مقدمة
يجمع نظام تخزين الطاقة الهجين الممتد النطاق بين تقنيتين أو أكثر من تقنيات التخزين مع مولد مساعد. تستخدم هذه الهيكلية كثافة الطاقة العالية للبطاريات، وكثافة الطاقة العالية للمكثفات الفائقة أو الحذافات، وإمكانات وقت التشغيل غير المحدودة للمولد. يعالج كل مكون أجزاء مختلفة من ملف تعريف التحميل. يقوم المكثف الفائق بإدارة طفرات الطاقة على نطاق ميلي ثانية إلى ثانية. تدير البطارية توصيل الطاقة على نطاق دقيقة إلى ساعة. يدير المولد إعادة الشحن على نطاق واسع على مدار الساعة. قامت Injet HanCang ببناء نظام هجين ممتد بمدى 250 كيلووات لتطبيق رافعة الميناء ونظام 100 كيلووات لمحطة الشحن السريع. توضح هذه المقالة الهندسة المعمارية واستراتيجية التحكم والنتائج المقاسة من كلا التثبيتين.
اختيار المكونات للتشغيل الهجين
يتطلب نظام تخزين الطاقة الهجين الممتد النطاق اختيارًا دقيقًا لكل تقنية تخزين. يجب أن تتمتع البطارية بكثافة طاقة عالية وقدرة طاقة معتدلة. تختار Injet HanCang خلايا بطارية ليثيوم فوسفات الحديد بتصميم يعطي الأولوية لعمر الدورة على كثافة الطاقة. تعمل البطارية بمعدل C بحد أقصى واحد. يجب أن يتمتع المكثف الفائق بكثافة طاقة عالية جدًا ومقاومة داخلية منخفضة. تختار شركة Injet HanCang خلايا ذات مكثفات فائقة بقدرة محددة تبلغ عشرة كيلووات لكل كيلوغرام وكفاءة ذهابًا وإيابًا تبلغ سبعة وتسعين بالمائة. يجب أن يكون حجم المولد مناسبًا لمتوسط الحمل بعد إزالة مساهمات البطارية والمكثف الفائق. في تطبيق رافعة الميناء، كان متوسط الحمولة بعد ذروة الحلاقة ستين كيلووات، لذلك تم اختيار مولد ديزل بقدرة ستين كيلووات. تم تحديد حجم البطارية وفقًا لمتطلبات التشغيل لمدة ساعتين دون دعم المولد، مما أدى إلى توفير بطارية بسعة 120 كيلووات في الساعة. تم تصميم بنك المكثفات الفائقة بحيث يمكنه التعامل مع ذروة طاقة الرافعة البالغة أربعمائة كيلووات لمدة خمس ثوانٍ، مما أدى إلى إنشاء بنك بسعة 2 ميجاوات.
التحكم في التسلسل الهرمي لأنظمة المكونات الثلاثة
يعمل نظام التحكم لنظام تخزين الطاقة الهجين الممتد على ثلاثة نطاقات زمنية. على مقياس المللي ثانية، يستجيب المكثف الفائق للتحميل العابر من خلال حلقة تحكم متدلية. تتم مراقبة جهد المكثف الفائق عند كيلو هرتز واحد، ويتم ضبط الطاقة للحفاظ على الجهد ضمن نطاق ضيق. على المقياس الثاني، توفر البطارية الطاقة للحفاظ على جهد ناقل التيار المستمر ولإعادة شحن المكثف الفائق. على مقياس الدقائق، يبدأ تشغيل المولد إذا انخفضت حالة شحن البطارية إلى أقل من ثلاثين بالمائة وكان جهد المكثف الفائق أقل من تسعين بالمائة من القيمة الاسمية. نفذت Injet HanCang هذا التسلسل الهرمي باستخدام مصفوفة بوابة قابلة للبرمجة ميدانيًا لحلقة المكثف الفائق ووحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة للبطارية والمولد. كان وقت الاستجابة المُقاس لخطوة تحميل تبلغ 500 أمبير هو 2 مللي ثانية من المكثف الفائق وأربعين مللي ثانية من البطارية.
نتائج اختبار تركيب رافعة الميناء
قدم تطبيق رافعة الميناء الاختبار الأكثر تطلبًا لمجموعة نظام تخزين الطاقة الهجين الممتد. تعمل الرافعة بملف تحميل متغير للغاية. يتطلب رفع الحاوية أربعمائة كيلووات لمدة خمس ثوانٍ. يؤدي خفض الحاوية إلى توليد مائتي كيلووات لمدة خمس ثوانٍ. وتتكرر الدورة كل دقيقتين تقريبًا. أجرت Injet HanCang اختبارًا مدته أربع ساعات مسجلاً مائة وعشرين دورة رفع. قام النظام الهجين الممتد بتزويد كل طاقة الذروة من المكثف الفائق. توفر البطارية طاقة متوسطة تبلغ ستين كيلووات. بدأ تشغيل المولد مرة واحدة أثناء الاختبار، عندما وصلت حالة شحن البطارية إلى ثمانية وعشرين بالمائة بعد خمسين دقيقة من التشغيل المتواصل. عمل المولد لمدة عشرين دقيقة، وأعاد شحن البطارية إلى خمسة وخمسين بالمائة. بلغ إجمالي الوقود المستهلك واحد فاصل ثمانية لترات. بدون التخزين الهجين، كان حل المولد الوحيد يتطلب مولدًا بقوة 400 كيلووات يعمل في وضع الخمول بين المصاعد، ويستهلك ما يقدر بخمسة عشر لترًا من الوقود خلال نفس الفترة.
قياسات الكفاءة عبر مستويات الطاقة
تختلف كفاءة النظام الإجمالية لنظام تخزين الطاقة الهجين الممتد باختلاف مستوى الطاقة. قامت Injet HanCang بقياس الكفاءة على ثلاثة مستويات للطاقة باستخدام تركيب رافعة الميناء. عند الطاقة المنخفضة، المحددة بأقل من خمسين كيلووات، يتم تزويد البطارية مباشرة بكفاءة تبلغ اثنين وتسعين بالمائة. تم تجاوز المكثف الفائق لأن تيار التسرب الخاص به من شأنه أن يقلل من الكفاءة عند الطاقة المنخفضة. عند الطاقة المتوسطة، والتي تم تحديدها من خمسين إلى مائتي كيلووات، تم تزويد البطارية بكفاءة بنسبة واحد وتسعين بالمائة وظل المكثف الفائق في وضع الخمول. عند الطاقة العالية، المحددة بما يزيد عن مائتي كيلووات، يتم توفير المكثف الفائق بكفاءة سبعة وتسعين بالمائة وتساهم البطارية بالطاقة المتبقية من خلال محول التيار المستمر. قام المولد بتزويد الطاقة بكفاءة تبلغ ثلاثة وثلاثين بالمائة عند التشغيل. وكان المتوسط المرجح لكفاءة النظام بأكمله، من جميع المصادر إلى التحميل خلال اختبار الأربع ساعات، أربعة وثمانين بالمائة. وهذا بالمقارنة مع ثلاثة وستين بالمائة لنظام المولد فقط وستة وسبعين بالمائة لنظام البطارية فقط مع نفس قدرة التحميل القصوى.
تمديد عمر دورة البطارية من خلال التهجين
يعمل المكثف الفائق على تقليل تعرض البطارية لنبضات ذات معدل C مرتفع، والتي تعد السبب الرئيسي لتسارع الشيخوخة. في اختبار رافعة الميناء، شهدت البطارية معدل C أقصى قدره فاصل ثمانية درجات مئوية، في حين تطلب الحمل معدلات C تصل إلى ستة فاصل سبعة درجات مئوية. وتوقع Injet HanCang عمر دورة البطارية استنادًا إلى ملف التعريف الحالي المقاس من اختبار الأربع ساعات. بدون تهجين المكثفات الفائقة، لكانت البطارية قد شهدت ثمانية آلاف دورة بمعدل مرتفع سنويًا بمعدلات C أعلى من اثنين. مع التهجين، تواجه البطارية أربعمائة دورة بمعدل معتدل سنويًا بمعدلات C أقل من واحد. تمتد الفترة الزمنية المتوقعة لاستبدال البطارية من عامين إلى سبع سنوات. يتجاوز عمر المكثف الفائق، استنادًا إلى بيانات الجهد ودرجة الحرارة من الاختبار، خمسة عشر عامًا لدورة التشغيل المختبرة. كان تدهور السعة الذي تم قياسه بعد اختبار الأربع ساعات هو صفر فاصل صفر خمسة بالمائة.
بيانات تطبيق محطة الشحن السريع
تم تركيب نظام تخزين الطاقة الهجين الممتد من النطاق الثاني في محطة الشحن السريع للسيارات الكهربائية. المحطة لديها اتصال بالشبكة يقتصر على مائة كيلووات ولكنها تخدم المركبات التي يمكنها قبول ما يصل إلى ثلاثمائة كيلووات. يستخدم النظام الهجين الممتد بطارية بقدرة مائة كيلووات في الساعة، ومكثف فائق بقوة 1 ميجاوات تم تصنيفه لمدة ثلاثين ثانية، ومولدًا بخمسين كيلووات. قام Injet HanCang بجمع البيانات على مدار ثلاثة أشهر من التشغيل. وقد خدمت المحطة أربعمائة وعشرين مركبة خلال هذه الفترة. يقوم المكثف الفائق بمعالجة جميع التيارات الداخلة أثناء توصيل السيارة، والتي تصل إلى ثلاثمائة كيلووات لمدة عشر ثوان. زودت البطارية بقوة شحن مستدامة تبلغ مائة كيلووات للفترة المتبقية من كل جلسة شحن. بدأ تشغيل المولد في اثنتي عشرة مناسبة عندما انخفضت حالة شحن البطارية إلى أقل من ثلاثين بالمائة بسبب جلسات الشحن المتتالية دون وقت إعادة شحن الشبكة. بلغ إجمالي ساعات تشغيل المولد ست ساعات. بلغ إجمالي استهلاك الوقود ثمانية عشر لترا. لم يتم تجاوز اتصال الشبكة أبدًا. وبلغ متوسط وقت شحن السيارة اثنتين وعشرين دقيقة، مقارنة بخمس وأربعين دقيقة بدون نظام التخزين.
التحليل الاقتصادي لتطبيقات الطاقة العالية
يتميز نظام تخزين الطاقة الهجين الممتد ذو النطاق بتكلفة أولية أعلى من نظام البطارية البسيط بسبب المكثف الفائق وإلكترونيات الطاقة الخاصة به. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات ذات الذروة العالية للطاقة المتكررة، قد تكون التكلفة الإجمالية للملكية أقل. قامت شركة Injet HanCang بإجراء تحليل اقتصادي لتطبيق رافعة الميناء على مدى عشر سنوات. يتطلب نظام البطارية فقط بطارية بسعة 1 ميجاوات للتعامل مع ذروات الأربعمائة كيلووات، بتكلفة أربعمائة ألف دولار. استبدال البطارية في السنة الثالثة والسنة السادسة أضاف ثلاثمائة ألف دولار لكل منهما، بإجمالي مليون دولار على مدى عشر سنوات. استخدم النظام الهجين بطارية بقدرة مائة وعشرين كيلووات في الساعة بتكلفة سبعين ألف دولار، وبنك مكثف فائق بقدرة 2 ميجاوات بتكلفة أربعين ألف دولار، ومولدًا بتكلفة ستين كيلووات بتكلفة عشرين ألف دولار. استبدال البطارية في السنة السابعة أضاف سبعين ألف دولار. وبلغ إجمالي تكلفة المكونات على مدى عشر سنوات مائتي ألف دولار. ووفر النظام الهجين ثمانمائة ألف دولار من تكاليف المكونات مقارنة بنظام البطارية فقط. وأضاف وقود وصيانة المولدات خمسة آلاف دولار سنويا، أي خمسين ألف دولار على مدى عشر سنوات، مما أدى إلى توفير صافي قدره سبعمائة وخمسون ألف دولار.
القيود العملية وقيود التصميم
تعد الأنظمة الهجينة الموسعة أكثر تعقيدًا في التحكم والتشغيل من أنظمة التخزين الفردية. لاحظ Injet HanCang أن ضبط معلمات التحكم لتركيب رافعة الميناء يتطلب ثلاثة أسابيع من التعديل في الموقع. يتطلب بنك المكثف الفائق دائرة موازنة للحفاظ على تجانس الجهد عبر الخلايا. تضيف دائرة الموازنة ما يقرب من خمسة عشر بالمائة إلى تكلفة نظام المكثف الفائق. يجب أن يتم تحديد حجم المولد بعناية لتجنب دورات التوقف المفرطة. تؤدي دورة إيقاف التشغيل بشكل متكرر أكثر من مرة واحدة في الساعة إلى تقليل عمر المولد. يبدأ تركيب المولد المحدود لرافعة الميناء بحد أقصى ستة مولدات يوميًا من خلال منطق التحكم. لم يكن لتركيب محطة الشحن السريع مثل هذا الحد لأن تشغيل المولد حدث فقط في اثنتي عشرة مناسبة على مدى ثلاثة أشهر. يجب على المواقع التي من المتوقع أن يبدأ تشغيل المولد فيها أكثر من اثنين يوميًا أن تفكر في استخدام بطارية أكبر لتقليل دورة المولد.
خاتمة
يجمع نظام تخزين الطاقة الهجين الممتد النطاق بين قدرات البطارية والمكثف الفائق والمولد في وحدة واحدة منسقة. تظهر بيانات الاختبار من النموذج الأولي لرافعة الميناء من Injet HanCang كفاءة مرجحة بنسبة أربعة وثمانين بالمائة، وتمديد عمر البطارية من عامين إلى سبع سنوات، وتوفير الوقود بنسبة تسعين بالمائة مقارنة بنظام المولد فقط. أظهر التحليل الاقتصادي لرافعة الميناء توفيرًا صافيًا قدره سبعمائة وخمسون ألف دولار على مدى عشر سنوات مقارنة بنظام البطارية فقط. أكدت بيانات محطة الشحن السريع نجاح التشغيل حيث تم تقديم أربعمائة وعشرين مركبة وعدم وجود مخالفات لحدود الشبكة. تشير هذه النتائج إلى أن التخزين الهجين الممتد النطاق مجدي اقتصاديًا لطاقة الذروة العالية، وتطبيقات الأحمال المتغيرة مثل الرافعات، وأجهزة الشحن السريع، ومعدات الرفع الصناعية.