Освоение BESS путем понимания компонентов системы хранения энергии в аккумуляторах

компоненты аккумуляторной системы хранения энергии

Введение

Современная энергетическая ситуация стремительно меняется во всем мире, и причиной тому - необходимость повышения устойчивости и жизнеспособности энергетических решений для борьбы с изменением климата. Ядром этой революции являются аккумуляторные системы хранения энергии (BESS), которые быстро становятся популярной технологией, способной интегрировать прерывистые возобновляемые источники энергии, стабилизировать и дестабилизировать сети, а также генерировать стабильную энергию в нужном месте и в нужное время.

Энергетический переход уже происходит, и в нашем движении к энергетическому ландшафту, который будет все больше использовать чистую энергию, решающее значение имеет вклад аккумуляторных батарей и время, в течение которого они могут хранить энергию для последующего использования. Возобновляемая энергия теперь может храниться для последующего использования без сжигания ископаемого топлива, что снижает выбросы углекислого газа и способствует стабильному энергоснабжению в любое время суток. Сложная работа и важность BESS - это уже не удел инженеров, а необходимые знания, в которых заинтересован каждый инвестор, политик и будущий энтузиаст энергетической отрасли.

В следующей статье будет проведен подробный анализ состава BESS вплоть до его жизненно важных элементов и пролит свет на то, насколько важны эти последние элементы. Мы также рассмотрим тему, которую слишком часто игнорируют, но которая на самом деле является критически важной: терморегулирование и то, как тепловой подбор играет важную роль в повышении производительности BESS и позволяет увеличить срок их службы.

Суть хранения энергии: Что такое аккумуляторная система хранения энергии (BESS)?

Аккумуляторная система хранения энергии (BESS) представляет собой сложную интегрированную систему, предназначенную для хранения энергии, произведенной из различных источников, и последующего высвобождения сохраненной энергии при необходимости. В основном она участвует в цепочке производства и потребления энергии, обеспечивая гибкость и надежность как электросетей, так и индивидуальных потребителей.

Представьте себе гигантскую перезаряжаемую батарею, но гораздо более совершенную, способную перерабатывать огромное количество энергии и даже интеллектуально взаимодействовать с сетью. Сферы применения BESS становятся все более разнообразными, что находит отражение в таких сценариях, как резервное питание в случае отключения электроэнергии, хранение избыточной солнечной или ветровой энергии для последующего использования или снижение стоимости энергии за счет сокращения пиковых нагрузок. Развитие солнечной фотоэлектрической энергетики сочетается с развитием технологии BESS, которая изменила управление солнечной энергией и ее доступность даже при отсутствии солнечного света.

Как это работает?

На базовом уровне BESS работает, позволяя преобразовывать электрическую энергию в химическую и накапливать ее, а впоследствии, когда потребуется, электрическая энергия может быть преобразована обратно в электрическую.

В случае избытка электроэнергии, например, в период пиковой выработки солнечной энергии или при избыточном производстве электроэнергии возобновляемыми источниками, BESS заряжается, и переменный ток (от сети или возобновляемых источников) преобразуется в постоянный, чтобы сохранить энергию в этой батарее. С другой стороны, система разряжается при высоком спросе на электроэнергию или при низкой выработке возобновляемых источников.

При разрядке накопленная энергия (постоянный ток) преобразуется в переменный ток и подается в сеть или на нагрузки. Все эти колебания между зарядом и разрядом контролируются сложными системами управления для обеспечения оптимального потока энергии и стабильности системы. Таким образом, BESS помогает современной энергетической системе перейти к более устойчивой энергетической системе.

Основные компоненты системы хранения энергии на аккумуляторах

Для того чтобы правильно освоить систему накопления энергии (ESS), желательно понимать взаимозависимость между ее основными компонентами. Все элементы имеют решающее значение для определения степени эффективности, безопасности и срока службы системы. Отказ или неэффективность одного компонента может иметь каскадный характер и в конечном итоге повлиять на работу всей системы, включая энергоемкость и надежную мощность системы.

Аккумуляторные модули и элементы

Пожалуй, самая известная часть BESS - это батарейные модули и элементы, которые представляют собой основу для хранения энергии. Элементы батареи затем упаковываются в модули, а модули объединяются в стойки или контейнеры. Технология изготовления элементов может варьироваться в широких пределах, и распространенным элементом батареи, который можно встретить в современных BESS, является литий-ионный элемент из-за его высокой плотности энергии и срока службы.

Химический состав батареи также оказывает очень большое влияние на эксплуатационные характеристики системы, такие как поток энергии, состояние заряда, выходная мощность, срок службы и тепловые характеристики. В качестве еще одного примера можно привести литий-железо-фосфатные (LFP) батареи, которые становятся все более популярным выбором для применения в BESS, поскольку имеют лучшие показатели безопасности, более длительный срок службы и более толерантный внешний вид, чем другие разновидности литий-ионных батарей, хотя плотность энергии иногда также снижается.

Система управления аккумулятором (BMS)

Систему управления батареей (BMS) также называют "мозгом" аккумуляторного блока - это важнейшая электронная система, которая играет роль дозорного среди элементов батареи. Основными функциями этого устройства являются сканирование таких важных параметров, как напряжение, ток и температура модуля.

Помимо мониторинга, BMS также балансирует заряд отдельных элементов, предотвращая перезаряд или разряд, которые могут значительно сократить срок службы батареи или привести к таким последствиям для безопасности, как тепловой разряд. Хорошо функционирующая BMS - обязательный компонент, позволяющий максимально продлить срок службы батареи, обеспечить ее безопасную работу и предоставить точную информацию о состоянии заряда (SoC) и здоровья (SoH).

Она также отслеживает количество выполненных циклов заряда/разряда, поскольку это ценная информация о производительности и эффективности использования батареи. Без сложной системы BMS высокая производительность и долгий срок службы наших батарей, изготовленных по новейшей технологии, были бы невозможны.

Система преобразования энергии (PCS) / двунаправленный инвертор

Когда батарея подключена к внешней сети или нагрузке, она является интерфейсом, а этот интерфейс представляет собой систему преобразования энергии (PCS), которая часто используется в качестве двунаправленного инвертор. PCS использует входящую переменную энергию (поступающую из сети или от возобновляемых источников, например, фотоэлектрической системы) и преобразует ее в постоянную, чтобы батареи могли ее использовать.

С другой стороны, когда наступает время разряда, он преобразует постоянный ток в батареях в переменный и синхронизирует его частоту с частотой сети и напряжением в данный момент времени. Размер и конструкция PCS напрямую определяют общую эффективность BESS в обе стороны, и современные системы могут иметь эффективность более 97-98%. На PCS также возложена задача управления потоком энергии, контроля напряжения и функционирования сетевых служб, что делает его чрезвычайно сложной и важной частью. С постоянно развивающимися системами хранения энергии важно обеспечить минимальное влияние их стоимости на счета за электричество, поскольку они оптимизируют использование поставляемой энергии.

Система энергетического менеджмента (EMS)

Большим мозгом является система управления энергией (EMS), которая оптимизирует работу всего BESS. Хотя BMS отвечает за внутрисистемный (внутренний) ресурс батареи, а PCS - за преобразование энергии, EMS определяет время и режим зарядки и разрядки BESS. Она использует данные в реальном времени, такие как цена на электроэнергию, стабильность сети, спрос на электроэнергию, прогнозы использования возобновляемых источников энергии и профили нагрузки станции, для принятия интеллектуальных решений.

С помощью BESS, установленной в коммунальном хозяйстве, EMS может предоставлять такие услуги, как регулирование частоты, снижение пиковой нагрузки и перераспределение нагрузки. Она также предоставляет вспомогательные услуги, которые поддерживают стабильность энергосистемы путем балансировки спроса и предложения. В случае коммерческого и промышленного применения EMS может оптимизировать самопотребление солнечной энергии или участвовать в программах реагирования на спрос. При отключении электричества EMS способна запитать аккумуляторную систему, что обеспечивает доступность электроэнергии. Современная система EMS также значительно повышает экономическую эффективность и гибкость BESS, поэтому она, безусловно, обеспечивает наибольшую ценность.

Корпуса и системы безопасности

Защита всего BESS, а также безопасность людей и имущества должны быть в высшей степени важны для его корпуса и систем безопасности. Физическая защита от воздействия факторов окружающей среды (например, экстремальных температур, влажности, пыли) обеспечивается корпусом, в котором также находятся все внутренние компоненты, например, батарейный отсек, где хранятся модули.

Встроенные системы безопасности не ограничиваются только физическим заключением, но и направлены на обнаружение и противодействие возможным опасностям. Они включают в себя такие высокотехнологичные средства пожаротушения, как аэрозоль, чистый агент, водяной туман или детекторы дыма, датчики температуры, системы вентиляции и т. д.

Учитывая возможность возникновения тепловых инцидентов в крупных аккумуляторных установках, не только нормативные требования, но и техническая необходимость заключается в том, чтобы установка соответствовала безопасному уровню оценки, установленному в таких стандартах, как UL 9540 (Стандарт для систем и оборудования хранения энергии). Эти системы обеспечивают конечную защиту от любых непредвиденных событий, поэтому их значение в области надежной энергетики и стабильности энергосистем является неоспоримым.

Вспомогательные системы и межсоединения

Помимо основных элементов, BESS имеет систему вспомогательных систем и соединений, от которых зависит его работа. К ним относятся:

Трансформеры: Повышение (step-up) или понижение (step-down) напряжения для подключения к электросети.
Распределительные устройства и автоматические выключатели: Защита, изоляция и управление потоками электроэнергии в системе.
Кабели и шины: Выполнение безопасных и эффективных электрических соединений по всей системе.
Коммуникационные сети: Это коммуникационные каналы, по которым осуществляется обмен данными между BMS, PCS, EMS и удаленными центрами мониторинга (обычно с помощью SCADA - систем диспетчерского управления и сбора данных).
HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха): Очень важно, чтобы вся чувствительная электроника и батареи работали при оптимальных температурах.

Все эти детали кажутся незначительными, но конструктивно они необходимы для обеспечения бесперебойной работы, безопасности и долговечности всего BESS, а также являются частью мощности и общей производительности.

Системы терморегулирования для BESS

Хотя редко обсуждаемые системы терморегулирования BESS можно добавить к набору систем, отнесенных к категории вспомогательных, необходимо рассмотреть эту тему более подробно, поскольку этот аспект оказывает одно из самых больших влияний на производительность этих систем, их долговечность и безопасность. Батареи, особенно с литий-ионными химическими элементами, подвержены изменениям температуры. Выход за пределы рекомендованной рабочей температуры (которая для большинства литий-ионных батарей составляет от 15 °C до 35 °C) может привести к серьезным проблемам.

Повышенная температура ускоряет деградацию, снижает срок службы и подвергает их термическому разгону.

Слишком низкий уровень температуры может привести к снижению доступной емкости, повышению внутреннего сопротивления и негативному влиянию на скорость зарядки, что может повлиять на возможность удовлетворения спроса на энергию в критические периоды.

Интеллектуальное терморегулирование сводится к поддержанию температуры трех элементов, прежде всего аккумуляторных модулей и силовой электроники, в требуемом рабочем диапазоне. Это очень важно в пиковый момент, когда требуется высокая мощность, и система должна работать в пределах своей максимальной производительности. Типичными стратегиями терморегулирования, используемыми в BESS, являются:

что такое аккумуляторная система хранения энергии (bess)

Воздушное охлаждение/отопление: Перемещение вентилятора над окружающим или кондиционированным воздухом для охлаждения или нагрева компонентов. Это экономичный способ промежуточного контроля температуры, который можно использовать для снижения эксплуатационных расходов при относительном отсутствии потребности в энергии.
Жидкостное охлаждение/нагрев: Использование жидкого хладагента (смеси гликоля и воды), который циркулирует по холодным пластинам или каналам для поддержания прямого контакта с элементами или модулями батареи. Это также обеспечивает более жесткий и эффективный контроль температуры, особенно в системах с высокой плотностью мощности, что позволяет эффективно рассеивать нежелательную энергию, накапливающуюся при разряде высокой мощности.
Материалы, изменяющие фазу (PCM): Материалы, способные поглощать/выделять большое количество скрытого тепла, связанного с изменением фазы (например, твердого тела в жидкость), и которые могут быть использованы в пассивной системе стабилизации/регулирования температуры для поддержания стабильности системы при различном потреблении энергии в течение длительного периода времени.
Охлаждение/Хилеры: Используется при жидкостном охлаждении для достижения более агрессивного температурного охлаждения в горячих средах или высокомощных приложениях. Это хорошая стратегия, особенно если речь идет о накоплении тепловой энергии для последующего использования, и при этом необходимо следить за тем, чтобы накопленная энергия не пропадала зря в экстремальных условиях.

Стратегия терморегулирования выбирается в зависимости от размера BESS, области применения, окружающего климата и желаемых эксплуатационных характеристик.

Важность эффективного охлаждения для производительности и долговечности BESS

Тепловое управление BESS имеет необратимую связь с эффективностью и сроком службы BESS, особенно с избыточностью и эффективностью мер по охлаждению. Плохое охлаждение не только доставляет массу неудобств, но и ведет к преждевременной деградации системы, неэффективности работы и повышению рисков безопасности. Эффективное управление температурой обеспечит снижение стоимости электроэнергии в течение длительного периода времени, эффективный поток энергии и полную оптимизацию мощности.

Подумайте только: каждый раз, когда температура выходит за пределы оптимального диапазона на 10 °C, срок службы литий-ионной батареи может сократиться на 50 %. Этот сверхлинейный спад напрямую выливается в огромные денежные потери при эксплуатации BESS из-за сокращения срока службы и стремительно растущих расходов на их замену. Кроме того, работа при высоких температурах снижает энергоэффективность батареи, то есть она теряет энергию, рассеивая ее в виде тепла в процессе зарядки и разрядки, что снижает общую эффективность системы и увеличивает ее эксплуатационные расходы. Плохое терморегулирование может привести к появлению локальных горячих точек в наихудших сценариях, что ускоряет деградацию элементов и вызывает риск теплового разгона, цепную реакцию, которая может завершиться пожаром.

Благодаря оптимальному терморегулированию, системы BESS лучше справляются с управлением расходами на электроэнергию в периоды пикового спроса, что, в свою очередь, позволяет накапливать избыточную энергию и использовать ее позже, снижая общие эксплуатационные расходы с течением времени и повышая надежность энергосистемы в периоды устойчивой энергетической нагрузки.

Аспект	Влияние недостаточного охлаждения	Эффективное охлаждение
Срок службы аккумулятора	Снижение до 50% на каждые 10°C выше оптимального.	Продлевает срок службы батареи, максимизируя окупаемость инвестиций.
Эффективность системы	Увеличение потерь энергии, снижение эффективности кругового движения.	Оптимизирует передачу энергии, снижает эксплуатационные расходы.
Риски безопасности	Повышенная вероятность теплового удара и возгорания.	Устраняет угрозы безопасности, обеспечивает безопасную работу.
Производительность	Снижение мощности и производительности, особенно в жарком климате.	Поддерживает номинальную мощность и производительность.
Расходы на содержание	Более частая замена компонентов из-за перегрева.	Снижает частоту и стоимость технического обслуживания.

Решения ACDCFAN: Индивидуальное охлаждение для компонентов BESS

Именно здесь специализированные решения по охлаждению оказываются незаменимыми и превращают слабые стороны вашей BESS в ее сильные стороны. В ACDCFAN, где мы накопили более чем двадцатилетний опыт, мы также реализовали тонкие требования стратегической энергетической инфраструктуры. Являясь одним из самых профессиональных производителей, мы производим высококачественные осевые и радиальные вентиляторы переменного тока, осевые и радиальные вентиляторы постоянного тока, а также осевые вентиляторы ЕС, чтобы соответствовать строгим требованиям к компонентам BESS.

Уровень высококачественного проектирования напрямую отражается в экономически эффективных преимуществах вашего BESS. Например, у нас есть инверторные вентиляторы охлаждения, каркасы которых изготовлены из лучшего алюминиевого сплава ADC-12 с добавлением меди 3-5 %. Благодаря этому эксклюзивному легированию вы получаете на 30 % более долговечные вентиляторы, что важно для долгосрочной, стабильной и неизменной работы ваших систем преобразования энергии. Наши вентиляторы не только надежны, но и имеют выдающийся срок службы - 70 000 часов при температуре 40 о С. Наши вентиляторы могут работать при высоких температурах от -40 о С до 120 о С. Такая долговечность гарантирует поддержание отличных тепловых условий в ваших BESS при экстремальных эксплуатационных нагрузках.

Понимая различные и сложные условия эксплуатации BESS, ACDCFAN уделяет особое внимание предоставлению высококачественных вентиляторов постоянного тока с передовыми бесщеточными двигателями. Это позволяет нашим вентиляторам использовать впечатляющий класс защиты IP68, исключительную пыле- и водонепроницаемость воздухозаборника, а также способность противостоять солевому туману, что крайне важно в прибрежных или влажных средах.

Наша продукция полностью сертифицирована по стандартам CE, UL, RoHS и EM, а качество гарантировано. Мы предоставляем вам превосходство как постоянное качество, и вы должны знать, что ваши детали BESS работают в тепловых оболочках, которые обеспечивают им долгий срок службы, чтобы дать вам максимальную отдачу от инвестиций. Благодаря эффективному производству мы сократили срок поставки наших осевых вентиляторов до минимума - всего 1-2 недели, чтобы ваши проекты выполнялись вовремя и с меньшими затратами.

что такое аккумуляторная система хранения энергии

Заключение

Внедрение аккумуляторной системы хранения энергии - это гораздо больше, чем просто покупка батарей. Она требует интегрированной базы знаний о ее сложных компонентах, таких как энергоаккумулирующие модули батареи, система защиты BMS, система преобразования энергии PCS, система оптимизации EMS, а также системы безопасности и корпуса обнаружения. Все они - важнейшие колеса сложного механизма, призванного изменить наше энергетическое будущее. Поскольку солнечная энергия и другие возобновляемые источники энергии приобретают все большее значение, аккумуляторные системы хранения энергии играют решающую роль в управлении энергоснабжением и переходе от ископаемого топлива к ископаемой энергии.

Тем не менее, терморегулирование можно рассматривать как основной элемент эксплуатационной и долгосрочной устойчивости BESS. Интеллектуальное и проактивное охлаждение с помощью высокопроизводительных вентиляторов не может рассматриваться как приятная особенность, а скорее как обязательное требование, обеспечивающее долговечность батарей, эффективность и высокий уровень безопасности системы.

Инвестиции в высококачественные системы охлаждения означают, что разработчики и операторы BESS смогут не только защитить свои доли, но и оптимизировать свои инвестиции, а также уверенно защитить свои вложения и активно содействовать созданию более совершенной энергетической системы с большей устойчивостью и стабильностью, играя важную роль в текущем энергетическом переходе.