PVPVPS任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)國際能源署（IEA），成立于1974年，是經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）框架內(nèi)的獨立機構(gòu)。技術(shù)合作計劃（TCP）的創(chuàng)建是基于一種信念，即能源安全與可持續(xù)的未來始于全球合作。該計劃匯集了來自政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的6000名專家，致力于推進共同研究和特定能源技術(shù)的應(yīng)用。國際能源署光伏發(fā)電系統(tǒng)計劃（IEAPVPS）是國際能源署內(nèi)的一項合作計劃，成立于1993年。該計劃的使命是“加強國際合作，促進光伏太陽能作為可持續(xù)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型基石的作用。”為實現(xiàn)這一目標(biāo)，該計劃參與者開展了多種光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的聯(lián)合研究項目。整個計劃由一個執(zhí)行委員會負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)，該委員會由每個國家或組織成員派出一名代表組成，該委員會指能是研究項目或活動領(lǐng)域。國際能源署光伏計劃（IEAPVPS）的27個參與國是澳大利亞、奧地利、比利時、加拿大、中國、丹麥、芬蘭、法國、德國、印度、以色列、意大利、日本、韓國、馬來西亞、摩洛哥、荷蘭、挪威、葡萄牙、南非、西班牙、瑞典、瑞士、泰國、土耳其、英國和美國。歐盟委員會、歐洲太陽能光伏行業(yè)聯(lián)合會（SolarPowerEurope）以及新加坡太陽能研究所也是成員國。國際能源署光伏發(fā)電系統(tǒng)計劃第18項任務(wù)的目標(biāo)是找出影響離網(wǎng)和網(wǎng)邊系統(tǒng)規(guī)劃、融資、設(shè)計、建設(shè)和運維的技術(shù)問題及障礙，特別是那些跨越國家、市場和系統(tǒng)規(guī)模的常見問題，并為可能從中受益的人們免費提供解決方案、工具、指南和技術(shù)報告。針對離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)將重點關(guān)注的問題將集中于：?可靠性：一個能夠在高度自信的情況下產(chǎn)生和分配能源以滿足連接者的需求的系統(tǒng)?彈性：一個能夠承受或快速從自然災(zāi)害、蓄意干擾或事故中恢復(fù)的系統(tǒng)?安全性：一個能夠持續(xù)負(fù)擔(dān)得起并為相關(guān)需求提供不間斷能源的系統(tǒng)免責(zé)聲明免責(zé)聲明國際太陽能光伏計劃（IEAPVPS）TCP是在國際能源署（IEA）的支持下組織的，但在職能和法律上是獨立的。IEAPVPSTCP的觀點、發(fā)現(xiàn)和出版物不一定代表IEA秘書處或其單個成員國views或政策。版權(quán)聲明本內(nèi)容可自由使用、復(fù)制和再次分發(fā)，但需注明適當(dāng)出處（請參考‘建議引用’）。例外情況是，某些已授權(quán)的圖片可能不允許復(fù)制，如各個圖片說明中建議引用羅森費爾德，S.，姆哈納，J.，博普，G.，繆勒，M.，特里德勒，S.，斯托茨，F(xiàn).，蓋澤，N.，馬特爾，C.，奧爾特斯，J.，羅登，P.（2025）。斯托茨，F(xiàn).（編），封面圖片國際能源署光伏發(fā)電系統(tǒng)計劃離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)4任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)作者們主要內(nèi)容西蒙·羅森費爾德，羅爾斯·羅伊斯解決方案公司，德國賈德·赫南納，阿桑蒂斯公司，德國喬治·博普，弗勞恩霍夫太陽能研究所，德國邁克爾·穆勒，OFRES，德國斯特凡·特里特勒，阿桑蒂斯公司，德國費利克斯·斯托茨，弗勞恩霍夫太陽能研究所，德國尼古拉斯·杰茲，羅爾斯·羅伊斯解決方案公司，德國主要審稿人克里斯·馬特爾，GSES，澳大利亞何塞·奧爾特斯 ,TTA，西班牙保羅·羅登，Ekistica，澳大利亞弗萊明·韋比·克里斯滕森，丹麥奧梅爾·法魯克·頓布爾勒克，土耳其伊夫斯·波桑，加拿大T.保林，加拿大蘇卡因娜·布杜杜，摩洛哥編輯器費利克斯·斯托茨，德國弗勞恩霍夫太陽能研究所5任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)圖表目錄..................................................................................................................................7致謝............................................................................................................................8縮略語列表............................................................................................................................9執(zhí)行摘要............................................................................................................................101引言............................................................................................................................122應(yīng)用與分類................................................................................................133鋰離子電池系統(tǒng)綜述..... 284.1系統(tǒng)分析：海地................................................................................ 284.1系統(tǒng)分析：海地................................................................................與鉛酸 355.1工作范圍.................................................................. 173.1技術(shù)..................................................................... 173.2未來對鋰離子電池的展望...................................................................203.3從單元到系統(tǒng) 203.4老化....................................... 223.5安全.......................................................................... 233.6充電技術(shù).................................................................................................253.7智能與作戰(zhàn)策略 263.8結(jié)果..................................................... 274案例研究.................................................................................... 28案例研究的分類.............................................................................................345性能比較鋰離子 355.2選擇的光伏混合系統(tǒng)....................................................................................355.3模擬 405.4邊界條件...................... 425.5仿真結(jié)果........................................................................... 425.6推薦....................................................................................................476成功運行因素. 486.1設(shè)計................................................................. 486.2實現(xiàn)..................................................................................................... 516.3操作..................................................................................................................52 53 5早期報警系統(tǒng) 5預(yù)測性維護 54 6任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng) 54 55 55 55 55 55 566.4所有權(quán)和報廢................. 566.5運維概述................................................................. 57結(jié)論............................................................................................................ 58 77任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)圖1：鋰離子電池的設(shè)置（顯示在放電過程中）[6] 圖2：常見的鋰離子電池殼體和包裝類型[6] 圖3：BESS電池管理系統(tǒng)（BMS）概述[7] 圖4：具有主要組件的集裝箱式BESS解決方案概述[7] 圖5：鋰離子電池的安全操作圖[7] 圖6：帶有發(fā)電機、光伏電站、逆變器、BESS和負(fù)載的系統(tǒng)框圖。 圖7：BESS從外部和內(nèi)部的設(shè)置。 圖8：離網(wǎng)系統(tǒng)一年內(nèi)的負(fù)載曲線。 圖9：一天的負(fù)載-源曲線，以及BESS的附加SOC 圖11：BESS的年度SOC。 圖13：Pto.Vilazon的谷歌地圖照片 圖15：Pto.Villazon太陽能和風(fēng)能數(shù)據(jù) 圖16：DalyRiver太陽能微電網(wǎng)照片由AmandaByrd提供 圖17：DalyRiver負(fù)載 圖20：以Mutijulu為例的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖22：DalyRiver結(jié)果 圖24：設(shè)計與運行之間的可互換成功性 8任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)本文得到了幾個IEA-PVPS任務(wù)18成員和其他國際專家。非常感謝：喬治·鮑普，費利克斯·斯托茨：弗勞恩霍夫研究所太陽能電池組件和系統(tǒng)技術(shù)部門邁克爾·穆勒：OFRES斯特凡·特里特勒，賈德·姆哈納：Asantys西蒙·羅森菲爾德，尼古拉斯·蓋澤：羅爾斯·羅伊斯解決方案XavierVallve，NiccoloFicare保羅·羅登：艾基斯蒂卡ChrisMartell:GSES9任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)縮寫列表ACaFRRBMSBOLDCEoLEPCEMSHVACIEAIECLCOLCOELFP鋰離子LTOmFRROPzS運維PVSDGSEISHSsocSTCULVRLA交流電自動頻率恢復(fù)儲備吸收玻璃態(tài)電池管理系統(tǒng)生命之初直流電放電深度生命周期結(jié)束工程、采購和施工能源管理系統(tǒng)供暖、通風(fēng)和空調(diào)健康與安全國際能源署國際電工委員會鋰鈷氧化物平準(zhǔn)化能源成本磷酸鐵鋰鋰離子錳酸鋰鈦酸鋰手動頻率恢復(fù)響應(yīng)鋰鎳鈷鋁氧化物鎳錳鎘固定管板特殊運行與維護鉛光伏可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)固體電解質(zhì)界面太陽能家庭系統(tǒng)充電狀態(tài)健康狀況標(biāo)準(zhǔn)測試條件美國保險商實驗室閥控鉛酸任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)執(zhí)行摘要獨立型微電網(wǎng)由于多個因素，例如提高電氣化普及率、實現(xiàn)車輛電氣化以及借助可再生能源發(fā)電減少溫室氣體排放,正受到關(guān)注并被能源社區(qū)所采用。在合理成本下部署高效、可靠、安全的電源，其規(guī)模化和優(yōu)化至關(guān)重要。本報告概述了離網(wǎng)應(yīng)用中鋰離子（Li-ion）技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)。報告的主要貢獻(xiàn)之一是離網(wǎng)系統(tǒng)的分類表。該表提供了針對不同類型微電網(wǎng)應(yīng)使用何種電池系統(tǒng)的建議。此外，還收集了Li-ion技術(shù)的概述，并模擬了鉛酸離網(wǎng)電池系統(tǒng)和Li-ion離網(wǎng)電池系統(tǒng)的比較。此外，對真實世界系統(tǒng)的一個案例研究進行了分析和歸類，并納入分類表。最后 ,開發(fā)了運行和維護指南，并進行了展示。科技該報告總結(jié)了最常見的鋰離子電池化學(xué)體系。它描述了這類電池的功能以及可能的用途。表1：鋰離子化學(xué)體系及其性能概述[6]。材料)2003.77403.96243.75924.1410LFP(LiFePO4)3.2-3.4544分類該報告概述了不同的系統(tǒng)應(yīng)用、典型的電池系統(tǒng)尺寸，并對4個系統(tǒng)類別進行了分類?一類：電池容量高達(dá)0.5kWh，便攜式負(fù)載和其他設(shè)備?二類：電池容量為0.5–2kWh/d，太陽能家庭系統(tǒng)（SHS），路燈?三類：電池容量為2–500kWh，光伏混合系統(tǒng)?四類：電池容量為500–5000kWh，工業(yè)負(fù)載和電網(wǎng)支持系統(tǒng)負(fù)載的類型通常與系統(tǒng)的分類無關(guān)，因為這與規(guī)模有關(guān)。然而，已經(jīng)確定了典型類型的應(yīng)用程序，并且可以根據(jù)所述定義進行分類。鋰離子電池系統(tǒng)可以支持所有這些系統(tǒng)，而特別是非常小的Class1和大的Class4主要由鋰離子電池獨立支持，與應(yīng)用類型無關(guān)。任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)案例研究在海地，一個基于鋰離子系統(tǒng)的醫(yī)院系統(tǒng)已建成并運營了4年。該系統(tǒng)包括兩個光伏場，分別為232kWp和210kWp。這些光伏場利用太陽能并將其轉(zhuǎn)化為電能，以滿足醫(yī)院的能源需求。每個光伏場都配備了逆變器，將光伏板產(chǎn)生的直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電（AC）。逆變器確保與醫(yī)院的電力負(fù)荷兼容，并實現(xiàn)太陽能發(fā)電的利用。該系統(tǒng)包括四臺發(fā)電機，其中兩臺額定功率為200kVA，兩臺額定功率為400kVA。發(fā)電機作為備用電源，用于在太陽輻照度低或停電期間補充電力供應(yīng)。它們?yōu)闈M足醫(yī)院能源需求提供額外電力。當(dāng)發(fā)電機停用時，系統(tǒng)可以自主運行，BESS的逆變器工作在離網(wǎng)模式下并形成電網(wǎng)。該系統(tǒng)有兩個利用鋰離子技術(shù)的BESS，第一個BESS容量為224kWh，第二個容量為332kWh。模擬已使用真實系統(tǒng)負(fù)載數(shù)據(jù)和站點信息來構(gòu)建這些系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型。在借助監(jiān)控數(shù)據(jù)驗證模型后，對系統(tǒng)尺寸參數(shù)進行了變化。通過該仿真，在所有4個定義的系統(tǒng)類別中（參見表格Class1到Class4）對負(fù)載進行了縮放。根據(jù)邊界條件計算出了最優(yōu)系統(tǒng)尺寸。這是使用鋰離子電池和鉛酸電池來完成的，目的是研究哪種技術(shù)在何種條件下表現(xiàn)更佳。成功因素為了在光伏離網(wǎng)應(yīng)用中可持續(xù)地運行鋰離子電池系統(tǒng)，在以下幾個方面維護所有相關(guān)步驟至關(guān)重要：-設(shè)計系統(tǒng)需要考慮當(dāng)?shù)剡吔鐥l件進行設(shè)計，這不僅是技術(shù)層面的要求，還包括物流、人力資源、通信基礎(chǔ)設(shè)施和維修能力等方面。-實現(xiàn)安裝階段應(yīng)根據(jù)將要安裝的技術(shù)類型進行定義，并應(yīng)考慮所有步驟，包括根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件對系統(tǒng)以及電池管理系統(tǒng)（BMS）參數(shù)進行適配。-操作運行階段需要由當(dāng)?shù)鼐S護人員永久支持，提供第一級支持。供應(yīng)商應(yīng)永久監(jiān)控系統(tǒng)并接收在線狀態(tài)信息。通過數(shù)據(jù)分析的幫助，系統(tǒng)的性能可以被監(jiān)控任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)目前，全球有7.7億人無法獲得電力。特別是撒哈拉以南非洲，非電氣化社區(qū)比例最高，其77%的人口無法獲得電力能源[1]。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)7（SDG7）\"負(fù)擔(dān)得起且清潔的能源\"，旨在顯著降低這一高水平數(shù)字。獲得電力直接影響人群的健康、生活條件、教育和經(jīng)濟增長。從經(jīng)濟角度看，將能源配送電網(wǎng)擴展到農(nóng)村地區(qū)往往并不可行。離網(wǎng)系統(tǒng)比傳統(tǒng)電網(wǎng)擴展便宜高達(dá)30%[2]，為分布式離網(wǎng)系統(tǒng)提供了機會。隨著我們轉(zhuǎn)向更可持續(xù)和經(jīng)濟的能源供應(yīng)，可再生能源已成為首選選擇。它們的投資成本近年來穩(wěn)步下降，運營成本相對較低，因為它們不依賴燃料 ,而傳統(tǒng)燃油引擎的運營費用會因燃油價格高昂而大幅上漲。此外，發(fā)電機高度依賴燃料的可用性來提供能源。然而，可再生能源源的生產(chǎn)存在波動，因為它們依賴于如可用太陽輻照和風(fēng)能等因素。它們往往難以與表現(xiàn)出異步行為的負(fù)荷模式相匹配。解決這個問題需要實施儲能系統(tǒng)來穩(wěn)定可再生能源的輸出。通常任何離網(wǎng)系統(tǒng)都由一個能源生產(chǎn)源、一個儲能系統(tǒng)和電力供應(yīng)負(fù)載組成。電池儲能系統(tǒng)（BESS）展示了廣泛的靈活運行模式，不僅提供電能存儲，還作為更廣泛離網(wǎng)管理策略的一部分功能。本報告概述了離網(wǎng)應(yīng)用中鋰離子技術(shù)的現(xiàn)狀。報告的主要貢獻(xiàn)之一是離網(wǎng)系統(tǒng)的分類表。此外，還收集了鋰離子技術(shù)的概述，并進行模擬以比較鉛酸離網(wǎng)電池系統(tǒng)和鋰離子離網(wǎng)電池系統(tǒng)。此外，對兩個實際系統(tǒng)進行的案例研究被分析并歸類到分類表中。最后，開發(fā)并提出了運行和維護指南。任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)2應(yīng)用與分類根據(jù)一項德國研究[3]和一項歐洲項目[4]，這些項目調(diào)查了鉛酸電池的老化程度是否取決于獨立光伏系統(tǒng)中的運行條件，本章考察了不同獨立光伏系統(tǒng)中電池的運行條件。獨立光伏系統(tǒng)分為以下四類，如表1所示：類別1：全年運行，100%太陽能比例，太陽能電源在5至100Wp之間，為技術(shù)設(shè)備供電，主要在溫和氣候區(qū)，如香煙售貨機、停車計時器、路燈等。二級：全年運行，100%太陽能覆蓋，太陽能功率在1至1000Wp之間，主要用于為熱帶和亞熱帶地區(qū)的小型房屋供電，如太陽能燈、微型光伏系統(tǒng)、太陽能家庭系統(tǒng)、花園房屋等。班級3：季節(jié)性或全年運行，通常在溫和地區(qū)配備額外的發(fā)電機，在亞熱帶地區(qū)很少配備，100%太陽能覆蓋率僅在亞熱帶氣候中可能，太陽能功率在0.5kWp至1MWp之間，用于為較大的莊園供電，例如高山小屋、徒步旅行餐廳、學(xué)校、小村莊等。第四類：村莊或城鎮(zhèn)供應(yīng)，配備一個或多個大型柴油發(fā)電機，光伏系統(tǒng)用于減少柴油消耗，太陽能覆蓋率為10%到最高30%，光伏系統(tǒng)容量在0.2至10MWp之間。此外，還區(qū)分了溫帶氣候區(qū)，（這些地區(qū)）夏季和冬季的太陽輻射差異顯著（高達(dá)1至6），以及（亞）熱帶氣候區(qū),通常被稱為陽光地帶，其中雨季和晴朗月份之間的太陽輻射變化最多為20%至30%。在表2中提供了不同類別以及光伏系統(tǒng)的基本技術(shù)數(shù)據(jù)，特別是電池系統(tǒng)在其運行和負(fù)載方面的數(shù)據(jù)。該表格包括以下數(shù)據(jù)1:?典型應(yīng)用：用不同的應(yīng)用描述四類典型示例。?位置：系統(tǒng)安裝的氣候區(qū)。?典型光伏尺寸：光伏發(fā)電器的典型安裝容量（STC下的額定功率）。功率范圍非常廣，因為它取決于負(fù)載。亞熱帶氣候區(qū)每年接收的太陽能大約是溫帶氣候區(qū)的兩倍，因此亞熱帶區(qū)的光伏發(fā)電器典型功率范圍是溫帶氣候區(qū)的一半。?典型電池尺寸：標(biāo)稱電池容量乘以標(biāo)稱電壓。安裝容量范圍非常廣，因為它取決于負(fù)載。?最終產(chǎn)量：每日太陽能消耗量（對于沒有備用發(fā)電機的系統(tǒng)，這是能量消耗；對于有備用發(fā)電機的系統(tǒng)，必須減去其覆蓋份額）除以光伏發(fā)電器的額定功率。1最終收益率、容量利用率、太陽能占比和自用時的典型值主要基于弗勞恩霍夫ISE和Asantys大量離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的設(shè)計計算、已實現(xiàn)系統(tǒng)及測量結(jié)果。這些典型值可用于離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的選型和合適電池的選取。任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)?容量比：電池可用電池能量（可用容量乘以標(biāo)稱電壓）除以光伏發(fā)電機的額定功率。通常使用標(biāo)稱電池能量（電池銘牌上的信息），但在這種情況下使用可用電池能量以更好地理解實際容量，因為鉛酸電池通常應(yīng)僅放電到其標(biāo)稱容量的約50%以實現(xiàn)良好的電池壽命，而鋰離子電池則為80%。每個類別的數(shù)值范圍相當(dāng)廣泛 ,原因如下：出于成本原因，鋰離子系統(tǒng)往往比鉛酸系統(tǒng)具有更小的存儲和更大的光伏發(fā)電機。如果3類中有備用發(fā)電機，也會選擇較小的存儲單元。在日照變化較大的地區(qū)，以及對于太陽能燈和微光伏系統(tǒng)（其中存儲用于給手機等外部設(shè)備充電），往往會選擇更大的存儲。此外，過去10年中光伏組件價格的顯著下降導(dǎo)致更大的光伏發(fā)電機比更大的電池更具成本效益。?太陽能比例：光伏發(fā)電器所覆蓋的年能源消耗的百分比。在1類和2類中，總能源消耗僅由太陽能覆蓋。在3類和4類中，峰值負(fù)荷覆蓋和冬季或雨季運行通常由柴油發(fā)電機支持，導(dǎo)致太陽能覆蓋率低于100%。在亞熱帶氣候區(qū)，大型光伏發(fā)電器即使在3類中也能實現(xiàn)100%的太陽能覆蓋。?自主時間：可用電池能量除以每日能量消耗。數(shù)值范圍與前后兩節(jié)所述原因相同。自主時間從1類中的約7天降至4類中的0.01-5小時。這是因為，例如，在溫和氣候區(qū)的停車計時器電池在冬季需要跨越一個無陽光的星期。在4類中，電池主要用于覆蓋短暫的電力峰值和彌補由快速云變引起的短暫太陽凹陷。?基于標(biāo)稱電池容量的平均放電電流：放電期間（主要在夜間）的平均放電電流。提供的數(shù)值適用于鉛酸電池,并且相當(dāng)通用，因為它們在不同時間、年份和系統(tǒng)尺寸下差異很大。對于鋰離子電池，數(shù)值大約是其兩倍。?根據(jù)標(biāo)稱電池容量，匯總每年等效完整循環(huán)次數(shù)：累計一年內(nèi)的等效完整周期數(shù)。所提供的數(shù)據(jù)適用于鉛酸電池。對于鋰離子電池，數(shù)值大約是兩倍。這些數(shù)字可以用來粗略估計如果沒有其他老化效應(yīng)，電池壽命。鉛酸電池主要因充電不完整，參見SOC列，在太陽能輻射低的月份期間，在溫和的氣候區(qū)，尤其是在1類和2類[3]。鋰離子電池在非常高或非常低SOC[5]。?soc：荷電狀態(tài)。提供的數(shù)值主要用于鉛酸電池，對于鋰離子電池范圍更廣。?推薦電池：電池類型，鋰離子或鉛酸，主要使用在相應(yīng)類別。表格清晰地表明，不同等級的電池所承受的應(yīng)力差異很大。例如，滿充次數(shù)每年從約10次到500次不等。直到10年前，獨立光伏系統(tǒng)中主導(dǎo)的電池是鉛酸電池。然而，為了實現(xiàn)不同等級6-8年（最大10年）的使用壽命，需要選擇各種類型的鉛酸電池/3/。最適合2級和3級的是OPzS（固定式管狀板特殊）電池。由于成本考慮，在1級和2級的溫和氣候區(qū)也可以使用改性啟動電池（強化柵板）。部分循環(huán)常導(dǎo)致酸分層，可以通過定期滿充（至少每14天一次）或使用膠體電池來預(yù)防或消除。在膠體電池中，電解質(zhì)（硫酸）被固定在膠體中，為了維持復(fù)合過程，需要借助閥門緊密密封，因此得名閥控鉛酸（VRLA）。膠體電池免維護，因為不需要補充酸，但必須避免過充。由于成本考慮，任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)吸收玻璃棉（AGM）也可在1類中使用，但要注意標(biāo)準(zhǔn)AGM并不能防止酸分層，而在1類中不會發(fā)生酸分層。由于第三章所述的鋰離子電池相對于鉛酸電池的技術(shù)優(yōu)勢，鋰離子電池當(dāng)今廣泛應(yīng)用于許多系統(tǒng)中。特別是在2類中，例如用于太陽能燈和微型光伏系統(tǒng)，僅使用鋰離子電池，同樣在4類中。在其他類別中，鋰離子電池系統(tǒng)相對于鉛酸電池系統(tǒng)的大約兩倍的初始投資成本仍然是鉛酸電池普遍被鋰離子電池替代的阻礙。然而，鋰離子電池允許幾乎兩倍的放電深度，盡管這在設(shè)計和經(jīng)濟計算中通常不被考慮?？紤]到有限的初始投資資金，這是可以理解的。在溫和氣候區(qū)，應(yīng)注意大多數(shù)鋰離子技術(shù)應(yīng)在零度攝氏度以下時使用顯著降低的電流充電（參見第3章）。鉛酸電池則不是這種情況，但需注意如果荷電狀態(tài)（SOC）非常低，電解液會在零度攝氏度以下凍結(jié)。鋰離子技術(shù)通常分為能量型（電流<1C）和功率型（電流>1C），而功率型通常只在4類中才需要。表2：電池離網(wǎng)系統(tǒng)分類表4類典型應(yīng)用停車計時器，路燈，自動售煙機太陽能路燈，PicoPV，SHS,花園儲物間混合系統(tǒng)山小屋或村莊補給光伏柴油大村供應(yīng)位置(亞)熱帶(亞)熱帶（亞）熱帶區(qū)全球1千瓦樁-1兆瓦樁0,2-10兆瓦峰值典型電池尺寸最終產(chǎn)率=每日太陽0,25-0,750,5-1,52-41,5-41,5-4容量比:可用電池4-73-122,5-45-80,1-2太陽能比例30-80%<40%自主時間0,5–2天平均排放微小電流中電流中電流中電流大電流平均周期很多小每日周期每日周期每天每個周末每天季度半周期每天季度或半周期每天季度或半周期深循環(huán)每日周期總結(jié)幾周期等效全每年每年周期數(shù)冬季：低soc夏季：高soc每天~50-100%冬季：低soc夏季：高soc每天~50-100%~50-100%雨季：~40-90%夏季：~50-100%~10-90%推薦鉛酸鋰離子鋰離子鉛酸鉛酸鋰離子鋰離子鉛酸鋰離子,鉛助鋰離子,鉛酸鋰離子任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)3鋰離子電池系統(tǒng)綜述在本章中，介紹了鋰離子技術(shù)。此外，它還概述了未來的電池技術(shù)。另外，本章還描述了鋰離子電池的安全性以及BESS的操作策略。自1991年索尼推出鋰離子電池以來，進行了大量研究。當(dāng)今最先進的鋰離子電池展示了各種不同的設(shè)計和材料，但其工作原理自1991年以來并未改變。一個鋰離子電池由兩個電極組成。每個電極都有一個電化學(xué)勢，相對于標(biāo)準(zhǔn)參比電極進行測量。它們共同構(gòu)成一個正極和負(fù)極對。兩者電勢之差定義了它們之間的電動勢，等于電池單元的開路電壓。兩個電極由多孔膜電絕緣，該膜稱為隔膜。電池單元包含離子導(dǎo)電電解質(zhì)，使鋰離子在充電和放電過程中通過隔膜并在電極的活性材料中積分。電流收集器將電極連接到外部電路，作為電氣通路，確保電子在電極上均勻分布，從而允許將電能傳輸?shù)胶蛷碾姵貑卧?。?dāng)外部電路閉合時，電子從負(fù)極遷移到正極，平衡電極之間的電勢差。正極鋰離子也以類似的方向通過電解質(zhì)遷移。通過這種方式，儲存在電池中的化學(xué)能被轉(zhuǎn)換為外部電路中的電能。圖1：鋰離子電池的設(shè)置（顯示在放電過程中）[6]鋰離子電池的電化學(xué)特性由其組成成分決定。電池的性能受到其構(gòu)成元素（正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)）之間相互作用的顯著影響，其中電解質(zhì)由鋰鹽和溶劑組成。傳統(tǒng)上用于正極的活性材料是鋰鈷氧化物（LiCoO?）。2為了克服安全、尺寸和成本方面的問題，研究推動了其他正極材料的開發(fā)。如今，已有廣泛的材料可供選擇，并且正在進行進一步的研究。一般來說，根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)，正極材料可以分為三類：氧化物、尖晶石氧化物和磷酸鹽。任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)氧化物氧化物形成一種分層晶體結(jié)構(gòu)，其中交替存在金屬、氧和鋰離子。金屬成分可以由以下一種或多種元素組成：鎳、錳、鈷和鋁。鈷酸鋰，也稱為LCO，可能是使用最廣泛的正極材料。鈷氧化還原對相對于鋰對產(chǎn)生約4.0V的電位。當(dāng)從LCO正極中提取所有鋰離子時，它顯示出274mAh/g的理論容量。就可充電性而言，這個數(shù)字無法達(dá)到，因為出于穩(wěn)定性原因，一些鋰需要保留在正極中，以確保結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定和完整。因此，最大可逆容量為140至150mAh/g。LCO的能量密度很難被其他材料匹配，因為它具有高工作電壓、高相對密度和體積密度。然而，穩(wěn)定性和安全問題促使市場將注意力轉(zhuǎn)向其他材料。還應(yīng)該提到的是，鈷采礦經(jīng)常與惡劣的工作條件相關(guān)聯(lián)。剛果民主共和國擁有全球鈷儲量的重要份額，并繼續(xù)面臨該行業(yè)與當(dāng)代奴隸制和童工相關(guān)的挑戰(zhàn)。此外，鈷相對昂貴。迄今為止，最著名的氧化物陰極組合是多金屬相，由鎳、錳和鈷組成（LiNiMnCoO）2),也稱為NMC。每種元素的精確濃度可能會有所不同，由于特定的使用案例，結(jié)合三種邊界相LCO、LMnO和LNiO的優(yōu)勢，從而獲得更高的可逆容量和更好的循環(huán)穩(wěn)定性。由于使用了鈷，它表現(xiàn)出更高的能量密度；由于錳的存在，它具有更高的穩(wěn)定性；由于鎳的存在，它具有更高的容量。與LCO類似，NMC只能利用約66%的理論容量（274mAh/g）來維持其結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其容量高達(dá)160mAh/g。尖晶石氧化物采用尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物，其定義為立方對稱晶體格結(jié)構(gòu)，表示為LiM2O4在這種情況下，“M”位置占用的金屬可以是錳或鎳。最廣泛認(rèn)可的商用變體是LiMn2O4通常稱為LMO。三維尖晶石結(jié)構(gòu)為正極結(jié)構(gòu)中儲存鋰離子提供了良好的連接框架，即嵌入鋰離子，稱為脫嵌入，因為鋰離子比氧化物等二維框架更容易到達(dá)正極，從而提高了倍率性能。因此，LMO尖晶石可以以高達(dá)五倍的電流進行充電。另一方面，LMO的循環(huán)穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致其可逆容量持續(xù)下降。當(dāng)錳的平均氧化態(tài)低于一定水平時，正極表面會退化。用非錳原子替代錳原子或?qū)诫s原子注入正極晶格結(jié)構(gòu)有助于提高其穩(wěn)定性。磷酸鹽另一類陰極材料包括磷酸鹽。這類材料的根本公式可以表示為LiMPO4,其中\(zhòng)"M\"代表鐵（Fe）、錳（Mn）、鈷（Co）或鎳（Ni）等元素。該類中最著名的變體是磷酸鐵鋰（LiFePO4,被稱為LFP)。鐵是地殼中最常見的元素 ,因此比其他材料更便宜，尤其是鈷。磷酸鹽中的氧鍵比金屬氧化物中的氧鍵強得多。這意味著金屬氧化物很容易釋放氧，并且由于氧不能從隔離電池中逸出，它傾向于與有機電解質(zhì)反應(yīng)，從而可能引發(fā)放熱反應(yīng)。此外，與其他正極材料相比，充電和放電狀態(tài)下的尺寸和密度差異非常小，從而減少了應(yīng)力，避免了正極的結(jié)構(gòu)損傷。因此，循環(huán)穩(wěn)定性大大提高，LFP電池可以在更寬的溫度范圍內(nèi)運行。為了比較商業(yè)上最常用的陰極材料，它們列在下表中：任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)表3：不同鋰離子技術(shù)在電氣方面的比較[6]。材料)2003.77403.96243.75924.1410LFP(LiFePO4)3.2-3.3544陰極材料的選用需要仔細(xì)考慮具體的應(yīng)用需求。對于智能手機和筆記本電腦等小型設(shè)備，尺寸和重量是關(guān)鍵因素。電動汽車優(yōu)先考慮高功率、高能量密度和輕量化設(shè)計。固定式系統(tǒng)由于空間限制較少，優(yōu)先考慮循環(huán)穩(wěn)定性而非能量密度。此外，隨著能量集中，尺寸越大，安全顧慮也越高。處理燃燒的智能手機遠(yuǎn)比處理燃燒的汽車容易，因為汽車會釋放出更多的能量，從而產(chǎn)生大量更高的熱量。高能量密度應(yīng)用，如電動汽車，通常選擇層狀氧化物，如LCO或NMC。然而，這些材料與鐵基替代品（如LFP）相比相對稀缺且成本更高。然而，金屬氧化物由于其潛在的氧氣釋放和放熱效應(yīng)，存在安全風(fēng)險。相比之下，LFP的能量密度和功率密度較低，但非常適合固定系統(tǒng)，在正確安裝時能提供安全性和更長的使用壽命。與陰極材料相比，陽極材料的種類相對有限。石墨最初使用，至今仍在使用，并且由于其平衡的性能特性，目前是經(jīng)濟上最可行的選項。它輕質(zhì)、便宜，并提供相當(dāng)高的嵌入潛力，即每六個碳原子中嵌入一個鋰離子。另一方面，使用碳也存在風(fēng)險。石墨的嵌入潛力僅比鋰金屬鍍覆電位高80毫伏。只有小的過充電誤差就會導(dǎo)致金屬鋰的沉積。隨著沉積的增多，它們可以形成枝晶，這些枝晶能夠?qū)﹄姵卦斐蓳p害。防止此類故障的發(fā)生效應(yīng)是固體電解質(zhì)界面（SEI）的形成。在電池首次循環(huán)充電期間，電解質(zhì)與石墨陽極反應(yīng)，導(dǎo)致還原性電解質(zhì)分解和鋰離子的消耗。產(chǎn)物沉積在電極表面作為鈍化層，即SEI。該層阻止電解質(zhì)的進一步分解并保護負(fù)極。這種效應(yīng)對電池的整體性能有重大影響，如功率、安全性、循環(huán)穩(wěn)定性和鋰離子電池的壽命。其他陽極材料是軟碳或硬碳，這限制了在陽極沉積金屬的潛力，但也降低了能量密度，并且迄今為止，由于其低廉的價格和更高的能量密度，它們無法超越主導(dǎo)石墨電極的優(yōu)勢。未來，鈦酸鋰（LTO）可能成為固定式電池的主要研究對象。即使它們只能提供較低的電池電壓和容量（最低電壓為1.4V，導(dǎo)致最大電池電壓為2.3V），它們在安全性和使用壽命方面也更為優(yōu)越。LTO不需要形成固體電解質(zhì)界面，并且比碳負(fù)極具有更大的表面積。這兩個特性是它們可以更快地充電并能提供更高電流的原因。如果空間不受限制，由LFP和LTO電極組成的電池在固定式應(yīng)用中，對于循環(huán)次數(shù)比商業(yè)化電池多5倍的規(guī)?；到y(tǒng)，將發(fā)揮重要作用。20任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)自1991年以來，鋰離子電池技術(shù)已被推向質(zhì)量和體積能量密度的極限。盡管研究仍在進行中，但它正接近由電極材料和電解質(zhì)所施加的自然限制。因此，基于不同電池化學(xué)體系的其它電池技術(shù)正受到越來越多的關(guān)注，尤其是在對儲能的需求不斷增加的情況下。由于空間通常不是離網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，安全、老化和性能等因素變得更加相關(guān)。因此，替代解決方案正逐漸受到青睞，逐漸擺脫電動汽車技術(shù)改進這一主要驅(qū)動力。有各種方法可以增強電池單元。理論上，使用金屬鋰代替鋰離子組件作為電極可能導(dǎo)致更高的能量密度。然而，這在目前最先進的電池中是不可行的。其他技術(shù)發(fā)展通過采用替代電池技術(shù)來克服這一限制。固態(tài)電池，采用固體電解質(zhì)，旨在克服液態(tài)電解質(zhì)的局限性，如易燃性、電壓受限、循環(huán)性能差和穩(wěn)定性問題。鋰硫電池由金屬鋰電極和硫電極組成，根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)，具有最高的理論能量密度。然而，它們目前面臨著與循環(huán)壽命相關(guān)的問題，并且遠(yuǎn)未達(dá)到其理論能量密度值。鋰空氣電池通過使用大氣中的氧氣和金屬鋰作為活性材料，也承諾具有極高的理論能量密度，但在穩(wěn)定性、循環(huán)壽命和效率方面存在問題。鑒于價格和安全是關(guān)鍵的市場驅(qū)動因素，使用非稀有原料的技術(shù)也在被探索。在鈉離子電池中，鈉取代了正極中的鋰。雖然這項技術(shù)可能無法實現(xiàn)現(xiàn)有鋰離子電池的能量密度，但由于其成本效益，在全球范圍內(nèi)鈉豐富且價格低廉 ,因此可能會在兆瓦（MW）規(guī)模上具有吸引力。另一種方法是紅ox流電池。這項技術(shù)利用兩種獨立的流動液體電解質(zhì)在電池中通過時的還原和氧化反應(yīng)來交換離子?；瘜W(xué)成分儲存在兩個不同的儲罐中，由于儲罐尺寸與電池尺寸無關(guān)，因此這是一種可擴展的解決方案。盡管紅ox流電池具有較長的循環(huán)壽命和日歷壽命，但它們無法與某些其他電池技術(shù)的循環(huán)效率相競爭。電池封裝設(shè)計可以因應(yīng)用而異。金屬外殼是所有最先進外殼材料的一部分，并且是必需的，因為它是目前唯一可以完全防止水分進入電池和溶劑從電池擴散的解決方案。電池可以是軟包裝或硬殼包裝，并進一步細(xì)分為圓形、棱柱形或軟袋電池幾何形狀。鋁箔的層狀內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是圓柱卷、平面果凍卷或堆疊。對于大于200千瓦的電網(wǎng)連接或離網(wǎng)應(yīng)用電池儲能系統(tǒng)，大多數(shù)情況下使用棱柱形硬殼包裝，因為它們允許易于模塊化安裝，并且由于體積與表面積比更高，允許更好的冷卻條件，與卷曲的圓柱形電池相比。21任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)圖2：常見的鋰離子電池殼體和包裝類型[6]。最大電壓電池由其陰極和陽極材料定義，每個電池的范圍在2.2伏和4.2伏之間。在各種應(yīng)用中，需要連接多個電池以匹配所需功率輸出，功率輸出是電壓和電流的乘積。圖3：一個BESS的BMS概述[7]串聯(lián)電池連接將單個電池單元的電壓相加，而并聯(lián)電池連接則增加電池儲能的可使用電流。對于小型移動應(yīng)用，電池以串并聯(lián)電池單元模塊的形式組裝。在大規(guī)模電池的背景下，BESS的模塊化設(shè)計更受歡迎。它們依賴于一定數(shù)量的電池單元，這些單元以串聯(lián)組的形式連接起來，將電壓加到特定值。這些模塊進一步串聯(lián)連接，形成電池架。多個電池包可以并聯(lián)互連以提高容量。通常，更大的BESS提供集裝箱化選項，其中包含HVAC系統(tǒng)和額外的22任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)電子設(shè)備，例如電池逆變器位于此處。電池模塊連接到雙向逆變器：在放電時，逆變器將電池的直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電以饋送給配電網(wǎng)。反過來，能源來源的交流電（AC）被轉(zhuǎn)換為直流電以給電池充電。在小型、簡化、僅限可再生能源的解決方案中，配電網(wǎng)可能直接以直流電運行。然而，這是一種不太常見的場景，因為大多數(shù)家用電器和電子設(shè)備都是設(shè)計為在交流電下運行的。為確保逆變器交流輸出與離網(wǎng)系統(tǒng)在大多數(shù)情況下的兼容性，會使用變壓器。變壓器調(diào)節(jié)逆變器交流輸出的電壓等級以匹配配電網(wǎng)的電壓，確保BESS與離網(wǎng)系統(tǒng)的無縫集成。圖4：帶有主要組件的集裝箱式儲能解決方案概述[7]優(yōu)化鋰離子電池時需要解決的最重要挑戰(zhàn)之一是老化現(xiàn)象。老化是指鋰離子電池在多次充放電循環(huán)的長期作用下，其性能和容量逐漸劣化。這一自然過程會導(dǎo)致電池壽命和整體效率的降低。退化通常由電池的健康狀態(tài)（SOH）決定，該狀態(tài)顯示了當(dāng)前可用容量相對于壽命開始時（BOL）的標(biāo)稱容量的百分比。主要影響是鋰離子消耗增加導(dǎo)致容量隨時間衰減，以及內(nèi)阻增加導(dǎo)致電池提供的可用功率降低。今天，由于高度復(fù)雜性和同時性，降解現(xiàn)象尚未完全了解。然而，主要效應(yīng)和細(xì)胞內(nèi)部的反應(yīng)已被識別，并且可以歸因。老化過程通常由日歷和循環(huán)老化表征。23任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)日歷老化是指隨時間發(fā)生的退化過程，從細(xì)胞生產(chǎn)的那一刻開始，即使系統(tǒng)尚未安裝也是如此。日歷老化不能通過電池系統(tǒng)的操作策略來減少。它主要受電池核心溫度的影響，而核心溫度高度依賴于環(huán)境溫度和濕度。溫度的升高會動力學(xué)地促進不需要的化學(xué)反應(yīng)副反應(yīng)，例如電極分解、電解質(zhì)與釋放氧氣的相互作用，從而導(dǎo)致更快的退化。循環(huán)老化效應(yīng)受循環(huán)次數(shù)以及電池充放電速率的影響。電池單元每循環(huán)都會略微退化。前面提到的SEI形成是含有石墨烯電極的電池單元安全性所必需的效應(yīng)。實際上，鈍化層的形成在最初幾個循環(huán)后并不會停止。它比開始時慢得多，但SEI會持續(xù)增長。這導(dǎo)致容量持續(xù)衰減，因為鋰離子被消耗，以及由于鋰離子需要通過鈍化層遷移來嵌入 ,導(dǎo)致可用功率降低，電阻升高。3.4.1影響電池壽命的因素鋰離子電池會經(jīng)歷影響其性能和壽命的老化過程。這種現(xiàn)象由多種因素導(dǎo)致，包括：溫度：電池的工作溫度是一個關(guān)鍵因素。低溫（例如<10°C）可以限制退化，但可能會阻礙嵌入過程，而高溫（例如>40°C）會加速不希望的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致更快的退化。電池性能的最佳溫度可能在靜止?fàn)顟B(tài)和充放電狀態(tài)下有所放電深度（DoD）：電池在每個循環(huán)中放電的程度對其壽命有顯著影響。雖然鋰離子電池具有較高的DoD能力，與其他電池技術(shù)相比可達(dá)到95%，但值得注意的是，采用淺放電，即僅利用電池容量的一小部分，與頻繁的深放電和高充電循環(huán)相比，可以延長電池的使用壽命。C率：電池充放電的速率，即C率，會影響其老化。有多種定義計算C率，但通常由充電或放電電流與其Ah容量的比值給出。在1C時，電池可以在一小時內(nèi)用恒定電流完全放電。更快的充放電速率會導(dǎo)致電極內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和張力 ,可能導(dǎo)致裂紋并隨著時間的推移降低容量。靜置SOC：電池處于非活動狀態(tài)時的荷電狀態(tài)，即靜置SOC，會影響其老化。長時間將電池存放在高或低SOC水平會加速退化，建議值為30-50%。要最大化電池壽命，在設(shè)計電池系統(tǒng)以及實施運營策略時，必須考慮這些因素?；阡囯x子化學(xué)的當(dāng)今電池可以達(dá)到長達(dá)20年的使用壽命，并且隨著對電池材料的研究，其壽命被認(rèn)為會不斷增長。根據(jù)配置，電池在健康狀態(tài)達(dá)到80%到60%時達(dá)到生命終結(jié)（EoL）并且不再運行。在這一點上，性能衰減達(dá)到極限，其最初用于系統(tǒng)設(shè)計所針對的應(yīng)用無法再提供。在大多數(shù)情況下，由于安全評估達(dá)到特定的退化水平，電池被停用。在BESS中，鋰離子電池的操作始終是一個至關(guān)重要的問題。鋰離子電池結(jié)合了高化學(xué)能量密度和易燃電解質(zhì)，帶來了重大的潛在危險。這些風(fēng)險源于導(dǎo)致電池老化的相同化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，但與電池老化相比，它們可能只發(fā)生在幾秒鐘之內(nèi)。一個關(guān)鍵因素是電池內(nèi)持續(xù)升高的溫度。放熱反應(yīng)催化更多的放熱反應(yīng)，24任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)。如果這些熱量不能被有效散失，會導(dǎo)致additionalchemicalreactions的加速，進一步contributingtoheatation。因此，這種級聯(lián)效應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)overallheatproduction持續(xù)和累積地上升。在此過程中，電池的隔膜可能會熔化，可能導(dǎo)致短路并釋放大量能量。隨后，電池組件發(fā)生分解和氣化，最終在壓力下外殼爆裂，導(dǎo)致釋放易燃和有害氣體。在這種情況下，電池可以點燃甚至爆炸，對人類健康和環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重危害。為降低這些風(fēng)險，鋰離子電池必須符合嚴(yán)格的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。美國和加拿大、歐洲以及世界大部分地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)有所不同。內(nèi)容非常相似，但細(xì)節(jié)不同。在美國和加拿大，應(yīng)適用雨傘標(biāo)準(zhǔn)UL1973:2022《用于固定式和移動輔助電源應(yīng)用的電池》以及UL9540:2022《儲能系統(tǒng)及設(shè)備》和UL9540A《電池儲能系統(tǒng)熱失控火災(zāi)蔓延評估測試方法》。UL9540A旨在確定所評估的ESS是否符合修訂后的UL9540要求。該測試方法涉及在模塊、單元和安裝級別的熱失控事件期間測量各種指標(biāo)。測試結(jié)果有助于定義系統(tǒng)在熱失控條件下的行為和性能，特別是在火災(zāi)蔓延方面的表現(xiàn)。到目前為止，在歐洲和世界上許多其他國家必須應(yīng)用以下2把雨傘標(biāo)準(zhǔn)，有時帶有國家補充：IEC62619:2022“含堿性或其他非酸電解質(zhì)的二次電池和電池——工業(yè)應(yīng)用用二次鋰離子電池和電池的安全要求”以及IEC63056:2020“含堿性或其他非酸電解質(zhì)的二次電池和電池——用于電能存儲系統(tǒng)的二次鋰離子電池和電池的安全要求”。2023年7月，歐盟[8]批準(zhǔn)了一項新的電池法規(guī)“2023/1542”，要求制造商從2024年8月起必須為電池貼附CE標(biāo)志。允許貼附CE標(biāo)志所必須滿足的技術(shù)要求和測試主要在提到的兩個IEC標(biāo)準(zhǔn)[9]中描述。但歐洲標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)致力于協(xié)調(diào)上述標(biāo)準(zhǔn)，這意味著可以預(yù)期在2025年底，所有歐洲國家都將采用相同的標(biāo)準(zhǔn)，有時會帶有少量國家補充。然而，UL9540對電池系統(tǒng)給出了非常詳細(xì)的構(gòu)造細(xì)節(jié)，特別是對電池容器；而UL9540A相較于IEC62619，對火勢蔓延測試描述得更為詳細(xì)，尤其當(dāng)使用多個電池架或容器時。這意味著在某些情況下，美國和加拿大以外的客戶需要符合UL9540和UL9540A的要求。在認(rèn)證運行范圍內(nèi)操作，該范圍由特定的溫度和電壓水平定義，被認(rèn)為是安全的。持續(xù)監(jiān)控每個電池的溫度和電壓有助于識別臨界狀態(tài)。在發(fā)生臨界情況時，可以隔離特定電池，斷開關(guān)鍵電池串，或?qū)⒄麄€BESS與電網(wǎng)分離。此外，還采取了主動措施來防止即使是可能升級為不可控?zé)崾Э氐妮p微損壞。固定式電池集成了多種安全功能，例如電池的持續(xù)冷卻、隔熱、模塊之間的滅火層、煙霧和爆炸性氣體檢測系統(tǒng)。25任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)值得注意的是，盡管存在這些安全顧慮，但基于BESS的鋰離子電池在有效管理和控制風(fēng)險時可以安全運行。這些風(fēng)險有詳細(xì)記錄且已被理解，并且已設(shè)計安全措施以防止和應(yīng)對潛在事件。圖5：鋰離子電池安全操作圖[7]。像鉛酸電池一樣，鋰離子電池根據(jù)“恒流恒壓”（CCCV）特性充電算法進行充電。在恒流（CC）階段，電池以恒定電流（在光伏系統(tǒng)中根據(jù)輻照度波動）充電，直到充電電壓達(dá)到數(shù)據(jù)表中所指定的值，通常為NMC的4.2V/電池或LFP的3.6V/電池。在隨后的恒壓（CV）階段，必須嚴(yán)格注意即使電壓略微過高也會對電池造成嚴(yán)重?fù)p壞。長時間維持最大電壓對電池長期而言是有害的，因此必須限制CV充電階段的時間。U階段的完成標(biāo)準(zhǔn)是時間（約1小時）或電流下降到某個特定值（I30-I10）。浮充，即長時間維持CV充電階段。這通常推薦用于鉛酸電池。對于鋰離子電池，這不應(yīng)采用，因為在高壓限值處電池老化加劇。在自主電源中，當(dāng)因消耗或自放電導(dǎo)致電壓低于4V/電池時 ,建議重新啟動CCCV充電。許多制造商建議僅使用額定容量的80-90%以實現(xiàn)更高的循環(huán)次數(shù)（約1.5倍）并從而延長使用壽命。然后，充電電壓應(yīng)從4.2V/單元降至約4.1V/單元，或從3.6V/單元降至約3.55V/單元，并且放電電壓也可能需要略微提高。由于電池單元組裝存在自然差異，經(jīng)過生產(chǎn)和不同階段的單元退化，電池單元無法完全同等充電。最終，一個電池單元可能已處于滿SOC狀態(tài)，而其他單元尚未達(dá)到。在這種情況下，由于過充效應(yīng)并為了避免損壞，特定電池串不能再繼續(xù)充電。因此，為了能夠利用全部存儲容量，安裝了均衡系統(tǒng)。電池均衡系統(tǒng)可以被動或主動地均衡不同單元。被動均衡通過將能量從最高充電狀態(tài)的電池以熱能形式消散來進行26任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)電阻器直到所有電池都處于相同的充電狀態(tài)。耗散的能量仍然未被利用，這總是導(dǎo)致這部分能量的損失。主動均衡從最高電量的電池向最低的SOC的電池取電，這減少了能量損失。然而，主動均衡需要更復(fù)雜的電池和模組架構(gòu)，從而增加了成本。如前文所述，為確保電池系統(tǒng)性能和安全而設(shè)計的運行策略遵循預(yù)設(shè)限制。因此，需要建立復(fù)雜的監(jiān)控和管理系統(tǒng) ,以確保其長效性、防止故障并保證系統(tǒng)性能。由于電池系統(tǒng)從單個電芯到模組，再到機架，最終至完整的儲能系統(tǒng)（BESS）呈現(xiàn)層級結(jié)構(gòu)，管理系統(tǒng)必須在電池系統(tǒng)設(shè)計的各個層級運行，并將信息傳遞至下層。模組電池管理系統(tǒng)（BMS）負(fù)責(zé)測量各種電芯溫度和電壓，并進行電芯均衡。另一方面，機架BMS管理單串，測量其電流，利用模組BMS數(shù)據(jù)進行荷電狀態(tài)和功率輸出計算，并控制串內(nèi)模組。主BMS匯集兩者的所有數(shù)據(jù)，進行濾波，并將信息供給在聚合層級運行的BESS控制器，該控制器與集成輔助系統(tǒng)（如加熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)（HVAC））或其他儲能系統(tǒng)已實施的特性協(xié)同工作。它充當(dāng)電池與整體系統(tǒng)之間的網(wǎng)關(guān)。由于儲能系統(tǒng)（BESS）只是系統(tǒng)的一個組成部分，不同的組件需要由一個overarching控制結(jié)構(gòu)來處理：能源管理系統(tǒng)（EMS）。EMS控制和監(jiān)測整個離網(wǎng)系統(tǒng)，優(yōu)化發(fā)電和儲能資產(chǎn)的運行以供應(yīng)所需負(fù)荷。它與離網(wǎng)系統(tǒng)中的所有控制系統(tǒng)和傳感器進行通信。它需要通過控制頻率和發(fā)電機調(diào)度來監(jiān)管電網(wǎng)穩(wěn)定性，以滿足負(fù)荷。雖然電池管理系統(tǒng)（BMS）的主要目標(biāo)始終是確保電池的安全性和壽命，但EMS監(jiān)督整個離網(wǎng)系統(tǒng)并面向不同可能的目標(biāo)：最小化能源成本，最大化可再生能源的利用，以及最大化電網(wǎng)穩(wěn)定性。提供多種靈活選項的電池。它們不僅提供了一種儲存解決方案，用于轉(zhuǎn)移能量，即將多余的間歇性可再生能源生產(chǎn)儲存起來，并在需要大量能量的后期階段提供該能量，它們還可以與EMS協(xié)同使用于多種技術(shù)應(yīng)用程序，下面簡要解釋如下：能量調(diào)度可以描述為離網(wǎng)系統(tǒng)中BESS最常見的應(yīng)用。如前所述，可再生能源在其生產(chǎn)中波動，無法匹配特定的負(fù)載模式。當(dāng)能源生產(chǎn)超過消耗時，BESS會儲存這些能量，并在生產(chǎn)能力無法匹配負(fù)載時供應(yīng)它們?；旧希a(chǎn)的能源被儲存并轉(zhuǎn)移到其他需要它的時候。與能源轉(zhuǎn)移相比，一種更精確的方法是稱為“削峰填谷”的策略。負(fù)載曲線可能會顯示一個需求峰值，該峰值比平均負(fù)載高出很大幅度，消費者可能因此每千瓦時支付顯著更高的價格。由于這些峰值只是偶爾發(fā)生且持續(xù)時間非常短 ,因此將主要電源的容量調(diào)整至滿足這些峰值在經(jīng)濟上并不可行。電池是一種高效的解決方案，因為它們可以在主要電源的峰值和平均功率輸出之間提供所缺少的能量。為了快速適應(yīng)需求意外峰值或發(fā)電單元故障，離網(wǎng)控制器決定運行哪個發(fā)電機及其容量，始終考慮電池和發(fā)電機的剩余發(fā)電能力。這種發(fā)電備用能力，也稱為旋轉(zhuǎn)27任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)儲能通常幾乎需要即時響應(yīng)，這是發(fā)電機無法處理的。這就是BESS發(fā)揮作用的地方，因為它通常能夠在幾秒鐘內(nèi)補充所需額外電力，確保電網(wǎng)完全運行。事實上，無法處理負(fù)載的突然峰值可能導(dǎo)致過載發(fā)電機停機，從而導(dǎo)致停離網(wǎng)穩(wěn)定性是離網(wǎng)的關(guān)鍵方面。儲能系統(tǒng)（BESS）可以提供電壓支撐以防止電網(wǎng)崩潰。當(dāng)電網(wǎng)電壓水平過低時，BESS能夠注入無功功率以提高電壓；當(dāng)電壓水平超過某個設(shè)定值時，BESS可以吸收無功功率，導(dǎo)致電壓降低。這尤其適用于可再生能源高滲透率的離網(wǎng)系統(tǒng)，因為BESS可以平抑由間歇性生產(chǎn)引起的波動。頻率偏差也可以由BESS控制。當(dāng)電網(wǎng)頻率因負(fù)載過載而下降時，BESS向電網(wǎng)提供有功功率，或者當(dāng)頻率上升時吸收功率。在并網(wǎng)運行中，這項服務(wù)還可以向電網(wǎng)運營商出售。頻率響應(yīng)提供了數(shù)層儲備。頻率約束儲備FCR在毫秒內(nèi)被分配。如果幾分鐘之后電網(wǎng)頻率無法恢復(fù)，則自動頻率恢復(fù)儲備（aFRR）被分配。第三條響應(yīng)線是手動頻率恢復(fù)響應(yīng)（mFRR），在15分鐘后做出反應(yīng)。對于持續(xù)需要的頻率支持，替換儲備取代其地位。因此，BESS作為主要的頻率儲備，維持可接受的電網(wǎng)頻率。這些備用容量在離網(wǎng)上可能表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)組織不那么嚴(yán)密，然而即使在這樣的情況下，電池也必須具備一些應(yīng)對離網(wǎng)頻率突然變化的能力。傳統(tǒng)上，在離網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)由柴油發(fā)電機組成，它們提供穩(wěn)定的發(fā)電。在某些情況下，電池能夠提供穩(wěn)定的基荷 ,因此柴油發(fā)電機能被關(guān)閉，整個電網(wǎng)完全由BESS供電。在這種情況下，離網(wǎng)控制器需要通過提供無功功率或吸收/提供有功功率，將電壓和頻率保持在期望水平。當(dāng)然，電池需要具有足夠的充電能量，以提供這些功能。如果充電狀態(tài)低于某個值，柴油發(fā)電機將再次啟動?？稍偕茉聪到y(tǒng)依賴于風(fēng)、水、陽光等自然資源，而這些資源是變化的，因此可再生能源的輸出功率也會波動。例如，在沒有儲能解決方案的光伏電站，在某些地區(qū)每分鐘可能表現(xiàn)出高達(dá)90%的功率波動。這可能是由于云層覆蓋 ,會立即限制光伏電站的功率輸出。為了維持電網(wǎng)穩(wěn)定，必須緩慢降低這些波動。這是通過儲能技術(shù)，主要是電池 ,提供平滑間歇性功率輸出的可能性來實現(xiàn)的。這可能來自電網(wǎng)運營商維持電網(wǎng)穩(wěn)定的要求，但在離網(wǎng)應(yīng)用中，同時提升發(fā)電機組的功率也很重要，以避免不必要的功率跳躍。在所提及的應(yīng)用中使用的電池可以提供多樣化的靈活性解決方案，同時降低風(fēng)險。它們在整合可再生能源方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，無論是小型還是大型項目、并網(wǎng)或離網(wǎng)系統(tǒng)，最終有助于實現(xiàn)無碳排放的發(fā)電。儲能電池系統(tǒng)，特別是基于鋰離子技術(shù)的那些系統(tǒng)，因其卓越的性能和能量密度而備受關(guān)注。集成這些先進電池的離網(wǎng)分布式系統(tǒng)有望為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)7（SDG7）和全球社區(qū)電氣化做出重要貢獻(xiàn)。28任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)所呈現(xiàn)和分析的研究案例具有精確的數(shù)據(jù)記錄，它僅是各種系統(tǒng)的局部視圖，每個系統(tǒng)都需要單獨設(shè)計。這個例子應(yīng)該更多地讓聽眾了解實施設(shè)計。為了找到具有代表性的研究案例，創(chuàng)建了一份針對EPC（工程、采購和施工）的問卷調(diào)查，并隨后分發(fā)。在對收到的問卷進行評估后，系統(tǒng)集成了被要求提供必要的數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，考慮數(shù)據(jù)的可用性，選擇了系統(tǒng)進行分析。表4：識別案例研究的問卷在表4中，你可以看到發(fā)給系統(tǒng)集成商的調(diào)查問卷。調(diào)查問卷包含了關(guān)于系統(tǒng)特點和規(guī)格的不同問題。調(diào)查問卷中最重要的問題是數(shù)據(jù)的可用性，這對于分析系統(tǒng)非常重要。總共有五家擁有廣泛專業(yè)知識的系統(tǒng)集成商對調(diào)查問卷提供了反饋。在對調(diào)查問卷和數(shù)據(jù)的評估之后，選擇了兩個“案例”。該系統(tǒng)位于海地，海地位于熱帶氣候區(qū)。因此，該系統(tǒng)需要承受非常炎熱的氣候。它是一個基于鋰離子電池、光伏電站和發(fā)電機組的獨立型微電網(wǎng)，用于醫(yī)院?，F(xiàn)在將對其進行介紹，并就其使用情況進行全面審查。該系統(tǒng)位于海地藝術(shù)伯尼山谷，在H?pitalAlbertSchweitzerHaiti（HASHaiti），并與瑞士合作HASHaiti（SPHASH）共同安裝。由于海地沒有集中的電力網(wǎng)，該醫(yī)院最初依賴四臺柴油發(fā)電機組供電。29任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)安裝的太陽能電池板和電池現(xiàn)在每年正在降低約20萬瑞士法郎的燃料成本。這些節(jié)省正在被重新用于提高當(dāng)?shù)厝丝诘慕】捣?wù)。HAS海地是該地區(qū)唯一的24/7全天候綜合醫(yī)院，提供200張床位，服務(wù)超過35萬人[10]。圖6表示為向醫(yī)院供電的電力系統(tǒng)的組成部分。該系統(tǒng)包括兩個光伏場，功率分別為232kWp和210kWp。這些光伏場利用太陽能并將其轉(zhuǎn)化為電能，以滿足醫(yī)院的能源需求。每個光伏場都配備了逆變器，將光伏板產(chǎn)生的直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電（AC）。逆變器確保與醫(yī)院的電力負(fù)荷兼容，并實現(xiàn)太陽能發(fā)電的利用。該系統(tǒng)由四臺發(fā)電機組成，其中兩臺額定功率為200kVA，另外兩臺額定功率為400kVA。發(fā)電機作為備用電源，在太陽輻照度較低期間或光伏、光伏逆變器或電池系統(tǒng)發(fā)生故障時，用于補充電力供應(yīng)。它們提供額外電力以滿足醫(yī)院的能源需求。該系統(tǒng)有兩個鋰離子儲能系統(tǒng)。第一個儲能系統(tǒng)額定功率為200千伏安，額定容量為224千瓦時，而第二個儲能系統(tǒng)有圖6：包含發(fā)電機組、光伏電站、逆變器、儲能系統(tǒng)和負(fù)載的系統(tǒng)框圖。額定功率為105千伏安，額定容量為332千瓦時。這些儲能系統(tǒng)（BESS）存儲光伏發(fā)電器和發(fā)電機產(chǎn)生的多余能量。后者確保在高峰需求或太陽能發(fā)電不足時提供可靠的電力供應(yīng)。該電力系統(tǒng)還包括一個通信系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種組件的集中控制和協(xié)調(diào)。這保證了光伏場、發(fā)電機、儲能系統(tǒng)和電力基礎(chǔ)設(shè)施其他元素之間的可靠通信。30任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)圖7：診所屋頂上的已安裝光伏電站。圖8：離網(wǎng)系統(tǒng)的四臺柴油發(fā)電機。該系統(tǒng)還包括一個監(jiān)控系統(tǒng)，持續(xù)跟蹤和評估組件的性能和狀態(tài)。此監(jiān)控功能可實現(xiàn)實時監(jiān)控能源生產(chǎn)、存儲水平和整體系統(tǒng)健康狀況。31任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)圖7：從外部和內(nèi)部看BESS設(shè)置。在圖8中，醫(yī)院的年負(fù)荷曲線被表示出來。系統(tǒng)的平均負(fù)荷需求約為130kW。負(fù)荷曲線顯示了不同時間段的主動負(fù)荷水平，它代表了醫(yī)院在這段時間內(nèi)消耗的總功率。圖表顯示了250kW的最大主動負(fù)荷，這代表了醫(yī)院的峰值功率需求。這導(dǎo)致電池的最大C率達(dá)到0.44C。另一方面，圖表也顯示了25kW的最小主動負(fù)荷。圖8：離網(wǎng)系統(tǒng)一年內(nèi)的負(fù)載曲線。32任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)圖9說明了能源系統(tǒng)的各種組件及其相互作用。藍(lán)線表示消費者的能源消耗，紅線表示發(fā)電機產(chǎn)生的功率，綠線表示光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的功率。此外，圖中還包括一條橙色線表示BESS（電池儲能系統(tǒng)），用于存儲過剩能量。虛線紫線表示電池的SOC（荷電狀態(tài)）。圖9：帶有圖9：帶有BESS額外SOCs的每日負(fù)載源配置文件白天，當(dāng)太陽能占比高時，大部分光伏能量直接供負(fù)荷使用。剩余產(chǎn)生的能量用于給電池充電，如圖中紫色線表示的電池荷電狀態(tài)（SOC）升高所示。傍晚，當(dāng)太陽能發(fā)電減少時，電池放電以滿足消費者的能源需求，如圖中電池荷電狀態(tài)（SOC）下降所示。負(fù)載，由消費者的能源消耗（藍(lán)線）表示，在觀察的整個日內(nèi)波動在100kW和200kW之間。如果電池的SOC低于某個閾值，發(fā)電機組（紅線）接管以提供額外電力，并確保電力和電池的持續(xù)供應(yīng)?？傮w而言，圖9展示了能源系統(tǒng)的動態(tài)特性，其中光伏系統(tǒng)和電池協(xié)同工作，以最大化可再生能源的利用并最小化對發(fā)電機組的依賴。圖11顯示了兩個電池儲能系統(tǒng)的SOC。兩種電池以相同的方式使用，這意味著BESS1（橙色曲線）的SOC與BESS2（藍(lán)色曲線）的相同SOC疊加。最大SOC水平約為100%，表明電池已充滿電，而最小SOC水平約為20%，很少為10%，表明充電量相對較低。33任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)圖11：一年內(nèi)兩個BESS的SOC圖10顯示了系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率，該頻率保持在約60Hz。在為期一年的期間內(nèi)，觀察到一些測量誤差。這些誤差可能導(dǎo)致與精確電網(wǎng)頻率的輕微偏差。然而，盡管存在這些誤差，圖形清楚地表明，電池的貢獻(xiàn)對于穩(wěn)定離網(wǎng)系統(tǒng)至關(guān)重要。它有助于將頻率維持在可接受的范圍內(nèi)，最大限度地減少任何重大偏差，這確保了連接到該系統(tǒng)的電器和設(shè)備能夠高效可靠地運行。圖10：一個周期內(nèi)的系統(tǒng)頻率（60Hz）34任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)案例研究分類根據(jù)第二章開發(fā)的分類方法，案例研究可以被歸類。因此，重要參數(shù)被計算出來。根據(jù)所呈現(xiàn)的結(jié)果，海地的系統(tǒng)可以被分配到離網(wǎng)系統(tǒng)的第四類。表5：系統(tǒng)的分類。位置海地發(fā)電機尺寸最終產(chǎn)率=每日太陽太陽能比例平均放電電流8平均周期深循環(huán)匯總等效全每年周期數(shù)推薦電池鋰電池最大負(fù)載功率性能比PV~80%35任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)5性能比較鋰離子電池VS.鉛酸電池電池領(lǐng)域的創(chuàng)新為市場帶來了各種不同的鋰離子電池，涵蓋了廣泛功率和能量范圍，適用于幾乎所有種類的應(yīng)用。尤其是汽車行業(yè)實現(xiàn)了向電氣化新紀(jì)元的突破。此外，鋰離子電池在各種固定應(yīng)用中提供了新的可能性。這里僅列舉三種。?家用電池組永久連接到電網(wǎng)的太陽能電池組支持安裝的光伏系統(tǒng)，并使房屋具有可觀的自主性比率，?報廢汽車電池用于兆瓦級儲能，以支持本地電網(wǎng)或為工業(yè)應(yīng)用實現(xiàn)削峰。?所有在光伏離網(wǎng)地區(qū)的遠(yuǎn)程應(yīng)用程序都可以由鋰離子電池供電。這尤其適用于兆瓦范圍。本章將研究全球光伏離網(wǎng)系統(tǒng)。此類系統(tǒng)安裝于廣泛的光電和用途范圍。特別是4類系統(tǒng)（表）是考慮的重點。 本章的基本思路是選擇在世界各地不同地點安裝的幾個最佳實踐系統(tǒng)。需要提供詳細(xì)的組件數(shù)據(jù)，包括財務(wù)邊界條件。需要對系統(tǒng)進行為期至少一年的監(jiān)控數(shù)據(jù)?；谶@些信息，在一個合適的仿真環(huán)境中為系統(tǒng)創(chuàng)建了一個虛擬孿生。一旦仿真以反映真實系統(tǒng)性能的方式得到驗證，就可以進行任何參數(shù)變化，以分析其對系統(tǒng)行為的影響顯著性。本虛擬設(shè)置應(yīng)用于研究在所選光伏離網(wǎng)系統(tǒng)中鉛酸電池和鋰離子電池的性能差異。為了評估模擬結(jié)果，可以應(yīng)用性能標(biāo)準(zhǔn)到模擬結(jié)果中。最重要的性能標(biāo)準(zhǔn)是每千瓦時的平準(zhǔn)化電力成本（LCOE），包括所有必要的投資、更換、維修和保養(yǎng)成本。最初已選擇三個系統(tǒng)進行性能評估。所有系統(tǒng)均為村用供電系統(tǒng)。其中一個系統(tǒng)位于玻利維亞，另外兩個系統(tǒng)位于澳大利亞。這兩個澳大利亞站點中，目前還沒有一個配備可再生能源系統(tǒng)，而是由柴油發(fā)電機供電。36任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)5.2.1圣胡安皮爾瓦宗，玻利維亞玻利維亞的一個光伏混合系統(tǒng)已被選中，用于展示一個典型的村寨供電系統(tǒng)，它位于PuertoVillazón社區(qū)居民區(qū)。巴烏斯муниципалитет,埃特內(nèi)省的貝尼省部門，在玻利維亞亞馬孫地區(qū)，靠近與巴西接壤的邊境。進入該村和該系統(tǒng)非常困難。圖12：玻利維亞普魯托維拉宗該村由95戶組成，面積約0.5公里×1公里。為這個地區(qū)供電的系統(tǒng)包括?在一個15度傾斜的地面安裝結(jié)構(gòu)上，安裝了156千瓦的PV陣列。光伏組件型號為晶科JKM330PP-72。?6臺20千瓦的PV逆變器，SMASunnyTripower20000TL?15臺6千瓦的電池逆變器，SMASunnyIsland8.0H-12。?624千瓦時鋰離子電池，TesvoltTS，標(biāo)稱電壓為48V，由三星SDI鋰-NMC電芯組成。?現(xiàn)有的88千伏安派克森柴油發(fā)電機。?SMA監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2019年安裝，當(dāng)時它是南美洲最大的鋰離子電池離網(wǎng)系統(tǒng)。所有相關(guān)項目信息都可用，以便使用HOMERPRO構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)字模型。該系統(tǒng)由SIE（玻利維亞EPC）、MORA（玻利維亞土木工程承包商）和TramaTecnoAmbiental（西班牙工程和咨詢公司）組成的協(xié)會安裝[11]。37任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)用于模擬的負(fù)荷曲線是從2022年1月1日到2022年12月31日。統(tǒng)計負(fù)荷數(shù)據(jù)可以表6：系統(tǒng)負(fù)載需求。平均負(fù)載峰值需求每日需求每個平均需求家庭每單位能量需求家庭23.2千瓦83.3千瓦每戶240瓦/小時圖14顯示了負(fù)載特性的曲線。平均日曲線是一條典型的消費者負(fù)載曲線，在傍晚達(dá)到峰值需求。月度曲線顯示沒有明顯的季節(jié)性變化。這不是一個夏季或冬季峰值曲線，但在世界各地的許多熱帶地區(qū)非常典型。負(fù)載直方圖匯總了每日和季節(jié)性曲線的信息。它顯示11月是一個例外，因為夜間負(fù)載非常低，而日間負(fù)載高于平均水平。這是由于柴油發(fā)電機進行的糾正性維護活動造成的。圖14：普托維拉松負(fù)載曲線太陽輻射數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局?jǐn)?shù)據(jù)庫[12]。圖15顯示了普魯托維拉宗的太陽輻射強度。平均輻射強度為4.93kWh/m2/d。風(fēng)速數(shù)據(jù)也來自NASA數(shù)據(jù)庫。平均風(fēng)速為2.38m/s。這屬于風(fēng)速等級I，為輕風(fēng)，不適合系統(tǒng)中使用風(fēng)力渦輪機。38任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)5.2.2達(dá)利河，澳大利亞達(dá)利河是澳大利亞北領(lǐng)地的偏遠(yuǎn)地區(qū)。已安裝的微網(wǎng)向大約350戶分散的家庭供電。有關(guān)該項目的詳細(xì)信息可以在[系統(tǒng)由以下組成：?系統(tǒng)由以下組成：?1兆瓦p太陽能電池板?1.9兆瓦時，800千瓦鋰離子電池?3臺柴油發(fā)電機460千瓦，580千瓦，800千瓦?72000升燃年3,394,500兆瓦時o每戶每天26兆瓦時圖16：達(dá)利河太陽能微電網(wǎng)。照片由AmandaByrd拍攝。39任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)圖17：達(dá)利河負(fù)荷。一份關(guān)于達(dá)利河微電網(wǎng)經(jīng)驗教訓(xùn)的詳細(xì)報告已發(fā)布，并可以免費下載[14]。達(dá)利河的負(fù)荷曲線沒有顯示出典型的晚高峰。它分布更加均衡，這是由于白天空調(diào)負(fù)荷較高所致。由于它是一個沙漠地區(qū)，所以季節(jié)分布也比較均勻。感謝澳大利亞電力水務(wù)公司（PWC）提交了這些數(shù)據(jù)[15]。5.2.3多蒂村北領(lǐng)地，澳大利亞穆蒂朱魯村位于澳大利亞北領(lǐng)地的著名烏魯魯國家公園附近[16]。40任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)該電力系統(tǒng)目前只有柴油發(fā)電機，而將安裝太陽能和電池系統(tǒng)。目前約有300人在該村生活。負(fù)載表現(xiàn)出以下特征：戶)負(fù)載的曲線有一個中午的峰值以及夜間的相當(dāng)高的負(fù)載。由于地處沙漠，季節(jié)分布相當(dāng)均衡。感謝來自澳大利亞愛麗絲泉的Ekistika提交的信息[17]。已經(jīng)進行了仿真計算。具有現(xiàn)有負(fù)載曲線的實際系統(tǒng)被放入仿真環(huán)境中。作為中央仿真工具，使用了homerenergy的HOMERPro工具[18]。對于所描述的三個系統(tǒng)中的每一個，在HOMERPro中創(chuàng)建了一個數(shù)字孿生。在第一步中 ,必須使用HOMERPro優(yōu)化算法對系統(tǒng)進行規(guī)?；⒔Y(jié)果與現(xiàn)場提供的數(shù)據(jù)進行了比較。經(jīng)過幾次修改和優(yōu)化 ,數(shù)字模型確實反映了現(xiàn)實。結(jié)果反映了現(xiàn)場安裝系統(tǒng)的行為和性能。仿真是在圖20所示的交流耦合光伏混合系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。發(fā)電側(cè)由交流耦合光伏陣列、一個或多個風(fēng)力渦輪機和一個或多個柴油機組成。盡管現(xiàn)場只有低風(fēng)速可用，但優(yōu)化算法提供了該選項。通過縮放負(fù)載曲線，額外的風(fēng)力渦輪機可能會提高系統(tǒng)的效率。負(fù)載直接連接到交流母線。 41任務(wù)18離網(wǎng)和網(wǎng)邊光伏系統(tǒng)——離網(wǎng)應(yīng)用中的鋰離子電池系統(tǒng)雙向功率轉(zhuǎn)換器將不同類型的電池連接到交流母線。為了分析哪種類型的電池對于特定的系統(tǒng)配置和位置表現(xiàn)最佳,已選擇了三種不同的電池類型：?作為參考電池，選擇了一款典型的鋰離子電池組用于固定應(yīng)用。以TesvoltTSHV70為例。它是一種77kWh的儲能系統(tǒng)，由16個模塊組成。SamsungSDI的方形NMC電芯是其基礎(chǔ)[19]。?一款簡單的12V@85Ah鉛酸電池，反映了1kWh的存儲容量。這類電池可以從許多制造商處在全球范圍內(nèi)以極具吸引力的價格購買，并可用于構(gòu)建大型固定式電池組。?一種適用于大型固定應(yīng)用的優(yōu)