5=156.7>145.4（MPa），該點出現在中間三角架極點位置，電池架主體部分均無出現該極大點，結構穩定性滿足要求。

圖14 地震條件下的節點應力

計算結果表明，電池架的受力和穩定性能夠滿足工作要求。結合公司已有工程案例進行監測，結果表明主要桿件應力值、結構變形和位移均小于理論計算值，電池架內力和變形均滿足要求，工作穩定。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。

3 結 論

基于集裝箱式儲能系統的特殊形式，本工作主要分析了系統的散熱及抗震性設計，以真實案例為背景，仿真并驗證了設計的合理性。散熱、抗震對于保證儲能系統的安全、可靠運行有著重要意義，目前集裝箱儲能系統還處在發展初期，行業內針對該類系統的散熱、抗震研究也還未形成較統一的認識，在后續的生產開發中，生產者將結合實際案例需求對系統設計進行不斷的探索研究。

與此同時，隨著新能源發電的不斷發展，集裝箱式儲能系統以其顯著的優點，在電網中的應用也將越來越廣泛，其優點如下。①高集成度，占地少，不受地域和空間限制。多個設備集中放置在一個20英尺（589 cm×234 cm×239 cm）或40英尺（1200 cm×234 cm×239 cm）集裝箱內，所占空間很少，解決了建造站房不便捷地區（如偏遠地區或人口建筑集中的城市中心）的應用問題。②快速部署，安裝便捷。標準工程化產品，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、運營成本低。節省了高額的土建成本，同時基于模塊化的產品設計，管理簡單，大幅減少了運行維護成本。④模塊化設計，擴展能力強。模塊化產品，便于擴展，客戶可根據業務需求分期投資，減少前期投資壓力。⑤靈活性強，可按需布置。具有可移動性，可靈活應用于多個場合，滿足多種臨時性突發需求。

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