نحوه کار سیستم های ذخیره سازی انرژی

مولفه‌های اصلی انرژی سیستم‌های ذخیره‌سازی

مدیا‌های ذخیره‌سازی انرژی: از باتری‌ها تا مخازن گرمایی

ذخیره سازی انرژی به اشکال مختلفی می آید، هر کدام برای اهداف مختلف مناسب هستند و مزایای منحصر به فرد را ارائه می دهند. باتری ها به عنوان گسترده ترین گزینه ای برجسته می شوند، از واحد های ساده اسید سرب گرفته تا بسته های پیشرفته لیتیوم یون و سیستم های باتری جریان تخصصی. اسید سرب همچنان برای نیاز های اضطراری مورد استفاده قرار می گیرد زیرا بدون شکستن بانک به طور قابل اعتماد کار می کنند. تکنولوژی یون لیتیوم زمانی به شدت در حال رشد بود که دستگاه ها به قدرت بیشتری نیاز داشتند که در فضاهای کوچکتر بسته بندی شده بودند، که توضیح می دهد چرا امروزه ما آنها را در همه جا از گوشی های هوشمند تا خودروهای الکتریکی می بینیم. سپس باتری های جریان وجود دارند، که در هنگام برخورد با نیازهای ذخیره سازی عظیم واقعاً درخشان هستند به لطف اینکه چقدر به راحتی مقیاس پذیر می شوند و بدون از دست دادن ظرفیت زیاد در طول زمان، چرخه های شارژ بی شماری را تحمل می کنند.

علاوه بر راه حل های ذخیره سازی باتری معمولی، مخازن حرارتی مانند مخازن نمک ذوب شده و واحدهای ذخیره یخ نیز نقش مهمی در حفظ تعادل انرژی در سیستم های مختلف دارند. نمک ذوب شده را به عنوان مثال در این نیروگاه های بزرگ انرژی خورشیدی متمرکز یافت می شود که نمک را تا صدها درجه سانتیگراد ذوب می کنند و این گرما را ذخیره می کنند تا زمانی که نیاز به تولید برق دوباره داشته باشند، حتی در روزهای ابری یا شب که خورشید درخشنده نیست. و بعد تکنولوژی ذخیره یخ وجود دارد که امروزه بسیاری از شرکت ها در ساختمان های خود نصب می کنند. این سیستم ها اساساً آب را در زمان هایی که نرخ برق پایین است به قطعات عظیم منجمد می کنند، سپس بعداً آن را به صورت آب سرد می کنند تا در عصر های گرم که همه برای خنک کردن آن هزینه بالایی می پردازند، تهویه مطبوع فراهم کنند.

در هنگام انتخاب محیط ذخیره سازی انرژی مناسب، باید در نظر گرفت درخواست الزامات، معیارهای کارایی و هزینه. یک راه حل بهینه اغلب شامل ترکیب فن آوری های مختلف ذخیره سازی برای به حداکثر رساندن کارایی و قابلیت اطمینان است.

سیستم‌های تبدیل قدرت: انوتروها و کنترلرهای

سیستم های ذخیره سازی انرژی واقعاً به تکنولوژی تبدیل برق برای مدیریت چگونگی حرکت برق بین جایی که ذخیره شده و جایی که مردم واقعاً از آن استفاده می کنند وابسته هستند. اینورترها نقش بزرگی در این مورد دارند، زیرا آن ها این انرژی جریان ثابت (DC) را که ذخیره شده است، به جریان متناوب (AC) تبدیل می کنند که با شبکه های برق معمولی و دستگاه های خانگی ما کار می کند. وقتی به انواع مختلف اینورترها نگاه می کنیم، می بینیم که اینورترهای رشته ای برای خانه ها و دستگاه های کوچک بسیار خوب کار می کنند. از طرف دیگر، اینورترهای مرکزی برای پروژه های بزرگتر مانند مزارع خورشیدی یا تاسیسات صنعتی که نیاز به تبدیل مقدار زیادی انرژی دارند مناسب تر هستند.

وقتی با اینورترها ترکیب شوند، کنترل کننده های پیشرفته واقعا عملکرد سیستم ها را افزایش می دهند، قابل اعتماد هستند و کارآمد عمل می کنند. کاری که این کنترلرها انجام می دهند این است که همه چیز را با شبکه هماهنگ نگه دارند، چیزی که برای اینکه همه چیز بدون مشکل کار کند بسیار مهم است. آنها جریان برق را تقریباً به طور مداوم مدیریت می کنند، بنابراین هر برق تولید شده در واقع با آنچه در هر لحظه مورد نیاز است مطابقت دارد. این به معنای صرف انرژی کمتر در کل است، که در دراز مدت برای هر کسی که این سیستم ها را اجرا می کند، پول صرفه جویی می کند.

اهمیت سیستم‌های تبدیل قدرت با افزایش نیاز به ادغام در شبکه برق بیشتر می‌شود. با ورود منابع انرژی تجدیدپذیر مانند خورشید و باد به جریان اصلی، مکانیزم‌های هماهنگ‌سازی مؤثر برای تضمین تحویل انرژی بدون اخلال ضروری است.

سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) برای کارایی

سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) در عملکرد کارآمد و طول عمر راه‌حل‌های ذخیره‌سازی باتری نقش اساسی دارند. نقش اصلی آنها شامل نظارت و مدیریت حالت باتری، تسهیل تعادل شارژ و حفظ شرایط دمایی بهینه است. این توابع کمک می‌کنند تا فرسودگی باتری را جلوگیری کرده و طول عمر آن را افزایش دهند.

فناوری‌های BMS مدرن از تحلیل پیش‌بینی‌ای استفاده می‌کنند تا عملکرد را بهبود بخشند و اقدامات پیشگیرانه‌ای را برای بهینه‌سازی سلامت سیستم فراهم کنند. علاوه بر این، BMS‌ها برای تضمین امنیت و رعایت مقررات نقش کلیدی دارند، زیرا می‌توانند ناهنجاری‌هایی مانند گرمایش بیش از حد یا نوسان ولتاژ را تشخیص دهند و خطرات پتانسیل را جلوگیری کنند.

ایمنی یک جنبه اصلی سیستم BMS است، زیرا نادرست کار کردن با سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی می‌تواند منجر به ریسک‌های قابل توجهی شود. با پیشرفت فناوری‌ها، سیستم‌های BMS به طور مداوم بهبود می‌یابند و ظرفیت‌های پیش‌بینی بهتر و پیروی محکم‌تر از مقررات را ارائه می‌دهند، که آنها را در تضمین پیاده‌سازی ایمن سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی غیرقابل جایگزین می‌کند.

انواع سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی و مکانیسم‌های آنها

ذخیره‌سازی هیدرو پمپی: انرژی مبتنی بر گرانش

ذخیره سازی آب پمپ شده، یا به اختصار PHS، یکی از روش های اصلی ذخیره سازی مقادیر زیادی انرژی است. ایده اصلی این است که آب را به سمت بالا حرکت دهید وقتی که انرژی اضافی در دسترس است، سپس اجازه دهید آن را از طریق توربین ها به پایین جریان دهد تا برق را در هر زمان که تقاضا افزایش یابد تولید کند. در سراسر جهان، این سیستم ها حدود ۹۵ درصد از کل ظرفیت انرژی ذخیره شده را تشکیل می دهند، اگرچه آنها تمایل دارند که در جایی که جغرافیا اجازه می دهد تفاوت های طبیعی ارتفاع بین مخازن را داشته باشند، بهتر کار کنند. البته موانع هم هست. پیدا کردن مکان های مناسب همچنان دشوار است زیرا همه مناطق کوه ها یا تپه های نزدیک ندارند. علاوه بر این، ساخت تاسیسات جدید اغلب نگرانی های زیست محیطی را در مورد تغییرات استفاده از زمین و اختلال احتمالی در اکوسیستم های محلی ایجاد می کند. این مسائل به این معنی است که برنامه ریزان باید به دقت در مورد انتخاب سایت فکر کنند و در طول توسعه اقدامات امنیتی مناسب را اجرا کنند.

باتری‌های لیتیوم-یون: ذخیره‌سازی الکتروشیمیایی

باتری های لیتیوم یون در حال حاضر تقریباً در همه جا هستند وقتی صحبت از ذخیره انرژی در این روزها می شود، به لطف اینکه چقدر به خوبی از لحاظ شیمیایی کار می کنند. اساساً آنچه که در داخل آنها اتفاق می افتد این است که آنها از طریق فرآیند شارژ و تخلیه عبور می کنند که به آنها اجازه می دهد مقدار زیادی انرژی را در فضاهای کوچک ذخیره کنند. حتی اگر هنوز کار زیادی برای بازیافت قدیمی ها و اطمینان از پایداری آنها در دراز مدت لازم باشد، مردم در همه انواع مکان ها از گاراژ های خانگی تا کارخانه های بزرگ شروع به استفاده از آنها کرده اند. ما نمونه های زیادی از دنیای واقعی را دیده ایم که در آن افراد این باتری ها را در خانه ها نصب می کنند یا شرکت ها آنها را در عملیات خود در می آورند، ثابت می کنند که چقدر می توانند همه کاره باشند، مهم نیست که در کجا استفاده می شوند.

ذخیره‌سازی انرژی گرمایی: نمک ذوب‌شده و مواد تغییر فاز

ذخیره انرژی حرارتی از طریق نمک های ذوب شده و مواد تغییر فاز (PCM) یک روش جالب برای جذب و نگه داشتن انرژی حرارتی است. برای مثال نیروگاه های انرژی خورشیدی متمرکز را در نظر بگیرید، آنها به شدت به ذخیره نمک ذوب شده وابسته هستند زیرا در حفظ گرما در طول زمان بسیار خوب کار می کنند. در مورد ساختمان ها، ادغام PCM در دیوارها یا کف می تواند به مدیریت مصرف انرژی در طول روز کمک کند، به ساختمان ها اجازه می دهد تا بار انرژی خود را در ساعات اوج تغییر دهند. اما مشکلات هم هست. از دست دادن گرما زمانی اتفاق می افتد که انرژی ذخیره شده به طور کامل در آن قرار نگرفته باشد و مواد تمایل دارند پس از چرخه های گرمایش مکرر شکسته شوند. محققان در صنایع مختلف همچنان روی راه حل هایی برای اطمینان بیشتر و هزینه موثرتر این سیستم ها در کاربردهای عملی کار می کنند.

سیستم‌های چرخ هوایی: انرژی جنبشی در حال حرکت

چرخ های پرنده ای یک روش بسیار جالب برای ذخیره انرژی با استفاده از حرکت به جای واکنش های شیمیایی هستند. ایده ی اصلی آن بسیار ساده است: چرخ سنگین را خیلی سریع می چرخانیم تا انرژی را جذب کنیم، و وقتی به انرژی نیاز داریم، سرعت آن را کاهش می دهیم. چیزی که چرخ های پرنده را برجسته می کند این است که در مقایسه با باتری ها یا روش های دیگر، چقدر می توانند سریع پاسخ دهند، و علاوه بر این، در صورت نیاز، انفجار های چشمگیر قدرت را تولید می کنند. با این حال، هنوز کار زیادی برای انجام دادن قبل از اینکه این سیستم ها به جریان اصلی تبدیل شوند وجود دارد. برای شروع، هزینه های تولید به دلیل مواد تخصصی مورد نیاز برای این روتورهای چرخش نسبتاً بالا است. علاوه بر این، شرکت ها باید با بازیگران شناخته شده مانند باتری های لیتیوم یون که در حال حاضر بر اکثر بازارهای جهان تسلط دارند رقابت کنند. اگر تولیدکنندگان می خواهند چرخ های پرنده ای جذب شوند، باید به شدت در تحقیقات سرمایه گذاری کنند در حالی که راه های هوشمندانه ای برای کاهش هزینه های تولید پیدا می کنند. برخی از کارشناسان معتقدند که در دهه آینده شاهد پیشرفت های قابل توجهی خواهیم بود زیرا تقاضا برای راه حل های ذخیره سازی جایگزین در صنایع از مدیریت شبکه تا وسایل نقلیه الکتریکی همچنان در حال رشد است.

جذب انرژی در دوره‌های تقاضای کم

ذخیره انرژی نقش مهمی در جذب انرژی اضافی در زمان کاهش تقاضا دارد، که به ثبات شبکه برق کمک می کند و فضای بیشتری برای انرژی های تجدید پذیر ایجاد می کند. وقتی پنل های خورشیدی یا توربین های بادی برق بیشتری از آنچه نیاز است تولید می کنند، این راه حل های ذخیره سازی وارد عمل می شوند تا هیچ کدام از آن انرژی هدر نرود. اونا اونا رو تا وقتي که مردم بعدا بهش نياز دارن نگه مي دارن روش کار این روش وقتی که به پیاده سازی های واقعی نگاه کنیم، روشن می شود. برای مثال انرژی خورشیدی را در نظر بگیرید - در روزهای روشن آفتابی اغلب برق بیشتری از آنچه که خانواده ها مصرف می کنند وارد می شود. سیستم های ذخیره سازی این مازاد را به دست می آورند و آن را برای شب ها یا روزهای ابری که تولید کم می شود ذخیره می کنند. این نوع از بافر برای شبکه هایی که انرژی تجدیدپذیر زیادی به سیستم وارد می شود، بسیار مهم است. بدون گزینه های ذخیره سازی مناسب، این شبکه ها برای حفظ عرضه برق ثابت در شرایط آب و هوایی متغیر و زمان های مختلف روز تلاش می کنند.

رویه‌های تخلیه برای پایداری شبکه

سیستم های ذخیره انرژی به پروتکل های تخلیه انرژی متکی هستند تا شبکه را در زمان افزایش و کاهش نیاز به انرژی پایدار نگه دارند. این پروتکل ها به سیستم ها اجازه می دهند تا به سرعت به تغییرات تقاضا واکنش نشان دهند، که به حفظ یک منبع برق ثابت کمک می کند و در عین حال نقش مهمی در مدیریت بار اوج و حفظ سطوح فرکانس در محدوده های قابل قبول دارد. آزمایشات دنیای واقعی نشان داده است که این فناوری ها در عمل به خوبی کار می کنند. به عنوان مثال، امکانات ذخیره سازی باتری در سراسر کالیفرنیا با موفقیت پروتکل های مشابهی را در طول قطع برق مستمر اجرا کرده اند. سازمان های نظارتی نیز به دستورالعمل های روشن نیاز دارند تا این پروتکل ها بتوانند بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان کلی شبکه های برق ما به درستی کار کنند. همانطور که ما بیشتر باد و خورشیدی را به شبکه های خود متصل می کنیم، داشتن این نوع استراتژی های تخلیه هوشمند برای حفظ تعادل بین تولید و مصرف، اهمیت بیشتری پیدا می کند.

زیان‌های کارایی و مدیریت گرما

سیستم های ذخیره سازی انرژی ناگزیر در طول چرخه های شارژ و تخلیه بهره وری کمی از دست می دهند، اما درک این زیان ها برای هر کسی که با آنها کار می کند بسیار مهم است. یک مشکل بزرگ از مدیریت گرما ناشی می شود - وقتی گرما بیش از حد جمع می شود، فقط به میزان کارایی کل سیستم آسیب می رساند. راه حل های مدیریت حرارتی بهتر واقعاً در این مورد کمک می کنند، اجازه می دهند سیستم ها قبل از اینکه باعث مشکل شود از شر گرما خلاص شوند. مواد جدید و طراحی های هوشمندتر نیز تفاوت ایجاد کرده اند، به ویژه آنهایی که هدف آنها نگه داشتن دمای پایین و اطمینان از جریان بهتر برق از طریق اجزای آن است. نگاه کردن به اعداد واقعی تفاوت های بسیار گسترده ای در میزان انرژی از دست رفته بین فن آوری های مختلف ذخیره سازی را نشان می دهد. این تفاوت نشان می دهد که چرا تحقیقات مداوم همچنان بسیار مهم است اگر ما می خواهیم به بهبود آنچه این سیستم ها می توانند انجام دهند و در طول راه انرژی کمتری را هدر دهیم.

Intégration به شبکه و کاربردهای واقعی

تعادل بین تناوب انرژی تجدیدپذیر

سیستم های ذخیره سازی انرژی برای مقابله با اینکه انرژی های تجدید پذیر چقدر غیر قابل پیش بینی هستند، واقعا مهم هستند. وقتی خورشید یا باد زیاد است، این سیستم ها انرژی اضافی را ذخیره می کنند تا ما حتی در روزهای ابری یا زمانی که باد کم می شود، برق داشته باشیم. برای مثال کالیفرنیا را در نظر بگیرید جایی که آنها شروع به اتصال باتری های بزرگ به مزارع خورشیدی در سراسر ایالت کرده اند. اين راه اندازي کمک ميکنه که برق بدون تمام اين بالا و پايين ها به طور ثابت جاري بشه بر اساس برخی از داده های اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده، قابلیت اطمینان شبکه بهتر به معنای کاهش برق در کل است. با این حال، این راه حل های ذخیره سازی کار درستی با شبکه فعلی ما نیست آسان است. مشکلات وجود دارد که مطمئن شوید همه چیز به آرامی کار می کند و آیا این واقعا برای اکثر جوامع در حال حاضر منطقی است.

کاهش مصرف در ساعات پیک برای مدیریت تقاضا در مقیاس ابزاری

شرکت های برق به شدت به اوج تراشیدن برای کنترل تقاضا برای انرژی در زمان استرس شبکه متکی هستند. اساساً، این به معنای کاهش مصرف برق در این روزهای پر شلوغ است با استفاده از انرژی ذخیره شده. راه حل های مختلف فنی برای این منظور وجود دارد، اما سیستم های ذخیره سازی انرژی به عنوان ابزار مفید برجسته می شوند. برخی از نتایج دنیای واقعی نشان می دهد شرکت ها پس از اجرای استراتژی های خوب در هنگام شق شدن، پس از صرفه جویی در هزینه و اجرای عملکرد بهتر، به دلیل سیستم های ذخیره سازی، به طور عمده، به این سیستم ها کمک می کنند. به جلو نگاه می کنیم، پیشرفت های جدیدی را می بینیم مانند نرم افزار پیش بینی بهتر و هوش مصنوعی که می تواند به مدیریت تقاضا در مقیاس کمک کند. این پیشرفت ها باید در کنار پروژه های شبکه هوشمند در سراسر کشور کار کنند.

میکروگریدها و راه‌حل‌های پشتیبانی اضطراری

یک میکرو شبکه اساسا یک سیستم انرژی در مقیاس کوچک است که می تواند به تنهایی کار کند یا به شبکه برق بزرگتر متصل شود، و این تنظیمات واقعاً به ایجاد مقاومت بیشتر جوامع در برابر مشکلات برق کمک می کند. وقتی که یک قطع برق وجود دارد، باتری های ذخیره شده در داخل میکرو شبکه ها بلافاصله شروع به کار می کنند تا خدمات ضروری را در حال اجرا نگه دارند. به عنوان مثال، آنچه در بخش هایی از نیویورک بعد از طوفان ها برای چند روز برق را قطع کرد، اتفاق افتاد. مناطق با شبکه های کوچک خوب برق را حفظ می کردند در حالی که دیگران در تاریکی بودند. اما راه اندازی این سیستم ها یک اندازه مناسب برای همه نیست. مناطق شهری نیاز به رویکردهای متفاوتی نسبت به مناطق روستایی دارند، به علاوه اینکه پیدا کردن جایی که پنل های خورشیدی یا توربین های بادی در ترکیب قرار می گیرند بسیار مهم است. داشتن تعادل درست بین موقعیت مکانی و منابع موجود تعیین می کند که آیا یک میکرو شبکه در واقع در زمان های مهم عملکرد خوبی خواهد داشت.