Введение
Хранение энергии с расширенным диапазоном действия относится к любой конфигурации хранения, в которой вторичное устройство преобразования энергии пополняет основной носитель энергии во время циклов разрядки. Это определение включает в себя системы аккумуляторных генераторов, а также комбинации аккумуляторных топливных элементов. Ключевое отличие от гибридного хранилища заключается в том, что вторичное устройство работает с перерывами в зависимости от уровня заряда хранилища, а не постоянно. Компания Injet HanCang провела сравнительное тестирование производительности накопителей энергии с увеличенным радиусом действия на пяти различных площадках. В этой статье представлены техническая основа, показатели эффективности и результаты этих тестов для конкретных приложений.
Техническая основа для хранения энергии с увеличенным радиусом действия
Техническая основа хранения энергии с увеличенным радиусом действия основана на трех принципах. Первый принцип заключается в том, что основное хранилище обрабатывает все переходные процессы нагрузки и кратковременные колебания. Второй принцип заключается в том, что расширитель диапазона работает только на наиболее эффективном уровне мощности. Третий принцип заключается в том, что расширитель диапазона запускается и останавливается в зависимости от порогового уровня заряда, а не от величины нагрузки. Эти принципы отличают системы хранения с расширенным диапазоном действия от параллельных гибридных систем, в которых оба источника могут снабжать нагрузку одновременно. Injet HanCang использует контроллер с программируемыми диапазонами гистерезиса состояния заряда. Нижний диапазон обычно устанавливается на уровне тридцати процентов заряда для запуска генератора. Верхний диапазон установлен на уровне семидесяти процентов для остановки генератора. Этот диапазон гистерезиса в сорок процентных пунктов предотвращает быстрое циклическое включение и выключение.
Методика измерения эффективности
Измерение эффективности хранения энергии с увеличенным радиусом действия требует учета нескольких путей передачи энергии. Основным показателем эффективности является эффективность использования топлива в электроэнергии, когда расширитель диапазона активен. Этот показатель рассчитывается как электрическая энергия, подаваемая в нагрузку, деленная на содержание химической энергии в потребляемом топливе. Второй показатель — эффективность туда и обратно, когда аккумулятор заряжается от сети. Третий показатель — потери в режиме ожидания, который измеряет мощность, потребляемую контроллером и системой управления батареями, когда система находится в режиме ожидания. Injet HanCang измерила эти показатели на парке из двенадцати систем. Эффективность преобразования топлива в электроэнергию составила в среднем тридцать три процента во всех системах. Эффективность сети туда и обратно составила в среднем восемьдесят девять процентов. Потери в режиме ожидания в среднем составляли одну целую две десятых процента номинальной мощности системы в час.
Критерии выбора компонентов
Выбор компонентов для хранения энергии с увеличенным радиусом действия влияет как на производительность, так и на долговечность. Химический состав батареи должен демонстрировать хороший срок службы при частичном заряде. Компания Injet HanCang выбирает литий-железо-фосфатные элементы, поскольку они выдерживают работу при уровне заряда от двадцати до восьмидесяти процентов с минимальным ускоренным старением. Генератор должен иметь возможность работы с переменной скоростью, чтобы соответствовать оптимальной мощности зарядки аккумулятора. Генераторы с фиксированной скоростью, работающие при одной постоянной частоте вращения, имеют более низкий КПД при частичных нагрузках. Выпрямитель, соединяющий генератор с шиной постоянного тока, должен иметь КПД выше девяноста пяти процентов при ожидаемой рабочей мощности. Injet HanCang использует выпрямители на основе карбида кремния для систем мощностью выше ста киловатт.
Операционные данные из приложения для майнинга
Система хранения энергии с увеличенным радиусом действия, развернутая на автономном горнодобывающем объекте в Западной Австралии, предоставила подробные эксплуатационные данные за восемнадцатимесячный период. Средняя нагрузка на объекте составляла двести пятьдесят киловатт, а пиковая — семьсот киловатт. Батарейный блок имел емкость в одну тысячу киловатт-часов. Генератор имел мощность двести пятьдесят киловатт. Система зарегистрировала триста двадцать запусков генератора за этот период. Средняя продолжительность пробега составила три часа. Батарея выполнила сто сорок эквивалентов полного цикла. Деградация мощности составила три целых две целых две целых. Генератор потреблял двенадцать тысяч литров дизельного топлива. Согласно историческим данным, решение, работающее только на генераторе, на том же объекте потребляло бы примерно тридцать пять тысяч литров. Экономия топлива в размере шестидесяти шести процентов стала прямым результатом архитектуры увеличенного запаса хода.
Тепловые характеристики при непрерывной работе
Системы хранения энергии с увеличенным радиусом действия могут работать в течение длительных периодов времени без подключения к сети. Во время таких событий критически важным становится управление температурным режимом. Injet HanCang измерил тепловые характеристики в ходе непрерывного испытания в течение семидесяти двух часов. В тесте использовалась двухсоткиловаттная система с жидкостным охлаждением аккумулятора и принудительным воздушным охлаждением генераторного отсека. Температура окружающей среды во время испытаний колебалась от двадцати восьми до тридцати шести градусов Цельсия. Температура элементов аккумуляторной батареи оставалась между двадцатью шестью и тридцатью четырьмя градусами. Максимальная разница температур между любыми двумя камерами составляла три градуса. Температура в генераторном отсеке достигла пика в пятьдесят четыре градуса, что находится в пределах указанного производителем предела в шестьдесят пять градусов. Система жидкостного охлаждения потребляла в среднем три целых пять десятых киловатта, что составляет одну целую восемь целых процента средней пропускной способности системы.
Сравнение производительности алгоритмов управления
Алгоритм управления, определяющий, когда запускать и останавливать расширитель диапазона, существенно влияет на эффективность системы. Injet HanCang сравнил три алгоритма управления на одной и той же аппаратной платформе за три месяца. Первый алгоритм использовал простые пороговые значения состояния заряда без прогнозирования. Второй алгоритм добавил анализ тенденций нагрузки с использованием скользящего среднего за последние шесть часов. Третий алгоритм использовал семидневную память профиля нагрузки для прогнозирования будущих потребностей в энергии. Простой пороговый алгоритм позволил обеспечить в среднем четыре запуска генератора в день со средней продолжительностью работы один час. Алгоритм тренда нагрузки сократил запуски до трех в день со средней продолжительностью работы в одну целую три часа. Прогнозирующий алгоритм сократил запуски до двух в день со средней продолжительностью запуска в два часа. Общий расход топлива был самым низким для алгоритма прогнозирования: он потреблял восемьдесят пять процентов топлива, используемого простым пороговым алгоритмом.
Статистика надежности из нескольких развертываний
Injet HanCang собрала данные о надежности двадцати двух систем хранения энергии с увеличенным радиусом действия, развернутых в период с 2022 по 2025 год. Общее количество часов работы всех систем превысило сто пятьдесят тысяч часов. Среднее время наработки на отказ всей системы составило четыре тысячи двести часов. Наиболее распространенным видом отказа был отказ пусковой батареи генератора, на который приходилось сорок три процента всех зарегистрированных проблем. Вторым наиболее распространенным видом отказа было загрязнение топлива, составляющее двадцать два процента. На долю сбоев, связанных с батареями, пришлось двенадцать процентов. Проблемы с контроллером и программным обеспечением составили восемнадцать процентов. Остальные пять процентов представляли собой разные вопросы. Эти статистические данные показывают, что надежность подсистемы генератора является основным фактором общей доступности системы.
Экономическое сравнение с альтернативными технологиями
Накопители энергии с увеличенным радиусом действия занимают особую экономическую нишу между автономными батареями и системами, работающими только на генераторах. Компания Injet HanCang провела экономическое сравнение объекта с ежедневной потребностью в энергии в тысячу киловатт-часов и пиковой мощностью в триста киловатт. Для сравнения рассматривался десятилетний операционный горизонт. Автономное аккумуляторное хранилище требовало аккумуляторной батареи на две тысячи киловатт-часов, чтобы обеспечить полную ежедневную энергию без подзарядки. Первоначальная стоимость составила четыреста тысяч долларов, а замена на седьмом году добавила еще двести двадцать тысяч долларов. Для хранения только генератора требовался генератор мощностью триста киловатт с хранилищем топлива. Первоначальная стоимость составила семьдесят тысяч долларов, но ежегодная стоимость топлива составила сорок тысяч долларов, а общая сумма за десять лет составила четыреста семьдесят тысяч долларов. Для хранения с увеличенным запасом хода использовалась батарея на тысячу киловатт-часов и генератор на сто пятьдесят киловатт. Первоначальная стоимость составила двести пятьдесят тысяч долларов плюс семьдесят тысяч за генератор, всего триста двадцать тысяч долларов. Годовая стоимость топлива составила десять тысяч долларов, а общая сумма за десять лет составила сто тысяч долларов. Общая стоимость десятилетнего хранения с увеличенным запасом хода составила четыреста двадцать тысяч долларов по сравнению с шестьюстами двадцатью тысячами для автономной батареи и пятьюстами сорока тысячами только для генератора.
Заключение
Накопитель энергии с увеличенным радиусом действия обеспечивает измеримые экономические и эксплуатационные преимущества для приложений с продолжительностью ежедневной разрядки от четырех до десяти часов. Данные по эффективности развертывания Injet HanCang показывают, что эффективность использования топлива в электроэнергии составляет тридцать три процента, а эффективность сети туда и обратно - восемьдесят девять процентов. Эксплуатационные данные с горнодобывающего объекта продемонстрировали экономию топлива на шестьдесят шесть процентов по сравнению с работой только на генераторе. Статистика надежности показывает, что среднее время наработки на отказ составляет четыре тысячи двести часов, причем основным видом отказа является пусковая батарея генератора. Экономическое сравнение подтверждает, что хранение с расширенным диапазоном имеет самую низкую общую стоимость за десять лет для смоделированного профиля нагрузки.