Растет спрос на солнечные батареи для резервного питания дома

Представьте себе такую ситуацию: с наступлением вечера и отключением электросети ваш район погружается во тьму, а ваш дом остается ярко освещенным, с гудящими приборами и бесперебойно работающими развлекательными системами. Это не научная фантастика — это реальность, которую делают возможной солнечные батареи, работающие в тандеме с системами накопления энергии.

Литий-ионные аккумуляторы, источник питания для таких предметов первой необходимости XXI века, как смартфоны, ноутбуки и электромобили, теперь стали идеальным решением для хранения солнечной энергии. Но как именно солнечные батареи хранят и высвобождают энергию? Какие факторы влияют на их производительность? В этой статье рассматривается хранение энергии в жилых домах с аналитической точки зрения, изучаются принципы работы, модели применения и стратегии выбора.

Основная функция солнечных батарей — хранить избыточную электроэнергию, вырабатываемую солнечными панелями, для последующего использования. Это обеспечивает непрерывный доступ к чистой энергии даже в ночное время или в пасмурные дни. Поскольку системы «солнце плюс хранение» представляют собой значительные инвестиции, понимание их синергии имеет решающее значение.

Когда солнечный свет попадает на солнечные панели, фотоэлектрический эффект преобразует свет в электрическую энергию. Солнечные панели генерируют постоянный ток (DC), который соответствует входным требованиям для зарядки аккумулятора. Однако дома и электросети работают на переменном токе (AC), что требует преобразования перед использованием в домашних условиях.

Две основные конфигурации системы обрабатывают это преобразование по-разному:

• Системы с прямой связью (DC-coupled): Солнечный постоянный ток (DC) напрямую поступает в аккумуляторы для хранения или преобразуется в переменный ток (AC) с помощью встроенных инверторов для немедленного использования в доме.
• Системы с переменной связью (AC-coupled): Солнечный постоянный ток (DC) преобразуется в переменный ток (AC) немедленно через солнечные инверторы для использования в доме, а избыточная энергия преобразуется обратно в постоянный ток (DC) инверторами аккумуляторов для хранения.

Каждое преобразование между переменным и постоянным током приводит к незначительной потере энергии из-за рассеивания тепла. Системы с прямой связью (DC-coupled) обычно оказываются более эффективными за счет минимизации этапов преобразования. Однако модернизация аккумуляторов с прямой связью (DC-coupled) оказывается сложной задачей для существующих солнечных систем с микроинверторами на уровне панелей.

Когда аккумуляторы достигают полной емкости, избыточная солнечная энергия обычно подается в местную электросеть. Большинство коммунальных предприятий компенсируют владельцам солнечных батарей эту экспортированную электроэнергию посредством кредитов в счетах.

Когда домашнее хозяйство требует накопленной энергии, инверторы аккумуляторов преобразуют постоянный ток (DC) обратно в переменный ток (AC), распределяя энергию через электрическую панель дома. Современные литий-ионные аккумуляторы могут разряжаться на 85–100% от накопленной емкости без значительного ухудшения срока службы, хотя реальная эффективность учитывает потери при преобразовании.

Солнечные батареи в основном работают в трех конфигурациях: режим резервного питания, режим самопотребления или гибридные комбинации. Модели использования определяют поведение системы и эксплуатационные характеристики.

Эта хорошо известная функция обеспечивает аварийное питание во время отключений электроэнергии. В отличие от автономных солнечных систем, которые автоматически отключаются во время отключений (для безопасности работников коммунальных служб), системы с резервным питанием от аккумуляторов продолжают работать.

Резервные системы обычно подключаются к выделенным панелям критической нагрузки, которые отдают приоритет основным цепям, таким как холодильное оборудование, освещение, медицинские устройства и системы связи во время отключений.

Эта стратегия экономии средств максимизирует использование солнечной энергии за счет минимизации взаимодействия с сетью — особенно ценно для пользователей, сталкивающихся с неблагоприятной политикой чистого учета или тарифами в зависимости от времени использования. В отличие от резервных систем, которые поддерживают полную зарядку, аккумуляторы самопотребления работают ежедневно, заряжаясь от избытка солнечной энергии и разряжаясь в периоды пикового спроса.

Некоторые системы сочетают обе функциональности, хотя и с эксплуатационными компромиссами. Модели самопотребления обычно поддерживают более низкие состояния заряда, требуя ручного переключения в режим резервного копирования при ожидании отключений из-за экстремальных погодных условий.

Литий-ионные солнечные батареи работают по тем же электрохимическим принципам, что и их меньшие аналоги в потребительской электронике. Внутри каждой ячейки аккумулятора ионы лития перемещаются между отрицательными анодами и положительными катодами через мембраны электролита, высвобождая электроны, которые генерируют электрический ток.

Во время разрядки ионы перемещаются от анода к катоду, в то время как электроны питают внешние устройства. Зарядка обращает этот процесс, при этом солнечная энергия заставляет ионы возвращаться к аноду для восстановления энергетического потенциала. Общие варианты литий-ионных аккумуляторов включают литий-никель-марганец-кобальт (NMC) и литий-железо-фосфат (LFP), различающиеся по составу катода.

• Домашние аккумуляторы обеспечивают стратегическое хранение солнечной энергии для гибкого использования
• Режимы работы определяют модели зарядки/разрядки и приоритеты системы
• Литий-ионная технология использует электрохимические реакции для эффективного хранения энергии

Они хранят избыточную солнечную энергию для последующего использования, либо для аварийного резервного питания во время отключений, либо для ежедневной экономии средств за счет стратегического самопотребления.

Системы, подключенные к сети, обычно экспортируют излишки в коммунальную сеть в обмен на кредиты в счетах.

Продолжительность зависит от емкости аккумулятора и требований к нагрузке. Исследования показывают, что система на 10 кВтч обычно может поддерживать критические нагрузки (исключая HVAC) в течение как минимум трех дней.