كيف يتم تحديد سعة تخزين البطارية لأنظمة الطاقة الشمسية خارج الشبكة؟ طرق تحديد الحجم

يتم تحديد سعة تخزين البطارية من خلال أكبر عجز في الطاقة بين توليد الطاقة الشمسية والطلب على الحمل خلال فترة التصميم. تقارن العملية الحسابية إنتاج النظام الشمسي المتغير بمرور الوقت مع ملف تعريف الحمل على مدار أيام ومواسم تمثيلية، ثم تحدد أطول أو أعمق فترة يتجاوز فيها الطلب طاقة الشمس المتاحة. يجب أن تغطي البطارية هذا العجز مع مراعاة حدود حالة الشحن القابلة للاستخدام، وفقدان التحويل، وتأثيرات درجة الحرارة، وتدهور السعة في المستقبل.

يعتمد الحجم الصحيح للبطارية على الحد الأقصى للعجز التراكمي، وليس ببساطة على متوسط الاستهلاك اليومي. ثم يتم تحويل النتيجة إلى سعة بطارية اسمية من خلال مراعاة الكفاءة، وعمق التفريغ المسموح به، وظروف التشغيل، والاحتياطي المطلوب.

لماذا لا يكفي متوسط استخدام الطاقة؟

إنتاج الطاقة الشمسية يختلف بمرور الوقت

يتغير توليد الطاقة الشمسية مع ضوء النهار، والطقس، والموسم، والتظليل، واتجاه المصفوفة. يمكن للنظام أن ينتج طاقة كافية على مدار عام كامل بينما لا يزال يتطلب تخزيناً كبيراً خلال الشتاء، أو فترات الغيوم، أو أيام متتالية من الإشعاع المنخفض.

الأحمال تختلف أيضاً بمرور الوقت

يجب أن يتضمن ملف تعريف الحمل استهلاكاً بالساعة أو بفترات زمنية أقصر بدلاً من المتوسط اليومي فقط. يمكن للمضخات، والضواغط، ومعدات التدفئة، وغيرها من الأجهزة ذات الطلب العالي أن تخلق عجزاً قصير الأجل يؤثر على كل من طاقة البطارية المطلوبة وتصنيف الطاقة.

فترة التصميم تحدد النتيجة

يجب أن يغطي التحليل فترة التشغيل ذات الصلة، بما في ذلك الموسم الذي تكون فيه العلاقة بين إمدادات الطاقة الشمسية والطلب أقل ملاءمة. تخضع السعة المطلوبة عموماً لـ فترة الاحتياطي القصوى التي يظل فيها إنتاج الطاقة الشمسية أقل من طلب الحمل.

كيف يتم حساب متطلبات التخزين؟

بناء ملفات تعريف إمدادات الطاقة الشمسية والحمل

لكل فترة زمنية، حدد:

• الطاقة الشمسية المتاحة للبطارية أو ناقل التيار المستمر (DC bus)
• الطاقة المطلوبة للأحمال
• الطاقة المستخدمة من قبل العواكس، ووحدات التحكم في الشحن، ومكونات النظام الأخرى
• أي مساهمة مجدولة أو متوقعة لتوليد الطاقة الاحتياطية

يجب أن تستخدم الملفات التعريفية نفس الدقة الزمنية وأن تغطي فترة طويلة بما يكفي لالتقاط التغيرات اليومية والموسمية.

حساب توازن الطاقة التراكمي

لكل فترة، احسب التوازن الصافي:

[ \text{صافي الطاقة} = \text{الطاقة الشمسية المتاحة} - \text{الطاقة المطلوبة للحمل} ]

يمكن للتوازن الإيجابي شحن البطارية، بينما يتطلب التوازن السلبي تفريغ البطارية. يكشف التوازن التراكمي بمرور الوقت عن مدى وجوب تفريغ البطارية قبل أن يقوم إنتاج الطاقة الشمسية باستعادتها.

ترتبط سعة التخزين القابلة للاستخدام المطلوبة بأكبر عجز تراكمي بين فرصة إعادة الشحن والنقطة التي تصل فيها البطارية إلى الحد الأدنى المسموح به من حالة الشحن.

استخدام أمبير-ساعة عند تقييم النظام كهربائياً

بالنسبة لنظام بطارية يعمل بجهد محدد، يمكن تحويل الطاقة إلى أمبير-ساعة:

[ \text{Ah} = \frac{\text{Wh}}{\text{V}} ]

يصف المرجع الأساسي هذا بأنه مقارنة منحنى إمداد الأمبير-ساعة (Ah) التراكمي من المولد الشمسي مع ملف تعريف استهلاك الأمبير-ساعة. هذا مناسب عندما يتم تمثيل جهد البطارية والتيار بشكل متسق؛ بالنسبة للأنظمة ذات التباين الكبير في الجهد، يكون الحساب القائم على الطاقة بالواط-ساعة عادةً أكثر وضوحاً ودقة.

تضمين متطلبات إعادة الشحن

يجب ألا تكتفي البطارية بالنجاة خلال فترة الاحتياطي؛ بل يجب أيضاً أن تعيد الشحن قبل العجز الكبير التالي. التصميم الذي يغطي بالكاد فترة غائمة واحدة قد يفشل إذا وفرت الأيام التالية طاقة شمسية غير كافية لاستعادة البطارية.

لذلك يجب أن يتحقق حساب السلاسل الزمنية من كلا الشرطين:

1. تظل البطارية فوق الحد الأدنى المسموح به لحالة الشحن.
2. يمكن لإنتاج الطاقة الشمسية استعادة البطارية إلى مستوى التشغيل المقصود خلال فترة إعادة الشحن المتاحة.

تحويل السعة القابلة للاستخدام إلى حجم بطارية اسمي

مراعاة عمق التفريغ المسموح به

سعة لوحة بيانات البطارية أكبر من الطاقة التي يجب استخدامها عادةً. إذا كان جزء محدد فقط من السعة الاسمية متاحاً للتشغيل الروتيني، فيجب زيادة السعة الاسمية وفقاً لذلك:

[ C_{\text{nominal}} = \frac{C_{\text{usable}}} {\text{allowable depth of discharge}} ]

استخدام السعة الاسمية الكاملة كسعة قابلة للاستخدام يمكن أن يقصر عمر البطارية أو يتسبب في وصول النظام إلى قطع الجهد المنخفض قبل الأوان.

مراعاة فقدان النظام

يجب أن توفر البطارية طاقة أكثر مما يتلقاه الحمل لأن الطاقة تُفقد أثناء التفريغ، والتحويل، والأسلاك، ومراحل التحويل الأخرى. علاقة تحديد الحجم المبسطة هي:

[ C_{\text{nominal}} = \frac{E_{\text{load during deficit}}} {\eta_{\text{system}} \times \text{allowable depth of discharge}} ]

حيث تمثل (\eta_{\text{system}}) كفاءات التفريغ والتحويل ذات الصلة.

يجب أيضاً تضمين خسائر الشحن عند التحقق مما إذا كانت المصفوفة الشمسية قادرة على تجديد البطارية. لا ينبغي معاملة كفاءة الرحلة ذهاباً وإياباً (Round-trip efficiency) على أنها تؤثر فقط على التفريغ؛ بل إنها تؤثر على إجمالي الطاقة الشمسية المطلوبة لتشغيل الشحن والتفريغ المتكرر.

مراعاة الشيخوخة وظروف التشغيل

تتغير سعة البطارية مع دورة الحياة، ودرجة الحرارة، وسلوك الشحن، وظروف التخزين. يجب أن يتضمن التصميم الفقد المتوقع في السعة على مدار عمر الخدمة المقصود بدلاً من تحديد الحجم لبطارية جديدة فقط.

يمكن أن تؤثر درجة الحرارة على كل من السعة المتاحة وحدود الشحن. يجب أن تنعكس هذه التأثيرات في حساب السعة القابلة للاستخدام أو من خلال هامش تصميم مناسب.

السعة والطاقة متطلبان مختلفان

سعة الطاقة تغطي المدة

تحدد السعة، المعبر عنها بالواط-ساعة أو الأمبير-ساعة، المدة التي يمكن للبطارية أن تدعم فيها الحمل. وهي محكومة في المقام الأول بالعجز التراكمي في الطاقة.

تصنيف الطاقة يغطي الطلب اللحظي

يجب أن توفر البطارية والعاكس أيضاً أعلى حمل متزامن متوقع، بما في ذلك بدء تشغيل المحرك أو متطلبات الاندفاع الأخرى. يمكن أن تمتلك البطارية سعة طاقة إجمالية كافية ولكنها لا تزال غير قادرة على توفير التيار المطلوب.

لذلك يجب أن يتحقق التصميم من كل من:

• سعة الطاقة القابلة للاستخدام لفترة الاحتياطي
• قدرة الطاقة المستمرة والذروة لملف تعريف الحمل

فهم المقايضات

المزيد من التخزين يحسن المرونة ولكنه يزيد التكلفة

تؤدي زيادة السعة إلى تمديد الاستقلالية وتقليل مخاطر الوصول إلى الحد الأدنى من حالة الشحن في ظروف الطاقة الشمسية السيئة. كما أنها تزيد من تكلفة البطارية، والحجم المادي، ومتطلبات الشحن، وربما الحاجة إلى معدات إضافية لتوازن النظام.

التصميم للظروف المتوسطة فقط محفوف بالمخاطر

يمكن لمتوسط إنتاج الطاقة الشمسية اليومي ومتوسط الحمل اليومي إخفاء العجز الممتد. يجب تحديد حجم الأنظمة خارج الشبكة مقابل فترة أسوأ حالة أو فترة أساس التصميم ذات الصلة، وليس فقط مقابل توازن الطاقة السنوي.

الإفراط في تحديد الحجم يمكن أن يكون غير فعال

قد تظل البطارية الكبيرة جداً في حالة شحن عالية لفترات طويلة إذا لم تتمكن المصفوفة الشمسية من إعادة شحنها بانتظام أو كانت الأحمال صغيرة. هذا يمكن أن يزيد من التكلفة الرأسمالية دون فوائد موثوقية متناسبة.

خصائص مستوى الخلية تؤثر على التصميم النهائي

بالنسبة لأبحاث البطاريات وتطوير الحزم، يجب ترجمة حساب النظام إلى عدد الخلايا، وتكوين السلسلة والتوازي، ومتطلبات التيار، والسلوك الحراري، والدورة المتوقعة. يمكن للكيمياء المحددة للجهد، والسعة القابلة للاستخدام، وحدود الشحن، وسلوك الشيخوخة أن تغير تصميم الحزمة العملي حتى عندما يكون متطلب الطاقة على مستوى النظام دون تغيير.

كيفية تطبيق ذلك على مشروعك

ابدأ بتوازن الطاقة أو الأمبير-ساعة للسلاسل الزمنية، ثم اختبر التصميم الناتج مقابل وقت إعادة الشحن، وحدود التشغيل، والطلب على الطاقة، والشيخوخة، ودرجة الحرارة.

• إذا كان تركيزك الأساسي هو تحديد حجم النظام الأساسي خارج الشبكة: حدد أقصى عجز تراكمي للطاقة الشمسية إلى الحمل خلال فترة التصميم اليومية والموسمية ذات الصلة، ثم حول هذا المتطلب القابل للاستخدام إلى سعة بطارية اسمية.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو تصميم حزمة البطارية أو البحث والتطوير: ترجم الطاقة المطلوبة وذروة التيار إلى تكوين خلية مع تضمين الجهد الخاص بالكيمياء، وعمق التفريغ المسموح به، والكفاءة، والحدود الحرارية، وسعة نهاية العمر.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو الموثوقية في ظروف الطاقة الشمسية السيئة: حدد الحجم لفترة الاحتياطي أو الاستقلالية المطلوبة وتحقق من أن مورد الطاقة الشمسية المتاح يمكنه إعادة شحن البطارية بالكامل بعد ذلك.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو تحسين التكلفة: قارن سعة البطارية الإضافية بالبدائل مثل إدارة الحمل، أو مصفوفة شمسية أكبر، أو توليد الطاقة الاحتياطية بدلاً من الإفراط في تحديد حجم التخزين تلقائياً.

البطارية خارج الشبكة ذات الحجم المناسب هي التي تغطي أقصى عجز تراكمي واقعي مع بقائها قابلة لإعادة الشحن، وموثوقة، وضمن حدودها الكهربائية والتشغيلية.

جدول الملخص:

اتصل بـ KINTEK للحصول على إرشادات الخبراء حول البحث والتطوير في مجال البطاريات وأنظمة التخزين خارج الشبكة. تدعم معدات المختبرات الشاملة لدينا سير عمل تصنيع الخلايا بالكامل، من خلط الملاط إلى الاختبار. انقر هنا للتواصل مع المتخصصين لدينا وتحسين أبحاث البطاريات الخاصة بك. #ContactForm