طراحی ذخیره‌سازی انرژی: ذخیره‌سازی انرژی دقیقاً چیست؟ قسمت اول

به عبارت ساده، ذخیره انرژی فرآیند ذخیره انرژی استفاده نشده و استفاده مجدد از آن در صورت نیاز است. در زمینه انرژی، فناوری ذخیره‌سازی انرژی نقش مهمی ایفا می‌کند، زیرا خروجی پایدار منابع انرژی تجدیدپذیر ناپایدار مانند انرژی خورشیدی و بادی را امکان‌پذیر می‌کند و منبع برق مستمری را برای زندگی و کار روزمره ما فراهم می‌کند. در میان آن‌ها، ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی لیتیوم یون به یکی از سریع‌ترین فناوری‌های در حال توسعه ذخیره‌سازی انرژی به دلیل چگالی انرژی بالا، طول عمر طولانی و سرعت پاسخگویی سریع تبدیل شده است.

1 مقدمه اولیه

سیستم ذخیره انرژی شامل باتری، اجزای الکتریکی، پشتیبانی مکانیکی، سیستم گرمایش و سرمایش (سیستم مدیریت حرارتی)، سیستم تبدیل انرژی دو طرفه، سیستم مدیریت انرژی و سیستم مدیریت باتری است. باتری مرتب شده، متصل و به یک ماژول باتری مونتاژ می شود و سپس با سایر اجزای داخل کابینت ثابت و مونتاژ می شود تا کابینت باتری را تشکیل دهد.

تعریف کلی: ذخیره انرژی به ذخیره انرژی اشاره دارد. به فرآیند چرخه ای ذخیره انرژی از طریق یک رسانه یا دستگاه و آزادسازی آن به شکلی خاص بر اساس نیازهای کاربردی آینده اشاره دارد.

تعریف محدود: برای ذخیره انرژی الکتریکی. مجموعه ای از فناوری ها و اقداماتی که از روش های شیمیایی یا فیزیکی برای ذخیره انرژی تولید شده و آزادسازی آن به شکل انرژی الکتریکی در صورت نیاز استفاده می کند. (همه مقدمه های بعدی به تعریف محدود ذخیره انرژی الکتریکی محدود می شود)

1. اصطلاحات و تعاریف

باتری: به عنوان یکی از مسیرهای تکنولوژیکی کلیدی برای ذخیره انرژی جدید، باتری های ذخیره انرژی جدید نقش مهمی در افزایش نسبت مصرف انرژی تجدیدپذیر و تضمین عملکرد ایمن و پایدار سیستم قدرت دارند. باتری‌های لیتیومی، به‌عنوان ابزارهای کلیدی ذخیره‌سازی انرژی، «مرکزی» هستند که پیشرفت ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی را تعیین می‌کنند. باتری های لیتیومی با توجه به مواد مختلف الکترود مثبت به باتری های لیتیوم فسفات آهن و باتری های لیتیومی سه تایی تقسیم می شوند. بازار ذخیره‌سازی انرژی عمدتاً تحت سلطه باتری‌های فسفات آهن لیتیوم است و حذف اختلاف دره اوج بین روز و شب سناریوی اصلی کاربرد سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی است. زمان استفاده از محصول مستقیماً بر درآمد پروژه تأثیر می گذارد. واحدهای ذخیره انرژی که معمولاً به باتری‌ها اطلاق می‌شوند، دستگاه‌های اساسی هستند که در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی برای ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سلول: یک باتری واحد، کوچکترین واحد باتری.

ماژول/پک باتری: یک بسته استاندارد برای یک سری از باتری های جداگانه.

Rack/Cluster باتری: یک واحد ذخیره انرژی متشکل از یک سری ماژول باتری.

پنل جمع آوری باتری (BCP): بین قفسه باتری و اینورتر ذخیره انرژی، شبیه به جعبه ترکیب کننده DC فتوولتائیک قرار دارد.

سیستم تبدیل برق (PCS): یک اینورتر دو طرفه DC/AC.

سیستم مدیریت باتری (BMS): مدیریت و نگهداری هوشمند واحدهای مختلف باتری برای جلوگیری از شارژ و دشارژ بیش از حد، افزایش عمر باتری و نظارت بر وضعیت باتری.

ماده الکترود مثبت: بخشی از باتری که تحت واکنش های اکسیداسیون قرار می گیرد. مواد الکترود مثبت رایج عبارتند از اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO2)، فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4)، لیتیوم نیکل اکسید کبالت منگنز (NMC) و غیره.

ماده الکترود منفی: بخشی از باتری که تحت واکنش کاهش قرار می گیرد. مواد متداول الکترود منفی شامل گرافیت، سیلیکون، قلع و غیره است. الکترولیت: محیط انتقال یون در باتری ها که می تواند مایع یا جامد باشد (الکترولیت جامد). الکترولیت ها به یون ها اجازه می دهند بین الکترودهای مثبت و منفی حرکت کنند و فرآیند شارژ و دشارژ را تکمیل کنند.

دیافراگم: بین الکترودهای مثبت و منفی قرار دارد و وظیفه آن جلوگیری از تماس مستقیم بین الکترودهای مثبت و منفی از ایجاد اتصال کوتاه است و در عین حال اجازه عبور یون ها را می دهد.

جمع کننده جریان: معمولاً از فلزاتی مانند مس و آلومینیوم ساخته می شود که برای انتقال جریان یک سلول باتری به مدار خارجی استفاده می شود.

پوشش باتری: ساختار خارجی باتری که برای محافظت از اجزای داخلی و پشتیبانی مکانیکی استفاده می شود.

سیستم مدیریت باتری (BMS): مسئول نظارت و مدیریت فرآیند شارژ و دشارژ باتری ها، اطمینان از عملکرد ایمن آنها و بهینه سازی عملکرد و طول عمر آنها است.

سیستم مدیریت انرژی (EMS): این یک سیستم هوشمند است که نرم افزار و سخت افزار را یکپارچه می کند و برای نظارت، کنترل و بهینه سازی جریان و مصرف انرژی در سیستم های انرژی استفاده می شود. این مبتنی بر جمع آوری داده ها، تجزیه و تحلیل و فناوری پشتیبانی تصمیم است که می تواند وضعیت عملیاتی، مصرف انرژی و شرایط محیطی تجهیزات انرژی را در زمان واقعی نظارت کند و در نتیجه به مدیریت کارآمد و بهینه سازی انرژی دست یابد.

سیستم گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC): معمولاً در ظروف باتری برای اطمینان از تهویه، اتلاف گرما و عایق بودن باتری ها استفاده می شود.

ظرفیت باتری: مقدار شارژ Q که می‌تواند مهار یا آزاد شود، یعنی ظرفیت باتری (Ah)=جریان (A) x زمان تخلیه (h) که معمولاً بر حسب Ah (آمپر ساعت) اندازه‌گیری می‌شود. به عنوان مثال، اگر باتری ذخیره انرژی با عنوان 96Ah برچسب گذاری شده باشد، از نظر تئوری می توان آن را به مدت 1 ساعت در جریان کاری 96A استفاده کرد.

انرژی باتری: انرژی ذخیره شده در باتری که بر حسب Wh (وات ساعت) اندازه گیری می شود، که در آن Wh برابر ولتاژ (V) ضرب در ظرفیت باتری (Ah) است. به عنوان مثال، یک باتری 3.2 ولت / 96 آمپر ساعت انرژی 307.2 وات ساعت دارد و اگر چهار باتری از این قبیل را به صورت سری وصل کنیم، یک بسته باتری با ولتاژ 12.8 ولت و ظرفیت 96 آمپر ساعت تشکیل می دهیم. اگرچه ظرفیت باتری افزایش نمی یابد، اما کل انرژی چهار برابر افزایش می یابد.

نرخ تخلیه شارژ (C-Rate): نرخ دشارژ به مقدار فعلی مورد نیاز برای تخلیه ظرفیت نامی آن در مدت زمان مشخص اشاره دارد که از نظر عددی برابر با مضربی از ظرفیت نامی باتری است. یعنی، جریان شارژ و دشارژ (A) بر ظرفیت نامی (Ah) تقسیم می‌شود، که واحد عموماً C (مخفف C-rate) است، مانند 0.5C، 1C، و غیره.

ظرفیت تضمین شده برق (GPC): حداقل ظرفیت آزاد شده توسط یک سیستم ذخیره انرژی در یک دوره استفاده مشخص.

راندمان رفت و برگشت (RTE): نسبت کل مقدار برق آزاد شده از ترمینال AC در هنگام شارژ کامل باتری به مقدار برق مورد نیاز برای شارژ کامل ترمینال AC، با در نظر گرفتن تلفات تجهیزات و مصرف خود در هنگام شارژ و تخلیه

عمر چرخه: طول عمر باتری به دو پارامتر تقسیم می شود: عمر چرخه و عمر تقویم. عمر چرخه به تعداد دفعاتی اشاره دارد که یک باتری می تواند از طریق شارژ و دشارژ چرخه کند. تحت شرایط دما و رطوبت ایده آل، شارژ و دشارژ را با جریان نامی انجام دهید و تعداد چرخه هایی را که باتری تجربه می کند زمانی که ظرفیت آن به 80 درصد کاهش می یابد، محاسبه کنید. طول عمر تقویم به بازه زمانی اطلاق می شود که طی آن یک باتری در شرایط استفاده خاص به پایان عمر خود می رسد (کاهش ظرفیت تا 80٪). به طور کلی، مقدار کوچکتر این دو ممکن است ارزیابی شود.