Повышение эффективности за счет сочетания систем накопления энергии и солнечной энергетики.

Быстрый ответ

Сочетание систем хранения энергии на основе аккумуляторов (BESS) с солнечной энергией на месте является наиболее эффективной архитектурой для современной зарядной станции для электромобилей, поскольку оно устраняет потери на каждом этапе энергетической цепочки. Солнечные панели преобразуют солнечный свет в постоянный ток с КПД модуля 20–24%; система отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) компенсирует потери, вызванные затенением и несоответствием параметров; а аккумуляторная батарея отделяет выработку электроэнергии от потребности в зарядке, поэтому киловатт-час не экспортируется по оптовым ценам и не ограничивается. Хорошо сопряженная система PV+BESS обычно повышает ценность солнечной генерации на 30–50% по сравнению с системой только PV, сокращает закупки электроэнергии из сети на 40–70% и обеспечивает действительно нулевое количество выбросов в дневное время. В этом руководстве объясняется, как рассчитать, соединить и эксплуатировать солнечные батареи и системы хранения энергии для достижения максимальной эффективности преобразования энергии.

Основные выводы

• Соединение фотоэлектрических панелей и систем хранения энергии постоянным током позволяет избежать потерь при двойном преобразовании, повышая эффективность системы на 2–4 процентных пункта.
• Аккумулятор поглощает избыточную солнечную энергию и переносит ее на пиковые периоды зарядки, что исключает ограничения выработки электроэнергии и экспорт низкорентабельных товаров.
• Модули MPPT с широким диапазоном напряжения позволяют компенсировать 5–10% выходной мощности фотоэлектрических панелей, теряемой из-за частичного затенения и несоответствия размеров панелей.
• Правильный подбор размеров системы преобразования солнечной энергии в аккумулятор обеспечивает цикл работы накопителя 1–1,5 раза в день, что продлевает срок службы и улучшает экономические показатели.
• Солнечные энергосистемы с накопителями энергии могут функционировать как автономные энергосистемы с нулевым уровнем выбросов, заменяя дизельные генераторы на удаленных объектах и ​​в районах с ограниченными энергосетями.

Почему сочетание фотоэлектрической системы и системы хранения энергии является наиболее эффективным?

Выработка солнечной энергии и спрос на зарядку электромобилей, естественно, не совпадают. Солнце светит в полдень, но пик спроса на зарядку приходится на утренние часы пик и на период с вечера до вечера. Владельцы солнечных электростанций, использующих только солнечную энергию, сталкиваются с неприятным выбором: экспортировать излишки энергии, вырабатываемые в полдень, по оптовым ценам или полностью их сократить. Система хранения энергии (BESS) устраняет этот выбор — батарея поглощает излишки и высвобождает их именно тогда, когда это необходимо зарядным устройствам.

Повышение эффективности состоит из трех компонентов:

1. Прирост эффективности использования: каждый киловатт-час солнечной энергии потребляется на месте по розничной или тарифной цене, а не экспортируется по оптовой цене или ограничивается. Это обычно приносит на 30–50% больше дохода за каждый произведенный кВт⋅ч. 2.Коэффициент конверсииВ архитектуре с постоянным током солнечный постоянный ток поступает непосредственно в шину постоянного тока батареи или в шину постоянного тока зарядного устройства, избегая преобразования переменного тока. Исключение двух инверторных преобразований позволяет восстановить эффективность системы на 2–4 процентных пункта. 3.Увеличение спроса в сети: объект потребляет меньше электроэнергии из сети, а объемы оставшегося импорта остаются на более стабильном уровне, что приводит к снижению как платы за электроэнергию, так и платы за потребление.

Для оператора, сравнивающего систему, объединяющую фотоэлектрические панели и систему хранения энергии, с площадкой быстрой зарядки, подключенной только к сети, удельная стоимость поставляемой энергии в объединенной системе часто оказывается на 20–35% ниже в течение десятилетнего периода.

Энергетический поток: от панели к батарее и к транспортному средству.

Понимание архитектуры связи позволяет понять, где достигается или теряется эффективность. Существуют две основные топологии:

муфта переменного тока— Фотоэлектрические инверторы подают питание на шину переменного тока; отдельный инвертор для батареи заряжает батарею. Простая и модульная система, но солнечная энергия теряет энергию сначала в инверторе, а затем в инверторе батареи: КПД в обоих направлениях составляет примерно 85–88%.

связь постоянного тока— Солнечные батареи подключаются к шине постоянного тока батареи через MPPT-преобразователь; один центральный блок управления питанием (PCS) отвечает за обмен энергией с сетью. Солнечная энергия поступает в батарею с одним преобразованием, а КПД повышается примерно до 90–93%. Когда зарядные устройства могут получать постоянный ток непосредственно из общей шины, дополнительное преобразование исключается.

Конструкция с подключением к источнику постоянного тока — вот почему интегрированные солнечные системы хранения энергии (BESS) пользуются наибольшей популярностью в коммерческом секторе. Разница в эффективности увеличивается с каждым днем: при ежедневном сборе 1 МВт·ч солнечной энергии потери при преобразовании в 3–5 процентных пунктов составляют 30–50 кВт·ч в день — примерно 11–18 МВт·ч в год возобновляемой энергии.

Современная [солнечная зарядная станция для электромобилей с системой хранения энергии мощностью 200 кВт·ч](https://www.midapower.com/news/200kwh-solar-bess-ev-charging-station-for-zero-emission-sites/) иллюстрирует полную цепочку: фотоэлектрическая батарея → модуль MPPT → шина постоянного тока батареи → быстрое зарядное устройство постоянного тока → аккумулятор автомобиля. Каждый этап спроектирован для минимизации потерь, а система управления энергопотреблением координирует поток таким образом, чтобы солнечная энергия всегда в первую очередь обеспечивала нагрузку, избыток заряжал систему хранения энергии, а импорт электроэнергии из сети был сведен к минимуму.

Расчет размеров солнечных батарей с учетом мощности систем хранения энергии.

Ошибки в расчетах размеров — слишком большие фотоэлектрические панели или слишком большие накопители энергии — незаметно разрушают экономику сопряженных систем. Определяющим фактором является соотношение суточной выработки солнечной энергии к мощности аккумулятора и потребности объекта:

Три правила расчета размеров обеспечивают эффективность соединения:

1. Размер фотоэлектрических панелей должен обеспечивать 40–80% годовой выработки энергии на объекте., а не 100%. Полное покрытие приводит к увеличению мощности батарей и длительным периодам простоя; частичное покрытие максимизирует ценность солнечной энергии на установленный ватт. 2.Настройте систему хранения энергии (BESS) на один полный цикл в день.ожидаемого избытка солнечной энергии. Батарея, работающая один раз в день при 80% глубине разряда, достигает своего полного заявленного срока службы; батареи недостаточной мощности работают с перегрузкой, а батареи чрезмерной мощности сокращают срок службы даже без использования. 3.Согласуйте диапазон входного сигнала MPPT с реальным рабочим диапазоном массива.Широкодиапазонный модуль MPPT восстанавливает энергию в условиях частичного затенения, утреннего тумана и старения панелей, чего не удается достичь узкодиапазонному модулю.

Повышение эффективности: потери MPPT, потери при преобразовании и потери в режиме ожидания.

Эффективность достигается в деталях, и в связанных системах преобладают три категории потерь:

Потери MPPT.Частичное затенение одной цепочки солнечных панелей может снизить выработку всей системы на 10–20% без оптимизации каждой цепочки отдельно. Высокопроизводительные модули MPPT — такие как модули MPPT мощностью 30–60 кВт от MIDA, используемые в системах солнечной зарядки — отслеживают точку максимальной мощности каждой цепочки независимо, восстанавливая 5–10% годовой выработки в реальных условиях с затенением или несоответствием модулей.

Потери от конвертации и резервирования.Любой инвертор работает хуже всего при низкой нагрузке. Система хранения энергии, которая держит свой источник питания в режиме ожидания при нагрузке 2–5% в течение ночи, тратит киловатт-часы круглосуточно. Современные системы используют сверхнизкие режимы ожидания.

Терморегулирование.Охлаждение батарей потребляет энергию; батареи с жидкостным охлаждением поддерживают оптимальную температуру элементов, потребляя при этом значительно меньше энергии вентилятора, чем батареи с воздушным охлаждением. В условиях жаркого климата жидкостное охлаждение позволяет сэкономить 3–5% энергии батареи по сравнению с принудительным воздушным охлаждением, одновременно продлевая срок службы элементов.

В совокупности эти меры позволяют повысить эффективность сопряженной системы с «номинальной 90% эффективности» до «эксплуатационной 93–96% эффективности» — разница между зарядной станцией [2 МВт·ч на солнечных батареях с системой хранения энергии](https://www.midapower.com/2mwh-960kw-bess-charging-station-megawatt-ev-charger-solar-battery-storage-system-product/), обеспечивающей номинальную мощность, и станцией, которая незаметно теряет энергию, достаточную для одной сессии зарядки, каждые две недели.

Участки с нулевым уровнем выбросов и замена дизельного топлива

Стратегическое преимущество такого объединения заключается в оперативной независимости. В отдаленных районах, где ограничен доступ к электросети или где требуется реагирование на стихийные бедствия, солнечная электростанция с системой хранения энергии заменяет дизельный генератор — традиционное решение проблемы «здесь нет электросети».

Сравнение поразительно. Дизельный генератор на придорожной заправочной станции сжигает 3–4 литра топлива в час при частичной нагрузке, выбрасывает 2,5–3 кг CO2 на литр и требует затрат на топливо. Система, объединяющая солнечную батарею и систему хранения энергии (BESS) мощностью 150–400 кВт и накопителем энергии емкостью 500 кВт⋅ч–2 МВт⋅ч, обеспечивает ту же услугу зарядки с нулевыми выбросами на месте, бесшумной работой и практически нулевыми предельными затратами после установки.

Операционные центры сообщают о трех измеримых результатах:

• Экономия на топливе и логистике составляет от 15 000 до 60 000 долларов в год.по сравнению с аналогичным режимом работы на дизельном топливе;
• Сокращение выбросов CO2 на 40–120 тонн в год.за каждый объект, что также позволяет участвовать в программах углеродных кредитов на некоторых рынках;
• Время безотказной работы более 95%для графиков зарядки, в которых преобладает дневное время, а пиковые нагрузки в конце вечера покрываются за счет электросети или резервного генератора.

Архитектура [контейнерной зарядной станции с системой хранения энергии мощностью 500 кВт·ч](https://www.midapower.com/news/500kwh-containerized-bess-charging-station-for-grid-constrained-areas/) — это контейнерная батарея со встроенным солнечным источником питания, которая является стандартным строительным блоком для таких объектов, поскольку поставляется в виде единого блока и вводится в эксплуатацию без проведения строительных работ.

Заключение

Солнечная энергия и системы хранения энергии — это не просто дополнительные улучшения для зарядной станции; это взаимосвязанная система, чья суммарная эффективность превышает сумму ее составляющих. Соединение постоянного тока устраняет потери при преобразовании, MPPT компенсирует потери от затенения, а батарея преобразует избыток солнечной энергии, вырабатываемой в полдень, в доход от вечерней зарядки. При правильном подборе мощности — фотоэлектрические панели, обеспечивающие 40–80% энергии станции, система хранения энергии с циклической работой один раз в день, модули MPPT широкого диапазона — центр управления системой хранения энергии на солнечной энергии сокращает закупки электроэнергии из сети на 40–70%, заменяет дизельное топливо в отдаленных районах и обеспечивает зарядку с нулевым уровнем выбросов там, где это наиболее важно. Для операторов вопрос эффективности больше не сводится к «совместима ли солнечная энергия с системами хранения?», а к «какая архитектура соединения позволяет максимально эффективно использовать каждый киловатт-час?»

Часто задаваемые вопросы

1. В чем разница между связью переменного и постоянного тока для солнечных батарей и систем хранения энергии?При подключении к сети переменного тока (AC coupling) фотоэлектрическая панель и батарея имеют собственные инверторы на шине переменного тока, что приводит к потере 2–4 пунктов эффективности преобразования энергии. При подключении к сети постоянного тока (DC coupling) солнечная энергия подается на шину постоянного тока батареи через MPPT-преобразователь, что позволяет избежать двойного преобразования и повысить эффективность до 90–93%.

2. Какое количество солнечных батарей следует использовать в паре с зарядной станцией на основе системы хранения энергии (BESS)?Размер солнечных батарей должен составлять 40–80% от годового потребления энергии на объекте. Полное покрытие приводит к необходимости дорогостоящего увеличения мощности батарей; частичное покрытие максимизирует ценность солнечной энергии на ватт установленной мощности, сохраняя при этом эффективность работы батарей.

3. Сколько циклов в день должна планировать сопряженная система хранения энергии?Примерно один полный цикл в день при 80% глубине разряда. Такая частота обеспечивает заявленный срок службы батареи и поддерживает экономическую эффективность; чрезмерное количество циклов приводит к деградации батареи, а недостаточное количество циклов приводит к нерациональному расходованию средств.

4. Может ли установка с системой хранения энергии на солнечных батареях работать полностью автономно?Да, при наличии достаточного количества фотоэлектрических систем, накопителей энергии и спроса, рассчитанного с учетом дневного времени. Гибридные площадки сохраняют подключение к сети для обеспечения устойчивости и покрытия пиковых нагрузок в конце дня; на чисто островных площадках обычно добавляется резервный генератор на случай экстремальных ситуаций.

5. Насколько важен MPPT в сопряженной системе?На затененных или несогласованных солнечных батареях независимая система отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) для каждой цепочки позволяет восстановить 5–10% годовой выработки фотоэлектрической энергии — энергии, которая в противном случае была бы потеряна. На чистых, незатененных батареях выгода уменьшается, поэтому важны обследования площадки.

6. Какую эффективность следует ожидать от современной зарядной станции на солнечных батареях с системой хранения энергии?При использовании постоянного тока, батарейных блоков с жидкостным охлаждением и системы управления питанием с низким уровнем ожидания достигается КПД в 93–96% — по сравнению с 85–88% для базовых блоков с переменным током.

7. Снижает ли подключение солнечных батарей к сети плату за потребление электроэнергии на объекте?Да. Выработка солнечной энергии снижает импорт электроэнергии из сети в пиковые периоды ценообразования, а системы хранения энергии сглаживают остаточный 15-минутный пик, одновременно влияя как на потребление энергии, так и на спрос в счете за электроэнергию.