从100000种设计中，如何用最短的时间找到最好的

有没有感觉今年夏天很热？

数据不骗人，7月份全国平均气温创1961年以来最高纪录，大部分地区都比常年同期高一两度。

但新纪录只保持4天。11日，山东144座储能电站，以804万千瓦的放电功率刷新了纪录。

那什么是储能？为什么要储能？

首先你要知道，电力系统的最大特征是发电和用电必须实时平衡。发电量大于用电量，电压和频率升高，电网和用电设备受不了。

反过来更简单，你受不了。正吹着空调打团呢，突然的停电会让你心理和生理上都立马红温。

在一天中，用电负荷随时都在变——工厂的设备会随时启动，电车司机会随时给车充电，你随时会打开电脑来一把酣畅淋漓的战斗。

这也是为什么你凌晨给车充电，电价往往会比中午便宜很多。

但发电功率不容易调。俗话说，人类文明的进步，只是改变了烧热水的方式。如今发电的主力还是汽轮机，非常笨重。你想实时调节它的功率？难。

水轮机和燃气轮机更加灵活，是调节发电功率的主力军，但调节速度还是差点意思。

更何况，如今中国的风电和光电装机量已经超过火电，你有没有发现你的耳机音质都变空旷了？

风光电本就靠天吃饭，给供需本就难平衡的电网雪上加霜。

于是，将发出的一部分电储存起来，需要时再放出，就成为电网稳定运行的刚需。

你可以用电把水抽到高处，将电能转化为重力势能，需要时放水发电。

你可以用电压缩空气，将电能转化为空气内能，需要时放气发电。

你可以用电驱动飞轮旋转，将电能转化为飞轮动能，需要时让飞轮带动发电机。

你可以用电熔化盐，将电能转化为盐的内能，需要时用高温盐烧水发电。

你可以用电去电解水制氢，将能电能转化为化学能，需要时用燃料电池发电。

......

当然最简单的，你还可以用电池。用电低谷时给电池充电，高峰期电池放电。

如果你有一辆纯电车，甚至能利用这个机制赚钱。找个支持V2G（Vehicle-to-Grid）的充电桩，插上枪，晚上低价充电白天高价放电。一动不动，就能赚几十块钱，是不是很有吸引力？

这种车网互动模式，上海、常州等9个城市已经在试点了。让新能源汽车变成移动充电宝，给电网减负，还能赚点零花钱。

但车网互动也会让很多车主心疼。因为动力电池存在“循环寿命”，理论上来说循环次数过多会造成电车续航下降，电池提前报废。

所以储能电站一般都用退役动力电池或者专门的储能电池。能量密度偏低，但循环寿命更长。

比如国家标准要求动力电池循环寿命最少是1000次，但储能电池寿命至少则为5000次。同时，储能电池180瓦时/kg的储能密度也低于动力电池的200-300瓦时/kg。

近些年随着锂电技术成熟成本下降，中国成为锂电第一大国。到2024年底，锂电储能装机规模已经超过抽水蓄能，成为中国第一大储能形式。

前面提到的江苏、山东放电功率记录，主要就是靠锂电池实现的。

锂电池能量密度高，但极其暴躁，受热受冲击都可能着火，所以必须要保护好。储能电站那些白色的大柜子，储能柜，主要任务就是保护锂电池的安全。

在储能柜设计中，防震设计是重要一环。地震发生时，储能柜结构和电池等组件不能倾倒、位移甚至损坏。行业内常用的GR-63标准，就有地震、振动和冲击测试。

总结来说，储能柜防震设计的要求是：在满足GR-63标准的前提下，尽量减小重量及在地震中的变形量。

下面展示一个案例，出自2025年的第三届天洑杯数据建模大赛，参赛队伍为国创移动能源股份有限公司。

储能柜的结构有T0-T10共10个变量，每个变量有5个可选值。显然，这10个变量一共有10^5个组合，也就是10万种设计。

虽然有限元仿真能计算结构强度和变形量，但让你做10万组仿真，你肯定连夜提桶跑路。

仿真太慢怎么办呢？用数据代理模型，我们讲过的：《结构工程师狂喜：如何用代理模型快速评估结构强度》。

训练代理模型需要数据，数据哪里来？还是有限元。。。但别怕，几百组就够。

而且此过程可以做到自动化，用天洑的优化设计软件AIPOD调用结构仿真软件AIFEM，采用拉丁超立方采样算法随机采样。

流程搭建之后，无需人工干预，就可采集到训练代理模型需要的500组数据。

得到数据后，再基于天洑数据建模软件DTEmpower，训练得到充电柜结构强度的代理模型。

接下来，再用优化软件AIPOD调用代理模型，以质量和扭转刚度为优化目标进行寻优。

很快，AIPOD给出了三个最优方案。相比优化之前，充电柜的质量、最大变形量以及扭转刚度都有大幅优化。

你肯定会问了，用代理模型做的优化准吗？准的兄弟。我们专门拿代理模型寻优结果和有限元仿真做了对比。

对最大位移，三种方案偏差最大只有0.9%。

对扭转刚度，最大偏差也只有0.42%。