Desenvolvimento acelerado de sistemas integrados de-armazenamento-de carregamento solar: integração de sistemas de armazenamento de energia e aplicações de vários-cenários entram em fase de implementação aprofundada

Impulsionada pela crescente procura de carregamento de veículos eléctricos (EV), pela crescente penetração da energia fotovoltaica distribuída (PV) e pela expansão contínua das aplicações de armazenamento de energia industrial e comercial, a sinergia entre a energia fotovoltaica, o armazenamento de energia e a infra-estrutura de carregamento está a fortalecer-se. Nos últimos anos, os sistemas de carregamento de-armazenamento-fotovoltaico evoluíram de simples combinações de dispositivos individuais para sistemas de energia integrados; seus cenários de aplicação se expandiram além das estações de carregamento tradicionais para incluir parques industriais, complexos comerciais, centros de transporte, centros de logística e áreas-fora da rede.

 

Tecnologicamente, o núcleo de um sistema de carregamento de-armazenamento-PV não reside apenas na co-localização de módulos fotovoltaicos, baterias de armazenamento de energia e equipamentos de carregamento em um único local, mas em alcançar uma operação coordenada entre esses diversos ativos de energia por meio de barramentos CC, conversores de armazenamento de energia, sistemas de gerenciamento de energia e unidades de controle de energia.

 

O sistema ajusta dinamicamente os fluxos de energia com base em fatores como produção de geração fotovoltaica, estado de-carga-de armazenamento de energia (SoC), carga de carregamento, capacidade da rede e preços de eletricidade-em tempo real. Isso otimiza a utilização de energia renovável e mitiga o impacto instantâneo da alta-carga de energia no sistema de distribuição de energia.

 

 

 

As primeiras infraestruturas de carregamento de veículos elétricos dependiam principalmente de energia direta da rede, com equipamentos de carregamento operando independentemente dos sistemas fotovoltaicos e de armazenamento de energia. À medida que os níveis de potência de carregamento aumentaram, os modelos tradicionais de distribuição de energia enfrentaram restrições relacionadas com a capacidade do transformador, linhas de distribuição e exigências de carga de pico. Consequentemente, a integração do armazenamento de energia para armazenar energia-combinada com a geração fotovoltaica para fornecer eletricidade verde-emergiu como uma arquitetura de sistema vital, especialmente em cenários com capacidade de distribuição existente limitada.

 

Nesta configuração, o sistema de armazenamento de energia atua como um buffer de energia e regulador de energia. Ele pode atender às demandas instantâneas de energia durante picos de carga e armazenar energia excedente durante períodos de baixa carga ou alta geração fotovoltaica. Em regiões com preços de eletricidade de{2}}tempo de{3}}uso (ToU), os sistemas de armazenamento de energia também podem coordenar cronogramas de carga e descarga com base em estratégias de gerenciamento de energia.

 

Em termos de estrutura de produto, os sistemas de carregamento-de armazenamento-fotovoltaico atualmente no mercado geralmente se enquadram em duas categorias: produtos altamente integrados "tudo{2}}em{3}}um" e soluções que compreendem componentes modulares separados. As soluções integradas normalmente apresentam um alto nível de integração entre baterias de armazenamento de energia, unidades de conversão de energia, distribuição de energia, infraestrutura de carregamento e módulos de controle, reduzindo assim o número-de componentes e pontos de conexão no local.

 

Por outro lado, as soluções de{0}sistema dividido envolvem a configuração separada de equipamentos fotovoltaicos, de armazenamento de energia, de carregamento e de distribuição de energia com base na escala do projeto e nas condições do local, contando com uma plataforma de gerenciamento de energia para coordenar as operações do sistema.

 

Essa evolução na forma do produto impulsionou o desenvolvimento de componentes auxiliares-como gabinetes de armazenamento, conectores de energia, sistemas de barramento, estruturas de isolamento e conjuntos de gerenciamento térmico-em direção à modularidade, padronização e maior integração.

 

Os sistemas de armazenamento de energia servem como uma base crucial para a operação coordenada de sistemas solares-mais-de armazenamento-mais{3}}de carregamento solar.

 

Em sistemas de-mais-armazenamento-mais-de carregamento solar, o equipamento de armazenamento de energia não apenas armazena energia elétrica, mas também influencia diretamente os recursos de resposta de energia e a estabilidade operacional do sistema. À medida que a capacidade de armazenamento de energia e as classificações de potência aumentam, estes sistemas estão a evoluir de simples armários de baterias para unidades abrangentes que coordenam vários subsistemas, incluindo baterias, PCS (sistemas de conversão de energia), distribuição de energia, supressão de incêndios, gestão térmica e EMS (sistemas de gestão de energia).

 

Os sistemas típicos de armazenamento de energia de bateria LiFePO4 utilizam unidades de bateria modulares, conectando vários módulos em série e paralelo para atingir a tensão e capacidade necessárias do sistema. Essa estrutura modular facilita o transporte, a instalação e a manutenção, ao mesmo tempo que permite a expansão da capacidade do sistema com base nos requisitos do projeto.

 

Para aplicações em salas de equipamentos, parques industriais e instalações industriais, os sistemas modulares de armazenamento de energia de bateria podem ser configurados de forma flexível para atender às demandas de espaço e carga disponíveis. O projeto do sistema deve levar em consideração fatores como capacidade da bateria, potência de pico de carga/descarga, ciclo de vida, temperatura ambiente e liberação de manutenção, em vez de determinar as especificações do equipamento com base apenas na capacidade da bateria.

 

Com mais avanços na integração de sistemas, algumas unidades abrigam baterias, PCS, sistemas de distribuição de energia, gerenciamento térmico e sistemas de supressão de incêndio em um único gabinete. Esses gabinetes integrados de armazenamento de energia comercial e industrial são adequados para parques industriais, edifícios comerciais e novos locais de energia de pequeno-a{2}}médio-tamanho, pois reduzem-o trabalho de instalação no local e encurtam os prazos de implantação.

 

 

À medida que a potência e a capacidade dos sistemas de armazenamento de energia aumentam, o armário de armazenamento evoluiu de uma simples estrutura de montagem para baterias para um conjunto abrangente que suporta ligações eléctricas, gestão térmica e funções de protecção de segurança.

 

O interior de um gabinete de armazenamento de energia normalmente acomoda módulos de bateria, barramentos, disjuntores, fusíveis, contatores, sistemas de aquisição de dados e componentes de conexão de{0}alta/baixa tensão. Devem ser mantidas distâncias adequadas de isolamento e fuga entre os vários módulos elétricos; além disso, fatores como roteamento do chicote elétrico, espaço para manutenção e caminhos de transferência de calor devem ser considerados.

 

Para aplicações externas, o gabinete deve resistir a fatores ambientais como chuva, poeira, névoa salina, radiação solar e flutuações de temperatura. Conseqüentemente, os sistemas de armazenamento de energia-do tipo gabinete externo normalmente exigem projetos que incorporem estruturas de vedação, tratamentos anti-corrosão, sistemas de gerenciamento térmico e classificações específicas de proteção de entrada (IP).

 

Em ambientes industriais costeiros, com alta{0}}umidade ou altamente poluídos, a escolha dos materiais do gabinete e dos tratamentos de superfície é fundamental.

 

Os gabinetes de armazenamento de energia externos em aço inoxidável aproveitam a resistência à corrosão inerente do material para mitigar os riscos estruturais associados à exposição ambiental-de longo prazo; entretanto, a seleção específica do material ainda requer uma avaliação abrangente baseada na resistência, custo, peso, processos de fabricação e condições do local.

 

 

 

Durante a operação de sistemas de armazenamento de energia, o calor é gerado pelas células da bateria, pelo Sistema de Conversão de Energia (PCS) e por outros componentes de energia. À medida que a densidade de energia do sistema aumenta, o gerenciamento térmico se tornou um fator crucial que influencia a operação-de longo prazo dos equipamentos de armazenamento de energia.

 

Unidades de armazenamento de energia de pequeno-a{1}}médio- porte geralmente utilizam soluções de-resfriamento de ar, dissipando calor por meio de dutos de ar, ventiladores e estruturas de troca de calor. Essa abordagem oferece uma estrutura relativamente simples e facilidade de manutenção, o que a torna-adequada para determinadas aplicações de armazenamento de energia comercial e industrial. Por exemplo, um gabinete personalizado de armazenamento de energia refrigerado a ar-integrado de 215 kWh permite o design integrado de módulos de bateria, dutos de ar e componentes de distribuição de energia adaptados às capacidades específicas do projeto e às restrições do local.

 

Para sistemas de armazenamento de energia de alta-densidade-e alta-potência, as soluções de refrigeração líquida oferecem vantagens em uniformidade de temperatura e eficiência de gerenciamento térmico usando refrigerante para remover diretamente o calor gerado pelas células da bateria e componentes de energia. Produtos como gabinetes de armazenamento de energia integrados-refrigerados a líquido para aplicações de energia eólica são projetados principalmente para cenários de armazenamento de energia eólica, solar e em grande-escala.

 

Independentemente de ser empregado resfriamento a ar ou líquido, o projeto de gerenciamento térmico deve ser considerado em conjunto com o layout da bateria, as conexões elétricas e a estrutura do gabinete. Pontos de acesso localizados podem prejudicar o desempenho da bateria e acelerar a degradação do material; portanto, o monitoramento da temperatura, o equilíbrio térmico e os mecanismos de alerta de falhas devem ser integrados ao projeto geral do sistema.

 

 

Outra tendência significativa no desenvolvimento de sistemas de carregamento de-armazenamento-solar é o acoplamento do lado-CC. Nos sistemas tradicionais, a energia fotovoltaica (PV) deve passar através de um inversor para se conectar à rede CA antes de sofrer conversão adicional de energia através de equipamentos de carregamento ou sistemas de armazenamento de energia; esse processo geralmente envolve vários estágios de conversão de energia.

 

Por outro lado, as arquiteturas acopladas-CC permitem a coordenação de energia entre a geração fotovoltaica, o armazenamento de energia e o carregamento de cargas diretamente no lado CC, eliminando assim certas etapas de conversão. Para aplicações de carregamento CC e armazenamento de energia de alta-potência, essa arquitetura ajuda a encurtar os caminhos de transmissão de energia e melhora a eficiência geral do gerenciamento de energia do sistema.

 

Os gabinetes de sistema de carregamento de-armazenamento-PV "tudo{0}}em-um" geralmente apresentam um design integrado que combina entradas FV, ​​unidades de armazenamento de energia, conversão de energia e funções de gerenciamento de energia, permitindo que o equipamento despache energia dinamicamente entre diferentes fontes com base nos-requisitos do local.

 

Ao mesmo tempo, as conexões de energia entre os lados fotovoltaico e de armazenamento de energia impõem maiores demandas a componentes como barramentos, conectores e materiais de isolamento. Sob condições operacionais de alta-corrente, fatores como área de seção transversal-do condutor, resistência de contato, aumento de temperatura e folga do isolamento afetam diretamente a estabilidade operacional-de longo prazo do sistema.

 

 

À medida que os sistemas de armazenamento de energia se expandem de salas de equipamentos internas para locais externos, a adaptabilidade ambiental tornou-se uma métrica crítica no design de produtos. Os equipamentos de armazenamento de energia externos devem resistir à exposição-de longo prazo a fatores como temperaturas altas e baixas, umidade, chuva, poeira, névoa salina e radiação ultravioleta (UV).

 

O projeto estrutural de gabinetes de armazenamento de energia externos requer uma abordagem abrangente que equilibre as classificações de proteção contra entrada, capacidades de dissipação de calor, segurança elétrica e requisitos de manutenção. O gabinete não deve apenas proteger a bateria interna e os componentes elétricos, mas também fornecer espaço adequado para sistemas de supressão de incêndio, gerenciamento térmico e manutenção.

 

Para projetos combinados com energia eólica ou solar, os equipamentos de armazenamento de energia são frequentemente instalados em áreas remotas, longe da infraestrutura urbana, tornando a confiabilidade dos equipamentos e as capacidades de operação e manutenção remota (O&M) particularmente importantes. Os sistemas devem utilizar sensores, sistemas de gerenciamento de bateria (BMS) e sistemas de gerenciamento de energia (EMS) para monitorar continuamente o status da bateria, temperatura, tensão, corrente e anomalias operacionais, enquanto transmitem dados operacionais para uma plataforma de monitoramento central por meio de sistemas de comunicação.

 

Esta evolução está transformando equipamentos de armazenamento de energia de simples “armários de baterias” em nós de energia inteligentes capazes de detectar, controlar, comunicar e gerenciar energia.

 

 

À medida que a escala dos sistemas de armazenamento de energia cresce, a importância das estratégias de controlo do sistema continua a aumentar. Embora os sistemas tradicionais de armazenamento de energia carreguem e descarreguem principalmente com base em programações fixas ou níveis de energia predefinidos, os sistemas de gerenciamento de energia da próxima{1}}geração devem considerar simultaneamente previsões meteorológicas, produção fotovoltaica (PV), perfis de carga, flutuações no preço da eletricidade e status da bateria.

 

Quando a demanda de carregamento é baixa e a produção fotovoltaica é alta, o sistema pode priorizar o uso de energia solar enquanto armazena o excedente; quando a demanda de carregamento aumenta, o sistema de armazenamento pode fornecer energia suplementar para reduzir a carga instantânea na rede; e durante períodos de preços baixos da electricidade, o sistema pode recarregar com base em estratégias operacionais.

 

Esta abordagem de programação dinâmica significa que o valor dos sistemas de armazenamento de energia evoluiu do simples armazenamento de eletricidade para abranger o gerenciamento e a otimização de energia.

 

Ao mesmo tempo, a arquitetura interna de interconexão de energia dos equipamentos de armazenamento de energia deve estar alinhada com esses modos operacionais dinâmicos. Ciclos de carga/descarga de alta-frequência e operação de{2}}alta corrente aumentam o estresse do ciclo térmico em barramentos, conectores e terminais; portanto, o projeto estrutural deve não apenas atender aos requisitos de corrente nominal, mas também levar em conta-o ciclo térmico, a vibração mecânica e a confiabilidade da conexão a longo prazo.

 

 

Os projetos de armazenamento de energia variam significativamente de acordo com o cenário de aplicação, com diferentes clientes tendo requisitos distintos em relação à capacidade, potência, níveis de tensão, espaço de instalação e métodos de resfriamento. Consequentemente, o design modular está se tornando uma direção crucial para o desenvolvimento de produtos neste setor.

 

Os sistemas de baterias modulares permitem o dimensionamento de unidades de baterias com base na capacidade do projeto; Sistemas modulares de conversão de energia (PCS) podem ser configurados de acordo com os requisitos de energia da carga; e projetos de gabinetes modulares reduzem a complexidade de produção e instalação por meio de estruturas padronizadas.

 

Para sistemas de armazenamento de energia em grande-escala, o design modular também facilita o transporte de equipamentos e a manutenção-no local. Se um módulo de bateria ou unidade elétrica específico apresentar mau funcionamento, a manutenção-no nível do módulo poderá minimizar o impacto na operação geral do sistema.

 

Do ponto de vista estrutural, o design modular exige alta consistência de interface entre gabinetes, barramentos, chicotes elétricos, conectores e componentes de isolamento. Interfaces padronizadas reduzem as tolerâncias de montagem entre módulos e simplificam os procedimentos operacionais durante a manutenção subsequente.

 

 

A aplicação de sistemas integrados de carregamento de-armazenamento-fotovoltaico está atualmente se expandindo além das estações de carregamento públicas tradicionais para uma gama mais ampla de cenários. Em complexos comerciais, os sistemas podem utilizar energia solar nos telhados combinada com armazenamento de energia para reduzir a carga da rede durante os horários de pico; em parques industriais, o armazenamento de energia pode equilibrar a demanda-de pico e fora de pico em relação às cargas de produção; e em parques logísticos e estações de carregamento-de caminhões pesados-onde o carregamento-de alta potência impõe grandes demandas à capacidade de distribuição-o armazenamento de energia serve como um buffer de energia.

 

Em áreas remotas ou regiões com cobertura insuficiente da rede, o armazenamento de energia pode ser combinado com fontes renováveis ​​como a solar e a eólica para formar sistemas energéticos relativamente independentes. Os gabinetes de armazenamento de energia fotovoltaica são adequados-para essas aplicações integradas, usando unidades de armazenamento para suavizar a produção de energia solar e aumentar a flexibilidade da utilização de energia renovável.

 

Enquanto isso, a tecnologia de conexão de alta-tensão nos sistemas elétricos de veículos de nova energia (NEV) também está evoluindo. À medida que as tensões da plataforma dos veículos elétricos aumentam e a potência de carregamento aumenta, os sistemas de distribuição de energia de alta-tensão exigem padrões mais elevados para barramentos, estruturas de isolamento, terminais e componentes de conexão. Consequentemente, as fronteiras tecnológicas entre armazenamento de energia e NEVs estão se confundindo, permitindo que certas tecnologias de conexão elétrica de alta{4}tensão sejam aplicadas em diferentes tipos de equipamentos de energia.
 

 

 

Observando a evolução recente dos produtos de carregamento de-armazenamento-solar, a concorrência de mercado não está mais limitada a métricas como capacidade de armazenamento, potência de carregamento ou especificações de equipamentos individuais; em vez disso, o foco mudou para capacidades de integração de sistemas, gerenciamento de energia, confiabilidade operacional e custos totais do ciclo de vida.

 

Os produtos integrados reduzem-os requisitos de instalação no local, mas aumentam a complexidade do design do sistema interno; sistemas divididos oferecem maior flexibilidade, mas exigem gerenciamento de energia e coordenação-de nível de sistema mais sofisticados. Portanto, não existe uma abordagem única “melhor”; a escolha depende de fatores como escala do projeto, condições de distribuição de energia, ambiente do local e modos operacionais.

 

No futuro, os sistemas de carregamento de-armazenamento-solar poderão integrar-se ainda mais a usinas de energia virtuais, mecanismos de resposta-da demanda, microrredes e mercados de comércio de eletricidade. Esta transformação fará evoluir as unidades de armazenamento de energia, de simples dispositivos de armazenamento para nós de energia distribuída capazes de participar na regulação da rede.

 

Ao mesmo tempo, os componentes internos dos gabinetes de armazenamento de energia,-incluindo distribuição de alta-tensão, sistemas de barramentos, isolamento, estruturas de gerenciamento térmico e projetos de proteção de segurança-continuarão passando por atualizações. Para unidades de armazenamento de energia de alta-capacidade, o equilíbrio entre densidade de potência, desempenho térmico, segurança elétrica, facilidade de manutenção e consistência de fabricação dentro de um espaço de gabinete limitado será o foco principal do projeto de engenharia estrutural.

 

 

No geral, o setor de-armazenamento-de carregamento solar está evoluindo de combinações simples de equipamentos para sistemas integrados, de operações de-função única para despacho inteligente e de aplicativos-ligados à rede para operações coordenadas na-rede e fora-da rede. Os sistemas de armazenamento de energia desempenham diversas funções,-incluindo buffer de energia, regulação de energia e garantia da segurança do sistema-enquanto os gabinetes de armazenamento de energia estão se transformando de simples compartimentos de bateria em unidades abrangentes que integram sistemas elétricos, gerenciamento térmico, proteção contra incêndio, mecanismos de controle e recursos de comunicação.

 

Os futuros projetos de carregamento de-armazenamento-solar exigirão mais do que apenas foco na capacidade da bateria e na energia de carregamento; eles exigirão design colaborativo em diversas dimensões-como arquitetura de sistema, estrutura de gabinete, conexões elétricas, gerenciamento térmico, isolamento, estratégias de controle e sistemas de O&M-para atender às crescentes-demandas de densidade de energia e confiabilidade operacional em diversos cenários de aplicação.

 

Em relação às compras de engenharia, a seleção dearmários de armazenamento de energiae seus componentes elétricos internos devem basear-se em uma avaliação abrangente dos níveis de tensão, corrente nominal, capacidade, métodos de resfriamento, condições ambientais, estruturas de instalação e requisitos de manutenção, com prioridade dada à verificação da compatibilidade da interface entre os principais componentes e o sistema geral.