على خلفية البناء المتسارع لأنظمة الطاقة الجديدة، تم تصميم أنظمة تخزين الطاقة، باعتبارها مكونًا أساسيًا لتحقيق التوازن بين العرض والطلب على الطاقة وتعزيز مرونة الشبكة، حول تحويل أشكال الطاقة، والتحكم التعاوني في النظام، والتشغيل الآمن والاقتصادي. الهدف هو تحقيق تخزين مرن وإطلاق دقيق للطاقة الكهربائية من خلال بنية علمية. إن هدف التصميم الأساسي ليس فقط تلبية متطلبات الطاقة والسعة لسيناريوهات محددة ولكن أيضًا تحقيق التوازن الأمثل بين السلامة والكفاءة والعمر الافتراضي والاقتصاد.
يبدأ تصميم أنظمة تخزين الطاقة باختيار المنطق الأساسي لآليات تحويل الطاقة. يعتمد تخزين الطاقة الكهروكيميائية على التفاعل "الكهروكيميائي-الكهروكيميائي" القابل للعكس، مما يحقق تخزين الطاقة من خلال تفاعل الأكسدة والاختزال لمواد الإلكترود الموجب والسالب: أثناء الشحن، تدفع الطاقة الكهربائية حاملات الشحنة (مثل أيونات الليثيوم) للهجرة والتضمين في القطب السالب، وتحويلها إلى طاقة كيميائية؛ أثناء التفريغ، تعود حاملات الشحنة إلى القطب الموجب، ويتم تحويل الطاقة الكيميائية مرة أخرى إلى طاقة كهربائية. يعتمد تخزين الطاقة المادية على تحويل أشكال الطاقة العيانية. على سبيل المثال، يستخدم التخزين المائي الذي يتم ضخه الكهرباء لتشغيل مضخة لزيادة الطاقة الكامنة للمياه، وأثناء توليد الطاقة، يقوم الماء المتساقط بتشغيل توربين لتحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة كهربائية. يستخدم تخزين الهواء المضغوط الكهرباء لضغط الغاز وتخزين طاقة الضغط؛ عند إطلاق الطاقة، يتمدد الغاز ذو الضغط العالي-ويعمل على تشغيل المولد. تحدد آليات التحويل المختلفة سرعة استجابة النظام وكثافة الطاقة والسيناريوهات القابلة للتطبيق. يجب أن يقوم التصميم أولاً بتثبيت مسار التكنولوجيا بناءً على المتطلبات.
يؤكد تصميم بنية النظام على التنسيق والإدارة الهرمية لوحدات متعددة. يتكون نظام تخزين الطاقة الكامل من وحدات تخزين الطاقة، ونظام تحويل الطاقة (PCS)، ونظام إدارة البطارية (BMS)، ونظام إدارة الطاقة (EMS)، والأنظمة المساعدة (التحكم في درجة الحرارة، والحماية من الحرائق، والمراقبة). تعد وحدة تخزين الطاقة جوهر تخزين الطاقة، ويجب تحسين طرق توصيلها المتسلسلة والمتوازية بناءً على متطلبات الجهد والسعة والتكرار المستهدفة. يعد PCS (نظام التحكم في الطاقة) مسؤولاً عن تحويل التيار المتردد/التيار المستمر وتنظيم الطاقة، ويجب أن تتوافق طوبولوجيته (مثل المستويين- أو المستوى الثلاثة-) مع مستوى طاقة النظام ومتطلبات الكفاءة. يحتاج نظام BMS (نظام إدارة البطارية)، الذي يعمل بمثابة "النهايات العصبية"، إلى تحقيق مراقبة في الوقت الفعلي-وتحكم متوازن في جهد الخلية الفردية ودرجة الحرارة والمقاومة الداخلية لمنع حالات الفشل المتتالية الناتجة عن الشحن الزائد المحلي والتفريغ الزائد-. يعد نظام إدارة الطاقة الكهربائية (EMS) بمثابة "العقل"، حيث يعمل على تحسين استراتيجيات الشحن والتفريغ ديناميكيًا وتنسيق إجراءات كل وحدة بناءً على حمل الشبكة، ومخرجات الطاقة المتجددة، وإشارات أسعار الكهرباء. توفر الأنظمة المساعدة الحماية البيئية للوظائف الأساسية المذكورة أعلاه؛ على سبيل المثال، يحافظ نظام التحكم في درجة الحرارة على عمل الخلايا ضمن نطاق درجة حرارة مناسب (عادة 25 درجة ±5 درجة)، ويقوم نظام الحماية من الحرائق بإنشاء خط دفاع للإنذار المبكر والإخماد ضد الحرائق.
يحتاج التصميم إلى دمج خصائص السيناريو والقيود بشكل عميق. يركز تخزين الطاقة على جانب الشبكة- على الاستجابة السريعة وإمكانيات التنظيم على نطاق واسع-، الأمر الذي يتطلب أداء ديناميكيًا محسنًا لنظام توليد الطاقة (PCS) وملاءمة الشبكة- لنظام تخزين الطاقة (EMS). مصدر الطاقة-يحتاج تخزين الطاقة الجانبي إلى التكيف مع التقلبات في إنتاج الطاقة المتجددة، مما يؤدي إلى تحسين تحمل نظام إدارة المباني للشحن والتفريغ المتقطع. يعطي تخزين الطاقة من جانب المستخدم- الأولوية للاقتصاديات واستخدام المساحة، ويوازن بين تكوين السعة وتكاليف التثبيت، وقد يستخدم التكامل المعياري لتوفير المساحة. علاوة على ذلك، يجب أن يحتفظ التصميم بواجهات التوسعة لاستيعاب ترقيات القدرات المستقبلية أو التكرارات التكنولوجية.
تعد السلامة والكفاءة الاقتصادية أمرًا بالغ الأهمية طوال دورة الحياة بأكملها. من منظور السلامة، يجب إنشاء-نظام دفاعي متعدد الطبقات من خلال تصميم العزل الكهربائي، والحماية من الجهد الزائد والتيار الزائد، وآليات الإنذار المبكر عن الانفلات الحراري. من منظور اقتصادي، تعد كفاءة تحويل الطاقة المحسنة (على سبيل المثال، كفاءة PCS أكبر من أو تساوي 95%)، وعمر الدورة الممتدة (على سبيل المثال، عدد دورات التصميم أكبر من أو يساوي 6000 مرة)، وتقليل استهلاك طاقة النظام المساعد، ضرورية لتعزيز فوائد دورة الحياة.
باختصار، مبدأ تصميم أنظمة تخزين الطاقة هو عملية تكامل تكنولوجي تعتمد على آليات تحويل الطاقة، وتتمحور حول التعاون متعدد-الوحدات، مسترشدًا بتكييف السيناريو، ومقيدًا بالسلامة والاقتصاد. ويتمثل جوهرها في تحويل وحدات تخزين الطاقة المنفصلة إلى نظام لتنظيم الطاقة يمكن إدراكه والتحكم فيه وتحسينه من خلال بنية علمية، مما يوفر دعمًا رئيسيًا لأنظمة الطاقة الجديدة للتعامل مع النسبة العالية من الوصول إلى الطاقة المتجددة.
