Солнечная интеграция: основы солнечной энергии и хранения

Проект AES Lawai Solar на Кауаи, Гавайи, включает в себя аккумуляторную систему хранения энергии мощностью 100 мегаватт-часов в сочетании с солнечной фотоэлектрической системой.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии

Иногда два лучше, чем один. Одним из таких случаев является сочетание технологий солнечной энергии и хранения. Причина: солнечная энергия не всегда производится в то время, когда она больше всего нужна. Пиковое энергопотребление часто приходится на летние дни и вечера, когда падает выработка солнечной энергии. В это время температура может быть самой высокой, и люди, которые работают в дневное время, возвращаются домой и начинают использовать электричество для охлаждения своих домов, приготовления пищи и запуска приборов.

Хранение помогает солнечной энергии вносить свой вклад в электроснабжение, даже когда солнце не светит. Это также может помочь сгладить различия в том, как солнечная энергия течет по сети. Эти различия связаны с изменениями количества солнечного света, попадающего на фотоэлектрические (PV) панели или системы концентрации солнечной тепловой энергии (CSP). На производство солнечной энергии могут влиять сезон, время суток, облачность, пыль, дымка или препятствия, такие как тени, дождь, снег и грязь. Иногда хранилище энергии совмещается с системой солнечной энергии или размещается рядом с ней, а иногда система хранения стоит отдельно, но в любой конфигурации она может помочь более эффективно интегрировать солнечную энергию в энергетический ландшафт.

Что такое хранение энергии?

«Хранение» относится к технологиям, которые могут улавливать электричество, хранить его как другую форму энергии (химическую, тепловую, механическую), а затем высвобождать ее для использования, когда это необходимо. Литий-ионные аккумуляторы являются одной из таких технологий. Хотя использование накопления энергии никогда не бывает эффективным на 100 % — некоторая часть энергии всегда теряется при преобразовании энергии и ее извлечении, — хранение позволяет гибко использовать энергию в разное время, когда она была произведена.Таким образом, хранение может повысить эффективность и отказоустойчивость системы, а также улучшить качество электроэнергии за счет согласования спроса и предложения.

Хранилища различаются как по энергоемкости, которая представляет собой общее количество энергии, которое может быть сохранено (обычно в киловатт-часах или мегаватт-часах), так и по мощности, которая представляет собой количество энергии, которое может быть высвобождено в данный момент времени ( обычно в киловаттах или мегаваттах). Разные энергетические и энергетические мощности накопителей могут использоваться для решения разных задач. Краткосрочное хранение, которое длится всего несколько минут, обеспечит бесперебойную работу солнечной электростанции во время колебаний мощности из-за проходящих облаков, в то время как более долгосрочное хранение может помочь обеспечить поставку в течение нескольких дней или недель, когда производство солнечной энергии низкое или во время серьезного погодного явления. , Например.

Преимущества сочетания аккумулирования и солнечной энергии

1. Балансировка электрических нагрузок – Без хранения электроэнергия должна вырабатываться и потребляться одновременно, что может означать, что операторы сети отключают часть генерации или «сокращают» ее, чтобы избежать проблем с перепроизводством и надежностью сети. И наоборот, могут быть другие времена, после захода солнца или в пасмурные дни, когда солнечной энергии мало, но есть большой спрос на электроэнергию. Введите хранилище, которое можно заполнить или зарядить, когда выработка высокая, а потребление энергии низкое, а затем раздать, когда нагрузка или спрос высоки. Когда часть электричества, произведенного солнцем, помещается в хранилище, это электричество можно использовать всякий раз, когда оно нужно операторам сети, в том числе после захода солнца. Таким образом, хранение действует как страховой полис от солнечного света.
2. «Укрепляющая» солнечная генерация – Кратковременное хранение может гарантировать, что быстрые изменения в генерации не сильно повлияют на мощность солнечной электростанции. Например, небольшая батарея может использоваться для преодоления кратковременного сбоя генерации из-за пролетающего облака, помогая сети поддерживать «устойчивое» электроснабжение, которое является надежным и стабильным.
3. Обеспечение устойчивости – Солнечная энергия и аккумулирование могут обеспечить резервное питание во время отключения электроэнергии. Они могут поддерживать работу критически важных объектов для обеспечения непрерывности основных услуг, таких как связь. Солнечная энергия и накопители также могут использоваться для микросетей и приложений меньшего масштаба, таких как мобильные или портативные блоки питания.

Типы накопителей энергии

Наиболее распространенным типом хранения энергии в энергосистеме является насосная гидроэнергетика. Но технологии хранения, наиболее часто связанные с солнечными электростанциями, представляют собой электрохимическое хранение (батареи) с фотоэлектрическими установками и хранение тепла (жидкости) с установками CSP. Другие типы хранилищ, такие как хранилища сжатого воздуха и маховики, могут иметь другие характеристики, такие как очень быстрая разгрузка или очень большая емкость, что делает их привлекательными для операторов энергосистем. Более подробная информация о других типах хранилищ приведена ниже.

ГАЭС

Гидроаккумулирующая энергетика — это технология накопления энергии, основанная на воде. Электрическая энергия используется для перекачивания воды вверх в водохранилище, когда потребность в энергии невелика. Позже вода может течь обратно вниз по склону и вращать турбину для выработки электроэнергии, когда спрос высок. Насосная гидроэнергетика — это хорошо проверенная и зрелая технология хранения, которая используется в Соединенных Штатах с 1929 года. Однако она требует подходящих ландшафтов и резервуаров, которые могут быть естественными озерами или искусственными путем строительства дамб, что требует длительных разрешений регулирующих органов, длительных сроки реализации и большой первоначальный капитал. Помимо энергетического арбитража, стоимость услуг насосных гидроэлектростанций для интеграции переменных возобновляемых источников энергии не полностью реализована, что может увеличить период финансовой окупаемости. Таковы некоторые из причин, по которым в последнее время гидроэлектростанции не строились, хотя интерес очевиден из запросов в Федеральную комиссию по регулированию энергетики о предварительных разрешениях и лицензиях.

Электрохимический склад

Многие из нас знакомы с электрохимическими батареями, такими как в ноутбуках и мобильных телефонах.Когда электричество подается в батарею, оно вызывает химическую реакцию, и энергия сохраняется. Когда батарея разряжается, эта химическая реакция меняется на обратную, что создает напряжение между двумя электрическими контактами, в результате чего из батареи течет ток. Наиболее распространенный химический состав для аккумуляторных элементов — литий-ионный, но другие распространенные варианты включают свинцово-кислотные, натриевые и никелевые батареи.

Хранение тепловой энергии

Аккумулирование тепловой энергии — это семейство технологий, в которых жидкость, такая как вода или расплавленная соль, или другой материал используется для хранения тепла. Затем этот теплоаккумулирующий материал хранится в изолированном резервуаре до тех пор, пока не потребуется энергия. Энергия может использоваться непосредственно для обогрева и охлаждения или для производства электроэнергии. В системах хранения тепловой энергии, предназначенных для электричества, тепло используется для кипячения воды. Полученный пар приводит в действие турбину и производит электроэнергию с использованием того же оборудования, которое используется на обычных электростанциях. Аккумулирование тепловой энергии полезно в установках CSP, которые фокусируют солнечный свет на приемнике для нагрева рабочей жидкости. Сверхкритический диоксид углерода исследуется в качестве рабочей жидкости, которая может использовать преимущества более высоких температур и уменьшить размер электростанций.

Хранение маховика

Маховик представляет собой тяжелое колесо, прикрепленное к вращающемуся валу. Расход энергии может заставить колесо вращаться быстрее. Эту энергию можно извлечь, подключив колесо к электрическому генератору, который использует электромагнетизм для замедления вращения колеса и выработки электроэнергии. Хотя маховики могут быстро обеспечить мощность, они не могут хранить много энергии.

Хранение сжатого воздуха

Системы хранения сжатого воздуха состоят из больших емкостей, таких как резервуары, или естественных образований, таких как пещеры. Компрессорная система накачивает сосуды сжатым воздухом. Затем воздух можно выпустить и использовать для привода турбины, вырабатывающей электричество.Существующие системы хранения энергии на сжатом воздухе часто используют высвобождаемый воздух как часть энергетического цикла природного газа для производства электроэнергии.

Солнечное топливо

Солнечную энергию можно использовать для создания новых видов топлива, которые можно сжигать (сжигать) или потреблять для получения энергии, эффективно сохраняя солнечную энергию в химических связях. Среди возможных видов топлива, которые изучают исследователи, — водород, полученный путем отделения его от кислорода в воде, и метан, полученный путем объединения водорода и углекислого газа. Метан является основным компонентом природного газа, который обычно используется для производства электроэнергии или отопления домов.

Виртуальное хранилище

Энергию также можно сохранить, изменив то, как мы используем уже имеющиеся у нас устройства. Например, нагревая или охлаждая здание перед ожидаемым пиком потребления электроэнергии, здание может «аккумулировать» эту тепловую энергию, поэтому ему не нужно потреблять электричество позже в течение дня. Само здание действует как термос, сохраняя холодный или теплый воздух. Аналогичный процесс можно применить к водонагревателям, чтобы распределить спрос в течение дня.

В конечном счете, частные и коммерческие потребители солнечной энергии, а также коммунальные предприятия и крупные операторы солнечной энергии могут извлечь выгоду из систем, сочетающих солнечную энергию и аккумулирование. По мере продолжения исследований и снижения стоимости солнечной энергии и ее хранения решения для солнечной энергии и хранения станут более доступными для всех американцев.

Дополнительная информация

Узнайте больше о программе интеграции систем Solar Office.

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы быть в курсе последних новостей.