Przyspieszony rozwój zintegrowanych systemów-magazynowania-ładowania energią słoneczną: integracja systemów magazynowania energii i zastosowania oparte na wielu-scenariuszach wchodzą w fazę pogłębionego wdrażania

W odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na ładowanie pojazdów elektrycznych (EV), rosnącą penetrację rozproszonej fotowoltaiki (PV) oraz ciągły rozwój przemysłowych i komercyjnych zastosowań magazynowania energii, wzmacnia się synergia między fotowoltaiką, magazynowaniem energii i infrastrukturą ładowania. W ostatnich latach systemy ładowania-magazynów- fotowoltaicznych ewoluowały od prostych kombinacji pojedynczych urządzeń do zintegrowanych systemów energetycznych; scenariusze ich zastosowań wykraczają poza tradycyjne stacje ładowania i obejmują parki przemysłowe, kompleksy handlowe, węzły transportowe, centra logistyczne i-obszary pozbawione sieci.

 

Z technologicznego punktu widzenia sedno systemu-magazynowania-ładowania fotowoltaicznego polega nie tylko na-kolokacji modułów fotowoltaicznych, akumulatorów do magazynowania energii i sprzętu do ładowania w jednym miejscu, ale na zapewnieniu skoordynowanego działania pomiędzy różnymi zasobami energii za pośrednictwem szyn prądu stałego, konwerterów magazynowania energii, systemów zarządzania energią i jednostek sterujących mocą.

 

System dynamicznie dostosowuje przepływy energii w oparciu o takie czynniki, jak moc wyjściowa generacji fotowoltaicznej, stan-naładowania-magazynowania energii (SoC), obciążenie ładowania, przepustowość sieci i-ceny energii elektrycznej w czasie rzeczywistym. Optymalizuje to wykorzystanie energii odnawialnej i łagodzi chwilowy wpływ-ładowania o dużej mocy na system dystrybucji energii.

 

 

 

Wczesna infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych opierała się głównie na bezpośrednim zasilaniu z sieci, a urządzenia do ładowania działały niezależnie od systemów fotowoltaicznych i magazynowania energii. Wraz ze wzrostem poziomu mocy ładowania tradycyjne modele dystrybucji energii napotkały ograniczenia związane z wydajnością transformatora, liniami dystrybucyjnymi i zapotrzebowaniem na obciążenie szczytowe. W rezultacie integracja magazynowania energii z mocą buforową-w połączeniu z wytwarzaniem energii fotowoltaicznej w celu dostarczania zielonej energii elektrycznej- okazała się istotną architekturą systemu, szczególnie w scenariuszach z ograniczoną istniejącą zdolnością dystrybucyjną.

 

W tej konfiguracji system magazynowania energii działa jako bufor energii i regulator mocy. Może zaspokoić chwilowe zapotrzebowanie na moc podczas szczytowych obciążeń ładowania i magazynować nadwyżkę energii w okresach niskiego obciążenia lub wysokiego wytwarzania energii fotowoltaicznej. W regionach, w których obowiązują ceny za energię elektryczną według-czasu-użytkowania (ToU), systemy magazynowania energii mogą również koordynować harmonogramy ładowania i rozładowywania w oparciu o strategie zarządzania energią.

 

Pod względem struktury produktów systemy-magazynowania-fotowoltaicznego dostępne obecnie na rynku ogólnie można podzielić na dwie kategorie: wysoce zintegrowane produkty „wszystko-w-jednym” oraz rozwiązania składające się z oddzielnych, modułowych komponentów. Zintegrowane rozwiązania zazwyczaj charakteryzują się wysokim poziomem integracji akumulatorów energii, jednostek konwersji mocy, dystrybucji energii, infrastruktury ładowania i modułów sterujących, co zmniejsza liczbę-komponentów i punktów połączeń na miejscu.

 

Natomiast rozwiązania systemowe-podzielone obejmują odrębną konfigurację sprzętu fotowoltaicznego, magazynowania energii, ładowania i dystrybucji energii w oparciu o skalę projektu i warunki w miejscu, w oparciu o platformę zarządzania energią w celu koordynowania operacji systemu.

 

Ta ewolucja formy produktu doprowadziła do rozwoju komponentów pomocniczych,-takich jak szafy do przechowywania, złącza zasilania, systemy szyn zbiorczych, konstrukcje izolacyjne i zespoły zarządzania ciepłem-w kierunku modułowości, standaryzacji i wyższej integracji.

 

Systemy magazynowania energii stanowią kluczową podstawę skoordynowanego działania systemów-plus-magazynowania-plus-ładowania energią słoneczną.

 

W systemach ładowania-plus-magazynowania-plus{3}} urządzenia do magazynowania energii nie tylko magazynują energię elektryczną, ale także bezpośrednio wpływają na zdolność systemu do reagowania na moc i stabilność działania. Wraz ze wzrostem pojemności magazynowania energii i mocy znamionowej systemy te ewoluują od prostych szaf bateryjnych do kompleksowych jednostek koordynujących wiele podsystemów, w tym akumulatory, PCS (systemy konwersji mocy), dystrybucję mocy, gaszenie pożaru, zarządzanie ciepłem i EMS (systemy zarządzania energią).

 

Typowe systemy magazynowania energii z akumulatorów LiFePO4 wykorzystują modułowe jednostki akumulatorowe, łączące wiele modułów szeregowo i równolegle w celu uzyskania wymaganego napięcia i pojemności systemu. Ta modułowa struktura ułatwia transport, instalację i konserwację, a jednocześnie pozwala na rozbudowę wydajności systemu w oparciu o wymagania projektu.

 

W przypadku zastosowań w pomieszczeniach ze sprzętem, parkach przemysłowych i obiektach przemysłowych modułowe akumulatorowe systemy magazynowania energii można elastycznie konfigurować w celu dostosowania do dostępnej przestrzeni i wymagań dotyczących obciążenia. Projekt systemu musi uwzględniać takie czynniki, jak pojemność akumulatora, szczytowa moc ładowania/rozładowania, żywotność cyklu, temperatura otoczenia i odstępy konserwacyjne, a nie określać specyfikacje sprzętu wyłącznie na podstawie pojemności akumulatora.

 

Wraz z dalszym postępem w integracji systemów, w niektórych jednostkach w jednej szafie mieszczą się akumulatory, komputery PC, systemy dystrybucji zasilania, systemy zarządzania ciepłem i systemy przeciwpożarowe. Te zintegrowane szafy do magazynowania energii do zastosowań komercyjnych i przemysłowych nadają się do parków przemysłowych, budynków komercyjnych oraz małych- i-średnich-obiektów energetycznych, ponieważ ograniczają-prace instalacyjne na miejscu i skracają czas wdrożenia.

 

 

Wraz ze wzrostem mocy i pojemności systemów magazynowania energii szafa magazynująca ewoluowała od prostej konstrukcji do montażu akumulatorów w kompleksowy zespół obsługujący połączenia elektryczne, zarządzanie temperaturą i funkcje zabezpieczające.

 

Wnętrze szafy do przechowywania energii zazwyczaj mieści moduły akumulatorów, szyny zbiorcze, wyłączniki automatyczne, bezpieczniki, styczniki, systemy gromadzenia danych oraz komponenty połączeń wysokiego/niskiego napięcia. Należy zachować odpowiednią izolację i odstępy upływu pomiędzy różnymi modułami elektrycznymi; dodatkowo należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak prowadzenie wiązek przewodów, odstępy konserwacyjne i ścieżki wymiany ciepła.

 

W przypadku zastosowań zewnętrznych obudowa musi być odporna na czynniki środowiskowe, takie jak deszcz, kurz, mgła solna, promieniowanie słoneczne i wahania temperatury. W związku z tym zewnętrzne systemy magazynowania energii-zwykle wymagają projektów obejmujących konstrukcje uszczelniające,-zabezpieczenia antykorozyjne, systemy zarządzania temperaturą i określone stopnie ochrony (IP).

 

W środowiskach przybrzeżnych, o wysokiej-wilgotności lub silnie zanieczyszczonym środowisku przemysłowym, wybór materiałów na obudowy i obróbka powierzchni ma kluczowe znaczenie.

 

Obudowy do zewnętrznych magazynów energii ze stali nierdzewnej wykorzystują naturalną odporność materiału na korozję, aby ograniczyć ryzyko strukturalne związane z-długoterminowym narażeniem na środowisko; jednakże konkretny wybór materiału nadal wymaga kompleksowej oceny w oparciu o wytrzymałość, koszt, wagę, procesy produkcyjne i warunki w miejscu montażu.

 

 

 

Podczas działania systemów magazynowania energii ciepło jest generowane przez ogniwa akumulatorów, system konwersji mocy (PCS) i inne elementy mocy. Wraz ze wzrostem gęstości energii systemu zarządzanie temperaturą stało się kluczowym czynnikiem wpływającym na długoterminowe-działanie urządzeń do magazynowania energii.

 

Małe-i{1}średnie-jednostki magazynowania energii często wykorzystują rozwiązania-chłodzenia powietrzem, rozpraszając ciepło za pośrednictwem kanałów powietrznych, wentylatorów i struktur wymiany ciepła. Takie podejście zapewnia stosunkowo prostą strukturę i łatwość konserwacji, dzięki czemu dobrze-nadaje się do niektórych komercyjnych i przemysłowych zastosowań magazynowania energii. Na przykład niestandardowa zintegrowana szafa do przechowywania energii-chłodzona powietrzem{8}}umożliwia zintegrowane projektowanie modułów akumulatorów, kanałów wentylacyjnych i komponentów dystrybucji zasilania dostosowanych do konkretnych wydajności projektu i ograniczeń miejsca.

 

W przypadku systemów magazynowania energii o dużej-gęstości-energii i dużej-mocy rozwiązania chłodzenia cieczą oferują korzyści w zakresie równomierności temperatury i wydajności zarządzania ciepłem, wykorzystując chłodziwo do bezpośredniego usuwania ciepła wytwarzanego przez ogniwa akumulatora i komponenty mocy. Produkty takie jak chłodzone cieczą,-zintegrowane szafy do magazynowania energii do zastosowań w energetyce wiatrowej są przeznaczone głównie do zastosowań w elektrowniach wiatrowych, słonecznych i-nowych magazynach energii na dużą skalę.

 

Niezależnie od tego, czy zastosowano chłodzenie powietrzem, czy cieczą, projekt zarządzania ciepłem należy rozważyć w powiązaniu z układem akumulatora, połączeniami elektrycznymi i konstrukcją obudowy. Zlokalizowane gorące punkty mogą pogorszyć wydajność baterii i przyspieszyć degradację materiału; dlatego monitorowanie temperatury, równoważenie termiczne i mechanizmy ostrzegania o usterkach muszą być zintegrowane z ogólnym projektem systemu.

 

 

Innym znaczącym trendem w rozwoju systemów-magazynowania-ładowania energią słoneczną jest sprzęganie po stronie prądu stałego. W tradycyjnych systemach energia fotowoltaiczna (PV) musi przejść przez falownik, aby połączyć się z siecią prądu przemiennego, zanim zostanie poddana dalszej konwersji energii za pomocą urządzeń ładujących lub systemów magazynowania energii; proces ten często obejmuje wiele etapów konwersji mocy.

 

Natomiast architektury ze sprzężeniem prądu stałego-umożliwiają koordynację energii pomiędzy wytwarzaniem energii fotowoltaicznej, magazynowaniem energii i ładowaniem odbiorników bezpośrednio po stronie prądu stałego, eliminując w ten sposób pewne etapy konwersji. W przypadku- zastosowań związanych z ładowaniem prądem stałym i magazynowaniem energii o dużej mocy architektura ta pomaga skrócić ścieżki przesyłu energii i zwiększa ogólną efektywność zarządzania energią systemu.

 

Szafy z systemami ładowania-wszystko w-jednym-PV-mają zazwyczaj zintegrowaną konstrukcję, która łączy wejścia fotowoltaiczne, jednostki magazynowania energii, konwersję mocy i funkcje zarządzania energią, umożliwiając sprzętowi dynamiczne przesyłanie energii między różnymi źródłami w oparciu o-wymagania miejsca.

 

Jednocześnie połączenia energetyczne między stroną fotowoltaiczną a stroną magazynującą energię stawiają wyższe wymagania komponentom, takim jak szyny zbiorcze, złącza i materiały izolacyjne. W warunkach-wysokoprądowych czynniki takie jak przekrój-przewodu, rezystancja styku, wzrost temperatury i prześwit izolacji bezpośrednio wpływają na długoterminową-stabilność operacyjną systemu.

 

 

W miarę rozszerzania się systemów magazynowania energii z pomieszczeń ze sprzętem do pomieszczeń na zewnątrz, przystosowanie się do środowiska stało się kluczowym miernikiem przy projektowaniu produktów. Zewnętrzne urządzenia do magazynowania energii muszą wytrzymywać-długotrwałą ekspozycję na takie czynniki, jak wysokie i niskie temperatury, wilgotność, deszcz, kurz, mgła solna i promieniowanie ultrafioletowe (UV).

 

Projekt konstrukcyjny zewnętrznych szaf do magazynowania energii wymaga kompleksowego podejścia, które równoważy stopień ochrony, możliwości rozpraszania ciepła, bezpieczeństwo elektryczne i wymagania konserwacyjne. Szafa musi nie tylko chronić wewnętrzny akumulator i komponenty elektryczne, ale także zapewniać odpowiednią przestrzeń dla systemów przeciwpożarowych, zarządzania ciepłem i konserwacji.

 

W przypadku projektów związanych z energią wiatrową lub słoneczną urządzenia do magazynowania energii są często instalowane w odległych obszarach, z dala od infrastruktury miejskiej, co sprawia, że ​​szczególnie ważna jest niezawodność sprzętu oraz możliwości zdalnej obsługi i konserwacji (O&M). Systemy muszą wykorzystywać czujniki, systemy zarządzania akumulatorami (BMS) i systemy zarządzania energią (EMS) do ciągłego monitorowania stanu akumulatorów, temperatury, napięcia, prądu i anomalii operacyjnych, jednocześnie przesyłając dane operacyjne do centralnej platformy monitorowania za pośrednictwem systemów komunikacyjnych.

 

Ta ewolucja przekształca urządzenia do magazynowania energii z prostych „szaf akumulatorowych” w inteligentne węzły energetyczne zdolne do wykrywania, sterowania, komunikacji i zarządzania energią.

 

 

Wraz ze wzrostem skali systemów magazynowania energii, znaczenie strategii kontroli systemu stale rośnie. Podczas gdy tradycyjne systemy magazynowania energii ładują i rozładowują głównie w oparciu o stałe harmonogramy lub wstępnie ustawione poziomy mocy, systemy zarządzania energią nowej-generacji muszą jednocześnie uwzględniać prognozy pogody, moc fotowoltaiczną (PV), profile obciążenia, wahania cen energii elektrycznej i stan baterii.

 

Gdy zapotrzebowanie na ładowanie jest niskie, a moc fotowoltaiczna wysoka, system może priorytetowo wykorzystać energię słoneczną podczas magazynowania nadwyżki; w przypadku wzrostu zapotrzebowania na ładowanie system magazynowania może dostarczyć dodatkową moc, aby zmniejszyć chwilowe obciążenie sieci; a w okresach niskich cen energii elektrycznej system może być ładowany w oparciu o strategie operacyjne.

 

To dynamiczne podejście do planowania oznacza, że ​​wartość systemów magazynowania energii ewoluowała od prostego magazynowania energii do zarządzania energią i optymalizacji energii.

 

Jednocześnie architektura wewnętrznych połączeń międzysystemowych urządzeń do magazynowania energii musi być dostosowana do tych dynamicznych trybów pracy. Cykle ładowania/rozładowania o wysokiej-częstotliwości i działanie przy wysokim-prądzie zwiększają naprężenia wynikające z cykli termicznych szyn zbiorczych, złączy i zacisków; dlatego projekt konstrukcyjny musi nie tylko spełniać wymagania dotyczące prądu znamionowego, ale także uwzględniać-długoterminowe cykle termiczne, wibracje mechaniczne i niezawodność połączenia.

 

 

Projekty magazynowania energii różnią się znacznie w zależności od scenariusza zastosowania, a różni klienci mają różne wymagania dotyczące pojemności, mocy, poziomów napięcia, przestrzeni instalacyjnej i metod chłodzenia. W związku z tym projektowanie modułowe staje się kluczowym kierunkiem rozwoju produktów w tym sektorze.

 

Modułowe systemy akumulatorów umożliwiają skalowanie jednostek akumulatorowych w zależności od pojemności projektu; modułowe systemy konwersji mocy (PCS) można konfigurować zgodnie z wymaganiami dotyczącymi mocy obciążenia; i modułowe konstrukcje szaf zmniejszają złożoność produkcji i instalacji dzięki ustandaryzowanym strukturom.

 

W przypadku dużych-systemów magazynowania energii konstrukcja modułowa ułatwia także transport sprzętu i-konserwację na miejscu. W przypadku awarii określonego modułu akumulatora lub jednostki elektrycznej obsługa-na poziomie modułu może zminimalizować wpływ na ogólne działanie systemu.

 

Z punktu widzenia strukturalnego konstrukcja modułowa wymaga dużej spójności interfejsów w szafach, szynach zbiorczych, wiązkach przewodów, złączach i elementach izolacyjnych. Standaryzowane interfejsy zmniejszają tolerancje montażowe pomiędzy modułami i upraszczają procedury operacyjne podczas późniejszej konserwacji.

 

 

Zastosowanie zintegrowanych systemów ładowania-magazynowania-fotowoltaicznego wykracza obecnie poza tradycyjne publiczne stacje ładowania i obejmuje szerszy zakres scenariuszy. W kompleksach komercyjnych systemy mogą wykorzystywać energię słoneczną na dachach w połączeniu z magazynowaniem energii, aby zmniejszyć obciążenie sieci w godzinach szczytu; w parkach przemysłowych magazynowanie energii może zrównoważyć-szczytowe i pozaszczytowe zapotrzebowanie w stosunku do obciążenia produkcyjnego; oraz w parkach logistycznych i-stacjach ładowania samochodów ciężarowych o dużej ładowności,-gdzie-ładowanie o dużej mocy powoduje duże zapotrzebowanie na zdolność dystrybucyjną,-magazynowanie energii służy jako bufor mocy.

 

W odległych obszarach lub regionach o niewystarczającym zasięgu sieci magazynowanie energii można połączyć ze źródłami odnawialnymi, takimi jak energia słoneczna i wiatrowa, tworząc stosunkowo niezależne systemy energetyczne. Szafy do magazynowania energii fotowoltaicznej-dobrze nadają się do takich zintegrowanych zastosowań, wykorzystując jednostki magazynujące do wyrównania produkcji energii słonecznej i zwiększenia elastyczności wykorzystania energii odnawialnej.

 

W międzyczasie ewoluuje także technologia połączeń-wysokonapięciowego w systemach elektrycznych pojazdów nowej generacji (NEV). W miarę wzrostu napięcia na platformach pojazdów elektrycznych i wzrostu mocy ładowania systemy dystrybucji energii-wysokonapięciowej wymagają wyższych standardów dla szyn zbiorczych, konstrukcji izolacyjnych, zacisków i elementów połączeniowych. W rezultacie granice technologiczne między magazynowaniem energii a pojazdami NEV zacierają się, co pozwala na stosowanie niektórych technologii połączeń elektrycznych-wysokonapięciowego w różnych typach urządzeń energetycznych.
 

 

 

Patrząc na niedawną ewolucję produktów do ładowania-magazynowania-słonecznego, konkurencja rynkowa nie ogranicza się już do takich wskaźników, jak pojemność magazynu, moc ładowania czy specyfikacje poszczególnych urządzeń; zamiast tego uwaga skupiła się na możliwościach integracji systemów, zarządzaniu energią, niezawodności operacyjnej i całkowitych kosztach cyklu życia.

 

Zintegrowane produkty zmniejszają-wymagania dotyczące instalacji na miejscu, ale zwiększają złożoność projektu systemu wewnętrznego; systemy podzielone oferują większą elastyczność, ale wymagają bardziej wyrafinowanego zarządzania energią i koordynacji na poziomie systemu. Dlatego nie ma jednego „najlepszego” podejścia; wybór zależy od takich czynników, jak skala projektu, warunki dystrybucji energii, środowisko miejsca i tryby pracy.

 

W przyszłości systemy-magazynowania-słonecznego mogą w większym stopniu integrować się z wirtualnymi elektrowniami, mechanizmami reakcji-po stronie popytu, mikrosieciami i rynkami handlu energią elektryczną. Transformacja ta spowoduje ewolucję jednostek magazynowania energii z prostych urządzeń magazynujących w rozproszone węzły energetyczne zdolne do uczestniczenia w regulacji sieci.

 

Jednocześnie wewnętrzne elementy szaf do magazynowania energii,-w tym dystrybucja wysokiego-napięcia, systemy szyn zbiorczych, izolacja, struktury zarządzania ciepłem i projekty zabezpieczeń-będą nadal poddawane modernizacji. W przypadku-jednostek magazynowania energii o dużej pojemności kluczowymi elementami projektowania inżynierii konstrukcyjnej będą zrównoważenie gęstości mocy, wydajności cieplnej, bezpieczeństwa elektrycznego, łatwości konserwacji i spójności produkcyjnej w ramach ograniczonej przestrzeni szafy.

 

 

Ogólnie rzecz biorąc, branża ładowania-magazynowania-słonecznego ewoluuje od prostych kombinacji sprzętu do zintegrowanych systemów, od operacji jednofunkcyjnych- do inteligentnej wysyłki, od aplikacji-związanych z siecią do skoordynowanych operacji w-sieci i-sieci. Systemy magazynowania energii odgrywają wiele ról,-w tym buforowanie mocy, regulację energii i zapewnianie bezpieczeństwa systemu,-podczas gdy szafy do magazynowania energii przekształcają się z prostych obudów akumulatorów w kompleksowe jednostki integrujące systemy elektryczne, zarządzanie ciepłem, ochronę przeciwpożarową, mechanizmy sterujące i możliwości komunikacyjne.

 

Przyszłe projekty dotyczące-magazynowania energii słonecznej- będą wymagały czegoś więcej niż tylko skupienia się na pojemności baterii i mocy ładowania; będą wymagać wspólnego projektowania w wielu wymiarach,-takich jak architektura systemu, konstrukcja szafy, połączenia elektryczne, zarządzanie temperaturą, izolacja, strategie sterowania i systemy obsługi i konserwacji,-aby sprostać stale-rosnącym wymaganiom w zakresie gęstości mocy i niezawodności operacyjnej w różnych scenariuszach zastosowań.

 

Jeśli chodzi o zamówienia inżynieryjne, wybórszafy do magazynowania energiii ich wewnętrzne komponenty elektryczne powinny opierać się na kompleksowej ocenie poziomów napięcia, prądu znamionowego, wydajności, metod chłodzenia, warunków środowiskowych, konstrukcji instalacji i wymagań konserwacyjnych, przy czym priorytetem jest weryfikacja kompatybilności interfejsu pomiędzy kluczowymi komponentami a całym systemem.