Как работают системы хранения энергии

Основные компоненты энергии Систем хранения

Способы накопления энергии: от батарей до тепловых резервуаров

Накопление энергии осуществляется во многих формах, каждая из которых подходит для разных целей и обеспечивает уникальные преимущества. Аккумуляторы выделяются как самый распространенный вариант, охватывающий все, от простых свинцово-кислотных устройств до продвинутых литий-ионных батарей и специализированных систем с редокс-течением. Свинцово-кислотные батареи остаются популярными для аварийного резервного питания, потому что они просто надежно работают, не требуя больших затрат. Литий-ионная технология получила широкое распространение, когда устройствам потребовалась большая мощность, упакованная в меньшее пространство, что объясняет их повсеместное использование — от смартфонов до электромобилей. Существуют также батареи с редокс-течением, которые действительно хороши при работе с большими объемами хранения, благодаря легкости масштабирования и способности выдерживать бесчисленное количество циклов зарядки без значительной потери емкости со временем.

Помимо обычных решений для хранения аккумуляторов, тепловые резервуары, такие как резервуары с расплавленной солью и установки для хранения льда, также играют важную роль в поддержании энергетического баланса в различных системах. Например, расплавленная соль широко используется на крупных солнечных электростанциях с концентрированием энергии, где соль расплавляется до температуры в несколько сотен градусов Цельсия, и тепло сохраняется до тех пор, пока не потребуется снова выработать электроэнергию, даже в пасмурные дни или ночью, когда солнце не светит. Существует также технология хранения льда, которую сегодня устанавливают во многих зданиях. Эти системы, по сути, замораживают воду в виде массивных блоков в периоды, когда тарифы на электроэнергию низкие, а затем растапливают их для обеспечения кондиционирования воздуха в жаркие дневные часы, когда все остальные платят премиальные цены за охлаждение.

При выборе подходящей среды для хранения энергии необходимо учитывать применение требования, показатели эффективности и стоимость. Оптимальное решение часто включает комбинирование различных технологий хранения для максимизации эффективности и надежности.

Системы преобразования мощности: инверторы и контроллеры

Системы хранения энергии действительно зависят от технологий преобразования электроэнергии, чтобы обеспечить перемещение электричества между местом хранения и теми местами, где его реально используют. Здесь большую роль играют инверторы, поскольку они преобразуют накопленную энергию постоянного (DC) тока в переменный (AC) ток, совместимый с обычными электрическими сетями и бытовыми устройствами. Анализируя различные типы инверторов, можно увидеть, что строковые инверторы достаточно хорошо подходят для домашнего использования и небольших установок. В свою очередь, центральные инверторы, как правило, лучше подходят для более крупных проектов, таких как гигантские солнечные электростанции или промышленные объекты, которым необходимо одномоментно преобразовывать огромные объемы электроэнергии.

При использовании вместе с инверторами, современные контроллеры значительно повышают эффективность, надежность и экономичность систем. Основная функция этих контроллеров заключается в правильной синхронизации с подключением к электросети, что крайне важно для бесперебойной работы без сбоев. Контроллеры постоянно управляют потоком энергии, обеспечивая соответствие между вырабатываемой электроэнергией и текущими потребностями. Это позволяет сократить общие потери энергии и сэкономить средства в долгосрочной перспективе для владельцев таких систем.

Важность систем преобразования энергии усиливается растущей необходимостью интеграции в сеть. С входом возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая, в массовое использование, эффективные механизмы синхронизации являются ключевыми для обеспечения бесперебойной доставки энергии.

Системы управления аккумуляторами (BMS) для повышения эффективности

Системы управления аккумуляторами (BMS) являются неотъемлемой частью эффективной работы и долговечности решений по хранению энергии. Их основные функции включают мониторинг и управление состоянием аккумулятора, обеспечение балансировки заряда и поддержание оптимальных температурных условий. Эти функции помогают предотвратить износ аккумулятора и продлить его срок службы.

Современные технологии BMS используют предиктивную аналитику для повышения производительности, позволяя принимать превентивные меры для оптимизации здоровья системы. Кроме того, BMS играют ключевую роль в обеспечении безопасности и соблюдении нормативов, так как могут обнаруживать аномалии, такие как перегрев или колебания напряжения, предотвращая потенциальные опасности.

Безопасность является ключевым аспектом БМС, так как неправильная эксплуатация систем накопления энергии может привести к значительным рискам. С развитием технологий системы БМС постоянно совершенствуются, предлагая лучшие прогнозирующие возможности и надежное соблюдение нормативов, что делает их незаменимыми для обеспечения безопасной эксплуатации систем накопления энергии.

Типы систем накопления энергии и их механизмы

Гидроаккумулирующая энергетика: гравитационная энергия

Насосное гидрохранилище, или сокращенно PHS, выделяется как один из основных методов хранения больших объемов энергии. Основная идея заключается в перемещении воды вверх по склону, когда доступна избыточная мощность, а затем пропускании ее обратно через турбины для выработки электроэнергии в моменты роста спроса. По всему миру такие системы составляют около 95 процентов всей установленной мощности хранения энергии, хотя они наиболее эффективны в регионах, где география позволяет использовать естественные перепады высот между водоемами. Однако определенно существуют и трудности. Поиск подходящих мест остается сложным, поскольку не в каждом регионе есть рядом горы или холмы. Кроме того, строительство новых объектов часто вызывает экологические опасения относительно изменения использования земель и возможных нарушений местных экосистем. Это означает, что при планировании необходимо тщательно подходить к выбору площадок и внедрять надлежащие меры безопасности на всех этапах разработки.

Литиевые-ionные батареи: Электрохимическое хранение

В настоящее время литий-ионные аккумуляторы повсеместно используются для хранения энергии благодаря их эффективности с химической точки зрения. В общем, внутри них происходят процессы зарядки и разрядки, которые позволяют упаковывать значительную мощность в небольшом пространстве. Несмотря на то, что над переработкой старых аккумуляторов и обеспечением их долгосрочной устойчивости еще предстоит проделать большую работу, люди в различных местах — от домашних гаражей до крупных заводов — уже начали активно их использовать. Мы видели множество примеров из реальной жизни, когда люди устанавливают такие батареи дома, а компании внедряют их в свои операции, что доказывает их универсальность независимо от места применения.

Хранилище тепловой энергии: плавкие соли и материалы с изменением фазы

Хранение тепловой энергии с помощью расплавленных солей и материалов с фазовым переходом (PCM) представляет собой интересный способ захвата и удержания тепловой энергии. Например, в случае электростанций с концентрированной солнечной энергией, они в значительной степени полагаются на хранение в расплавленной соли, поскольку этот метод очень эффективно удерживает тепло на протяжении времени. Что касается зданий, внедрение PCM в стены или полы может помочь управлять потреблением энергии в течение дня, позволяя зданиям перераспределять свою энергетическую нагрузку в часы пик. Но существуют и проблемы. Тепловые потери возникают, когда накопленная энергия не полностью сохраняется, а материалы имеют тенденцию к разрушению после многократных циклов нагревания. Исследователи из различных отраслей продолжают работать над решениями, которые сделают эти системы более надежными и экономически эффективными в практическом применении.

Системы летучего колеса: кинетическая энергия в движении

Маховики представляют собой довольно интересный способ хранения энергии, основанный на движении, а не на химических реакциях. Основная идея достаточно проста: раскручивается тяжелое колесо, чтобы запасти энергию, и замедляется, когда требуется получить энергию обратно. Маховики выделяются тем, насколько быстро они могут реагировать по сравнению с батареями или другими методами, а также способны обеспечить впечатляющие всплески мощности при необходимости. Однако до того, как такие системы станут массовыми, еще предстоит выполнить определенную работу. Прежде всего, производственные затраты остаются довольно высокими из-за специализированных материалов, необходимых для вращающихся роторов. Кроме того, компании вынуждены конкурировать с уже устоявшимися решениями, такими как литий-ионные аккумуляторы, которые доминируют на большинстве рынков в настоящее время. Чтобы маховики получили широкое распространение, производителям придется серьезно инвестировать в исследования и при этом находить изощренные способы снижения производственных расходов. Некоторые эксперты полагают, что в ближайшее десятилетие мы можем увидеть значительные прорывы, поскольку спрос на альтернативные решения для хранения энергии продолжает расти в различных отраслях — от управления электросетями до электромобилей.

Поглощение энергии в периоды низкого спроса

Накопление энергии играет важную роль в аккумулировании избыточной электроэнергии в периоды снижения спроса, что способствует стабильности электрической сети и позволяет увеличить долю возобновляемых источников энергии. Когда солнечные панели или ветряные турбины производят больше электроэнергии, чем требуется, системы хранения предотвращают её потерю. Эта энергия сохраняется до тех пор, пока в ней не возникнет потребность. Принцип их работы становится понятным при рассмотрении реальных примеров. Возьмем, к примеру, солнечную энергию — в ясные дни часто производится гораздо больше электроэнергии, чем потребляют домохозяйства. Системы хранения забирают этот избыток и сохраняют его для использования в ночное время или в пасмурные дни, когда выработка снижается. Такой буфер особенно важен для сетей, в которые поступает значительное количество энергии от возобновляемых источников. Без надлежащих решений для хранения такие сети испытывали бы трудности с обеспечением стабильной подачи электроэнергии в условиях изменяющихся погодных условий и различий в потреблении в разное время суток.

Протоколы разрядки для обеспечения стабильности сети

Системы хранения энергии полагаются на протоколы разряда, чтобы поддерживать стабильность сети, когда потребность в энергии возрастает и падает. Эти протоколы позволяют системам быстро реагировать на изменения спроса, что способствует поддержанию стабильного энергоснабжения, а также участвует в управлении пиковыми нагрузками и поддержании частоты в пределах допустимых значений. Испытания в реальных условиях показали, что эти технологии хорошо работают на практике. Например, объекты хранения энергии на батареях в Калифорнии успешно внедряли подобные протоколы во время введения ограничений в энергоснабжении. Регулирующим органам также требуются четкие рекомендации, чтобы протоколы могли функционировать надлежащим образом, не подрывая общей надежности наших энергетических сетей. По мере увеличения доли ветровой и солнечной энергии в наших сетях наличие таких интеллектуальных стратегий разряда становится все более важным для поддержания баланса между генерацией и потреблением.

Потери эффективности и управление теплом

Системы хранения энергии неизбежно теряют некоторую эффективность в процессе циклов зарядки и разрядки, но понимание этих потерь имеет большое значение для всех, кто работает с такими системами. Одна из серьезных проблем связана с управлением теплом — когда накапливается слишком много тепла, оно просто снижает эффективность всей системы. В этом отношении хороший отвод тепла играет важную роль, позволяя системам избавляться от избыточного тепла до возникновения проблем. Новые материалы и более продуманные конструкции также внесли свой вклад, особенно те, которые направлены на поддержание низкой температуры и обеспечение лучшего протекания электрического тока через компоненты. Анализ реальных данных показывает довольно значительные различия в количестве теряемой энергии у различных технологий хранения. Такие различия подчеркивают важность продолжения исследований, если мы хотим постоянно совершенствовать возможности этих систем и сокращать потери энергии.

Интеграция в сеть и реальные применения

Выравнивание нерегулярности возобновляемой энергии

Системы хранения энергии действительно важны для решения проблемы непредсказуемости возобновляемых источников энергии. Когда солнца или ветра слишком много, эти системы сохраняют избыточную электроэнергию, чтобы у нас оставалось электричество даже в пасмурные дни или когда ветер стихает. Например, в Калифорнии начали подключать большие аккумуляторы к солнечным электростанциям по всему штату. Такая схема помогает обеспечить стабильное электроснабжение без скачков напряжения. Согласно данным Управления энергетической информации США, улучшение надежности электросети означает меньшее количество отключений электроэнергии в целом. Однако интеграция этих решений по хранению энергии в текущие электросети не является простой задачей. Возникают проблемы согласования работы всех компонентов и определения их финансовой целесообразности для большинства сообществ на данный момент.

Снижение пиковых нагрузок для управления спросом на уровне энергосистемы

Коммунальные предприятия в значительной степени полагаются на снижение пиковых нагрузок, чтобы контролировать спрос на энергию, когда сеть испытывает перегрузку. По сути, это означает сокращение потребления электроэнергии в эти самые напряженные периоды за счет использования накопленной энергии. Существует множество различных технологических решений для этой цели, но системы хранения энергии выделяются как особенно полезные инструменты. Некоторые практические результаты показывают, что компании экономят деньги и улучшают эффективность операций после внедрения эффективных стратегий снижения пиковых нагрузок, в значительной степени благодаря этим системам хранения. В перспективе мы наблюдаем появление новых разработок, таких как улучшенное программное обеспечение для прогнозирования и искусственный интеллект, которые могут помочь управлять спросом в масштабах. Эти инновации должны тесно взаимодействовать с текущими проектами «умных» электрических сетей по всей стране.

Микросети и решения аварийного резерва

Микросеть – это по сути небольшая энергетическая система, которая может работать самостоятельно или подключаться к более крупной электрической сети, и именно такие установки способствуют тому, чтобы сообщества могли лучше противостоять перебоям с электроэнергией. Когда происходит отключение, аккумуляторы, размещенные внутри микросетей, сразу же включаются, чтобы поддерживать работу жизненно важных служб. Возьмем, к примеру, то, что произошло в некоторых районах Нью-Йорка после штормов, которые привели к отключению электричества на несколько дней. Районы с хорошо организованными микросетями сохраняли электричество, в то время как другие оставались во тьме. Однако создание таких систем не подразумевает универсального решения. Городским районам требуются иные подходы по сравнению с сельскими территориями, кроме того, важно правильно определить, где и как использовать солнечные панели или ветряные турбины. Правильный баланс между особенностями местоположения и доступными ресурсами определяет, сможет ли микросеть действительно эффективно работать в самые критические моменты.