基于Workbench的新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱結(jié)構(gòu)仿真

孫換春

（陜西省地方電力（集團(tuán)）有限公司延安供電分公司，陜西延安716000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，整個(gè)社會(huì)對(duì)能源的依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)，風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能、地?zé)崮艿刃履茉吹拈_(kāi)發(fā)利用受到了社會(huì)的高度重視。盡管這些新能源被廣泛用于發(fā)電系統(tǒng)中，并且其比例正在增加，但是由于可再生能源的隨機(jī)性和間歇性，其使用受到了限制。新能源電力系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)的使用確保了新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文基于Workbench對(duì)新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。

1 電池儲(chǔ)能的類(lèi)型和鋰電池特點(diǎn)

電池種類(lèi)較多，主要用于儲(chǔ)能的有鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池等。通過(guò)分析能量轉(zhuǎn)換效率、能量存儲(chǔ)容量、技術(shù)成熟度、實(shí)施成本、風(fēng)險(xiǎn)分析等因素可以發(fā)現(xiàn)，鋰電池優(yōu)于鉛酸電池[1]。鋰離子電池是具有高能量效率和能量密度的儲(chǔ)能電池。鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由電池單元、充放電系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)組成，總效率約為92%。鋰離子電池沒(méi)有記憶效應(yīng)，反復(fù)充放電次數(shù)也較高，是一種理想的新能源電力系統(tǒng)儲(chǔ)能電池[2]。

2 新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1 三維模型的建立及網(wǎng)格劃分

為了減輕風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定性對(duì)電力系統(tǒng)的影響，采用鋰電池儲(chǔ)能的方式來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電高峰和波谷。鋰電池儲(chǔ)能箱是將多個(gè)鋰電池單元通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)的方式集成在供電儲(chǔ)能箱內(nèi)。儲(chǔ)能箱的材質(zhì)為Q235，厚度為2 mm，本文以長(zhǎng)500 mm、寬400 mm的儲(chǔ)能箱為例進(jìn)行有限元仿真分析，采用SolidWorks三維軟件繪制了新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱的三維模型，忽略了對(duì)仿真分析沒(méi)有影響的倒角、小孔等特征，隱藏了箱蓋、電池單元、電池管理系統(tǒng)，儲(chǔ)能箱下箱體的三維模型圖如圖1所示。

圖1 新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱三維模型圖

由于新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱的結(jié)構(gòu)相對(duì)較為規(guī)則，因此本文利用ANSYS模塊中的meshing網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的類(lèi)型是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成后得到網(wǎng)格數(shù)為762 862。

2.2 邊界條件設(shè)置及仿真求解

首先，本文在三維繪圖軟件SolidWorks中繪制了新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱的三維模型，然后將三維模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元仿真求解。新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱的材料為Q235，考慮到儲(chǔ)能箱結(jié)構(gòu)設(shè)備的最大重量作為極限工況進(jìn)行分析，最大載荷為1 000 N，受力面為儲(chǔ)能箱的下底面與側(cè)面，下底面主要受到重力載荷，側(cè)面主要受到?jīng)_擊載荷。新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱的應(yīng)力分布云圖如圖2所示，變形分布云圖如圖3所示。

圖2 新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱應(yīng)力分布云圖

圖3 新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱變形分布云圖

由圖2可知，新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱的最大應(yīng)力為138.28 MPa，最大應(yīng)力分布在上下底面兩側(cè)的位置，最小應(yīng)力分布在下底面中心的位置。最大應(yīng)力小于屈服極限，但應(yīng)力集中現(xiàn)象仍較為明顯，在極限工況下仍然存在應(yīng)力集中導(dǎo)致儲(chǔ)能箱失效的現(xiàn)象。

由圖3可知，新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱的最大變形發(fā)生在兩側(cè)板上部中間部位，最大變形量約為0.33 mm，最小變形發(fā)生在下底面，變形量相對(duì)較小，但是仍然存在一定的變形，可能會(huì)使儲(chǔ)能箱內(nèi)部鋰離子電池晃動(dòng)。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的求解結(jié)果

根據(jù)圖2和圖3的仿真結(jié)果，對(duì)新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱應(yīng)力集中和變形進(jìn)行改善，儲(chǔ)能箱的整體厚度增加了0.5 mm，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱的應(yīng)力分布云圖如圖4所示，變形分布云圖如圖5所示。

圖4 優(yōu)化后儲(chǔ)能箱的應(yīng)力分布云圖

圖5 優(yōu)化后儲(chǔ)能箱的變形分布云圖

由圖4可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后儲(chǔ)能箱的最大應(yīng)力為110.62 MPa，最大應(yīng)力分布在兩側(cè)板的下底面，最小應(yīng)力分布在前后板的中間位置。最大應(yīng)力與優(yōu)化前相比得到了明顯改善，可以承受更大的載荷。

由圖5可知，優(yōu)化后新能源電力系統(tǒng)供電儲(chǔ)能箱的最大變形仍然發(fā)生在兩側(cè)板上部中間部位，最大變形量約為0.16 mm，最小變形發(fā)生在儲(chǔ)能箱下底面，變形量與優(yōu)化前相比得到了明顯降低，有利于保證儲(chǔ)能箱的穩(wěn)定性和可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要影響，要根據(jù)新能源電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，因地制宜，選擇最合適的儲(chǔ)能類(lèi)型。通過(guò)有限元仿真可以發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增加電力系統(tǒng)鋰電池儲(chǔ)能箱的厚度，可以有效改善儲(chǔ)能箱的應(yīng)力集中和變形現(xiàn)象。