No contexto da construção acelerada de novos sistemas de energia, os sistemas de armazenamento de energia, como componente central para equilibrar a oferta e a procura de energia e aumentar a resiliência da rede, são concebidos em torno da conversão da forma de energia, do controlo colaborativo do sistema e da operação segura e económica. O objetivo é conseguir armazenamento flexível e liberação precisa de energia elétrica por meio de uma arquitetura científica. O principal objetivo do projeto não é apenas atender aos requisitos de energia e capacidade de cenários específicos, mas também alcançar um equilíbrio ideal entre segurança, eficiência, vida útil e economia.
O projeto de sistemas de armazenamento de energia começa com a seleção da lógica subjacente aos mecanismos de conversão de energia. O armazenamento de energia eletroquímica é baseado na reação "eletroquímica-eletroquímica" reversível, alcançando o armazenamento de energia por meio da reação redox de materiais de eletrodos positivos e negativos: durante o carregamento, a energia elétrica faz com que os transportadores de carga (como íons de lítio) migrem e se incorporem no eletrodo negativo, convertendo-os em energia química; durante a descarga, os portadores de carga retornam ao eletrodo positivo e a energia química é convertida novamente em energia elétrica. O armazenamento físico de energia depende da conversão de formas macroscópicas de energia. Por exemplo, o armazenamento hidrelétrico bombeado utiliza eletricidade para acionar uma bomba para aumentar a energia potencial da água e, durante a geração de energia, a queda da água aciona uma turbina para converter a energia potencial em energia elétrica. O armazenamento de ar comprimido utiliza eletricidade para comprimir gás e armazenar energia de pressão; ao liberar energia, o gás de alta-pressão se expande e aciona um gerador. Diferentes mecanismos de conversão determinam a velocidade de resposta do sistema, a densidade de energia e os cenários aplicáveis. O projeto deve primeiro ancorar a rota tecnológica com base nos requisitos.
O projeto da arquitetura do sistema enfatiza a coordenação e o gerenciamento hierárquico de múltiplos módulos. Um sistema completo de armazenamento de energia consiste em unidades de armazenamento de energia, um sistema de conversão de energia (PCS), um sistema de gerenciamento de bateria (BMS), um sistema de gerenciamento de energia (EMS) e sistemas auxiliares (controle de temperatura, proteção contra incêndio, monitoramento). A unidade de armazenamento de energia é o núcleo do armazenamento de energia e seus métodos de conexão em série e paralelo precisam ser otimizados com base na tensão alvo, capacidade e requisitos de redundância. O PCS (sistema de controle de energia) é responsável pela conversão CA/CC e regulação de energia, e sua topologia (como dois-níveis ou três{4}}níveis) precisa corresponder ao nível de energia e aos requisitos de eficiência do sistema. O BMS (Sistema de gerenciamento de bateria), atuando como "terminações nervosas", precisa obter monitoramento-em tempo real e controle equilibrado da tensão, temperatura e resistência interna de células individuais para evitar falhas em cascata causadas por sobrecarga e-descarga excessiva localizadas. O EMS (Sistema de Gestão de Energia Elétrica) é o “cérebro”, otimizando dinamicamente as estratégias de carga e descarga e coordenando as ações de cada módulo com base na carga da rede, na produção de energia renovável e nos sinais do preço da eletricidade. Os sistemas auxiliares fornecem proteção ambiental para as funções principais acima; por exemplo, o sistema de controle de temperatura mantém as células operando dentro de uma faixa de temperatura adequada (normalmente 25 graus ±5 graus), e o sistema de proteção contra incêndio constrói uma linha de alerta precoce e defesa de supressão contra incêndios.
O design precisa integrar profundamente as características e restrições do cenário. O armazenamento-de energia no lado da rede enfatiza a capacidade de resposta rápida e de regulação-em larga escala, exigindo melhor desempenho dinâmico do sistema de geração de energia (PCS) e compatibilidade-com a rede do sistema de armazenamento de energia (EMS). O armazenamento de energia do lado da fonte de energia precisa se adaptar às flutuações na produção de energia renovável, otimizando a tolerância do BMS à carga e descarga intermitentes. O armazenamento-de energia do lado do usuário prioriza a economia e a utilização do espaço, equilibrando a configuração da capacidade e os custos de instalação, e pode empregar integração modular para economizar espaço. Além disso, o projeto deve reservar interfaces de expansão para acomodar futuras atualizações de capacidade ou iterações tecnológicas.
A segurança e a eficiência económica são cruciais ao longo de todo o ciclo de vida. Do ponto de vista da segurança, um sistema de defesa multi{1}}camadas deve ser construído por meio de projeto de isolamento elétrico, proteção contra sobretensão e sobrecorrente e mecanismos de alerta precoce de fuga térmica. Do ponto de vista econômico, a melhoria da eficiência de conversão de energia (por exemplo, eficiência do PCS maior ou igual a 95%), ciclo de vida prolongado (por exemplo, contagem de ciclos de projeto maior ou igual a 6.000 vezes) e redução do consumo de energia do sistema auxiliar são necessários para aumentar os benefícios do ciclo de vida.
Em resumo, o princípio de design de sistemas de armazenamento de energia é um processo de integração tecnológica baseado em mecanismos de conversão de energia, centrado na colaboração de vários-módulos, guiado pela adaptação de cenários e limitado pela segurança e pela economia. A sua essência é transformar unidades discretas de armazenamento de energia num sistema de regulação de energia perceptível, controlável e otimizável através de uma arquitetura científica, fornecendo um apoio fundamental para que novos sistemas de energia possam lidar com a elevada proporção de acesso às energias renováveis.
