浅谈储能集装箱箱体的设计

浅谈储能集装箱箱体的设计

李福虎

大连华录国正产业有限公司，大连  邮编：116620

储能自古以来就存在，就是在能量富余的时候，利用特殊技术和装置把能量储存起来，并在能量不足时释放出来，从而调节能量供求在时间和强度上的不匹配问题。只是在不同的时代，依据人类对不同能源的依赖，不同的矛盾赋予储能不同的内容。当代重要是储热、储氢和储电。由于电能是目前最便于生产、输送、分配和利用的一种能量形式，所以在现代生产和生活中获得了最为广泛的应用，在储能领域里，储电也就成了最核心的内容。

而随着电力储能的发展，模块化储能以它的灵活组合和维护方便，已经占据了主要地位，而作为模块化储能设备的主要载体—储能集装箱，也得到了较为高速的发展。在这里就谈一谈储能集装箱的设计。

储能集装箱的设计原则是在满足结构强度、刚度和实现主要设备功能的前提下尽可能的满足客户的需求和美观。从集装箱分类来说，储能集装箱是属于设备集装箱，但由于内部装有电池等危险品，所以此类集装箱同时属于危化品类集装箱。因此在设计过程中，要充分查阅关于设备集装箱和危化品类集装箱的相关技术规范和国家标准。

首先，箱体的设计需要参考响应的标准（《集装箱检验规范—中国船级社等》）进行初步的设计，从而初步确定箱体的四梁八柱的材质以及截面尺寸，然后进行相应的细化设计，之后需要对箱体进行有限元受力分析，根据受力云图对设计进行调整。有限元的计算工况（如起吊工况、差距工况、横刚、纵刚等），需要根据箱体所需要做的相关认证来进行确认，当不需要认证时，则需要结构设计师，根据箱体的实际使用工况，提出相应的计算工况，并提供相应的载荷数值，进行有限元计算。这里着重强调一下储能集装箱的底盘设计，储能集装箱从功能上属于设备集装箱，它的特点是底盘载荷受力不均匀，承载点需要严格按照内部设备的具体安装位置和安装形式进行加载、验算（如图1所示，载荷集中于箱体中间区域），这就决定了，集装箱的底部横梁的布置需要有区分，承载大的位置需要加强，不能按照最大载荷进行平均分布，如果这样就会造成箱体整体重量过大，在载重需求不变的情况下，箱体的总重会明显增加，这样会对后续的运输和吊装造成较大的成本增加，而且是每移动一次，就是一次的成本浪费。因此，在箱体结构设计时，底部横梁的布局需要着重考虑，就是该加强的地方加强，不需要的地方尽可能的减弱，甚至取消，这些都需要根据受力云图（图2）进行细化设计。在审核受力云图时，需要重点关注结构截面有急剧变化或结构上有急剧的角度变化的部位（例如：竖梁与横梁的对接处），这些部位是容易出现集中应力的位置，如图2所示，整体应力分布效果可以说是非常好的，但是在截面剧变和结构角度剧变的位置，是有明显的应力高值出现（如图3、图4、兔所示）。这时就需要关注此处的最大应力是否在许用范围内，如果超出许用应力，则需要对此处进行加强（补或更换大截面的型材）。在机械结构设计中，从结构强度方面考虑，需尽可能的避免剧变截面和结构角度剧变的情况的出现当无法避免时，一定要着重关注此处的应力情况，此处将会是整个结构中的强度薄弱点，一定要着重关注。

加载示意图（图1）

受力云图（图2）

图3

图4

图5

其次，箱体的结构设计在强度满足要求的情况下，需要满足刚性要求，《集装箱检验规范》中有明确的集装箱在各个工况下的变形量要求，在有限元计算时，除了需要对应力进行审核，变形量也是需要审核的一大重要指标。

图6

如图6中所示，最大变形量位于图中方框所示的位置，数值达到60.776mm，而客户对结构变形量的要求是不大于20mm，由此可见，此结构的刚性不满足客户需求，因此就需要对结构进行调整。此时需要注意，决定整体刚性的是结构整体，需要从结构整体的角度进行考虑，而不是单独的将材料加粗、加厚。在设计中一定要有成本的概念，这不单单是生产厂家的生产成本，还会如之前所说的整体吊装和运输成本。此时所做调整，一定是要保证，最小的更改量、最小的成本提升的前提下，将结构刚性调整到满足需求。

储能集装箱作为一种设备集装箱，除去需要先保证上述的结构强度和刚度外，还需要重点考虑的就是内部设备的可安装性和可维修、维护性，这是储能集装箱的基本功能性问题，也是作为基础条件，在满足结构强度和刚度之后必须满足的。

另外，储能集装箱作为设备集装箱，内部装载的还是电池等电气设备，因此对箱体的防护等级是有相应要求的，这方面在设计过程中主要需要重点关注门、窗和百叶的设计，一定需要满足箱体的防护等级要求。例如，门的密封胶条的材料选择，还有密封胶条是否需要采用内外各一条进行防护等，百叶窗是否需要提供防护等级证明等。

储能集装箱除了在功能上划分为设备集装箱外，由于其内部安装这电气设备以及电池，因此其也为危险品类集装箱。此类集装箱为了防止太阳直射导致箱体内部温度过高，从而导致内部设备损坏等问题出现，往往都会对此类集装箱进行保温要求。而对于此种箱型的保温要求，一定需要重点关注，一般会在技术要求中明确保温装修的具体材料，以及要求的具体防火等级，这是涉及到整个储能集装箱以及储能设备的安全问题，一定要重点关注。还有，对于门的要求需要关注。储能集装箱为了内部设备的安装要求，一般会有一个或几个标准集装箱形式的门，但是在内部设备安装好，正常运转的情况下，此门一般情况下是不会再打开的，但是平时的设备维护、检修等还需要进入，所以都会再设一个正常的进出门，此门也叫作逃生门。此逃生门，从名字就可以看出他的作用，因此此门除了之前提到的防护等级要求外，往往还会有防火等级要求，所以一定要多加关注。

在结构上还需要关注的是，由于储能集装箱内部会装载电池，所以对防腐要求较高。因此，箱内所用的螺栓、螺母等连接件往往会采用不锈钢材质。另外，有的储能集装箱内部的设备需要与箱体做绝缘处理，所以连接件的材质会是一些绝缘材料（例如树脂等），所以在做储能集装箱设计时，对于零件的材质选定一定要慎重、仔细。

最后，来谈谈箱体的油漆喷涂。在油漆喷涂前，需要对箱体进行打砂处理（通常称为二次打砂，一次打砂是在原材料预处理，喷涂底漆时进行的），对于二次打砂的要求与一次打砂相同，通常要求如下：

A、喷砂清洁度等级：ISO8501-1 Sa2.5级；

B、表面粗糙度：平均Rz25-40μm；

C、喷砂密度：85%，清理所有可见杂质；

D、喷砂表面灰尘：用压缩空气吹去所有可见灰尘；

E、油污：用有机溶剂擦洗，去除所有可见油污；

F、焊烟：用适当方法，如有机溶剂、铁刷或喷砂方法去除；

G、白灰：用清水冲洗或采用铁刷或喷砂处理去除所有可见白灰，对局部白灰采用铁刷或喷砂方法更适合于生产线施工；

H、焊接飞溅：所有焊接飞溅必须采用扁铲、手锤或砂轮机清理干净；

I、焊接修补区：如果可能应重新喷砂处理，在不便喷砂的条件下，应采用铁刷、手砂轮或其他方法进行清理；

二次喷砂后，一些缺陷会暴露出来，在进行油漆喷涂前，应对喷涂表面的缺陷，尤其是焊缝缺陷进行再次检查和修补。

对局部未达到表面预处理要求的区域可用铁刷、手动工具等进行修补，对焊缝缺陷除了进行观察判断外，还需进行透光检查。检查方法：检查人员进入箱内，关上箱门进行检查。对有漏光部位做出标记，需在喷涂前修不好。

在喷涂油漆前还需要对照油漆工艺，对底漆，中间漆和面漆进行核对，以及确认油漆的生产日期。喷涂时需严格执行油漆工艺中对油漆膜厚的要求，条件允许最好有油漆生产厂家的代表在现场进行指导，如无法现场指导，也需要在喷涂前与其做明确的技术交流。

随着模块化储能项目的发展，储能集装箱以它自身的可预制性、可组装性以及可拆卸转运性，必将占有较为广阔的市场。

参考文献：

《集装箱检验规范》—中国船级社

《集装箱涂料行业标准》JT/T810-2011

《Creo Simulate 分析手册》

《有限元分析及应用》胡于进,王璋奇 清华大学出版社 第一版

《2022年中国储能技术研究进展》陈海生、李 泓、徐玉杰等，储能科学与技术，2023 12（5）

《储能集装箱的静力及抗震仿真研究》卢东辉、周力民、姚 宁、丁勇，ELECTRONICS WORLD・技术交流，2022.02.058

《高适用性集装箱储能系统技术研究》杨艺云、张 阁、葛 攀，广西电力，2015.38.05