ก่อนที่จะหารือเกี่ยวกับสถาปัตยกรรมระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ (BESS) และประเภทของแบตเตอรี่ เราต้องเน้นที่คำศัพท์ทั่วไปที่ใช้ในสาขานี้ก่อน พารามิเตอร์ที่สำคัญหลายประการอธิบายพฤติกรรมของระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่
ความจุ [อาห์]: ประจุไฟฟ้าสูงสุดที่ระบบสามารถจ่ายให้กับโหลดที่แนบมาด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม เทคโนโลยีของแบตเตอรี่มีผลกระทบอย่างมากต่อพารามิเตอร์นี้ ซึ่งมีการตั้งค่าไว้สำหรับกระแสคายประจุและอุณหภูมิเฉพาะ
พลังงานที่กำหนด [Wh]:นี่คือพลังงานทั้งหมดที่ผลิตระหว่างสถานะของประจุเต็มและการคายประจุเต็ม มันเทียบเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่คูณด้วยความจุ อุณหภูมิและกระแสก็มีผลกระทบเช่นกัน เนื่องจากความจุเป็นตัวกำหนด
กำลัง [W]:การกำหนดกำลังเอาท์พุตของ BESS เป็นเรื่องยากเนื่องจากต้องอาศัยโหลดที่ต่ออยู่ อย่างไรก็ตาม กำลังไฟฟ้าที่ระบุแสดงถึงกำลังในสถานการณ์การคายประจุโดยทั่วไปที่สุด
พลังงานจำเพาะ [Wh/kg]:ข้อมูลนี้แสดงถึงความสามารถในการกักเก็บพลังงานของแบตเตอรี่โดยสัมพันธ์กับมวล
สเกลที่ใช้ในการกำหนดระยะเวลาการชาร์จและการคายประจุเรียกว่าอัตราซี- กระแสไฟที่คายประจุจะทำให้แบตเตอรี่หมดภายในหนึ่งชั่วโมงที่อุณหภูมิ 1C
ประจุ/คายประจุ/ประจุคือวงจร- ไม่มีคำจำกัดความที่ตกลงกันไว้ว่าวงจรคืออะไร
แบตเตอรี่วงจรชีวิตคือจำนวนรอบทั้งหมดที่สามารถผลิตได้
กระทรวงกลาโหม: ความลึกของการปล่อย การปลดปล่อยที่สมบูรณ์คือ 100%;
สถานะการชาร์จ (SoC,%):ระดับการชาร์จของแบตเตอรี่จะระบุด้วยตัวเลขนี้
คำว่า "ประสิทธิภาพคูลอมบิก" หมายถึง ความสามารถของแบตเตอรี่ในการส่งประจุอย่างมีประสิทธิภาพ คือ สัดส่วนของประจุที่ต้องใช้เพื่อกลับสู่สถานะประจุดั้งเดิมต่อปริมาณประจุ (Ah) ที่ปล่อยออกมาในระหว่างระยะคายประจุ ยกเว้นเทคโนโลยีกรดตะกั่วที่ธรรมดาที่สุด แบตเตอรี่มีประสิทธิภาพที่เทียบเคียงได้ขนาดนี้
ประเภทหลักของระบบจัดเก็บพลังงานเคมีไฟฟ้า
มีระบบแบตเตอรี่จำนวนมาก แต่ละระบบใช้ส่วนผสมและกระบวนการทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ ปัจจุบันแบตเตอรี่ตะกั่วกรดและ Li-ion เป็นแบตเตอรี่ประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่แบตเตอรี่แบบไหล นิกเกิล และซัลเฟอร์ก็มีเข้ามาในตลาดนี้เช่นกัน เราจะตรวจสอบคุณประโยชน์หลักของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ยอดนิยมอย่างรวดเร็ว
เราใช้แบตเตอรี่เหล่านี้เป็นประจำ เซลล์ฐานของแบตเตอรี่นี้ประกอบด้วยขั้วบวกไบออกไซด์หรือตะกั่วและขั้วไฟฟ้าขั้วลบ อิเล็กโทรไลต์เป็นสารละลายกรดซัลฟิวริกในน้ำ
ประโยชน์หลักของแบตเตอรี่เหล่านี้คือความสามารถในการจ่ายและสถานะทางเทคโนโลยีขั้นสูง
แบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียม (Ni-Cd)
ก่อนที่เทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย แบตเตอรี่ประเภทนี้ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับอุปกรณ์พกพามาเป็นเวลาหลายปี
แบตเตอรี่เหล่านี้ให้กำลังไฟฟ้าสูงและใช้เวลาชาร์จใหม่อย่างรวดเร็ว
การปรับปรุงแบตเตอรี่เหล่านี้แสดงโดยเทคโนโลยีนิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ (NiMH) ซึ่งสามารถให้พลังงานจำเพาะที่สูงกว่า NiCd มาตรฐานประมาณ 40%
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-Ion)
ในบรรดาโลหะทั้งหมด ลิเธียมมีพลังงานจำเพาะสูงสุดและเบาที่สุด แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้แบบลิเธียมแอโนดโลหะมีความสามารถในการให้พลังงานที่มีความหนาแน่นสูงอย่างไม่น่าเชื่อ
นอกจากนี้ยังมีข้อจำกัดอื่นๆ อีกด้วย ตัวอย่างเช่น การพัฒนาเดนไดรต์บนขั้วบวกระหว่างการปั่นจักรยานถือเป็นข้อจำกัดที่เกี่ยวข้อง อาจส่งผลให้เกิดไฟฟ้าดับ ซึ่งอาจส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นและเป็นอันตรายต่อแบตเตอรี่
องค์ประกอบของ BESS
"ระดับ" ที่แตกต่างกันทั้งเชิงตรรกะและเชิงกายภาพ ประกอบกันเป็น BESS ชิ้นส่วนทางกายภาพแต่ละชิ้นมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวต้องมีระบบควบคุมของตัวเอง
ต่อไปนี้เป็นบทสรุปของขั้นตอนสำคัญเหล่านี้:
ระบบแบตเตอรี่ประกอบด้วยชุดแบตเตอรี่หลายชุดและแบตเตอรี่จำนวนมากที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ระดับแรงดันและกระแสที่ต้องการ
ระบบการจัดการแบตเตอรี่จะควบคุมการทำงานที่เหมาะสมของแต่ละเซลล์เพื่อให้ระบบสามารถทำงานได้ภายในช่วงแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และอุณหภูมิที่ปลอดภัยต่อสุขภาพที่ดีเยี่ยมของแบตเตอรี่มากกว่าทั้งระบบ นอกจากนี้ สถานะของประจุในแต่ละเซลล์จะถูกปรับและสมดุลโดยการทำเช่นนี้
ในการแปลงไฟเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ อินเวอร์เตอร์จะต่อเข้ากับระบบแบตเตอรี่ ระดับอิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบพิเศษที่เรียกว่า PCS (ระบบแปลงพลังงาน) มีอยู่ใน BESS ทุกเครื่อง โดยทั่วไปจะจัดกลุ่มเป็นหน่วยการแปลงพร้อมกับบริการเสริมทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการตรวจสอบที่เหมาะสม
ระบบและการติดตามและควบคุมการไหลของพลังงาน (ระบบการจัดการพลังงาน) มีขั้นตอนดังต่อไปนี้ ระบบการควบคุมดูแลและการเก็บข้อมูลหรือระบบ SCADA มักมีฟังก์ชันการตรวจสอบและควบคุมทั่วไป ในทางกลับกัน ระบบการจัดการพลังงานได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อตรวจสอบการไหลของพลังงานให้สอดคล้องกับข้อกำหนดการใช้งาน
การเชื่อมต่อหม้อแปลงไฟฟ้าแรงดันปานกลาง/แรงดันต่ำ และหม้อแปลงไฟฟ้าแรงสูง/แรงดันปานกลางที่สถานีย่อยเฉพาะเป็นการเชื่อมต่อสุดท้าย ขึ้นอยู่กับขนาดของระบบ
โมดูล PV และการรวม BESS
แหล่งพลังงานหมุนเวียนมีแนวโน้มที่จะส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อระบบไฟฟ้าในอนาคต ตามที่กล่าวไว้ในบทความแรกของซีรี่ส์นี้ ทั้งระบบไฟฟ้าและโรงไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียนอาจได้รับประโยชน์จากการบูรณาการ BESS เข้ากับแหล่งพลังงานหมุนเวียน
ต่อไปนี้จะอธิบายวิธีการต่างๆ ที่ BESS สามารถช่วยเหลือโรงไฟฟ้าได้:
เพื่อให้บรรลุเส้นโค้งการสร้างที่มั่นคงและคาดการณ์ได้มากขึ้น สิ่งนี้จะชดเชย "ความผันผวน" ของโปรไฟล์การสร้างภายใต้เมฆปกคลุมหรือการเพิ่มพลังงานอย่างกะทันหัน ความแตกต่างระหว่างกราฟการสร้างกระแสไฟฟ้าของโรงไฟฟ้า PV ในวันที่มีเมฆมากและกราฟที่มีท้องฟ้าแจ่มใสจะแสดงอยู่ในรูปที่ 4 กราฟการสร้างกระแสไฟฟ้าจะแสดง "การกะพริบ" น้อยลงเมื่อรวม BESS เข้าด้วยกัน ซึ่งจะทำให้ได้เส้นโค้งที่สม่ำเสมอมากขึ้น
เส้นโค้งการสร้างจะ "เรียบเนียน" อันเป็นผลมาจากการโกนสูงสุด (สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการโกนสูงสุด โปรดอ่านบทความก่อนหน้า)
ในส่วนของการสนับสนุนโครงข่ายและบริการเสริมนั้น BESS สามารถมีบทบาทสำคัญในการรวมโรงไฟฟ้าเข้ากับโครงข่ายไฟฟ้า โดยนำเสนอการควบคุมความถี่และการจัดการแรงดันไฟฟ้า (ร่วมกับการชดเชยกำลังไฟฟ้ารีแอกทีฟ) โดยมีผลกระทบต่อระบบไฟฟ้าน้อยลงอย่างมาก
นอกเหนือจากบริการที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว ยังมีความร่วมมือที่เป็นไปได้มากขึ้นระหว่างแผงเซลล์แสงอาทิตย์และระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ โดยเริ่มจากการแลกเปลี่ยนจุดเชื่อมต่อ (POC) เนื่องจาก BESS ได้รับการติดตั้งบ่อยครั้งเพื่อ "เสริม" โมดูล PV การมีอยู่ของโมดูลจึงไม่จำเป็นต้องมีกำลังไฟเพิ่มเติมที่ POC
ความร่วมมือที่เป็นไปได้เพิ่มเติมเกิดขึ้นจากการตัดสินใจในสถาปัตยกรรมว่าโมดูล PV เชื่อมต่อกับ BESS อย่างไร มีตัวเลือกหลักอย่างน้อยสามตัวเลือก:
ข้อต่อ DC: ในตัวเลือกนี้ ตัวแปลง DC/DC เฉพาะใช้เพื่อเชื่อมโยง BESS และ PV ที่ด้าน DC ของแบตเตอรี่และโมดูล PV เพื่อรักษาเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้า ด้วยวิธีนี้ ฝั่งไฟฟ้ากระแสสลับทั้งหมดของโรงงานจะใช้อินเวอร์เตอร์ร่วมกันระหว่างโมดูล PV และ BESS (อินเวอร์เตอร์ในสถานการณ์นี้จะสามารถทำงานในทั้ง 4 ควอแดรนท์ของแผนภาพ PQ) ตัวเลือกนี้ค่อนข้างธรรมดาสำหรับที่พักอาศัย การใช้งานหรือกรณีโรงงานขนาดเล็ก (kW) ในกรณีโรงงานขนาดใหญ่ BESS จะกระจายไปตามพื้นที่ อย่างไรก็ตาม การควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงและการประจุของแบตเตอรี่แต่ละก้อนจะต้องใช้ตรรกะเฉพาะและมีราคาแพง
ข้อต่อ AC หลังอินเวอร์เตอร์: วิธีการนี้สามารถเทียบเคียงได้กับวิธีก่อนหน้า แต่จะวางจุดเชื่อมต่อโมดูล BESS และ PV ไว้หลังอินเวอร์เตอร์ ในกรณีนี้ BESS และโมดูล PV ต่างก็มีอินเวอร์เตอร์เฉพาะของตัวเอง เนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีตรรกะการควบคุมเพิ่มเติมสำหรับข้อต่อ DC วิธีการนี้จึงเป็นที่นิยมสำหรับการใช้งานในที่พักอาศัย และสามารถนำมาใช้ในโรงงานขนาดใหญ่เพื่อสร้าง BESS แบบกระจายได้
ข้อต่อ AC ที่ POC:ในโซลูชันนี้ โมดูล PV และ BESS จะใช้ร่วมกันเฉพาะสิ่งอำนวยความสะดวกในการเชื่อมต่อโครงข่าย ในขณะที่ทั้งสองส่วนแยกจากกันโดยสิ้นเชิงในระดับโรงงาน