نحوه کار سیستم های ذخیره سازی انرژی

مولفه‌های اصلی انرژی سیستم‌های ذخیره‌سازی

مدیا‌های ذخیره‌سازی انرژی: از باتری‌ها تا مخازن گرمایی

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی از رسانه‌های مختلفی برای ذخیره کردن انرژی استفاده می‌کنند، هر کدام دارای کاربردها و مزایای خاص خود هستند. در بین این‌ها، باتری‌ها پرطرفدارترین و تنوع‌بخش‌ترین نوع هستند که شامل انواعی مانند سرب-اسید، لیتیوم-ایون و باتری جریان می‌شوند. باتری‌های سرب-اسید معمولاً به دلیل قابلیت اعتماد و اقتصادی بودن آنها برای راه‌حل‌های تامین توان پشتیبان استفاده می‌شوند. به طور مخالف، باتری‌های لیتیوم-ایون به دلیل نیازمندی‌هایی که به چگالی انرژی بالا و شارژ سریع نیاز دارند، مانند وسایل نقلیه الکتریکی و الکترونیک‌های مصرفی، محبوبیت یافته‌اند. باتری‌های جریان نیز به دلیل مقیاس‌پذیری و طولانی بودن دوره زندگی چرخه‌ای خود در کاربردهای ذخیره‌سازی بزرگ‌مقیاس برجسته هستند.

به جز باتری‌ها، ذخیره‌های گرمایی مانند نمک ت铡ین و ذخیره یخ نقش مهمی در تعادل انرژی ایفا می‌کنند. نمک تزلین برای ذخیره سازی انرژی گرمایی در نیروگاه‌های خورشیدی کانونی استفاده می‌شود که امکان تولید برق حتی زمانی که نور خورشید موجود نیست را فراهم می‌کند. سیستم‌های ذخیره یخ که در ساختمان‌های تجاری شایع هستند، با ذخیره سازی انرژی سرد در ساعات غیر پیک برای استفاده در طول تقاضای پیک، به کاهش هزینه‌های برق کمک می‌کنند.

هنگام انتخاب رسانه مناسب ذخیره انرژی، باید معیارهای کاربرد، عملکرد و هزینه را در نظر گرفت. راه‌حل بهینه اغلب شامل ترکیب فناوری‌های مختلف ذخیره برای حداکثر کردن کارایی و قابلیت اعتماد است.

سیستم‌های تبدیل قدرت: انوتروها و کنترلرهای

سیستم‌های تبدیل قدرت عمودالجنب تعادل انرژی را تشکیل می‌دهند سیستم‌های ذخیره‌سازی با مدیریت جریان برق بین نقاط ذخیره سازی و مصرف. انورترها یک프로그ز کلیدی هستند که توان DC ذخیره شده را به توان AC تبدیل می کنند، مناسب برای استفاده در شبکه برق یا ابزارهای مصرف کننده. انواع مختلفی از انورترها وجود دارد، مانند انورترهای رشته ای که برای راه حل های مسکونی مناسب هستند، و انورترهای مرکزی که برای کاربردهای بزرگ مقیاس ابزاری مناسب هستند.

کنترلرهای پیشرفته با انورترها همراه هستند، عملکرد، قابلیت اعتماد و کارایی را بهینه می کنند. این کنترلرها مسئول تضمین هماهنگی و اتصال ثابت به شبکه هستند، بنابراین نقش محوری در نگهداری از پایداری سیستم ایفا می کنند. آنها جریان برق را تنظیم می کنند، که امکان مطابقت عرضه با تقاضای واقعی لحظه ای را فراهم می کند، در نهایت کاهش از دست دادن انرژی.

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

انرژی ذخیره‌ای هیدرو الکتریکی (PHS) ستون فقرات سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی بزرگ‌مقیاس است که از انرژی گرانشی برای مدیریت تأمین برق استفاده می‌کند. با جابجایی آب به ارتفاع بیشتر و سپس آزاد کردن آن برای تولید برق در ساعات تقاضای بالا، PHS نقش مهمی در مدیریت انرژی ایفا می‌کند. این روش حدود ۹۵٪ ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی جهانی را تشکیل می‌دهد، به خصوص در مناطقی که شرایط جغرافیایی مناسبی دارند. با این حال، PHS با چالش‌هایی مانند محدودیت‌های جغرافیایی و تأثیرات زیست‌محیطی مواجه است که نیازمند برنامه‌ریزی دقیق و تنظیم قوانین است.

باتری‌های لیتیوم-یون: ذخیره‌سازی الکتروشیمیایی

باتری‌های لیتیوم-یون به عنوان نیروی غالب در ذخیره‌سازی انرژی مدرن شناخته شده‌اند و راه‌حل‌های الکتروشیمیایی کارآمدی ارائه می‌دهند. این باتری‌ها از طریق چرخه‌های شارژ و دشارژ عمل می‌کنند که به ذخیره‌سازی انرژی با چگالی بالا اجازه می‌دهد. هرچند، بازیابی و پایداری باتری‌های لیتیوم-یون همچنان اهمیت دارند، اما آنها در بخش‌های مسکونی و تجاری به طور گسترده پذیرفته شده‌اند. مطالعات موردی موفقیت آنها در خانه‌ها و کسب‌وکارها را نشان می‌دهد و قابلیت تطبیق و عملکرد آنها را در محیط‌های مختلف نشان می‌دهد.

ذخیره‌سازی انرژی گرمایی: نمک ذوب‌شده و مواد تغییر فاز

ذخیره‌سازی انرژی گرمایی، با استفاده از نمک‌های مذاب و مواد تغییر فاز (PCM)، مکانیسم جالبی برای جمع‌آوری انرژی گرماست. این سیستم‌ها به‌ویژه در کاربردهایی مانند توان برق خورشیدی متمرکز، که نمک‌های مذاب می‌توانند انرژی را به‌صورت کارآمد ذخیره کنند، بسیار مؤثر هستند. ادغام PCM در طراحی‌های ساختمانی پتانسیل بالایی برای افزایش کارایی انرژی و انتقال بار ارائه می‌دهد، اگرچه چالش‌هایی مانند از دست دادن گرما و زوال مواد وجود دارد. برطرف کردن این مسائل نیازمند تحقیقات و توسعه مستمر برای بهینه‌سازی عملکرد سیستم است.

سیستم‌های چرخ هوایی: انرژی جنبشی در حال حرکت

فناوری چرخ لخت یک رویکرد نوآورانه برای ذخیره سازی انرژی از طریق انرژی جنبشی ارائه می‌دهد. این سیستم‌ها با چرخاندن یک روتر به سرعت‌های بالا انرژی را ذخیره کرده و سپس در زمان نیاز آن را آزاد می‌کنند، پاسخ‌های سریع و خروجی قدرت بالا فراهم می‌کنند. با وجود مزایای موجود، سیستم‌های چرخ لخت با چالش‌هایی مانند هزینه‌ای کارآمد و رقابت با فناوری‌های ذخیره سازی دیگر مواجه هستند. بهبود مستمر و توسعه بازار برای افزایش رقابت‌پذیری آن‌ها و گسترش استفاده از آن‌ها در کاربردهای ذخیره سازی انرژی ضروری است.

جذب انرژی در دوره‌های تقاضای کم

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی نقش کلیدی در جذب انرژی زائد طی دوره‌های تقاضا پایین ایفا می‌کنند، به شدت به پایداری شبکه و ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر کمک می‌کنند. این سیستم‌ها کمک می‌کنند تا فاضلیت تولیدی توسط منابعی مثل خورشید و باد مدیریت شود، تا این انرژی ضایع نشود و هنگام افزایش تقاضا قابل دسترس باشد. روش‌هایی مانند کاربردهای خورشیدی و بادی عملکرد خود را با موفقیت نشان داده‌اند و نشان داده‌اند که چگونه سیستم‌های ذخیره‌سازی می‌توانند نوسانات فصلی و روزانه در تقاضای انرژی را هموار کنند. به عنوان مثال، انرژی خورشیدی زائد جمع‌آوری‌شده در روزهای خورشیدی می‌تواند ذخیره شده و سپس در شب یا روزهای ابری استفاده شود، بدین ترتیب تغییرپذیری معمول منابع تجدیدپذیر را کاهش می‌دهد. این توانایی برای حفظ تعادل در شبکه، به ویژه در مناطقی که به طور گسترده از منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده می‌کنند، اساسی است.

رویه‌های تخلیه برای پایداری شبکه

پروتکل‌های آزادسازی مکانیسم‌های حیاتی هستند که توسط سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی به کار گرفته می‌شوند تا پایداری شبکه را در برابر نوسانات تقاضای انرژی تأمین کنند. این پروتکل‌ها به سیستم‌ها اجازه می‌دهند به صورت مستقیم به نوسانات تقاضا پاسخ دهند، یک تأمین برق منظم را تضمین کنند و در تلاش‌های مدیریت تقاضا و تنظیم فرکانس حمایت کنند. فناوری‌هایی که این پروتکل‌ها را کنترل می‌کنند، در کاربردهای واقعی به عنوان مؤثر ثابت شده‌اند، همانطور که توسط بسیاری از مطالعات موردی نشان داده شده است. علاوه بر این، چارچوب‌های نظارتی و استانداردها برای تضمین عملکرد کارآمد این پروتکل‌ها ضروری هستند تا سلامت و قابلیت اعتماد تأمین انرژی حفظ شود. ادغام این چنین پروتکل‌هایی غیرقابل جدایی است زیرا شبکه‌ها به سمت منابع انرژی تجدیدپذیرتر حرکت می‌کنند و نیازمند توزیع انرژی پایدار هستند.

زیان‌های کارایی و مدیریت گرما

در طی چرخه‌های شارژ و دشارژ، از دست دادن کارایی غیر قابل پرهیز است اما درک و کاهش آن برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حیاتی می‌باشد. این سیستم‌ها غالباً با از دست دادن کارایی به دلیل چالش‌های مدیریت حرارتی مواجه هستند، جایی که تولید گرما زائد می‌تواند کارایی کلی انرژی را کاهش دهد. استفاده از تکنیک‌های پیشرفته مدیریت حرارتی می‌تواند به طور قابل ملاحظه ای این مشکلات را کاهش دهد و با واگذار کردن حرارت به صورت مؤثر، عملکرد را بهبود بخشد. نوآوری‌ها در مواد و طراحی نقش کلیدی در افزایش کارایی سیستم ایفا می‌کنند، که بسیاری از پیشرفت‌ها تمرکز خود را بر کاهش تجمع حرارت و بهبود رسانایی قرار داده‌اند. اطلاعات آماری میزان مختلف از دست دادن انرژی در فناوری‌های مختلف را نشان می‌دهد، که اهمیت تحقیقات و توسعه مستمر برای کاهش ناکارایی‌ها در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی را تأکید می‌کند.

Intégration به شبکه و کاربردهای واقعی

تعادل بین تناوب انرژی تجدیدپذیر

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی نقش کلیدی در تعادل طبیعت غیرپیوسته منابع انرژی تجدیدپذیر ایفا می‌کنند. با ذخیره‌سازی انرژی زائد تولید شده در دوره‌های خورشیدی یا بادی، این سیستم‌ها تأمین قدرت ثابت حتی وقتی که نور خورشید یا باد حداقل است، را تضمین می‌کنند. یک مورد قابل توجه، ادغام ذخیره‌سازی باتری با مزارع خورشیدی در کالیفرنیا است که با فراهم کردن جریان انرژی ثابت، اطمینان از قابلیت اعتماد پذیری توزیع انرژی را افزایش داده است. علاوه بر این، گزارشی از اداره اطلاعات انرژی ایالات متحده آمریکا نشان داد که بهبود در قابلیت اعتماد شبکه به دلیل ذخیره‌سازی انرژی منجر به کاهش قطعی‌های برق شده است. با این حال، چالش‌هایی همچنان در ادغام این راه‌حل‌ها به زیرساخت‌های شبکه موجود وجود دارد، به ویژه در مورد سازگاری و امکان سنجی اقتصادی.

کاهش مصرف در ساعات پیک برای مدیریت تقاضا در مقیاس ابزاری

کاهش قله (Peak Shaving) یک عملکرد اساسی برای شرکت‌های برق به منظور مدیریت مؤثر تقاضای انرژی است. این کار شامل کاهش تقاضای قله‌ای در شبکه برق با استفاده از انرژی ذخیره‌شده در دوره‌های مصرف زیاد است. فناوری‌های مختلف، به ویژه سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، برای دستیابی به این هدف مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، شرکت‌ها گزارش کاهش قابل توجه هزینه‌ها و بهره‌وری عملیاتی را از طریق اقدامات کارآمد کاهش قله انجام داده‌اند، که در آن ذخیره‌سازی انرژی نقش کلیدی را ایفا می‌کند. به صورت پیش‌بینی شده، نوآوری‌هایی مانند تحلیل‌های پیش‌بینی‌ای پیشرفته و مدیریت تقاضا به کمک هوش مصنوعی (AI) می‌توانند مدیریت تقاضا در مقیاس بزرگ برق را افزایش دهند و با مبادرات شبکه هوشمند (Smart Grid) هماهنگ شوند.

میکروگریدها و راه‌حل‌های پشتیبانی اضطراری

میکروگریدها سیستم‌های انرژی محلی هستند که قادر به عملکرد مستقل یا در اتصال با توزیع اصلی می‌باشند و نقش محوری در افزایش استحکام انرژی دارند. در قطعات برق، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی در میکروگریدها تأمین قدرت اضطراری فوری و قابل اتکا را فراهم می‌آورند. پروژه‌هایی مانند آن‌های در نیویورک نشان داده‌اند که چگونه میکروگریدها مجهز به ذخیره‌سازی باتری گسترده می‌توانند در شرایط بحرانی تأمین قدرت را حفظ کنند. هنگام نصب میکروگریدها در محیط‌های مختلف، عواملی مانند دینامیک شهری نسبت به روستایی و ادغام منابع تجدیدپذیر برای سفارشی‌سازی راهکار انرژی به نیازهای خاص، جهت تضمین عملکرد بهینه و قابلیت اعتماد، در نظر گرفته می‌شود.