לפני שנדון בארכיטקטורת מערכת אחסון אנרגיה בסוללה (BESS) ובסוגי סוללות, עלינו להתמקד תחילה בטרמינולוגיה הנפוצה ביותר המשמשת בתחום זה. מספר פרמטרים חשובים מתארים את התנהגויות של מערכות אחסון אנרגיה בסוללה.
קיבולת [אה]: המטען החשמלי המקסימלי שהמערכת מסוגלת לספק לעומס המחובר במתח סביר. לטכנולוגיה של הסוללה יש השפעה משמעותית על פרמטר זה, שערכו נקבע לזרם פריקה וטמפרטורה מסוימים.
אנרגיה נומינלית [Wh]:זוהי האנרגיה הכוללת המופקת בין מצבי טעינה מלאה לפריקה מלאה. זה שווה ערך למתח הסוללה כפול הקיבולת. לטמפרטורה ולזרם יש השפעה גם כן, שכן הקיבולת קובעת זאת.
כוח [W]:קשה להגדיר את הספק הפלט של BESS מכיוון שהוא מסתמך על העומס המצורף. עם זאת, הספק נומינלי מייצג את ההספק בתרחיש הפריקה האופייני ביותר.
אנרגיה ספציפית [Wh/kg]:זה מציין את קיבולת אחסון האנרגיה של הסוללה ביחס למסה.
הסולם המשמש לקביעת משכי טעינה ופריקה נקראשיעור C. זרם הפריקה ירוקן את הסוללה לחלוטין תוך שעה ב-1C.
טעינה/פריקה/טעינה היאמחזור. אין הגדרה מוסכמת מה זה מחזור.
של סוללהחיי מחזורהוא המספר הכולל של מחזורים שהוא יכול לייצר.
DoD: עומק פריקה. פריקה מלאה היא 100%;
מצב תשלום (SoC,%):רמת הטעינה של הסוללה מסומנת במספר זה.
התנאי "יעילות קולומבית" מתייחס ליכולת הסוללה להעביר מטען ביעילות. זהו היחס בין הטעינה הנדרשת כדי לחזור למצב הטעינה המקורי לכמות הטעינה (Ah) המשתחררת בשלב הפריקה. למעט טכנולוגיית עופרת-חומצה, רגילה ביותר. לסוללות יש יעילות הדומה לזה.
הסוגים העיקריים של מערכות אחסון אנרגיה אלקטרוכימית
קיימות מערכות סוללות רבות, כל אחת מבוססת על שילוב ייחודי של רכיבים ותהליכים כימיים. סוללות עופרת ו-Li-ion הן כיום הסוגים הנפוצים ביותר, אך גם לסוללות מבוססות זרימה, ניקל וגופרית יש מקום בשוק זה. נסקור במהירות את היתרונות העיקריים של טכנולוגיות הסוללה הפופולריות ביותר.
אנו משתמשים בסוללות אלו על בסיס קבוע. תא הבסיס של סוללה זו מורכב מאלקטרודת בי-אוקסיד או עופרת חיובית ואלקטרודת עופרת שלילית. האלקטרוליט הוא תמיסת חומצה גופרתית במים.
היתרונות העיקריים של סוללות אלו הם עלות העלות והמצב הטכנולוגי המתקדם שלהן.
סוללות ניקל-קדמיום (Ni-Cd).
לפני שנעשה שימוש נרחב בטכנולוגיית סוללת ליתיום, סוללה מסוג זה שימשה כמקור הכוח העיקרי למכשירים ניידים במשך מספר שנים.
סוללות אלו מספקות תפוקת כוח גבוהה וזמן טעינה מהיר.
שיפור בסוללות אלו מיוצג על ידי טכנולוגיית ניקל-מטאל-הידריד (NiMH), שיכולה לספק אנרגיה ספציפית גבוהה בכ-40% מה-NiCd הסטנדרטי.
סוללות ליתיום-יון (Li-Ion).
מכל המתכות, לליתיום יש את האנרגיה הספציפית הגבוהה ביותר והוא הקל ביותר. לסוללות נטענות באנודת מתכת ליתיום יש את היכולת לספק צפיפות אנרגיה גבוהה להפליא.
יש גם הגבלות אחרות. לדוגמה, התפתחות של דנדריטים על האנודה במהלך רכיבה על אופניים היא הגבלה רלוונטית. זה עלול לגרום להפסקת חשמל, שעלולה להעלות את הטמפרטורה ולפגוע בסוללה.
ההרכב של BESS
"רמות שונות", לוגיות ופיזיות, מרכיבות BESS. כל חלק פיזי ייחודי זקוק למערכת בקרה משלו.
להלן סקירה של שלבי מפתח אלה:
מערכת הסוללות מורכבת מאריזות סוללות שונות וממספר סוללות המחוברות זו לזו על מנת להשיג את רמות המתח והזרם הרצויות.
מערכת ניהול הסוללה מסדירה את התפקוד המתאים של כל תא כדי לאפשר למערכת לפעול בטווח מתח, זרם וטמפרטורה בטוחים לבריאות המצוינת של הסוללות ולא למערכת כולה. בנוסף, מצב הטעינה בכל תא מותאם ומאוזן על ידי כך.
כדי להמיר את הכוח ל-AC, הממירים מחוברים למערכת הסוללות. רמה אלקטרונית מיוחדת המכונה PCS (מערכת המרת הספק) קיימת בכל BESS. הוא מקובץ בדרך כלל ביחידת המרה יחד עם כל שירותי העזר הנדרשים לניטור מתאים.
ניטור ובקרה של מערכת וזרימת אנרגיה (מערכת ניהול אנרגיה) הם השלבים הבאים. מערכת הבקרה ורכישת הנתונים הפיקוחית, או מערכת SCADA, כוללת לרוב פונקציות ניטור ובקרה כלליות. מצד שני, מערכת ניהול האנרגיה תוכננה במיוחד לניטור זרימת החשמל בהתאם לדרישות היישום.
חיבור שנאי מתח בינוני/מתח נמוך ובהתאם לגודל המערכת שנאי מתח גבוה/מתח בינוני בתחנת משנה ייעודית הם החיבורים האחרונים.
מודול PV ושילוב BESS
מקורות אנרגיה מתחדשים צפויים להיות בעלי השפעה משמעותית על מערכות החשמל בעתיד, כפי שנדון ביצירה הראשונה של סדרה זו. גם מערכת החשמל וגם תחנת הכוח המתחדשת עשויים להפיק תועלת מהשילוב של BESS עם מקור אנרגיה מתחדש.
להלן מסבירים את הדרכים השונות שבהן BESS יכול לסייע לתחנת כוח:
על מנת להשיג עקומת ייצור יציבה וצפויה יותר, הדבר יקזז את ה"תנודתיות" של פרופיל היצור תחת כיסוי עננים או עליות חדות בכוח. הניגוד בין עקומת היצירה של מפעל PV ביום מעונן לאחד עם שמים בהירים מוצג באיור 4. הדור יפגין פחות "הבהוב" עם שילוב של BESS, מה שיניב עקומה סדירה יותר.
עקומת הדור "תחלק" כתוצאה מגילוח שיא (להרחבה בנושא פיקוח, קראו את המאמר הקודם).
בכל הנוגע לתמיכת רשת ושירותים נלווים, ה-BESS יכול למלא תפקיד משמעותי בהשתלבות תחנת הכוח ברשת החשמל על ידי הצעת ויסות תדרים וניהול מתח (יחד עם פיצוי הספק תגובתי) עם השפעה פחותה משמעותית על מערכת החשמל.
מלבד השירותים הנ"ל, קיימים שיתופי פעולה פוטנציאליים נוספים בין מודולים פוטו-וולטאיים ומערכות אחסון אנרגיה של סוללות, החל מהחלפת נקודת החיבור (POC). מכיוון ש-BESS מותקן לעתים קרובות כדי "להשלים" את מודול ה-PV, נוכחותו לא יכלה לחייב כוח נוסף ב-POC.
שיתופי פעולה פוטנציאליים נוספים נובעים מהחלטות שהתקבלו בארכיטקטורה כיצד מתחברים מודולי PV ל-BESS. קיימות לפחות שלוש אפשרויות עיקריות:
צימוד DC: באפשרות זו, ממיר DC/DC מסוים משמש לקישור ה-BESS וה-PV בצד DC של הסוללות והמודולים ה-PV על מנת לייצב את המתח. בשיטה זו, כל צד ה-AC של המפעל יחלק את הממירים בין מודול ה-PV לבין BESS (המהפך בתרחיש זה יוכל לפעול בכל 4 הרביעים של דיאגרמת PQ). בחירה זו נפוצה למדי למגורים. יישומים, או במקרה של מפעל קטן (kW). במקרה של מפעל רחב היקף, ה-BESS יחולק לאורך השטח. עם זאת, זה ידרוש לוגיקה ספציפית ויקרה כדי לשלוט במתח DC ובטעינה של כל ערכת סוללות.
צימוד AC לאחר המהפך: שיטה זו דומה לשיטה הקודמת, אך היא ממקמת את נקודת הצימוד של מודול BESS ו-PV אחרי הממירים. במקרה זה, ל-BESS ולמודול ה-PV יהיה מהפך ייעודי משלהם. מכיוון שאין צורך בהיגיון הבקרה הנוסף עבור צימוד DC, שיטה זו פופולרית גם עבור יישומי מגורים וניתן להשתמש בה במפעלים גדולים כדי ליצור BESS מבוזר.
צימוד AC ב-POC:בפתרון זה, מודול ה-PV ו-BESS חולקים רק את מתקן הקישוריות, בעוד שיש להם חלקים מופרדים לחלוטין ברמת המפעל.