Танилцуулга
Дэлхий даяар нарны фотоэлектрик (PV) суурилуулалтын хурдацтай өсөлт нь эрчим хүч хадгалалтыг системийн дизайны гол асуудал болгосон. 2024 оны байдлаар дэлхийн батерейны эрчим хүч хадгалах системийн (BESS) суурилагдсан хүчин чадал 85 ГВт-ээс давсан бөгөөд шинэ суурилуулалтын 90 гаруй хувийг лити-ион батерей эзэлж байна. Гэхдээ нэг ч батерейны химийн найрлага бүх хэрэглээнд тохирохгүй. Хар тугалга-хүчил, лити төмөр фосфат (LFP), никель манган кобальт (NMC), урсгал батерей, шинээр гарч буй хатуу төлөвт технологийн хоорондох сонголт нь техник, эдийн засаг, ашиглалтын хүчин зүйлсийн нарийн төвөгтэй матрицаас хамаарна.
Энэхүү нийтлэл нь инженер, суурилуулагчдад зориулсан гүнзгий тайлбар болж, үндсэн батерейны технологи, тэдгээрийн электрохимийн зарчим, гүйцэтгэлийн үзүүлэлтүүд, тус бүр нь хамгийн сайн ажилладаг хувилбаруудыг задалж харуулна. Эцэст нь та орон сууцны, арилжааны эсвэл нийтийн хэрэглээний хэмжээний нарны төслүүдэд батерей сонгох системтэй арга барилтай болно.
1. Хар тугалга-хүчил батерей: Туршлагатай ажлын морь
Хар тугалга-хүчил батерейг нарны эрчим хүчний хэрэглээнд хэдэн арван жилийн турш ашиглаж ирсэн. Тэдгээрийн химийн найрлага нь эерэг хавтан болох хар тугалганы давхар исэл (PbO2), сөрөг хавтан болох сүвэрхэг хар тугалга (Pb), электролит болох хүхрийн хүчил (H2SO4) -ээс бүрддэг.
Төрөл ба шинж чанарууд
- Үерт автсан хар тугалга-хүчил (FLA): Тогтмол засвар үйлчилгээ (ус нэмэх) ба агааржуулалт шаарддаг. Эхний өртөг бага боловч циклийн хугацаа богино (50% цэнэглэлтийн гүнд 300-700 цикл).
- Хавхлагаар зохицуулдаг хар тугалга-хүчил (VRLA): AGM (Шингээгч шилэн дэвсгэр) ба гель төрлүүдийг багтаана. Засвар үйлчилгээгүй, битүүмжилсэн, дотор суурилуулж болно. Циклийн хугацаа арай урт (500-1000 цикл).
Гүйцэтгэлийн үзүүлэлтүүд
| Үзүүлэлт | Үерт автсан | AGM | Гель |
|---|---|---|---|
| ----------- | --------- | ----- | ------ |
| Циклийн хугацаа (50% DoD-д) | 300-700 | 400-800 | 500-1000 |
| Бүтэн циклийн үр ашиг | 70-80% | 75-85% | 75-85% |
| Цэнэглэлтийн гүн (Хамгийн их) | 50% | 50% | 60% |
| Ажиллах температур | -20°C - 50°C | -20°C - 50°C | -20°C - 50°C |
| Өртөг (USD/кВт.ц) | $100-150 | $150-200 | $200-250 |
Давуу ба сул талууд
Давуу талууд: Эхний өртөг бага, найдвартай, сайн судлагдсан технологи, өндөр гүйдлийн чадвар, бүрэн дахин боловсруулах боломжтой (99% -иас дээш дахин боловсруулалтын түвшин).
Сул талууд: Эрчим хүчний нягтшил бага (30-50 Вт.ц/кг), циклийн хугацаа хязгаарлагдмал, тогтмол засвар үйлчилгээ шаардлагатай (FLA), халуун уур амьсгалд гүйцэтгэл муу, лититэй харьцуулахад үр ашиг бага.
Тохиромжтой хувилбарууд
Хар тугалга-хүчил батерей нь өдөр тутмын цэнэглэлт багатай, сүлжээнээс гадуурх системүүдэд ашиглагдах боломжтой хэвээр байна. Жишээ нь: алслагдсан зуслангийн байшин, харилцаа холбооны цамхаг, цахилгаан тасалдал ховор тохиолддог бүс нутагт нөөц тэжээл. Мөн батерей нь үндсэн эрчим хүчний эх үүсвэр биш харин буфер болж ажилладаг эрлийз системд ашиглагддаг. Жишээлбэл, 2 кВт.ц хар тугалга-хүчил батерейтай жижиг нарны гэр ахуйн систем цөөн хэдэн LED гэрэл, сэнсийг тэжээх боломжтой боловч 3-5 жил тутамд солих шаардлагатай.
2. Лити-ион батерей: Зонхилох хүч
Лити-ион (Li-ion) батерей нь өндөр эрчим хүчний нягтшил, урт циклийн хугацаа, буурч буй өртгөөсөө шалтгаалан орчин үеийн нарны эрчим хүч хадгалалтын стандарт болсон. Хоёр үндсэн химийн найрлага нь Лити төмөр фосфат (LFP) ба Никель Манган Кобальт (NMC) юм.
Хими ба ажиллах зарчим
Li-ion батерей нь электролитээр дамжуулан анод (графит) ба катод (металл исэл эсвэл фосфат) хооронд лити ионуудыг хөдөлгөх замаар ажилладаг. Цэнэглэх үед лити ионууд анодаас катод руу шилжиж, цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг. LFP ба NMC-ийн гол ялгаа нь катодын материалд оршдог.
- LFP (LiFePO4): Төмөр фосфат ашигладаг бөгөөд маш сайн дулааны тогтвортой байдал, тэгш цэнэглэлтийн муруйгаар хангадаг. Нэрлэсэн хүчдэл бага (3.2V) боловч 4000-8000 циклийн ашиглалтын хугацаатай.
- NMC (LiNiMnCoO2): Никель, манган, кобальтын хослолыг ашигладаг. Өндөр эрчим хүчний нягтшил (200-250 Вт.ц/кг) санал болгодог боловч циклийн хугацаа богино (2000-4000 цикл) ба дулааны гаралт үүсэх магадлал өндөр.
Гүйцэтгэлийн харьцуулалт
| Үзүүлэлт | LFP | NMC |
|---|---|---|
| ----------- | ----- | ----- |
| Эрчим хүчний нягтшил | 90-160 Вт.ц/кг | 150-220 Вт.ц/кг |
| Циклийн хугацаа (80% DoD-д) | 4000-8000 | 2000-4000 |
| Бүтэн циклийн үр ашиг | 92-96% | 95-98% |
| Нэрлэсэн хүчдэл | 3.2V | 3.6-3.7V |
| Аюулгүй байдал | Маш сайн (дулааны гаралтгүй) | Сайн (BMS шаардлагатай) |
| Өртөг (USD/кВт.ц) | $150-250 | $200-300 |
| Ажиллах температур | -20°C - 60°C | -20°C - 60°C |
Давуу ба сул талууд
LFP давуу талууд: Урт ашиглалтын хугацаа, маш сайн аюулгүй байдал, кобальтгүй (ёс зүйн болон нийлүүлэлтийн гинжин хэлхээний давуу тал), өргөн ажиллах температурын хүрээ.
LFP сул талууд: Бага эрчим хүчний нягтшил, бага зэрэг бага үр ашиг, хар тугалга-хүчилээс өндөр эхний өртөг.
NMC давуу талууд: Өндөр эрчим хүчний нягтшил, орон зай хязгаарлагдмал хэрэглээнд тохиромжтой.
NMC сул талууд: Богино циклийн хугацаа, дулааны гаралт үүсэх боломж, кобальтын нийлүүлэлтийн гинжин хэлхээний асуудлууд.
Тохиромжтой хувилбарууд
LFP нь циклийн хугацаа, аюулгүй байдал хамгийн чухал байдаг орон сууцны болон арилжааны нарны эрчим хүч хадгалалтын гол сонголт юм. Жишээлбэл, 10 кВт.ц LFP батерейтай ердийн гэрийн ESS нь 20 гаруй жилийн турш өдөр бүр цэнэглэж чаддаг бөгөөд урт хугацааны хөрөнгө оруулалт болдог. NMC нь цахилгаан тээврийн хэрэгсэл, зарим зөөврийн хэрэглээнд илүүд үздэг боловч суурин хадгалалтын хувьд LFP нь урт насаараа улам их илүүд үзэгдэж байна.
Манай орон сууцны ESS шийдлүүд нь аюулгүй байдал, бат бөх байдлыг хангахын тулд голчлон LFP эсийг ашигладаг.
3. Урсгал батерей: Урт хугацааны өрсөлдөгч
Урсгал батерей нь энергийг гадаад саванд агуулагдах шингэн электролитэд хадгалдаг. Хамгийн түгээмэл төрөл нь Ванадийн Редокс Урсгал Батерей (VRFB) боловч Цайр-Бром (Zn-Br) ба Төмөр-Хром (Fe-Cr) хувилбарууд бас байдаг.
Ажиллах зарчим
Цэнэглэх үед электролитийг электрохимийн урвал явагддаг стекээр шахдаг. Эрчим хүчний багтаамж нь сав дахь электролитийн хэмжээгээр тодорхойлогддог бол цахилгаан гаралт нь стекийн хэмжээгээр тодорхойлогддог. Энэхүү салангид байдал нь хүч ба энергийг бие даан масштаблах боломжийг олгодог.
Гүйцэтгэлийн үзүүлэлтүүд
| Үзүүлэлт | VRFB |
|---|---|
| ----------- | ------ |
| Эрчим хүчний нягтшил | 15-25 Вт.ц/л |
| Циклийн хугацаа | 10,000-20,000 цикл |
| Бүтэн циклийн үр ашиг | 65-80% |
| Цэнэглэлтийн гүн | 100% (доройтолгүй) |
| Хариу үйлдлийн хугацаа | Миллисекунд |
| Өртөг (USD/кВт.ц) | $300-500 (энергийн бүрэлдэхүүн) |
| Ажиллах температур | 10°C - 40°C |
Давуу ба сул талууд
Давуу талууд: Маш урт циклийн хугацаа (20 хүртэл жил), гүн цэнэглэлтийн чадвар, шатамхай бус электролит (усанд суурилсан), том хэмжээний хадгалалтын хугацаанд (4-12 цаг) масштаблах чадвар.
Сул талууд: Бага эрчим хүчний нягтшил (том талбай шаардлагатай), өндөр эхний өртөг, бага үр ашиг, насос, сав бүхий нарийн төвөгтэй системийн загвар.
Тохиромжтой хувилбарууд
Урсгал батерей нь үд дундын нарны энергийг орой эсвэл шөнө рүү шилжүүлэхийн тулд урт хугацааны хадгалалт (4-12 цаг) шаарддаг нийтийн хэрэглээний хэмжээний төслүүдэд тохиромжтой. Мөн найдвартай байдал, циклийн хугацаа нь орон зайн хязгаарлалтаас илүү чухал байдаг микро сүлжээнд ашиглагддаг. Жишээлбэл, 10 МВт/40 МВт.ц VRFB систем нь нэрлэсэн хүчин чадлаараа 4 цагийн турш цэнэглэж, сүлжээг тогтворжуулахад тохиромжтой.