Типи систем накопичення сонячної енергії: найкращий посібник покупця

Чому зберігання сонячної енергії таке важливе?

Накопичення сонячної енергії більше не є розкішшю для ентузіастів автономної роботи, а є базовою фінансовою та експлуатаційною необхідністю сучасного споживача енергії. Традиційна енергомережа старіє, а системи ціноутворення на комунальні послуги стають дедалі більш недружніми до споживача. Економія власної сонячної енергії вирішує одразу кілька проблемних питань.

Аварійне резервне живлення – це понад усе. Екстремальні погодні умови та стара інфраструктура призводять до збільшення кількості перебоїв у роботі мережі. Спеціальна система сонячного накопичення служить нездоланним бар'єром для таких відключень електроенергії, завдяки чому, коли в околицях темно, ваші важливі навантаження, будь то побутовий холодильник та медичне обладнання, чи комерційні сервери та заводське обладнання, продовжують працювати.

По-друге, накопичення енергії дозволяє вам скористатися тарифами на комунальні послуги за часом використання (TOU) шляхом зменшення пікового навантаження. Комунальні компанії регулярно встановлюють високі тарифи в години пікового навантаження вечора, коли ваші сонячні панелі не виробляють електроенергію. Вивільняючи накопичену сонячну енергію в ці пікові вікна, ви активно уникаєте преміальних мережевих тарифів, мінімізуючи свої експлуатаційні витрати.

Зрештою, накопичення енергії забезпечує справжню енергетичну незалежність. Воно розриває невидиму нитку між вами та підвищенням тарифів на комунальні послуги, і ви можете генерувати, зберігати та використовувати власну енергію в замкнутому, високоефективному циклі.

Основні типи систем накопичення сонячної енергії

Хоча літій-іонні акумулятори часто займають центральне місце, ширший ринок накопичення енергії базується на широкій екосистемі технологій. Це ключові категорії, які необхідно розуміти, щоб зрозуміти, як сонячна енергія використовується та використовується в різних масштабах.

• Зберігання акумуляторів та електрохімічні
  Електрохімічні рішення наразі є найпоширенішими на ринку розподіленої енергії та є практичним рішенням у понад 99 відсотках житлових та комерційних сонячних установок. Ці системи використовуються для захоплення надлишкової електроенергії та її накопичення за допомогою оборотних хімічних реакцій. Хоча базові хімічні процеси відрізняються, включаючи як традиційні свинцево-кислотні, так і новіші окисно-відновні системи, основний механізм однаковий. Накопичена хімічна енергія негайно перетворюється назад на корисну електроенергію, коли сонячні панелі перестають виробляти електроенергію вночі або під час перебоїв. Акумуляторні системи ідеально підходять для домашніх сонячних систем, управління енергоспоживанням комерційних будівель та... EV зарядної інфраструктури завдяки їх невеликому розміру, масштабованості та швидкому часу відгуку.
• Зберігання теплової енергії
  Теплоакумулювання не є поширеним явищем у житлових приміщеннях, але воно дуже ефективне та важливе у важкій промисловості. Ця технологія вловлює надлишок сонячної енергії для нагрівання спеціальних матеріалів – розплавлених солей, термального піску або води до високих температур в ізольованих резервуарах. Тепло, яке утримується, потім відводиться або для безпосереднього нагрівання промислового виробництва, або для кип'ятіння води з утворенням пари, яка обертає турбіни для вироблення електроенергії. Це є основою великомасштабних установок концентрованої сонячної енергії (ККС) та систем централізованого теплопостачання, які потребують великого, безперервного виробництва енергії.
• Механічне зберігання
  Як гіганти регіональних енергетичних мереж, механічні системи фактично складають величезну частину загальної ємності зберігання енергії в масштабах мережі у світі. Ця категорія використовує не хімічні, а фізичні та гравітаційні сили. Найпоширенішою є гідроенергетика, яка використовує надлишок сонячної енергії для перекачування води до резервуара на підвищеному рівні, який скидається через турбіни, коли попит найбільший. Акумулятори енергії стисненим повітрям (CAES) заганяють навколишнє повітря у великі підземні порожнини для скидання пізніше, а маховики накопичують кінетичну енергію, прискорюючи підвішений ротор у вакуумі, щоб створювати короткі сплески потужності. Ці технології використовуються лише для стабілізації мереж комунального масштабу через їхні величезні розміри та географічні вимоги.
• Зберігання водню
  Зелений водень – це перспективне рішення недоліків традиційних акумуляторів як передового етапу довготривалого та сезонного управління енергією. Він передбачає використання надлишкової сонячної електроенергії для живлення електролізера, який фізично розділяє молекули води на чистий водень та кисень. Отриманий водень можна зберігати необмежений час у резервуарах під тиском або підземних печерах, а потім пропускати через паливний елемент для виробництва електроенергії з нульовим викидом вуглецю. Незважаючи на те, що неефективність кругового потоку все ще перешкоджає його щоденному комерційному застосуванню, він має величезний потенціал для зберігання літньої сонячної енергії для використання взимку та декарбонізації важкої промисловості, такої як судноплавство та виробництво сталі.

Порівняння найкращих типів сонячних батарей для зберігання енергії

Для більшості покупців побудова системи накопичення енергії зводиться до вибору відповідного електрохімічного акумулятора. Ринок сегментовано на три основні табори: основні літій-іонні (LFP та NMC), звичайні свинцево-кислотні та нові технології (проточні та натрій-іонні). Хімічний склад акумулятора є прямим визначальним фактором його терміну служби, ємності, безпеки, фізичних розмірів та окупності. Ці основні технології розбиті нижче, щоб допомогти вам вибрати найбільш підходящу для ваших конкретних потреб.

Літій-залізо-фосфатні (LFP) акумулятори є золотим стандартом стаціонарного зберігання енергії в категорії літій-іонних акумуляторів. LFP має високу термостабільність і практично не становить пожежної небезпеки завдяки видаленню нестабільного кобальту. Вони також дозволяють користувачам вивільняти майже 100 відсотків накопиченої енергії на день, що ідеально підходить для інтенсивного циклічного використання вдома та на роботі. І навпаки, нікель-марганцево-кобальтові (NMC) акумулятори мають дуже високу щільність енергії. Хоча вони можуть вмістити більше енергії в дуже компактних розмірах, що ідеально підходить для обмеженого простору, вони швидше зношуються при інтенсивному щоденному використанні та повинні мати жорсткий терморегулятор для безпечного використання.

Традиційні свинцево-кислотні акумулятори є найстарішою з доступних технологій, але вони все ще мають свою нішу просто через свою найнижчу вартість. Але у випадку сучасних сонячних установок вони є фальшивою економікою. Їхні хімічні обмеження суворо обмежують глибину розряду (DoD) до 50%, тобто акумуляторний блок ємністю 10 кВт·год може безпечно видавати лише 5 кВт·год корисної енергії, перш ніж елементи будуть остаточно пошкоджені. Свинцево-кислотні акумулятори мають короткий термін служби, що становить лише сотні циклів, і підходять лише для низькобюджетних, рідко використовуваних аварійних резервних систем, а не для щоденної експлуатації сучасних сонячних батарей.

Ринок також переосмислюється завдяки новим технологіям у певних сферах. Проточні акумулятори використовуються для перекачування рідких електролітів із зовнішніх резервуарів та розділення вихідної потужності та ємності, щоб витримувати десятки тисяч циклів без деградації. Хоча вони занадто великі та дорогі для використання в будинках, вони є неперевершеним рішенням для великих комерційних мікромереж. Водночас натрій-іонні акумулятори стають революційною та економічно ефективною альтернативою. Ці акумулятори набагато дешевші за літієві, і вони мають чудові характеристики безпеки та стійкості до холодної погоди. Натрій-іонні акумулятори, хоча й потребують більшого фізичного розміру, вважаються найекономічнішим рішенням з точки зору стаціонарного зберігання, де простір не є проблемою.

Важливі характеристики, які слід враховувати під час купівлі акумуляторів

У специфікаціях виробників, як правило, наголошується на максимальній продуктивності та приховуються реальні обмеження. Щоб не переплачувати за систему, яка не працює належним чином, потрібно вийти за рамки максимальних показників та знати кілька ключових показників для виявлення перебільшених заяв.

• Глибина розряду (DoD)
  Це визначає відсоток заряду акумулятора, який ви можете безпечно використовувати. Недорогий акумулятор ємністю 10 кВт·год з лімітом DoD 50% може забезпечити лише 5 кВт·год корисної енергії, перш ніж він почне незворотно пошкоджувати елементи. Сучасним літієвим системам із 90-100% DoD слід надавати пріоритет, щоб ви могли отримувати енергію, за яку фактично платите.
• Термін служби та гарантія
  Ці умови регулюють термін служби акумулятора. Надійна гарантія не лише гарантує кількість років роботи, але й чітко вказує, що акумулятор все ще матиме певну ємність (зазвичай від 60 до 70 відсотків) після певної кількості циклів заряджання. Завжди перевіряйте дрібний шрифт, щоб дізнатися, який етап досягнуто першим.
• Щільність енергії
  Це впливає на вашу фізичну площу встановлення. Акумулятори високої щільності здатні розмістити більше енергії на менших площах, але можуть потребувати потужних механізмів охолодження, щоб уникнути перегріву. Системи з нижчою щільністю займають більше місця, але, природно, холодніші та безпечніші.
• Ефективність в обидва боки
  Це податок на енергію, який не видно, і він безпосередньо впливає на ваші довгострокові витрати та безпеку. Не існує акумулятора зі 100-відсотковою ефективністю, рейтинг 90 відсотків означає, що ви втрачаєте 10 відсотків сонячної енергії, яку ви генеруєте, у вигляді тепла для зберігання. Ефективні системи усувають втрату енергії та зменшують теплові ризики.

З'єднання змінного та постійного струму: як підключити акумулятор

Те, як ваш акумулятор фізично та електрично встановлюється у вашій власності, так само важливо, як і сам акумулятор. Ефективність та складність вашої установки визначається вибором між підключенням змінного та постійного струму.

• Системи, пов'язані з постійним струмом
  Сонячні панелі за своєю суттю генерують постійний струм (DC), а акумулятори накопичують енергію в постійному струмі. У системі з постійним з'єднанням сонячна енергія не потребує перетворення, а надходить безпосередньо в акумулятор. З'єднання постійного струму схоже на розмову рідною мовою – переклад не потрібен, тому втрати енергії мінімальні. Потім один гібридний інвертор буде використаний для перетворення на змінний струм (AC) для обслуговування вашої будівлі. Це найефективніша конфігурація, і її наполегливо рекомендується використовувати у випадку нових систем сонячної енергії та накопичення енергії.
• Системи змінного струму
  Якщо у вас вже встановлені сонячні панелі з власним стандартним інвертором, то ваша система вже перетворює постійний струм на змінний. Щоб додати акумулятор, вам потрібно використовувати систему зі зв'язком зі змінним струмом. Окремий інвертор з акумулятором перетворює змінний струм вашого поточного сонячного інвертора назад у постійний струм для накопичення. Він знову перетворюється на змінний струм, коли вам потрібна потужність. Втрати ефективності, що виникають у цьому процесі подвійного перетворення, невеликі (близько 5-10%), але набагато простіше та дешевше модернізувати існуючі сонячні батареї, оскільки це потребує дуже мало перемонтажу ваших існуючих панелей.

Розуміння справжньої вартості сонячних батарей

Коли акумулятор оцінюється за його роздрібною ціною, розрахунки рентабельності інвестицій є шаленими. Фактичні фінансові інвестиції передбачають низку витрат. Окрім базового обладнання, яким є модулі акумуляторів та внутрішня система керування акумуляторами (BMS), необхідно враховувати приховані витрати. Інтеграція накопичувачів може вимагати спеціалізованого гібридного інвертора, дозволів на будівництво, сертифікованих високовольтних робіт та можливої ​​модернізації електричних щитів. Ці «м’які» витрати та плата за встановлення можуть легко збільшити початкову вартість обладнання на 20 або 50 відсотків.

Але ці витрати можна компенсувати стратегічним чином. Ніколи не забувайте віднімати доступні державні стимули, такі як 30% федеральний податковий кредит на інвестиції (ITC) у США та місцеві знижки на комунальні послуги, перш ніж остаточно сформувати свій бюджет. Вони суттєво скорочують термін окупності ваших інвестицій.

Щоб реально проаналізувати свої інвестиції, обчисліть вартість циклу. Поділіть загальну чисту вартість системи (включаючи всі стимули) на час використання енергії протягом терміну служби (час використання ємності, гарантований термін служби циклу) акумулятора. Це покаже вам точну вартість кіловат-години накопиченої електроенергії. Коли це конкретне число менше за пікові тарифи вашої комунальної компанії за час використання (TOU), то ваш акумулятор буквально отримує реальний прибуток щоразу, коли розряджається.

Як вибрати правильну систему сонячного накопичення енергії?

Вибір системи пов'язаний з узгодженням технічних можливостей з експлуатаційними цілями. Для більшості користувачів це означає вибір між конкретними електрохімічними батареями, хоча у великомасштабних проектах можна розглядати теплові або механічні.

• Користувачі житлових будинків та мікромереж
  Користувачі житлових будинків та мікромереж більше стурбовані безпекою та щоденним циклічним використанням, щоб уникнути високих тарифів у години пік. Беззаперечним золотим стандартом у цьому випадку є літій-залізофосфатний акумулятор (ЛЗФ) з його пожежобезпечним хімічним складом та життєвим циклом 10 000 циклів. Потужність більшості будинків повинна становити від 10 до 20 кВт·год, що зазвичай становить від половини до чверті добового споживання. У рідкісних ситуаціях, коли простір під час встановлення дуже обмежений, можна використовувати нікель-марганцево-кобальтовий акумулятор (НМК), який має більше енергії на меншій площі, за умови наявності складної системи теплового управління.
• Комерційні та промислові підприємства
  Комерційні та промислові підприємства зацікавлені у зменшенні пікових навантажень, щоб усунути високу плату за попит. У цих сферах застосування необхідна висока стабільність струму, і стійки для акумуляторів LFP промислового класу є сучасним галузевим стандартом. Замість того, щоб купувати величезну ємність, компаніям слід масштабувати свої системи, зазвичай від 30 кВт·год до 100 кВт·год, щоб безпосередньо протидіяти найбільшим 15-хвилинним пікам потужності, що виникають у їхніх рахунках за комунальні послуги. Якщо об'єкт має багато відкритого простору та дуже економний, натрій-іонні акумулятори є дуже привабливим, дешевшим варіантом з високою термостабільністю.
• Проекти комунального масштабу
  Проекти комунального господарства та регіональні оператори мереж не переймаються фізичними розмірами, натомість вони прагнуть найнижчої вирівняної вартості енергії (LCOE) за понад 20 років. У той час як LFP кращі для короткострокової експлуатації, проточні батареї кращі для довгострокового зберігання (понад 4 години), оскільки рідкі електроліти не псуються з часом. Для стабілізації у великому масштабі міста сектор переходить на механічне зберігання (гідроенергетика або стиснене повітря) або теплове зберігання. Ці макромасштабні рішення використовують гравітацію або тепло, щоб запропонувати найекономічнішу основу мережі, якщо в географічному регіоні є гори або підземні печери.
• Спеціалізовані програми
  Зрештою, у спеціалізованих застосуваннях, де потрібна сезонна автономія, водневе накопичення може використовуватися як довгостроковий банк «перетворення сонячної енергії на газ». Надлишок сонячної енергії приводить в дію електролізер для розділення води на чистий водень, який зберігається в резервуарах під тиском з нульовими втратами енергії з часом, на відміну від акумуляторів, які поступово втрачають заряд. Це робить його єдиним можливим варіантом уловлювання величезних літніх сонячних надлишків для переживання зими без сонця.

Висновок

Перехід до накопичення сонячної енергії – це вже не випробування; це перевірений спосіб забезпечення вашого енергопостачання та управління вашими експлуатаційними витратами. Маючи знання про досконалість хімії LFP, здатність читати далі маркетингового галасування, щоб дослідити глибину розряду та термін служби циклу, а також здатність правильно підібрати архітектуру вашої системи до ваших унікальних вимог, ви можете перетворити звичайну сонячну батарею на живий енергетичний ресурс. Перестаньте дозволяти своїй дорогоцінній сонячній енергії повертатися в мережу за частку долара. Оцініть свої енергетичні амбіції, проведіть реальні розрахунки вартості циклу та інвестуйте у високоякісну систему накопичення, яка забезпечить вам справжню енергетичну незалежність у наступні десятиліття.

Поширені запитання