Типы систем хранения солнечной энергии: Полное руководство для покупателя

Почему хранение солнечной энергии так важно?

Системы хранения солнечной энергии перестали быть роскошью для любителей автономного энергоснабжения и стали базовой финансовой и эксплуатационной необходимостью для современного потребителя энергии. Традиционная электросеть устаревает, а системы ценообразования становятся все менее выгодными для потребителей. Сохранение собственной солнечной энергии решает сразу несколько проблем.

В первую очередь, необходимо аварийное резервное электроснабжение. Экстремальные погодные условия и устаревшая инфраструктура приводят к увеличению количества отключений электроэнергии. Специальная система хранения солнечной энергии служит непреодолимым барьером против таких отключений, так что, когда в районе гаснет свет, ваши важные потребители электроэнергии, будь то бытовой холодильник и медицинские приборы или коммерческие серверы и заводское оборудование, продолжают работать.

Во-вторых, системы хранения энергии позволяют вам воспользоваться преимуществами тарифов, зависящих от времени суток (Time-of-Use, TOU), за счет сглаживания пиковых нагрузок. Энергетические компании регулярно устанавливают высокие тарифы в пиковые часы вечера, когда ваши солнечные панели не вырабатывают электроэнергию. Высвобождая накопленную солнечную энергию в эти пиковые периоды, вы активно избегаете высоких тарифов на электроэнергию из сети, сводя свои эксплуатационные расходы к минимуму.

Наконец, системы хранения энергии обеспечивают настоящую энергетическую независимость. Они разрывают невидимую связь между вами и повышением тарифов на электроэнергию, позволяя генерировать, хранить и использовать собственную энергию в замкнутом, высокоэффективном цикле.

Основные типы систем хранения солнечной энергии

Хотя литий-ионные батареи часто занимают центральное место, более широкий рынок систем хранения энергии основан на обширной экосистеме технологий. Вот ключевые категории, которые необходимо понимать, чтобы разобраться в том, как солнечная энергия используется в различных масштабах.

• Аккумуляторные системы хранения и электрохимические системы
  В настоящее время электрохимические решения являются наиболее распространенными на рынке распределенной энергетики и представляют собой практическое решение более чем в 99 процентах бытовых и коммерческих солнечных электростанций. Эти системы используются для улавливания избыточной электроэнергии и ее хранения с помощью обратимых химических реакций. Хотя основные химические процессы различаются, включая как традиционные свинцово-кислотные, так и более новые проточные окислительно-восстановительные системы, основной механизм остается тем же. Накопленная химическая энергия немедленно преобразуется обратно в полезную электроэнергию, когда солнечные панели перестают вырабатывать энергию ночью или во время отключений электроэнергии. Аккумуляторные системы идеально подходят для домашних солнечных электростанций, систем управления электропитанием коммерческих зданий и т. д. EV Зарядная инфраструктура ценится за свои небольшие размеры, масштабируемость и быстрое время отклика.
• Тепловое аккумулирование
  Технология теплового аккумулирования энергии не распространена в жилом секторе, но она очень эффективна и важна в тяжелой промышленности. Эта технология улавливает избыточную солнечную энергию для нагрева специальных материалов — расплавленных солей, термального песка или воды — до высоких температур в изолированных резервуарах. Удержанное тепло затем отводится либо для непосредственного нагрева промышленного оборудования, либо для кипячения воды с образованием пара, который вращает турбины для выработки электроэнергии. Она лежит в основе крупномасштабных установок концентрированной солнечной энергии (CSP) и систем централизованного теплоснабжения, которые требуют большого и непрерывного производства энергии.
• Механическое хранилище
  Будучи гигантами региональных энергетических сетей, механические системы фактически вносят огромный вклад в общую мощность систем хранения энергии в мире. В этой категории используются не химические, а физические и гравитационные силы. Наиболее распространенной является гидроаккумулирующая электростанция, которая использует избыточную солнечную энергию для перекачки воды в водохранилище на возвышенности, откуда она сбрасывается через турбины, когда спрос достигает своего пика. Системы хранения энергии на сжатом воздухе (CAES) закачивают окружающий воздух в большие подземные полости для последующего сброса, а маховики накапливают кинетическую энергию, ускоряя подвешенный ротор в вакууме для создания кратковременных импульсов мощности. Эти технологии используются только для стабилизации электросетей промышленного масштаба из-за их огромных размеров и географических особенностей.
• Хранение водорода
  Зеленый водород — перспективное решение проблем, связанных с недостатками традиционных батарей, и передовой метод управления энергоснабжением в долгосрочной перспективе и в зависимости от сезона. Он предполагает использование избыточной солнечной энергии для привода электролизера, который физически разделяет молекулы воды на чистый водород и кислород. Полученный водород можно хранить неограниченно долго в резервуарах под давлением или подземных камерах, а затем подавать в топливный элемент для производства электроэнергии с нулевым выбросом углерода. Хотя неэффективность цикла передачи энергии все еще препятствует его ежедневному коммерческому применению, он обладает огромным потенциалом для хранения энергии летнего солнца для использования зимой и декарбонизации тяжелой промышленности, такой как судоходство и металлургия.

Сравнение лучших типов солнечных батарей для хранения энергии

Для большинства покупателей создание системы хранения энергии сводится к выбору подходящей электрохимической батареи. Рынок сегментирован на три основные категории: распространенные литий-ионные батареи (LFP и NMC), традиционные свинцово-кислотные батареи и новые технологии (проточные и натрий-ионные). Химический состав батареи напрямую определяет срок ее службы, емкость, безопасность, физические размеры и окупаемость. Ниже приведено описание этих основных технологий, которое поможет вам выбрать наиболее подходящую батарею для ваших конкретных потребностей.

Литий-железо-фосфатные (LFP) батареи являются золотым стандартом стационарных накопителей энергии в категории литий-ионных аккумуляторов. LFP обладают высокой термостойкостью и практически не представляют пожарной опасности благодаря отсутствию нестабильного кобальта. Они также позволяют пользователям высвобождать почти 100% накопленной энергии в день, что идеально подходит для интенсивной эксплуатации дома и на работе. В свою очередь, никель-марганцево-кобальтовые (NMC) батареи ориентированы на очень высокую плотность энергии. Хотя они позволяют разместить больше энергии в очень компактном корпусе, что идеально подходит для ограниченного пространства, они быстрее изнашиваются при интенсивном ежедневном использовании и требуют жесткого терморегулирования для безопасной эксплуатации.

Традиционные свинцово-кислотные батареи — это самая старая из доступных технологий, но они по-прежнему занимают свою нишу просто из-за своей низкой стоимости. Однако в случае современных солнечных установок они представляют собой ложную экономию. Их химические ограничения строго ограничивают глубину разряда (DoD) до 50%, то есть батарея емкостью 10 кВт⋅ч может безопасно выдавать только 5 кВт⋅ч полезной энергии, прежде чем элементы будут необратимо повреждены. Свинцово-кислотные батареи имеют короткий срок службы — всего несколько сотен циклов, и подходят только для недорогих, редко используемых аварийных резервных систем, а не для ежедневной работы современных солнечных батарей.

Рынок также претерпевает изменения благодаря появлению новых технологий в определенных областях. Проточные батареи используются для перекачивания жидких электролитов из внешних резервуаров и разделения выходной мощности и емкости, что позволяет им выдерживать десятки тысяч циклов без деградации. Хотя они слишком велики и дороги для использования в домах, они являются непревзойденным решением для крупных коммерческих микросетей. В то же время, натрий-ионные батареи становятся революционной и экономически эффективной альтернативой. Эти батареи намного дешевле литий-ионных, и они обладают отличными характеристиками безопасности и устойчивости к низким температурам. Натрий-ионные батареи, хотя и требуют больших габаритов, позиционируются как наиболее экономически выгодное решение с точки зрения стационарного хранения энергии, где пространство не является проблемой.

Важные характеристики, которые следует учитывать при покупке аккумуляторов.

Технические характеристики, указанные производителем, как правило, акцентируют внимание на максимальной производительности и скрывают реальные ограничения. Чтобы не переплачивать за систему, которая не оправдывает ожиданий, необходимо выйти за рамки общих цифр и знать несколько ключевых показателей для выявления преувеличенных заявлений.

• Глубина разряда (DoD)
  Это определяет процент энергии батареи, которую можно безопасно использовать. Недорогая батарея емкостью 10 кВт⋅ч с пределом глубины разряда 50% может обеспечить только 5 кВт⋅ч полезной энергии, прежде чем начнет необратимо повреждать элементы. Современные литиевые системы с глубиной разряда 90-100% следует использовать в первую очередь, чтобы получать энергию, за которую вы платите.
• Срок службы и гарантия
  Эти условия регулируют срок службы батареи. Надежная гарантия не только гарантирует количество лет эксплуатации, но и конкретно указывает, что батарея сохранит определенную емкость (обычно от 60 до 70 процентов) после определенного количества циклов зарядки. Всегда внимательно читайте мелкий шрифт, чтобы узнать, какой рубеж достигается первым.
• Плотность энергии
  Это влияет на площадь, занимаемую вашей установкой. Аккумуляторы высокой плотности позволяют разместить больше энергии на меньшей площади, но могут потребовать мощных систем охлаждения во избежание перегрева. Системы меньшей плотности занимают больше места, но по своей природе более холодные и безопасные.
• Эффективность туда и обратно
  Это невидимый налог на энергию, который напрямую влияет на ваши долгосрочные затраты и безопасность. Не существует батарей со 100-процентной эффективностью; 90-процентный показатель означает, что вы теряете 10 процентов вырабатываемой солнечной энергии в виде тепла при хранении. Эффективные системы исключают потери энергии и снижают тепловые риски.

Сопряжение переменного и постоянного тока: как подключить аккумулятор.

Способ физического и электрического размещения батареи в вашем помещении так же важен, как и сама батарея. Эффективность и сложность вашей установки определяются выбором между переменным и постоянным током. Для более подробного анализа читайте далее. Связь по переменному току и по постоянному току: комплексное руководство по вариантам хранения солнечной энергии.

• Системы постоянного тока
  Солнечные панели по своей природе генерируют постоянный ток (DC), а батареи накапливают энергию в постоянном токе. В системе с постоянным током солнечная энергия не требует преобразования, а поступает непосредственно в батарею. Система с постоянным током аналогична разговору на родном языке — перевод не требуется, поэтому потери энергии минимальны. Затем один гибридный инвертор используется для преобразования в переменный ток (AC) для обеспечения электроэнергией вашего здания. Это наиболее эффективная конфигурация, и её настоятельно рекомендуется использовать в случае новых систем, сочетающих солнечную энергию и накопление энергии.
• Системы, связанные по переменному току
  Если у вас уже установлены солнечные панели со стандартным инвертором, то ваша система уже преобразует постоянный ток в переменный. Для добавления аккумулятора вам потребуется использовать схему с переменным током. Отдельный инвертор преобразует переменный ток вашего существующего солнечного инвертора обратно в постоянный ток для хранения. Затем он снова преобразуется в переменный ток, когда вам потребуется энергия. Потери эффективности в этом процессе двойного преобразования невелики (около 5-10%), но модернизация существующих солнечных батарей намного проще и дешевле, поскольку требует минимальной переделки проводки ваших существующих панелей.

Понимание реальной стоимости солнечных батарей

Если оценивать батарею по ее розничной цене, расчеты рентабельности инвестиций кажутся безумными. Фактические финансовые вложения включают в себя ряд дополнительных затрат. Помимо основного оборудования, которым являются аккумуляторные модули и внутренняя система управления батареями (BMS), необходимо учитывать скрытые затраты. Интеграция системы хранения энергии может потребовать специального гибридного инвертора, разрешений на строительство, сертифицированных высоковольтных работ и, возможно, модернизации электрощита. Эти косвенные затраты и плата за установку могут легко увеличить первоначальную стоимость оборудования на 20 или 50 процентов.

Однако эти затраты можно компенсировать стратегическим способом. Никогда не забывайте вычитать доступные государственные льготы, такие как 30% федеральный инвестиционный налоговый кредит (ITC) в США и местные скидки на коммунальные услуги, прежде чем окончательно составить бюджет. Они значительно сокращают срок окупаемости.

Для того чтобы действительно проанализировать ваши инвестиции, рассчитайте стоимость одного цикла. Разделите общую чистую стоимость системы (включая все субсидии) на количество энергии, которое батарея сможет использовать в течение всего срока службы (полезная емкость, умноженная на гарантированный срок службы). Это покажет вам точную стоимость одного киловатт-часа накопленной электроэнергии. Если это значение меньше пиковых тарифов вашей энергокомпании, то ваша батарея буквально приносит реальную прибыль каждый раз, когда разряжается.

Как выбрать подходящую систему хранения солнечной энергии?

Выбор системы связан с согласованием технических возможностей с операционными целями. Для большинства пользователей это подразумевает выбор между конкретными электрохимическими батареями, хотя в крупномасштабных проектах можно рассмотреть тепловые или механические батареи. Чтобы узнать об основах этих установок, прочитайте... Что такое BESS? Как устроены системы накопления энергии.

• Бытовые пользователи и пользователи микросетей
  Бытовые потребители и пользователи микросетей больше обеспокоены безопасностью и ежедневным циклическим режимом работы, чтобы избежать высоких тарифов в часы пик. Бесспорным золотым стандартом в этом случае является литий-железо-фосфат (LFP) с его огнестойким химическим составом и сроком службы в 10 000 циклов. Мощность большинства домов должна составлять от 10 до 20 кВт·ч, что обычно составляет от половины до четверти суточного потребления. В редких случаях, когда пространство для установки очень ограничено, можно использовать никель-марганцево-кобальтовый (NMC) аккумулятор, который обладает большей энергоэффективностью на меньшей площади, при условии наличия современной системы терморегулирования.
• Торговые и промышленные предприятия
  Предприятия коммерческого и промышленного назначения заинтересованы в сглаживании пиковых нагрузок для снижения дорогостоящих платежей за потребление электроэнергии. В таких приложениях необходима высокая стабильность тока, и в настоящее время стандартом отрасли являются промышленные стойки с литий-железо-фосфатными батареями (LFP). Вместо закупки больших объемов батарей компаниям следует масштабировать свои системы, как правило, от 30 кВт·ч до 100 кВт·ч, чтобы напрямую компенсировать самые большие 15-минутные пики потребления электроэнергии, отраженные в их счетах за электроэнергию. В случае, если у предприятия много открытой территории и оно очень экономно относится к затратам, натрий-ионные батареи представляют собой очень привлекательный и более дешевый вариант с высокой термостойкостью.
• Проекты коммунального масштаба
  Крупномасштабные энергетические проекты и региональные операторы электросетей не обращают внимания на физические размеры, а стремятся к самой низкой удельной стоимости энергии (LCOE) за последние 20+ лет. В то время как литий-железо-фосфатные батареи (LFP) лучше подходят для краткосрочной эксплуатации, проточные батареи лучше для долговременного хранения (более 4 часов), поскольку жидкие электролиты не деградируют со временем. Для стабилизации в масштабах крупных городов отрасль переходит к механическим системам хранения энергии (гидроаккумулирующие электростанции или системы сжатого воздуха) или тепловым системам хранения. Эти макромасштабные решения используют гравитацию или тепло для создания наиболее экономичной магистральной сети, при условии наличия гор или подземных пещер в местности.
• Специализированные приложения
  Наконец, в специализированных областях применения, где необходима сезонная автономность, водородное хранилище может использоваться в качестве долговременного «солнечного» аккумулятора. Избыточная солнечная энергия приводит в действие электролизер, который разделяет воду на чистый водород, хранящийся в резервуарах под давлением без потерь энергии с течением времени — в отличие от батарей, которые постепенно теряют заряд. Это делает его единственным жизнеспособным вариантом для улавливания огромных летних излишков солнечной энергии, чтобы пережить зиму без солнца.

Заключение

Переход к системам хранения солнечной энергии больше не является испытанием; это проверенный способ обеспечить бесперебойное электроснабжение и управлять эксплуатационными расходами. Благодаря знанию превосходных характеристик литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LFP), умению анализировать глубину разряда и срок службы, а также способности правильно подобрать архитектуру системы под ваши уникальные потребности, вы можете превратить обычную солнечную батарею в живой источник энергии. Прекратите позволять вашей драгоценной солнечной энергии возвращаться в сеть за ничтожную часть денег. Оцените свои энергетические амбиции, произведите реальные расчеты стоимости цикла и инвестируйте в высококачественную систему хранения, которая обеспечит вам реальную энергетическую независимость на десятилетия вперед.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)