سیستم برق خورشیدی ۱۰۰ کیلوواتی DKSESS مستقل از شبکه/ هیبریدی

مقایسه باتری‌ها در سیستم ذخیره انرژی
ذخیره انرژی از نوع باتری، ذخیره انرژی شیمیایی است که با توجه به نوع باتری انتخاب شده، می‌توان آن را به باتری اسید سرب، باتری لیتیوم، باتری هیدروژن نیکل، باتری جریان مایع (باتری وانادیوم)، باتری گوگرد سدیم، باتری کربن سرب و غیره تقسیم کرد.

۱. باتری سرب اسیدی
باتری‌های سرب-اسیدی شامل کلوئیدی و مایع (به اصطلاح باتری سرب-اسیدی معمولی) هستند. این دو نوع باتری بسته به مناطق مختلف استفاده می‌شوند. باتری کلوئیدی مقاومت بالایی در برابر سرما دارد و راندمان انرژی آن در دمای زیر ۱۵ درجه سانتیگراد به مراتب بهتر از باتری مایع است و عملکرد عایق حرارتی آن عالی است.

باتری سرب-اسید کلوئیدی، بهبود یافته باتری سرب-اسید معمولی با الکترولیت مایع است. الکترولیت کلوئیدی برای جایگزینی الکترولیت اسید سولفوریک استفاده می‌شود که از نظر ایمنی، ظرفیت ذخیره‌سازی، عملکرد تخلیه و عمر مفید از باتری معمولی بهتر است. باتری سرب-اسید کلوئیدی از الکترولیت ژلی استفاده می‌کند و هیچ مایع آزادی در داخل آن وجود ندارد. در حجم یکسان، الکترولیت دارای ظرفیت بالا، ظرفیت حرارتی بالا و قابلیت دفع حرارت قوی است که می‌تواند از پدیده فرار حرارتی باتری‌های معمولی جلوگیری کند. خوردگی صفحه الکترود به دلیل غلظت کم الکترولیت ضعیف است. غلظت یکنواخت است و هیچ لایه‌بندی الکترولیتی وجود ندارد.

باتری سرب-اسید معمولی نوعی باتری است که الکترود آن عمدتاً از سرب و اکسید آن ساخته شده است و الکترولیت آن محلول اسید سولفوریک است. در حالت دشارژ باتری سرب-اسید، جزء اصلی الکترود مثبت دی اکسید سرب و جزء اصلی الکترود منفی سرب است. در حالت شارژ، اجزای اصلی الکترودهای مثبت و منفی سولفات سرب هستند. ولتاژ اسمی یک باتری سرب-اسید تک سلولی 2.0 ولت است که می‌تواند تا 1.5 ولت دشارژ و تا 2.4 ولت شارژ شود. در عمل، شش باتری سرب-اسید تک سلولی اغلب به صورت سری برای تشکیل یک باتری سرب-اسید اسمی 12 ولت و همچنین 24 ولت، 36 ولت، 48 ولت و غیره استفاده می‌شوند.

مزایای آن عمدتاً شامل موارد زیر است: آب‌بندی ایمن، سیستم رهاسازی هوا، نگهداری ساده، عمر طولانی، کیفیت پایدار، قابلیت اطمینان بالا و عدم نیاز به تعمیر و نگهداری؛ عیب آن این است که آلودگی سرب زیاد و چگالی انرژی کم است (یعنی خیلی سنگین است).

۲. باتری لیتیومی
«باتری لیتیومی» نوعی باتری با فلز لیتیوم یا آلیاژ لیتیوم به عنوان ماده کاتدی و محلول الکترولیت غیر آبی است که به دو دسته تقسیم می‌شود: باتری لیتیوم فلزی و باتری لیتیوم یونی.

باتری لیتیوم-فلزی معمولاً از دی‌اکسید منگنز به عنوان ماده کاتد، لیتیوم فلزی یا فلز آلیاژی آن به عنوان ماده کاتد استفاده می‌کند و از محلول الکترولیت غیرآبی استفاده می‌کند. باتری‌های لیتیوم-یونی معمولاً از اکسیدهای فلزی آلیاژی لیتیوم به عنوان ماده کاتد، گرافیت به عنوان ماده کاتد و الکترولیت‌های غیرآبی استفاده می‌کنند. باتری‌های لیتیوم-یونی حاوی لیتیوم فلزی نیستند و قابل شارژ مجدد هستند. باتری لیتیومی که ما در ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌کنیم، باتری لیتیوم-یونی است که به آن "باتری لیتیومی" می‌گویند.

باتری‌های لیتیومی مورد استفاده در سیستم ذخیره انرژی عمدتاً شامل: باتری لیتیوم آهن فسفات، باتری لیتیوم سه‌تایی و باتری لیتیوم منگنات هستند. باتری تکی دارای ولتاژ بالا، محدوده دمای کاری وسیع، انرژی ویژه و راندمان بالا و نرخ خود تخلیه پایین است. ایمنی و طول عمر را می‌توان با استفاده از مدارهای حفاظتی و متعادل‌سازی بهبود بخشید. بنابراین، با توجه به مزایا و معایب باتری‌های مختلف، باتری‌های لیتیومی به دلیل زنجیره صنعتی نسبتاً بالغ، ایمنی، قابلیت اطمینان و سازگاری با محیط زیست، به اولین انتخاب برای نیروگاه‌های ذخیره انرژی تبدیل شده‌اند.

مزایای اصلی آن عبارتند از: عمر طولانی، چگالی انرژی ذخیره سازی بالا، وزن سبک و سازگاری قوی؛ معایب آن ایمنی ضعیف، انفجار آسان، هزینه بالا و شرایط استفاده محدود است.

فسفات آهن لیتیم
باتری لیتیوم آهن فسفات به باتری لیتیوم یون با استفاده از فسفات آهن لیتیوم به عنوان ماده کاتدی اشاره دارد. مواد کاتدی باتری‌های لیتیوم یون عمدتاً شامل کبالت لیتیوم، منگنات لیتیوم، اکسید نیکل لیتیوم، مواد سه‌تایی، فسفات آهن لیتیوم و غیره است. کبالت لیتیوم ماده کاتدی است که توسط اکثر باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌شود.

فسفات آهن لیتیوم به عنوان ماده‌ای برای باتری‌های لیتیومی، تنها در سال‌های اخیر ظاهر شد. در سال ۲۰۰۵ بود که یک باتری فسفات آهن لیتیوم با ظرفیت بالا در چین توسعه یافت. عملکرد ایمنی و طول عمر چرخه‌ای آن با سایر مواد قابل مقایسه نیست. طول عمر چرخه‌ای شارژ و دشارژ ۱C به ۲۰۰۰ بار می‌رسد. ولتاژ شارژ بیش از حد یک باتری ۳۰ ولت است که نمی‌سوزد و سوراخ نمی‌شود و منفجر نمی‌شود. باتری‌های لیتیوم یون با ظرفیت بالا که از مواد کاتدی فسفات آهن لیتیوم ساخته شده‌اند، به راحتی می‌توانند به صورت سری برای رفع نیازهای شارژ و دشارژ مکرر خودروهای الکتریکی استفاده شوند.

فسفات آهن لیتیم غیرسمی، بدون آلودگی، ایمن، با منابع گسترده، ارزان، با طول عمر بالا و مزایای دیگر است. این ماده کاتدی ایده‌آل برای باتری‌های لیتیوم یونی نسل جدید است. باتری فسفات آهن لیتیم همچنین معایبی دارد. به عنوان مثال، چگالی ضربه ماده کاتدی فسفات آهن لیتیم کم است و حجم باتری فسفات آهن لیتیم با ظرفیت برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم یونی مانند کبالت لیتیم است، بنابراین هیچ مزیتی در باتری‌های میکرو ندارد.

با توجه به ویژگی‌های ذاتی فسفات آهن لیتیوم، عملکرد آن در دمای پایین نسبت به سایر مواد کاتدی مانند منگنات لیتیوم پایین‌تر است. به طور کلی، برای یک سلول (توجه داشته باشید که منظور یک سلول واحد است نه یک بسته باتری)، عملکرد اندازه‌گیری شده در دمای پایین بسته باتری ممکن است کمی بالاتر باشد،

این مربوط به شرایط اتلاف گرما است)، میزان حفظ ظرفیت آن در دمای 0 درجه سانتیگراد حدود 60 تا 70 درصد، در دمای 10- درجه سانتیگراد 40 تا 55 درصد و در دمای 20- درجه سانتیگراد 20 تا 40 درصد است. چنین عملکردی در دمای پایین بدیهی است که نمی‌تواند الزامات استفاده از منبع تغذیه را برآورده کند. در حال حاضر، برخی از تولیدکنندگان با بهبود سیستم الکترولیت، بهبود فرمول الکترود مثبت، بهبود عملکرد مواد و بهبود طراحی ساختار سلول، عملکرد دمای پایین فسفات آهن لیتیوم را بهبود بخشیده‌اند.

باتری لیتیوم سه‌تایی
باتری لیتیوم پلیمری سه‌تایی به باتری لیتیومی اطلاق می‌شود که ماده کاتد آن از جنس لیتیوم نیکل کبالت منگنات (Li (NiCoMn) O2) است. ماده کاتد کامپوزیت سه‌تایی از نمک نیکل، نمک کبالت و نمک منگنز به عنوان مواد اولیه ساخته شده است. نسبت نیکل، کبالت و منگنز در باتری لیتیوم پلیمری سه‌تایی را می‌توان با توجه به نیازهای واقعی تنظیم کرد. باتری با ماده سه‌تایی به عنوان کاتد در مقایسه با باتری لیتیوم کبالت از ایمنی بالایی برخوردار است، اما ولتاژ آن بسیار پایین است.

مزایای اصلی آن عبارتند از: عملکرد چرخه‌ای خوب؛ عیب آن این است که کاربرد آن محدود است. با این حال، به دلیل تشدید سیاست‌های داخلی در مورد باتری‌های لیتیوم سه‌تایی، توسعه باتری‌های لیتیوم سه‌تایی رو به کاهش است.

باتری لیتیوم منگنات
باتری لیتیوم منگنات یکی از مواد کاتدی یون لیتیوم امیدوارکننده‌تر است. در مقایسه با مواد کاتدی سنتی مانند لیتیوم کبالات، لیتیوم منگنات مزایایی مانند منابع غنی، هزینه کم، عدم آلودگی، ایمنی خوب، عملکرد ضرب خوب و غیره را دارد. این یک ماده کاتدی ایده‌آل برای باتری‌های قدرت است. با این حال، عملکرد چرخه‌ای ضعیف و پایداری الکتروشیمیایی آن، صنعتی شدن آن را تا حد زیادی محدود می‌کند. لیتیوم منگنات عمدتاً شامل اسپینل لیتیوم منگنات و لیتیوم منگنات لایه‌ای است. اسپینل لیتیوم منگنات ساختار پایداری دارد و تولید صنعتی آن آسان است. محصولات بازار امروزی همگی از این ساختار هستند. اسپینل لیتیوم منگنات متعلق به سیستم کریستالی مکعبی، گروه فضایی Fd3m است و ظرفیت ویژه نظری آن 148mAh/g است. به دلیل ساختار تونلی سه‌بعدی، یون‌های لیتیوم می‌توانند بدون ایجاد فروپاشی ساختار، به صورت برگشت‌پذیر از شبکه اسپینل جدا شوند، بنابراین عملکرد بزرگنمایی و پایداری عالی دارند.

۳. باتری NiMH
باتری NiMH نوعی باتری با عملکرد خوب است. ماده فعال مثبت باتری هیدروژن نیکل Ni(OH)2 (به نام الکترود NiO) است، ماده فعال منفی هیدرید فلزی است که به آن آلیاژ ذخیره هیدروژن نیز گفته می‌شود (به نام الکترود ذخیره هیدروژن) و الکترولیت محلول هیدروکسید پتاسیم 6 مول در لیتر است.

باتری نیکل متال هیدرید به دو دسته باتری نیکل متال هیدرید ولتاژ بالا و باتری نیکل متال هیدرید ولتاژ پایین تقسیم می‌شود.

باتری نیکل متال هیدرید ولتاژ پایین دارای ویژگی‌های زیر است: (1) ولتاژ باتری 1.2 تا 1.3 ولت است که معادل باتری نیکل کادمیوم است؛ (2) چگالی انرژی بالا، بیش از 1.5 برابر باتری نیکل کادمیوم؛ (3) شارژ و دشارژ سریع، عملکرد خوب در دمای پایین؛ (4) قابل آب‌بندی، مقاومت بالا در برابر شارژ بیش از حد و دشارژ؛ (5) عدم تولید کریستال دندریتی، که می‌تواند از اتصال کوتاه در باتری جلوگیری کند؛ (6) ایمن و قابل اعتماد، بدون آلودگی محیط زیست، بدون اثر حافظه و غیره.

باتری نیکل هیدروژن ولتاژ بالا دارای ویژگی‌های زیر است: (1) قابلیت اطمینان بالا. محافظت خوبی در برابر اضافه تخلیه و اضافه شارژ دارد، می‌تواند در برابر نرخ تخلیه شارژ بالا مقاومت کند و تشکیل دندریت نمی‌دهد. خاصیت ویژه خوبی دارد. ظرفیت جرم ویژه آن 60 آمپر بر ساعت بر کیلوگرم است که 5 برابر باتری نیکل کادمیوم است. (2) عمر چرخه طولانی، تا هزاران بار. (3) کاملاً آب‌بندی شده، نیاز به نگهداری کمتر. (4) عملکرد دمای پایین عالی است و ظرفیت در دمای -10 درجه سانتیگراد تغییر قابل توجهی نمی‌کند.

مزایای اصلی باتری NiMH عبارتند از: چگالی انرژی بالا، سرعت شارژ و دشارژ سریع، وزن سبک، عمر طولانی، عدم آلودگی محیط زیست؛ معایب آن اثر حافظه جزئی، مشکلات مدیریتی بیشتر و ذوب آسان جداکننده باتری منفرد است.

۴. سلول جریان
باتری جریان مایع نوع جدیدی از باتری است. باتری جریان مایع یک باتری با کارایی بالا است که از الکترولیت مثبت و منفی برای جداسازی و گردش جداگانه استفاده می‌کند. این باتری دارای ویژگی‌های ظرفیت بالا، کاربرد گسترده (محیط زیست) و عمر چرخه طولانی است. در حال حاضر این یک محصول انرژی جدید است.

باتری جریان مایع عموماً در سیستم نیروگاه ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌شود که شامل واحد استک، محلول الکترولیت و واحد ذخیره‌سازی و تأمین محلول الکترولیت، واحد کنترل و مدیریت و غیره است. هسته از یک استک (استک از ده‌ها سلول برای واکنش اکسیداسیون-کاهش تشکیل شده است) و یک سلول واحد برای شارژ و دشارژ مطابق با الزامات خاص به صورت سری تشکیل شده است و ساختار آن شبیه به استک پیل سوختی است.

باتری جریانی وانادیومی نوع جدیدی از تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی و ذخیره انرژی است. این باتری نه تنها می‌تواند به عنوان یک دستگاه ذخیره‌سازی انرژی پشتیبان برای فرآیندهای تولید انرژی خورشیدی و بادی مورد استفاده قرار گیرد، بلکه می‌تواند برای اصلاح پیک شبکه برق نیز مورد استفاده قرار گیرد تا پایداری شبکه برق را بهبود بخشد و امنیت شبکه برق را تضمین کند. مزایای اصلی آن عبارتند از: طرح‌بندی انعطاف‌پذیر، عمر چرخه طولانی، زمان پاسخ سریع و عدم انتشار گازهای مضر. عیب آن این است که چگالی انرژی بسیار متغیر است.

۵. باتری سدیم سولفور
باتری سدیم-سولفور از قطب مثبت، قطب منفی، الکترولیت، دیافراگم و پوسته تشکیل شده است. برخلاف باتری‌های ثانویه معمولی (باتری‌های سرب-اسید، باتری‌های نیکل-کادمیوم و غیره)، باتری سدیم-سولفور از الکترود مذاب و الکترولیت جامد تشکیل شده است. ماده فعال قطب منفی، سدیم فلزی مذاب و ماده فعال قطب مثبت، گوگرد مایع و پلی‌سولفید سدیم مذاب است. باتری ثانویه با سدیم فلزی به عنوان الکترود منفی، گوگرد به عنوان الکترود مثبت و لوله سرامیکی به عنوان جداکننده الکترولیت. تحت یک درجه کاری خاص، یون‌های سدیم می‌توانند از طریق غشای الکترولیت به صورت برگشت‌پذیر با گوگرد واکنش دهند تا آزادسازی و ذخیره انرژی را تشکیل دهند.

این نوع باتری به عنوان نوع جدیدی از منبع انرژی شیمیایی، از زمان پیدایش خود تاکنون توسعه زیادی یافته است. باتری سدیم-سولفور از نظر اندازه کوچک، ظرفیت بزرگ، عمر طولانی و راندمان بالا است. این باتری به طور گسترده در ذخیره انرژی الکتریکی مانند اصلاح اوج مصرف و پر کردن دره، تامین برق اضطراری و تولید برق بادی استفاده می‌شود.

مزایای اصلی آن به شرح زیر است: ۱) انرژی ویژه بالاتری دارد (یعنی انرژی الکتریکی مؤثر در واحد جرم یا واحد حجم باتری). انرژی ویژه نظری آن ۷۶۰ وات ساعت بر کیلوگرم است که در واقع از ۱۵۰ وات ساعت بر کیلوگرم فراتر رفته است، ۳-۴ برابر باتری سرب-اسیدی. ۲) در عین حال، می‌تواند با جریان زیاد و توان بالا تخلیه شود. چگالی جریان تخلیه آن عموماً می‌تواند به ۲۰۰-۳۰۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع برسد و می‌تواند ۳ برابر انرژی ذاتی خود را در یک لحظه آزاد کند. ۳) راندمان شارژ و تخلیه بالا.

باتری سدیم سولفور همچنین دارای کاستی‌هایی است. دمای کاری آن 300-350 ℃ است، بنابراین باتری باید در حین کار گرم و گرم نگه داشته شود. با این حال، این مشکل را می‌توان با استفاده از فناوری عایق حرارتی خلاء با کارایی بالا به طور موثر حل کرد.

۶. باتری سرب-کربن
باتری سرب-کربن نوعی باتری سرب-اسیدی خازنی است که فناوری آن از باتری سرب-اسیدی سنتی تکامل یافته است. این باتری می‌تواند با افزودن کربن فعال به قطب منفی باتری، عمر باتری سرب-اسیدی را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد.

باتری سرب-کربن نوع جدیدی از ابرباتری است که باتری سرب-اسید و ابرخازن را با هم ترکیب می‌کند: این باتری نه تنها مزایای شارژ فوری با ظرفیت بالا توسط ابرخازن را به کار می‌گیرد، بلکه مزیت انرژی ویژه باتری سرب-اسید را نیز به کار می‌گیرد و عملکرد شارژ و دشارژ بسیار خوبی دارد - می‌تواند در ۹۰ دقیقه به طور کامل شارژ شود (اگر باتری سرب-اسید به این روش شارژ و دشارژ شود، عمر آن کمتر از ۳۰ بار است). علاوه بر این، به دلیل افزودن کربن (گرافن)، از پدیده سولفاته شدن الکترود منفی جلوگیری می‌شود که عامل خرابی باتری در گذشته را بهبود می‌بخشد و عمر باتری را افزایش می‌دهد.

باتری سرب-کربن ترکیبی از ابرخازن نامتقارن و باتری سرب-اسید به شکل اتصال موازی داخلی است. باتری سرب-کربن به عنوان نوع جدیدی از ابرباتری، ترکیبی از فناوری‌های باتری سرب-اسید و ابرخازن است. این یک باتری ذخیره انرژی دوگانه با ویژگی‌های خازنی و باتری است. بنابراین، نه تنها مزایای شارژ آنی برق با ظرفیت بالا را به طور کامل ارائه می‌دهد، بلکه مزایای انرژی باتری‌های سرب-اسید را نیز که می‌توانند در یک ساعت به طور کامل شارژ شوند، به طور کامل ارائه می‌دهد. این باتری عملکرد شارژ و دشارژ خوبی دارد. به دلیل استفاده از فناوری سرب-کربن، عملکرد باتری سرب-کربن بسیار برتر از باتری سرب-اسید سنتی است که می‌تواند در وسایل نقلیه با انرژی جدید مانند وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی، دوچرخه‌های برقی و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار گیرد. همچنین می‌تواند در زمینه ذخیره انرژی جدید مانند تولید انرژی بادی و ذخیره انرژی مورد استفاده قرار گیرد.