افزایش تقاضا برای باتری های خورشیدی برای ذخیره انرژی خانه

تصور کنید این سناریو را: با فرارسیدن شب و از کار افتادن شبکه برق، محله شما در تاریکی فرو می‌رود در حالی که خانه شما روشن می‌ماند، با وسایلی که زمزمه می‌کنند و سیستم‌های سرگرمی که به آرامی کار می‌کنند. این یک داستان علمی تخیلی نیست - این واقعیت است که توسط باتری‌های خورشیدی که با سیستم‌های ذخیره انرژی کار می‌کنند، امکان‌پذیر شده است.

باتری‌های لیتیوم یونی، منبع انرژی پشت وسایل ضروری قرن بیست و یکم مانند تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و وسایل نقلیه الکتریکی، اکنون به عنوان راه‌حل ایده‌آل برای ذخیره انرژی خورشیدی ظاهر شده‌اند. اما باتری‌های خورشیدی دقیقاً چگونه انرژی را ذخیره و آزاد می‌کنند؟ چه عواملی بر عملکرد آنها تأثیر می‌گذارد؟ این مقاله ذخیره انرژی مسکونی را از دیدگاه تحلیلی بررسی می‌کند و اصول کار، مدل‌های کاربردی و استراتژی‌های انتخاب را بررسی می‌کند.

عملکرد اصلی باتری‌های خورشیدی ذخیره برق اضافی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی برای استفاده بعدی است. این امر دسترسی مداوم به انرژی پاک را حتی در شب یا روزهای ابری تضمین می‌کند. از آنجایی که سیستم‌های خورشیدی به‌علاوه ذخیره‌سازی نشان‌دهنده سرمایه‌گذاری‌های قابل توجهی هستند، درک هم‌افزایی آنها بسیار مهم است.

هنگامی که نور خورشید به پنل‌های خورشیدی برخورد می‌کند، اثر فتوولتائیک نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. پنل‌های خورشیدی جریان مستقیم (DC) تولید می‌کنند که با الزامات ورودی برای شارژ باتری مطابقت دارد. با این حال، خانه‌ها و شبکه‌های برق با جریان متناوب (AC) کار می‌کنند که قبل از استفاده خانگی نیاز به تبدیل دارد.

دو پیکربندی اصلی سیستم این تبدیل را به طور متفاوتی انجام می‌دهند:

• سیستم‌های DC-coupled: جریان DC خورشیدی مستقیماً وارد باتری‌ها می‌شود تا ذخیره شود یا از طریق اینورترهای داخلی برای استفاده فوری خانگی به AC تبدیل می‌شود.
• سیستم‌های AC-coupled: جریان DC خورشیدی از طریق اینورترهای خورشیدی برای استفاده خانگی فوراً به AC تبدیل می‌شود، با برق اضافی که توسط اینورترهای باتری برای ذخیره‌سازی به DC تبدیل می‌شود.

هر تبدیل بین AC و DC منجر به از دست رفتن جزئی انرژی از طریق اتلاف گرما می‌شود. سیستم‌های DC-coupled معمولاً با به حداقل رساندن مراحل تبدیل، کارآمدتر هستند. با این حال، نصب مجدد باتری‌های DC-coupled برای سیستم‌های خورشیدی موجود با میکرو اینورترهای سطح پنل چالش برانگیز است.

هنگامی که باتری‌ها به ظرفیت کامل می‌رسند، انرژی خورشیدی اضافی معمولاً به شبکه برق محلی وارد می‌شود. اکثر شرکت‌های برق، مالکان خورشیدی را برای این برق صادر شده از طریق اعتبارات صورت‌حساب جبران می‌کنند.

هنگامی که تقاضای خانگی به انرژی ذخیره شده نیاز دارد، اینورترهای باتری DC را دوباره به AC تبدیل می‌کنند و برق را از طریق پنل الکتریکی خانه توزیع می‌کنند. باتری‌های لیتیوم یونی مدرن می‌توانند 85 تا 100 درصد از ظرفیت ذخیره شده را بدون تخریب قابل توجه طول عمر تخلیه کنند، اگرچه راندمان دنیای واقعی برای تلفات تبدیل در نظر گرفته می‌شود.

باتری‌های خورشیدی در درجه اول در سه پیکربندی کار می‌کنند: حالت برق پشتیبان، حالت خود مصرفی یا ترکیبات ترکیبی. الگوهای استفاده، رفتار سیستم و ویژگی‌های عملکرد را تعیین می‌کنند.

این عملکرد شناخته شده، برق اضطراری را در هنگام قطعی شبکه فراهم می‌کند. برخلاف سیستم‌های خورشیدی مستقل که در هنگام قطعی (برای ایمنی کارگران تأسیسات) به طور خودکار خاموش می‌شوند، سیستم‌های پشتیبان باتری به کار خود ادامه می‌دهند.

سیستم‌های پشتیبان معمولاً به پنل‌های بار بحرانی اختصاصی متصل می‌شوند که مدارهای ضروری مانند یخچال، روشنایی، دستگاه‌های پزشکی و سیستم‌های ارتباطی را در هنگام قطعی برق در اولویت قرار می‌دهند.

این استراتژی صرفه‌جویی در هزینه، استفاده از انرژی خورشیدی را با به حداقل رساندن تعامل با شبکه به حداکثر می‌رساند - به‌ویژه برای کاربرانی که با سیاست‌های اندازه‌گیری خالص نامطلوب یا نرخ‌های زمان استفاده مواجه هستند، ارزشمند است. برخلاف سیستم‌های پشتیبان که شارژ کامل را حفظ می‌کنند، باتری‌های خود مصرفی روزانه چرخه می‌کنند، از مازاد خورشیدی شارژ می‌شوند و در دوره‌های اوج تقاضا تخلیه می‌شوند.

برخی از سیستم‌ها هر دو عملکرد را ترکیب می‌کنند، اگرچه با مبادلات عملیاتی. الگوهای خود مصرفی معمولاً حالت‌های شارژ کمتری را حفظ می‌کنند و نیاز به تعویض دستی به حالت پشتیبان در هنگام پیش‌بینی قطعی برق ناشی از رویدادهای آب و هوایی شدید دارند.

باتری‌های خورشیدی لیتیوم یونی بر اساس همان اصول الکتروشیمیایی همتایان کوچک‌تر خود در لوازم الکترونیکی مصرفی عمل می‌کنند. در داخل هر سلول باتری، یون‌های لیتیوم بین آندهای منفی و کاتدهای مثبت از طریق غشاهای الکترولیت جابه‌جا می‌شوند و الکترون‌هایی را آزاد می‌کنند که جریان الکتریکی تولید می‌کنند.

در هنگام تخلیه، یون‌ها از آند به کاتد جریان می‌یابند در حالی که الکترون‌ها دستگاه‌های خارجی را تغذیه می‌کنند. شارژ این فرآیند را معکوس می‌کند، با انرژی خورشیدی که یون‌ها را مجبور می‌کند به آند برگردند تا پتانسیل انرژی را بازیابی کنند. انواع لیتیوم یونی رایج شامل شیمی‌های لیتیوم نیکل منگنز کبالت (NMC) و لیتیوم آهن فسفات (LFP) است که در ترکیب کاتد متفاوت هستند.

• باتری‌های خانگی ذخیره انرژی خورشیدی استراتژیک را برای استفاده انعطاف‌پذیر فعال می‌کنند
• حالت‌های عملیاتی الگوهای شارژ/دشارژ و اولویت‌های سیستم را تعیین می‌کنند
• فناوری لیتیوم یونی از واکنش‌های الکتروشیمیایی برای ذخیره انرژی کارآمد استفاده می‌کند

آنها تولید خورشیدی اضافی را برای استفاده بعدی ذخیره می‌کنند، یا برای پشتیبان‌گیری اضطراری در هنگام قطعی برق یا صرفه‌جویی در هزینه روزانه از طریق خود مصرفی استراتژیک.

سیستم‌های متصل به شبکه معمولاً مازاد را در ازای اعتبارات صورت‌حساب به شبکه برق منتقل می‌کنند.

مدت زمان بستگی به ظرفیت باتری و الزامات بار دارد. تحقیقات نشان می‌دهد که یک سیستم 10 کیلووات ساعتی معمولاً می‌تواند بارهای بحرانی (به استثنای HVAC) را حداقل به مدت سه روز حفظ کند.