Ennen kuin keskustelemme akkuenergian varastointijärjestelmän (BESS) arkkitehtuurista ja akkutyypeistä, meidän on ensin keskityttävä yleisimpiin tällä alalla käytettyyn terminologiaan. Useat tärkeät parametrit kuvaavat akkuenergian varastointijärjestelmien käyttäytymistä.
Kapasiteetti [Ah]: Suurin sähkövaraus, jonka järjestelmä pystyy tarjoamaan liitetylle kuormalle kohtuullisella jännitteellä. Akun teknologialla on merkittävä vaikutus tähän parametriin, jonka arvo asetetaan tietylle purkausvirran ja lämpötilan mukaan.
Nimellisenergia [Wh]:Tämä on kokonaisenergia, joka on tuotettu täyden latauksen ja täysin purkautuneen tilan välillä. Se vastaa akun jännitettä kertaa kapasiteetti. Myös lämpötila ja virta vaikuttavat, sillä kapasiteetti määrää sen.
Teho [W]:BESSin lähtötehon määrittäminen on vaikeaa, koska se riippuu liitetyistä kuormista. Siitä huolimatta nimellisteho edustaa tehoa tyypillisimmässä purkausskenaariossa.
Ominaisenergia [Wh/kg]:Tämä ilmaisee akun energian varastointikapasiteetin suhteessa massaan.
Varauksen ja purkauksen kestojen määrittämiseen käytettyä asteikkoa kutsutaan nimelläLaatikko. Purkausvirta tyhjentää akun täysin tunnissa 1 C:ssa.
Lataus/purku/lataus onsykli. Ei ole olemassa sovittua määritelmää siitä, mitä sykli on.
Akkusyklin käyttöikäon syklien kokonaismäärä, jonka se voi tuottaa.
DoD: Purkaussyvyys. Täydellinen tyhjennys on 100 %;
Lataustila (SoC, %):Tämä numero ilmaisee akun lataustason.
Termi "coulombinen hyötysuhde" viittaa akun kykyyn siirtää varausta tehokkaasti. Se on latauksen osuus, joka vaaditaan palautumiseen alkuperäiseen lataustilaan purkausvaiheessa vapautuneeseen latausmäärään (Ah). Lyijyhappotekniikkaa lukuun ottamatta tavallisimmat akkujen hyötysuhde on verrattavissa tähän.
Sähkökemiallisten energian varastointijärjestelmien päätyypit
On olemassa lukuisia akkujärjestelmiä, joista jokainen perustuu ainutlaatuiseen kemiallisten komponenttien ja prosessien yhdistelmään. Lyijyhappo- ja Li-ion-akut ovat tällä hetkellä eniten käytetyt tyypit, mutta myös virtaus-, nikkeli- ja rikkipohjaisilla akuilla on paikkansa näillä markkinoilla. Käymme nopeasti läpi suosituimpien akkutekniikoiden tärkeimmät edut.
Käytämme näitä akkuja säännöllisesti. Tämän akun peruskenno koostuu positiivisesta bioksidi- tai lyijyelektrodista ja negatiivisesta lyijyelektrodista. Elektrolyytti on rikkihappoliuos vedessä.
Näiden akkujen ensisijaiset edut ovat niiden kohtuuhintaisuus ja edistynyt teknologinen tila.
Nikkeli-kadmium (Ni-Cd) akut
Ennen kuin litiumakkuteknologiaa käytettiin laajalti, tämäntyyppinen akku toimi kannettavien laitteiden ensisijaisena virtalähteenä useiden vuosien ajan.
Nämä akut tarjoavat korkean tehon ja nopean latausajan.
Parannuksia näihin akkuihin edustaa nikkelimetallihydridi (NiMH) -tekniikka, joka voi tuottaa noin 40 % korkeamman ominaisenergian kuin tavallinen NiCd.
Litium-Ion (Li-Ion) -akut
Kaikista metalleista litiumilla on suurin ominaisenergia ja se on kevyin. Ladattavat litiummetallianodiakut tarjoavat uskomattoman korkean energiatiheyden.
Muitakin rajoituksia on. Esimerkiksi dendriittien kehittyminen anodilla pyöräilyn aikana on olennainen rajoitus. Se voi aiheuttaa sähkökatkoksen, joka voi nostaa lämpötilaa ja vahingoittaa akkua.
BESSin kokoonpano
Eri "tasot", sekä loogiset että fyysiset, muodostavat BESSin. Jokainen ainutlaatuinen fyysinen osa tarvitsee oman ohjausjärjestelmän.
Tässä on yhteenveto näistä tärkeimmistä vaiheista:
Akkujärjestelmä koostuu erilaisista akuista ja lukuisista akuista, jotka on kytketty toisiinsa haluttujen jännite- ja virtatasojen saavuttamiseksi.
Akunhallintajärjestelmä säätelee kunkin kennon asianmukaista toimintaa, jotta järjestelmä voi toimia jännite-, virta- ja lämpötila-alueella, joka on turvallista akkujen erinomaiselle terveydelle koko järjestelmän sijaan. Lisäksi kunkin kennon lataustilaa säädetään ja tasapainotetaan tällä tavalla.
Tehon muuttamiseksi AC:ksi invertterit on liitetty akkujärjestelmään. Jokaisessa BESS:ssä on erityinen tehoelektroniikkataso, joka tunnetaan nimellä PCS (tehonmuunnosjärjestelmä). Se on tyypillisesti ryhmitelty muunnosyksikköön yhdessä kaikkien asianmukaiseen valvontaan tarvittavien apupalvelujen kanssa.
Järjestelmän ja energiavirran valvonta ja ohjaus (energianhallintajärjestelmä) ovat seuraavat vaiheet. Valvonta- ja tiedonkeruujärjestelmä tai SCADA-järjestelmä sisältää usein yleisiä valvonta- ja ohjaustoimintoja. Toisaalta energianhallintajärjestelmä on suunniteltu erityisesti valvomaan tehovirtaa sovellusvaatimusten mukaisesti.
Keski-/pienjännitemuuntajan liitäntä ja järjestelmän koosta riippuen suur-/keskijännitemuuntaja erillisellä sähköasemalla ovat viimeisiä liitäntöjä.
PV-moduuli ja BESS-integraatio
Uusiutuvilla energialähteillä on tulevaisuudessa merkittävä vaikutus sähköjärjestelmiin, kuten tämän sarjan ensimmäisessä osassa kerrotaan. Sekä sähköjärjestelmä että uusiutuva voimalaitos voivat hyötyä BESSin integroimisesta uusiutuvaan energialähteeseen.
Seuraavassa selitetään eri tapoja, joilla BESS voi auttaa voimalaitosta:
Tasaisemman ja ennakoitavamman sukupolven käyrän saavuttamiseksi tämä kompensoisi sukupolviprofiilin "volatiliteettia" pilvipeitteen alla tai äkillisiä tehopiikkejä. Kontrasti aurinkosähkölaitoksen sukupolvikäyrän välillä pilvisenä päivänä ja kirkkaalla taivaalla on esitetty kuvassa 4. Sukupolvi "välkkyisi" vähemmän BESSin integroinnin myötä, jolloin käyrä olisi säännöllisempi.
Sukupolvikäyrä "tasautuu" huippuparranajon seurauksena (lisätietoja huippuparranajosta on edellisessä artikkelissa).
Verkkotuen ja oheispalvelujen osalta BESS voi olla merkittävässä roolissa voimalaitoksen sähköverkkoon liittämisessä tarjoamalla taajuudensäätöä ja jännitteenhallintaa (yhdessä loistehon kompensoinnin kanssa) merkittävästi vähemmän sähköjärjestelmään vaikuttavalla tavalla.
Edellä mainittujen palveluiden lisäksi aurinkosähkömoduulien ja akkuenergian varastointijärjestelmien välillä on enemmän potentiaalisia yhteistyömahdollisuuksia, alkaen kytkentäpisteiden vaihdosta (POC). Koska BESS asennetaan usein "täydentämään" PV-moduulia, sen läsnäolo ei voinut edellyttää lisätehoa POC:ssa.
Mahdollisia lisäyhteistyötä syntyy päätöksistä, jotka on tehty arkkitehtuurissa, miten aurinkosähkömoduulit kytkeytyvät BESSiin. Ensisijaisia vaihtoehtoja on ainakin kolme:
DC-kytkentä: Tässä vaihtoehdossa tiettyä DC/DC-muunninta käytetään yhdistämään BESS ja PV akkujen ja PV-moduulien DC-puolella jännitteen stabiloimiseksi. Tällä menetelmällä laitoksen koko vaihtovirtapuoli jakaa invertterit PV-moduulin ja BESS:n välillä (tämän skenaarion invertteri pystyy toimimaan kaikissa PQ-kaavion neljässä neljänneksessä). Tämä valinta on melko yleinen asuinalueilla. sovelluksissa tai kun kyseessä on pieni laitos (kW). Suuren mittakaavan laitoksen tapauksessa BESS jaetaan pellolle. Se vaatii kuitenkin erityistä ja kallista logiikkaa tasajännitteen ja kunkin akun latauksen ohjaamiseen.
AC-kytkentä invertterin jälkeen: Tämä menetelmä on verrattavissa edelliseen, mutta se sijoittaa BESS- ja PV-moduulin kytkentäpisteen invertterien perään. Tässä tapauksessa BESS:llä ja PV-moduulilla on kummallakin oma invertterinsä. Koska DC-kytkennän ylimääräistä ohjauslogiikkaa ei tarvita, tämä menetelmä on suosittu myös asuinrakennuksissa ja sitä voitaisiin käyttää suurissa laitoksissa hajautetun BESS:n luomiseen.
AC-kytkentä POC:ssa:Tässä ratkaisussa PV-moduuli ja BESS jakavat vain yhteenliittämismahdollisuuden, kun taas niillä on täysin erotetut osat laitostasolla.