بنية أنظمة تخزين طاقة البطارية

قبل الغوص في بنية وأنواع أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS)، من الضروري أن نتعرف على المصطلحات الأساسية المستخدمة بشكل شائع في هذا المجال. تعتبر المعلمات المختلفة حاسمة في وصف سلوك وأداء BESS.

· السعة [Ah]: تمثل هذه الكمية من الشحنة الكهربائية التي يمكن للنظام توفيرها لحمل متصل مع الحفاظ على مستوى جهد مقبول. تتأثر السعة بتقنية البطارية ويتم تحديدها عادةً عند درجات حرارة وتيارات تفريغ محددة.

· الطاقة الاسمية [Wh]: هذه هي الطاقة الإجمالية التي يمكن للبطارية توصيلها من حالة الشحن الكامل إلى التفريغ الكامل. يتم حسابه بضرب السعة بجهد البطارية. ونظرًا لأنه يعتمد على السعة، فإنه يتأثر أيضًا بدرجة الحرارة والتيار.

· الطاقة [W]: يعد تحديد طاقة الخرج لـ BESS أمرًا معقدًا لأنه يعتمد على الحمل المتصل. ومع ذلك، تشير الطاقة الاسمية إلى الخرج أثناء ظروف التفريغ النموذجية.

· الطاقة النوعية [وات/كجم]: تصف هذه المعلمة الطاقة التي يمكن للبطارية تخزينها بالنسبة إلى كتلتها.

· معدل C: يشير هذا إلى معدل الشحن والتفريغ بالنسبة إلى السعة القصوى للبطارية. عند درجة حرارة 1C، يتم تفريغ البطارية بالكامل خلال ساعة واحدة.

· الدورة: تسلسل شحن وتفريغ وشحن كامل. لا يوجد معيار عالمي يحدد ما الذي يشكل الدورة.

· دورة الحياة: عدد الدورات التي يمكن للبطارية إكمالها قبل أن يتدهور أدائها بشكل ملحوظ.

· عمق التفريغ (DoD): يمثل النسبة المئوية للبطارية الفارغة. يشير 100% من وزارة الدفاع إلى التفريغ الكامل.

· حالة الشحن (SoC، %): تشير إلى مستوى الشحن الحالي للبطارية.

· كفاءة كولومبيك: يعكس هذا كفاءة نقل الشحنة داخل البطارية. إنها نسبة الشحنة (Ah) المفرغة إلى الشحنة المطلوبة للعودة إلى الحالة الأولية. معظم البطاريات، باستثناء بطاريات الرصاص الحمضية، تظهر كفاءة كولومية شبه مثالية.

الأنواع الرئيسية للكهروكيميائية أنظمة تخزين الطاقة

تعتمد تقنيات البطاريات المختلفة على عناصر وتفاعلات كيميائية مختلفة. اليوم، تعد بطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات الليثيوم أيون هي الأكثر شيوعًا، على الرغم من أن البطاريات القائمة على النيكل والكبريت وبطاريات التدفق لعبت أيضًا أدوارًا مهمة في الصناعة. فيما يلي نظرة عامة مختصرة على المزايا الرئيسية لتقنيات البطاريات شائعة الاستخدام.

بطاريات الرصاص الحمضية

تستخدم هذه على نطاق واسع في التطبيقات اليومية. وهي تتكون من قطب رصاص سالب، وقطب موجب لثاني أكسيد الرصاص، ومحلول إلكتروليت من حمض الكبريتيك.

المزايا: انخفاض التكلفة والنضج التكنولوجي.

العيوب: انظر الجدول 1 لمزيد من التفاصيل.

بطاريات النيكل والكادميوم (Ni-Cd)

سيطرت هذه البطاريات على الأنظمة المحمولة لسنوات قبل ظهور تكنولوجيا أيونات الليثيوم. إنها توفر أداءً قويًا للطاقة وإعادة الشحن السريع.

المزايا والعيوب: راجع الجدول 2.

توفر بطاريات هيدريد معدن النيكل (NiMH)، وهي تطور من Ni-Cd، طاقة نوعية أعلى بنسبة 40% تقريبًا.

بطاريات ليثيوم أيون (ليثيوم أيون)

توفر بطاريات الليثيوم أيون، مع معدن الليثيوم كالأنود، طاقة محددة استثنائية. ومع ذلك، فإنهم يواجهون تحديات مثل تشكل التشعبات التشعبية على الأنود، والذي يمكن أن يسبب دوائر قصيرة وارتفاع درجة الحرارة.

المزايا والعيوب: راجع الجدول 3.

تركيبة البيس

يتكون BESS من عدة مكونات مترابطة، ولكل منها أدوار محددة ومتطلبات التحكم. وفيما يلي ملخص لهذه المكونات الرئيسية:

1. نظام البطارية: يتكون من عدة حزم بطاريات، مترابطة لتحقيق مستويات الجهد والتيار المطلوبة.

2. نظام إدارة البطارية (BMS): يضمن التشغيل الآمن من خلال الحفاظ على مستويات الجهد والتيار ودرجة الحرارة ضمن الحدود. كما أنه يوازن حالة الشحن عبر الخلايا.

3. نظام تحويل الطاقة (PCS): يحول طاقة التيار المستمر من البطارية إلى تيار متردد للاستخدام الخارجي. تشتمل وحدات PCS غالبًا على خدمات المراقبة والخدمات المساعدة للتشغيل الأمثل.

4. نظام إدارة الطاقة (EMS): يراقب ويدير تدفق الطاقة بناءً على متطلبات التطبيق. يتكامل EMS عادةً مع نظام SCADA (التحكم الإشرافي والحصول على البيانات) لمراقبة النظام والتحكم فيه بشكل عام.

5. المحولات: اعتمادًا على حجم النظام، يتم استخدام محولات الجهد المتوسط/الجهد المنخفض أو الجهد العالي/الجهد المتوسط ​​للاتصال بالشبكة.

دمج الوحدات الكهروضوئية مع BESS

نظرًا لأن الطاقة المتجددة أصبحت جزءًا لا يتجزأ من الأنظمة الكهربائية المستقبلية، فإن دمج نظام BESS مع المصادر المتجددة، مثل الوحدات الكهروضوئية، يعزز كلاً من نظام الطاقة ومحطة الطاقة.

فوائد التكامل بين PV وBESS:

· تخفيف تقلبات التوليد: يعمل نظام BESS على تسهيل التقلبات في خرج الطاقة الناتجة عن السحب أو القمم المفاجئة، مما يؤدي إلى إنشاء منحنى توليد أكثر استقرارًا (الشكل 4).

· ذروة الحلاقة: يقلل من توليد الذروة، مما يؤدي إلى منحنى أكثر سلاسة.

· دعم الشبكة: يوفر خدمات إضافية مثل التحكم في الجهد، وتنظيم التردد، وتعويض الطاقة التفاعلية، مما يتيح تكاملًا أفضل للشبكة.

خيارات الاقتران للوحدات الكهروضوئية وBESS:

1. اقتران التيار المستمر : يتم توصيل الطاقة الكهروضوئية وBESS على جانب التيار المستمر، ومشاركة العاكسات ومكونات التيار المتردد. شائع في المصانع السكنية والصغيرة الحجم، ولكنه يتطلب منطق تحكم متقدمًا لجهد التيار المستمر وإدارة البطارية.

2. اقتران التيار المتردد بعد العاكس: يحتوي كل من PV وBESS على محولات مخصصة، مما يجعلها مناسبة للمحطات السكنية والواسعة النطاق. يتجنب هذا الأسلوب تعقيد اقتران التيار المستمر.

3. اقتران التيار المتردد عند نقطة الاتصال (POC): تشترك الأنظمة الكهروضوئية وBESS في مرفق التوصيل البيني فقط، مع أقسام مستقلة لكل نظام.