Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Magazyny energii z akumulatorami chemicznymi, ich funkcje w systemie elektroenergetycznym

Konfiguracja niskoskalowego magazynu energii
W artykule omówiono, jakie funkcje może spełniać magazyn energii oraz przedstawiono jego elementy składowe, czyli przetwornicę dwukierunkową, sterownik, zasobnik energii (w tym przypadku baterię chemiczną).
W artykule omówiono, jakie funkcje może spełniać magazyn energii oraz przedstawiono jego elementy składowe, czyli przetwornicę dwukierunkową, sterownik, zasobnik energii (w tym przypadku baterię chemiczną).
Rys. redakcja EI
Ciąg dalszy artykułu...

Konfiguracja niskoskalowego magazynu energii

Rys. 2. Konfiguracja niskoskalowego magazynu energii ESS: rys. J. Świątek, P. Biczel
Rys. 2. Konfiguracja niskoskalowego magazynu energii ESS: rys. J. Świątek, P. Biczel

Konfigurację niskoskalowego magazynu energii (ESS), wykorzystującego zasobnik chemicznego akumulatora, przedstawiono na rys. 2.

System składa się z:

a) przetwornicy dwukierunkowej (falownika/prostownika) przekształtnika DC/AC i AC/DC;
b) zasobnika bateryjnego – bateria akumulatorów chemicznych;
c) kontrolera baterii BMS (ang. Battery Management System);
d) programowalnego kontrolera (ang. Programmable Logic Controler), sterownika z algorytmami;
e) układu nadzoru i wizualizacji pracy GUI (ang. Graphic User Interface), jest to narzędzie do nadzoru, kontroli pracy szczególnie popularne w aplikacjach prosumenckich;
f) elementów pomocniczych zapewniających podłączenie do sieci (np. transformatora separującego), elementów pomiarowych prądu i napięcia itp.

Każdy z elementów systemu ESS powinien być wzajemnie skomunikowany i dobrany do charakteru pracy całego systemu oraz jego funkcjonalności.

Wymiana informacji, zarzadzanie pracą urządzeń przebiega po magistrali komunikacyjnej pomiędzy jego elementami, najczęściej wykorzystując protokół CAN-Open.

Przetwornica dwukierunkowa powinna zapewnić przepływ mocy czynnej i biernej w pełnym zakresie, w obu kierunkach (z magazynu do sieci, z sieci do magazynu).

Przetwornica zapewnia kontrolę procesu ładowania i rozładowania baterii elektrochemicznej.

Zasobnik bateryjny odpowiada za magazynowanie energii, czyli kiedy jest to konieczne zamienia energię chemiczną na elektryczną i oddaje ją do sieci lub odwrotnie przyjmuje energię i magazynuje w postaci energii chemicznej.

Programowalny kontroler jest to sterownik, który na podstawie wprowadzonego algorytmu zarządza przepływem energii w sposób zdalny, lokalny określone działanie urządzenia.

Sterownik powinien w pełni zarządzać pracą wszystkich elementów magazynu. Wprowadzone algorytmy powinny przywidywać możliwe stany i niestabilności sieci, zakłócenia i sterować pracą magazynu.

Układ nadzoru i wizualizacji pracy GUI jest to pomocniczy układ kontroli pracy, bardzo istotny w zastosowaniach prosumenckich (są to aplikacje na telefon, komputer itp.).

W zastosowaniach przemysłowych dane są wysyłane do systemu nadrzędnego (SCADA) ze sterownika przetwornicy dwukierunkowej. Tego systemu nie będziemy szczegółowo omawiać, podobnie jak wykazu elementów pomocniczych zapewniających podłączenie do sieci (dobór tych elementów wynika z projektu wykonawczego).

Rys. 3. Usytuowanie magazynu energii w systemie elektroenergetycznym; rys. J. Świątek, P. Biczel
Rys. 3. Usytuowanie magazynu energii w systemie elektroenergetycznym; rys. J. Świątek, P. Biczel

Magazyn energii (ESS) instalujemy w systemie jak najbliżej pożądanego miejsca zadziałania lub w pobliżu źródła OZE. Jest to przedstawione na rys. 3., gdzie magazyn energii jest zainstalowany w pobliżu farmy wiatrowej (może magazynować wytwarzaną przez nią energię lub może podtrzymać system w przypadku „wypadnięcia” z pracy tej farmy), może oddziaływać na pobliski zakład przemysłowy lub wykonywać funkcje sieciowe w zainstalowanej stacji energetycznej 15/0,4 kV.

Przetwornica dwukierunkowa

Przetwornica dwukierunkowa jest to przekształtnik AC→DC lub DC→AC, którego zadaniem jest kontrola procesu ładowania i rozładowania baterii elektrochemicznej, wymiana energii między siecią elektroenergetyczną a magazynem energii zgodnie z rozkazami otrzymanymi od sterownika.

Przetwornica musi zapewnić odpowiednie parametry napięcia, a w przypadku przeciążenia – odpowiedni prąd szczytowy. Musi mieć zdolność do zapewnienia pracy synchronicznej z siecią energetyczną, a w przypadkach black-out może zapewnić pracę na obszar wydzielony, czyli zdolność pracy zasobnikowej.

W przypadku wypełniania funkcji prostownika bateryjnego przetwornica musi ładować baterię zgodnie z charakterystykami zgodnymi z typem baterii oraz wytycznymi producenta baterii. Powinna naładować baterię maksymalnie szybko, ale też ją chronić. Nie można dopuścić do jej przeładowania.

Należy zapobiegać pojawieniu się w baterii zbyt wysokiej temperatury oraz chronić przed powstaniem procesu rozbiegania termicznego (ang. thermal runaway).

Podsumowując, przetwornica musi mieć możliwość zadawania mocy czynnej i biernej, zapewnić zwrot energii do sieci oraz odpowiednio naładować baterię.

Przetwornica powinna być wyposażona w transformator wyjściowy i zapewnić izolację galwaniczną systemu.

Ważnym elementem tego przekształtnika są jego możliwości komunikacyjne, szczególnie z układem nadzoru baterii (BMS) – jeżeli jest on w baterii zainstalowany.

Odpowiednia komunikacja sterownika przetwornicy z BMS-em bateryjnym chroni baterię i zapewnia prawidłowy przebieg procesu ładowania. W innym przypadku sterownik przetwornicy musi mieć zaimplementowane odpowiednie charakterystyki ładowania. Ponadto jest wymagana pełna komunikacja tej przetwornicy z systemem nadrzędnym (SCADA), łączem cyfrowym i/lub jej integrację ze sterownikami systemu OZE (fotowoltaicznego lub wiatraka).

Bateria akumulatorów chemicznych w magazynie energii

Do najpopularniejszych typów chemicznych akumulatorów wtórnych, które mogą zostać użyte w magazynie energii, należą:

a) akumulatory kwasowo-ołowiowe (ang. lead acid battery; Pb LA),
b) akumulatory niklowo-kadmowe (ang. nickel-cadmium battery; Ni-Cd),
c) akumulatory wodorkowe (ang. nickel-metal hydride battery; Ni-MH),
d) akumulatory litowe (ang. lithium battery; Li-Ion).

Typy akumulatorów stosowanych w ESS zależą os przeanalizowania zależy od przeanalizowania następujących parametrów:

  • mocy/prądu (i w jakim czasie), który musi przyjąć bateria,
  • mocy/prądu (i w jakim czasie), który musi oddać bateria,
  • liczby cykli/żywotności,
  • dopasowania technologii do jej lokalizacji, określenie powierzchni do instalacji, wagi itp.,
  • ceny zakupu.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe Pb-LA: to baterie znane od dawna i dobrze nadające się do standardowych zadań, tj. zasilanie bezprzerwowe i rozruch. Baterie charakteryzuje niski koszt produkcji, ogólna dostępność i dobra odtwarzalność układu elektrochemicznego. Anodą jest ołów, a katodą tlenek ołowiu.
Obie elektrody zanurzone są w wodnym roztworze kwasu siarkowego.
Proces chemiczny zachodzący w ogniwie polega na reakcjach red-ox (redukcji i utleniania) ołowiu, tlenku ołowiu oraz kwasu siarkowego, w wyniku których przy rozładowaniu następuje przemiana materiałów aktywnych elektrod w siarczan ołowiu (zasiarczenie), a następnie przy ładowaniu przemiana odwrotna (odsiarczenie).

Ze względu na konstrukcję elektrody dodatniej Akumulatory Pb-LA dzielimy na:

  • akumulatory pastowane,
  • akumulatory pancerne,
  • akumulatory prętowe,
  • akumulatory wielkopowierzchniowe.

Ze względu na postać elektrolitu dzielimy je na:

  • akumulatory klasyczne (elektrolit płynny, odgazowane swobodne)
  • lub akumulatory z rekombinacją gazu (elektrolit uwięziony, odgazowanie przez zawór).

Akumulatory Pb-LA (każdego typu) mają kilka wad, które w większości przypadków eliminują możliwość stosowania ich w ESS. Tego typu akumulatory:

  • nie zapewniają przepływu dużych porcji energii w obu kierunkach ładowania/rozładowania;
  • w porównaniu z innymi technologami mają niską żywotność w pracy cyklicznej pełnego rozładowania/ładowania.

Dużą zaleta jest niska cena za kWh.

Podstawową dysfunkcyjnością technologii akumulatorów Pb-LA jest brak możliwości przyjmowania w krótkim czasie dużej energii.

Akumulatory kwasowe możemy ładować prądami o wartości (0,1–0,3) C, gdzie C – prąd rozładowania jednogodzinnego liczbowo równy jest pojemności. Podczas gdy wymagania magazynu to zazwyczaj konieczność przyjęcia energii na poziomie co najmniej (1–3) C lub więcej – a więc jest to co najmniej 10 razy więcej niż może przyjąć akumulator Pb-LA.

Aby w takim układzie zastosować akumulatory Pb-LA, trzeba go przewymiarować pojemnościowo 10 razy, co jest oczywistym absurdem. Ta wada praktycznie eliminuje baterie kwasowo-ołowiowe z tych rozwiązań.

Ograniczenia prądu ładowania dla baterii Pb-LA wynikają z faktu, iż na każdym etapie ładowania należy tak dobrać prąd i napięcie, aby nie dopuścić do przegrzania połączeń wewnątrz ogniwa.

Zjawisko generowania ciepła w akumulatorach Pb-LA (przy metodzie ładowania stałoprądowej) opisano w [2].

Kolejnym parametrem baterii kwasowo-ołowiowych, który jest nie do zaakceptowania w magazynie energii, jest ich słaba odporność na cykle ładowania/rozładowania. Akumulatory z dodatnią płytą pastowaną mają cykliczność na poziomie maks. 1000 cykli, co powoduje, że przy pełnym zadziałaniu raz dziennie ich żywotność byłaby 3-letnia.

Do innych wad należy wymienić:

  • akumulatory Pb-LA zajmują dużo miejsca;
  • wymagają okresowych rozładowań kontrolnych, ładowań wyrównawczych i innych czynności eksploatacyjnych;
  • szybko tracą pojemność w podwyższonych temperaturach, trzeba stosować klimatyzację.

Czytaj też: Dobór mocy źródeł zasilania awaryjnego i gwarantowanego - metodyka projektowania ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych zasilanych z tych źródeł (cz. 1) >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 9/2017

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Gdzie znajduje zastosowanie współczesna termowizja?

Kamery termowizyjne Zadbaj o bezpieczeństwo i uniknij awarii. Za pomocą kamery termowizyjnej możliwe jest bezdotykowe sprawdzenie instalacji elektrycznej przy pełnym obciążeniu. Dzięki temu można (...) czytam dalej »


Urządzenia przeciwprzepięciowe (SPD) - jakie wybrać ?

urządzenia przeciwprzepięciowe spd Ochronniki przepięciowe odpowiednie do zastosowań w instalacjach 230 V lub 400 V, systemy jedno- lub trójfazowe, wymienny moduł warystora i zamknięty moduł iskiernika, wizualna i zdalna sygnalizacja stanu warystora oraz(...) czytam dalej »


Światło dzienne, nasz naturalny regulator - odwzorowanie opraw oświetleniowych »

Bezpanelowe pozyskiwanie energii słonecznej - jak to zrobić?

Ośiwetlenie - jakie wybrać? bezpanelowa energia słoneczna
Rodzaj oświetlenia ma również fundamentalny wpływ na nasz wzrok oraz bezpośrednio wpływa na nasze ciało, umysł i (...) czytam więcej » Innowacje i technologia przeszły długą drogę. Rzeczywiście wkroczyliśmy w nową generację nowoczesnych udogodnień, które nie tylko sprawiają, że nasz styl życia jest bardziej luksusowy i komfortowy, ale... czytam dalej »

Nowe rozdzielnice Practibox S - wysoka jakość i nagrodzony design w przystępnej cenie»

nowe rozdzielnice Rozdzielnice dedykowane są przede wszystkim dla budownictwa mieszkaniowego (prywatnego jak i deweloperskiego), hoteli i obiektów biurowych. Rozdzielnice otrzymały ... czytam dalej »


Wprawiają w ruch tysiące różnych pojazdów na świecie - znasz ich?

Rozdzielnice średniego napięcia (SN) - przegląd 2019

pojazdy elektryczne Medcom Rozdzielnice 2019 porównanie
Zmieniają sposób myślenia o energii elektryczne i nie tylko... czytam więcej » Rozdzielnice średniego napięcia (SN), tak jak i inne rozdzielnice energetyczne, budowane są na napięcia znamionowe w zakresie od 7,2 do 36 kV o wartościach 7,2; 12; ... czytam dalej »

Kamery termowizyjne w cenach promocyjnych - tylko do 30 czerwca! »

Promocje na kamery termowizyjne Przy pracach instalacyjnych, a także w przemyśle, kamera termowizyjna jest nieodzownym narzędziem pracy ... czytam dalej »


Może Cię to zainteresuje ▼

Jaki wybrać uniwersalny, programowalny wyświetlacz cyfrowy?

Kable i przewody - dobierz odpowiednie do swojego projektu »

Sterowniki programowalne kable i przewody - jakie wybrać
Współpracujący z dowolnym nadajnikiem sygnału w standardzie 4-20 mA. Urządzenie nie wymaga dodatkowego zasilania. Do obszaru zastosowań urządzenia wlicza się sterowanie oraz ... czytam więcej » Właściwie wykonana i dostosowana do konkretnych zagrożeń środowiskowych instalacja elektryczna powinna do minimum ograniczać zagrożenia... czytam dalej »


Ochrona przed przepięciami systemów alarmowych»

Wszyscy elektryczni producenci w jednym miesjcu - zobacz!

Ochrona przepięciowa systemów alarmowych Elektryczni producenci w jednym miejscu
Jak ochronić różnorodne elektroniczne systemy ochrony mienia przed skutkami przepięć(...) czytam dalej » Zobacz ponad 100,000 produktów elektromechanicznych w ofercie (...) czytam dalej »

Co jeszcze potrafią enkodery Ethernet?

UPS zasilacze Rynek systemów przemysłowych dynamicznie się rozwija, a standard Industrial Ethernet jest przyszłością systemów (...) czytam dalej »


Jak komunikować urządzenia w środowisku przemysłowym?

Ograniczniki przepięć, które wybrać?

Switche zarządzalne spd ograniczniki przepięć
Switche niezarządzalne to urządzenia, które mają za zadanie przekazywanie danych między urządzeniami w wymagającym środowisku przemysłowym. Ich zadaniem jest zapewnienie przede wszystkim stabilnej, jak również wydajnej komunikacji.(...) czytam dalej » Układy SPD typu 1 (ograniczniki przepięć typu 1) powinny być stosowane do ochrony instalacji elektrycznej oraz urządzeń przed zagrożeniami stwarzanymi(...) czytam dalej »

Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
5/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 5/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Stacje ładowania pojazdów elektrycznych
  • - Oświetlenie boisk piłkarskich zgodnie z wymaganiami klas oświetleniowych
Zobacz szczegóły

Wakacyjna promocja prenumeraty „elektro.info”!

Już lada moment lato, czas urlopów i błogiego odpoczynku, ale... zanim to nastąpi mamy dla Was wyjątkową letnią promocję na zakup lub przedłużenie prenumeraty „elektro.info”!

Nowe czujniki w rodzinie NIPRESS 1

Rodzina czujników ciśnienia NIVELCO została znacząco powiększona i obecnie czujniki NIPRESS pokrywają zapotrzebowanie większości branż przemysłowych dzięki szerokiej gamie dostępnych...
Enkodery ETHERNET AFS/AFM60A

Enkodery ETHERNET AFS/AFM60A

Rynek systemów przemysłowych dynamicznie się rozwija, a standard Industrial Ethernet jest przyszłością systemów komunikacji. Wydajność standardu Fast Ethernet,...
Cantoni Motor S.A. Cantoni Motor S.A.
Grupa Cantoni została pionierem w produkcji silników elektrycznych już w XIX wieku i od tego czasu kontynuuje misję wdrażania...
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl