การออกแบบการจัดเก็บพลังงาน: การจัดเก็บพลังงานคืออะไรกันแน่? ส่วนที่หนึ่ง

พูดง่ายๆ ก็คือ การจัดเก็บพลังงานคือกระบวนการจัดเก็บพลังงานที่ไม่ได้ใช้และนำกลับมาใช้ใหม่เมื่อจำเป็น ในด้านพลังงาน เทคโนโลยีกักเก็บพลังงานมีบทบาทสำคัญในเนื่องจากช่วยให้สามารถส่งออกแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ไม่เสถียร เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมได้อย่างมีเสถียรภาพ ทำให้สามารถจ่ายไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องสำหรับชีวิตประจำวันและการทำงานของเรา ในบรรดานั้น การจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีลิเธียมไอออนได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่พัฒนาเร็วที่สุด เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูง อายุการใช้งานยาวนาน และความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็ว

1 บทนำเบื้องต้น

ระบบกักเก็บพลังงานประกอบด้วยแบตเตอรี่ ชิ้นส่วนไฟฟ้า อุปกรณ์รองรับทางกล ระบบทำความร้อนและความเย็น (ระบบการจัดการความร้อน) ระบบการแปลงพลังงานแบบสองทิศทาง ระบบการจัดการพลังงาน และระบบการจัดการแบตเตอรี่ แบตเตอรี่จะถูกจัดเรียง เชื่อมต่อ และประกอบเป็นโมดูลแบตเตอรี่ จากนั้นยึดและประกอบเข้ากับส่วนประกอบอื่นๆ ภายในตู้เพื่อสร้างเป็นตู้แบตเตอรี่

คำจำกัดความทั่วไป: การจัดเก็บพลังงานหมายถึงการจัดเก็บพลังงาน หมายถึงกระบวนการกักเก็บพลังงานแบบวนรอบผ่านตัวกลางหรืออุปกรณ์ แล้วปล่อยพลังงานออกมาในรูปแบบเฉพาะตามความต้องการใช้งานในอนาคต

กำหนดไว้อย่างแคบ: สำหรับกักเก็บพลังงานไฟฟ้า ชุดของเทคโนโลยีและมาตรการที่ใช้วิธีการทางเคมีหรือกายภาพเพื่อเก็บพลังงานที่สร้างขึ้นและปล่อยออกมาในรูปของพลังงานไฟฟ้าเมื่อจำเป็น (การแนะนำที่ตามมาทั้งหมดจำกัดอยู่เพียงคำจำกัดความแคบๆ ของการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้า)

1. คำศัพท์และคำจำกัดความ

แบตเตอรี่: ในฐานะหนึ่งในเส้นทางเทคโนโลยีที่สำคัญสำหรับการจัดเก็บพลังงานใหม่ แบตเตอรี่เก็บพลังงานใหม่มีบทบาทสำคัญในการเพิ่มสัดส่วนการใช้พลังงานหมุนเวียน และรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยและมั่นคงของระบบไฟฟ้า แบตเตอรี่ลิเธียมซึ่งเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานหลักคือ "ศูนย์กลาง" ที่กำหนดความก้าวหน้าของการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมี แบตเตอรี่ลิเธียมแบ่งออกเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตและแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคตามวัสดุอิเล็กโทรดบวกที่แตกต่างกัน ตลาดการจัดเก็บพลังงานส่วนใหญ่ถูกครอบงำโดยแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต และการขจัดความแตกต่างของจุดสูงสุดระหว่างกลางวันและกลางคืนเป็นสถานการณ์หลักของการใช้งานระบบกักเก็บพลังงาน เวลาการใช้ผลิตภัณฑ์ส่งผลโดยตรงต่อรายได้ของโครงการ หน่วยกักเก็บพลังงาน โดยทั่วไปหมายถึงแบตเตอรี่ เป็นอุปกรณ์พื้นฐานที่ใช้ในระบบกักเก็บพลังงานเพื่อจัดเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า

เซลล์: แบตเตอรี่ก้อนเดียว ซึ่งเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของแบตเตอรี่

โมดูลแบตเตอรี่/แพ็ค: แพ็คเกจมาตรฐานสำหรับชุดแบตเตอรี่แต่ละชุด

ชั้นวางแบตเตอรี่/คลัสเตอร์: หน่วยจัดเก็บพลังงานที่ประกอบด้วยชุดโมดูลแบตเตอรี่

แผงรวบรวมแบตเตอรี่ (BCP): ตั้งอยู่ระหว่างชั้นวางแบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์จัดเก็บพลังงาน คล้ายกับกล่องรวม DC ของเซลล์แสงอาทิตย์

ระบบแปลงกำลัง (PCS): อินเวอร์เตอร์ DC/AC แบบสองทิศทาง

ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS): การจัดการและการบำรุงรักษาหน่วยแบตเตอรี่ต่างๆ อย่างชาญฉลาดเพื่อป้องกันการชาร์จไฟเกินและการคายประจุเกิน ยืดอายุแบตเตอรี่ และตรวจสอบสถานะแบตเตอรี่

วัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวก: ส่วนของแบตเตอรี่ที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน วัสดุอิเล็กโทรดเชิงบวกทั่วไป ได้แก่ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2), ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4), ลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ (NMC) เป็นต้น

วัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบ: ส่วนของแบตเตอรี่ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน วัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบทั่วไป ได้แก่ กราไฟต์ ซิลิคอน ดีบุก ฯลฯ อิเล็กโทรไลต์: ตัวกลางในการลำเลียงไอออนในแบตเตอรี่ ซึ่งอาจเป็นของเหลวหรือของแข็ง (อิเล็กโทรไลต์แข็ง) อิเล็กโทรไลต์ช่วยให้ไอออนเคลื่อนที่ระหว่างอิเล็กโทรดบวกและลบ เสร็จสิ้นกระบวนการชาร์จและการคายประจุ

ไดอะแฟรม: ตั้งอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดบวกและลบ หน้าที่ของมันคือป้องกันไม่ให้การสัมผัสโดยตรงระหว่างอิเล็กโทรดบวกและลบทำให้เกิดการลัดวงจร ในขณะเดียวกันก็ปล่อยให้ไอออนผ่านได้

ตัวสะสมกระแสไฟฟ้า: โดยทั่วไปทำจากโลหะ เช่น ทองแดงและอลูมิเนียม ใช้ในการส่งกระแสไฟฟ้าของเซลล์แบตเตอรี่ไปยังวงจรภายนอก

เคสแบตเตอรี่: โครงสร้างภายนอกของแบตเตอรี่ที่ใช้เพื่อปกป้องส่วนประกอบภายในและให้การสนับสนุนทางกล

ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS): รับผิดชอบในการตรวจสอบและจัดการกระบวนการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ ทำให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่ปลอดภัย และเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งานให้เหมาะสม

ระบบการจัดการพลังงาน (EMS): เป็นระบบอัจฉริยะที่ผสานรวมซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ ที่ใช้ในการตรวจสอบ ควบคุม และเพิ่มประสิทธิภาพการไหลและการใช้พลังงานในระบบพลังงาน ขึ้นอยู่กับการรวบรวม การวิเคราะห์ และเทคโนโลยีสนับสนุนการตัดสินใจ ซึ่งสามารถตรวจสอบสถานะการทำงาน การใช้พลังงาน และสภาพแวดล้อมของอุปกรณ์พลังงานได้แบบเรียลไทม์ จึงบรรลุการจัดการที่มีประสิทธิภาพและการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน

ระบบทำความร้อน การระบายอากาศ และการปรับอากาศ (HVAC): โดยทั่วไปใช้ในภาชนะบรรจุแบตเตอรี่เพื่อให้แน่ใจว่ามีการระบายอากาศ การกระจายความร้อน และฉนวนของแบตเตอรี่

ความจุของแบตเตอรี่: ปริมาณประจุ Q ที่สามารถกักเก็บหรือปล่อยออกมาได้ กล่าวคือ ความจุของแบตเตอรี่ (Ah)=กระแสไฟ (A) x เวลาในการคายประจุ (h) โดยทั่วไปจะวัดเป็น Ah (แอมแปร์ชั่วโมง) ตัวอย่างเช่น หากแบตเตอรี่เก็บพลังงานมีป้ายกำกับว่า 96Ah ตามทฤษฎีแล้วจะสามารถใช้งานได้นาน 1 ชั่วโมงที่กระแสไฟทำงานที่ 96A

พลังงานแบตเตอรี่: พลังงานที่เก็บไว้ในแบตเตอรี่ วัดเป็น Wh (วัตต์ชั่วโมง) โดยที่ Wh เท่ากับแรงดันไฟฟ้า (V) คูณด้วยความจุของแบตเตอรี่ (Ah) ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ 3.2V/96Ah มีพลังงาน 307.2Wh และหากเราเชื่อมต่อแบตเตอรี่ดังกล่าวสี่ก้อนแบบอนุกรม เราจะสร้างชุดแบตเตอรี่ที่มีแรงดันไฟฟ้า 12.8V และความจุ 96Ah แม้ว่าความจุของแบตเตอรี่จะไม่เพิ่มขึ้น แต่พลังงานทั้งหมดก็เพิ่มขึ้นสี่เท่า

อัตราการคายประจุ (C-Rate): อัตราการคายประจุหมายถึงค่าปัจจุบันที่ต้องใช้เพื่อคายประจุความจุที่กำหนดภายในระยะเวลาที่กำหนด ซึ่งเป็นตัวเลขเท่ากับค่าทวีคูณของความจุพิกัดของแบตเตอรี่ กล่าวคือ กระแสประจุและกระแสคายประจุ (A) หารด้วยความจุพิกัด (Ah) โดยโดยทั่วไปแล้วหน่วยจะเป็น C (ย่อมาจากอัตรา C) เช่น 0.5C, 1C เป็นต้น

กำลังการผลิตไฟฟ้าที่รับประกัน (GPC): กำลังการผลิตขั้นต่ำที่ปล่อยออกมาจากระบบกักเก็บพลังงานภายในระยะเวลาการใช้งานที่กำหนด

ประสิทธิภาพไปกลับ (RTE): อัตราส่วนของปริมาณไฟฟ้าทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากขั้วต่อ AC เมื่อชาร์จแบตเตอรี่เต็มแล้ว กับปริมาณไฟฟ้าที่ต้องใช้เพื่อชาร์จขั้วต่อ AC ให้เต็ม โดยคำนึงถึงการสูญเสียอุปกรณ์และการสิ้นเปลืองพลังงานเองระหว่างการชาร์จและ การคายประจุ

วงจรชีวิต: อายุการใช้งานของแบตเตอรี่แบ่งออกเป็นสองพารามิเตอร์: วงจรชีวิตและอายุการใช้งานตามปฏิทิน อายุการใช้งานของวงจรหมายถึงจำนวนครั้งที่แบตเตอรี่สามารถหมุนเวียนได้โดยการชาร์จและการคายประจุ ภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความชื้นที่เหมาะสม ให้ชาร์จและคายประจุตามกระแสไฟที่กำหนด และคำนวณจำนวนรอบที่แบตเตอรี่ประสบเมื่อความจุลดลงเหลือ 80% อายุการใช้งานของปฏิทินหมายถึงช่วงเวลาที่แบตเตอรี่หมดอายุการใช้งาน (ความจุลดลงเหลือ 80%) ภายใต้เงื่อนไขการใช้งานเฉพาะ โดยทั่วไปแล้ว อาจมีการประเมินค่าที่น้อยกว่าของทั้งสองค่า