نظام الطاقة الشمسية DKSESS 100 كيلو وات، هجين/خارج الشبكة، الكل في واحد

مقارنة البطاريات في نظام تخزين الطاقة
تخزين الطاقة بالبطاريات هو تخزين للطاقة الكيميائية. ويمكن تقسيمه، حسب نوع البطارية المختارة، إلى: بطاريات الرصاص الحمضية، وبطاريات الليثيوم، وبطاريات النيكل والهيدروجين، وبطاريات التدفق السائل (بطاريات الفاناديوم)، وبطاريات كبريتات الصوديوم، وبطاريات الرصاص والكربون، وغيرها.

1. بطارية الرصاص الحمضية
تشمل بطاريات الرصاص الحمضية بطاريات الرصاص الغروانية والسائلة (ما يُسمى ببطاريات الرصاص الحمضية العادية). يُستخدم هذان النوعان من البطاريات باختلاف المناطق. تتميز البطارية الغروانية بمقاومة عالية للبرد، وكفاءة طاقة تشغيلها أعلى بكثير من البطارية السائلة عند درجة حرارة أقل من 15 درجة مئوية، كما تتميز بعزل حراري ممتاز.

بطارية الرصاص الحمضية الغروانية هي نسخة مُحسّنة من بطاريات الرصاص الحمضية الشائعة ذات الإلكتروليت السائل. يُستخدم الإلكتروليت الغرواني بدلاً من إلكتروليت حمض الكبريتيك، وهو أفضل من البطاريات الشائعة من حيث السلامة وسعة التخزين وأداء التفريغ وعمر الخدمة. تعتمد بطارية الرصاص الحمضية الغروانية على إلكتروليت هلامي، ولا يحتوي على سائل حر. في نفس الحجم، يتميز الإلكتروليت بسعة كبيرة وسعة حرارية عالية وقدرة عالية على تبديد الحرارة، مما يُجنّب ظاهرة الانفلات الحراري للبطاريات العادية. تآكل صفيحة القطب ضعيف بسبب انخفاض تركيز الإلكتروليت. التركيز موحد، ولا يوجد أي تراكب في الإلكتروليت.

بطارية الرصاص الحمضية العادية هي نوع من البطاريات، يتكون قطبها الرئيسي من الرصاص وأكسيده، ومحلول حمض الكبريتيك. في حالة التفريغ، يكون المكون الرئيسي للقطب الموجب هو ثاني أكسيد الرصاص، بينما يكون المكون الرئيسي للقطب السالب هو الرصاص. في حالة الشحن، يكون المكون الرئيسي للقطب الموجب والسالب هو كبريتات الرصاص. يبلغ الجهد الاسمي لبطارية الرصاص الحمضية أحادية الخلية 2.0 فولت، ويمكن تفريغها إلى 1.5 فولت وشحنها إلى 2.4 فولت. في التطبيقات، تُستخدم ست بطاريات رصاص حمضية أحادية الخلية على التوالي لتكوين بطارية رصاص حمضية اسمية بجهد 12 فولت، بالإضافة إلى 24 فولت، و36 فولت، و48 فولت، إلخ.

تشمل مزاياها بشكل أساسي: الختم الآمن، نظام تحرير الهواء، الصيانة البسيطة، عمر الخدمة الطويل، الجودة المستقرة، الموثوقية العالية، والصيانة المجانية؛ العيب هو أن تلوث الرصاص كبير وكثافة الطاقة منخفضة (أي ثقيلة جدًا).

2. بطارية الليثيوم
بطارية الليثيوم هي نوع من البطاريات، مصنوعة من معدن الليثيوم أو سبيكة الليثيوم كمهبط ومحلول إلكتروليت غير مائي. وتنقسم إلى فئتين: بطارية ليثيوم معدنية وبطارية ليثيوم أيون.

تستخدم بطاريات الليثيوم المعدنية عادةً ثاني أكسيد المنغنيز كمهبط، والليثيوم المعدني أو معدنه المخلوط كمهبط، وتستخدم محلول إلكتروليت غير مائي. تستخدم بطاريات أيونات الليثيوم عادةً أكاسيد معادن سبائك الليثيوم كمهبط، والجرافيت كمهبط، بالإضافة إلى إلكتروليتات غير مائية. لا تحتوي بطاريات أيونات الليثيوم على ليثيوم معدني، ويمكن إعادة شحنها. بطارية الليثيوم التي نستخدمها في تخزين الطاقة هي بطارية أيون الليثيوم، ويُشار إليها باسم "بطارية الليثيوم".

تشمل بطاريات الليثيوم المستخدمة في أنظمة تخزين الطاقة بشكل رئيسي: بطاريات فوسفات حديد الليثيوم، وبطاريات الليثيوم الثلاثية، وبطاريات منجنات الليثيوم. تتميز البطارية المفردة بجهد عالٍ، ونطاق واسع لدرجات حرارة التشغيل، وطاقة وكفاءة نوعية عاليتين، ومعدل تفريغ ذاتي منخفض. يمكن تحسين السلامة وعمر البطارية باستخدام دوائر الحماية والموازنة. لذلك، وبالنظر إلى مزايا وعيوب أنواع البطاريات المختلفة، أصبحت بطاريات الليثيوم الخيار الأمثل لمحطات توليد الطاقة لتخزين الطاقة، نظرًا لسلسلتها الصناعية المتطورة نسبيًا، وسلامتها، وموثوقيتها، وملاءمتها للبيئة.

مزاياها الرئيسية هي: عمر خدمة طويل، كثافة طاقة تخزين عالية، وزن خفيف وقابلية تكيف قوية؛ العيوب هي ضعف السلامة، والانفجار السهل، والتكلفة العالية وظروف الاستخدام المحدودة.

فوسفات الحديد الليثيوم
بطارية فوسفات حديد الليثيوم هي بطارية أيون الليثيوم التي تستخدم فوسفات حديد الليثيوم كمادة كاثود. تشمل مواد الكاثود في بطاريات أيون الليثيوم بشكل رئيسي كوبالات الليثيوم، ومنغنات الليثيوم، وأكسيد نيكل الليثيوم، والمواد الثلاثية، وفوسفات حديد الليثيوم، وغيرها. كوبالات الليثيوم هو مادة الكاثود المستخدمة في معظم بطاريات أيون الليثيوم.

لم يظهر فوسفات حديد الليثيوم كمواد لبطاريات الليثيوم إلا في السنوات الأخيرة. في عام ٢٠٠٥، طُوّرت بطارية فوسفات حديد الليثيوم عالية السعة في الصين. تتميز هذه البطارية بسلامتها وعمرها الافتراضي الذي لا يُضاهى مع المواد الأخرى. يصل عمر دورة شحن وتفريغ 1C إلى ٢٠٠٠ مرة. يبلغ جهد الشحن الزائد للبطارية الواحدة ٣٠ فولت، مما يمنع الاحتراق والثقب من الانفجار. تُعدّ بطاريات أيون الليثيوم عالية السعة، المصنوعة من مواد كاثود فوسفات حديد الليثيوم، أسهل استخدامًا على التوالي لتلبية احتياجات الشحن والتفريغ المتكرر للسيارات الكهربائية.

فوسفات حديد الليثيوم مادة خام غير سامة، خالية من التلوث، آمنة، ومتوفرة بكثرة، رخيصة الثمن، وطويلة العمر، ولها مزايا أخرى. وهي مادة كاثود مثالية للجيل الجديد من بطاريات أيونات الليثيوم. لكن لبطاريات فوسفات حديد الليثيوم عيوبها أيضًا. على سبيل المثال، كثافة دك مادة كاثود فوسفات حديد الليثيوم منخفضة، وحجم بطارية فوسفات حديد الليثيوم ذات السعة المماثلة أكبر من بطاريات أيونات الليثيوم مثل كوبالات الليثيوم، لذا لا تتمتع بمزايا في البطاريات الصغيرة.

نظرًا للخصائص المتأصلة لفوسفات حديد الليثيوم، فإن أداءه في درجات الحرارة المنخفضة أدنى من مواد الكاثود الأخرى مثل منجنات الليثيوم. بشكل عام، بالنسبة لخلية واحدة (مع العلم أنها خلية واحدة وليست مجموعة بطاريات)، قد يكون أداء مجموعة البطاريات في درجات الحرارة المنخفضة المُقاس أعلى قليلاً.

يرتبط هذا بظروف تبديد الحرارة، حيث يتراوح معدل احتفاظه بالسعة بين 60% و70% عند 0 درجة مئوية، و40% و55% عند -10 درجات مئوية، و20% و40% عند -20 درجة مئوية. من الواضح أن هذا الأداء في درجات الحرارة المنخفضة لا يلبي متطلبات استخدام مصدر الطاقة. حاليًا، حسّن بعض المصنّعين أداء فوسفات حديد الليثيوم في درجات الحرارة المنخفضة من خلال تحسين نظام الإلكتروليت، وتحسين تركيبة القطب الموجب، وتحسين أداء المادة، وتحسين تصميم هيكل الخلية.

بطارية ليثيوم ثلاثية
بطارية الليثيوم البوليمرية الثلاثية هي بطارية ليثيوم ذات مهبط ثلاثي من الليثيوم والنيكل والكوبالت والمنجنيز (Li (NiCoMn) O2). تتكون مادة المهبط الثلاثي المركب من ملح النيكل والكوبالت والمنجنيز كمواد خام. يمكن تعديل نسبة النيكل والكوبالت والمنجنيز في بطارية الليثيوم البوليمرية الثلاثية وفقًا للاحتياجات الفعلية. تتميز البطارية ذات المهبط الثلاثي بسلامة عالية مقارنةً ببطارية الليثيوم والكوبالت، إلا أن جهدها منخفض جدًا.

من أهم مزاياها: أداء دورة جيد؛ عيبها محدودية استخدامها. ومع ذلك، نظرًا لتشديد السياسات المحلية المتعلقة ببطاريات الليثيوم الثلاثية، يميل تطويرها إلى التباطؤ.

بطارية منجنات الليثيوم
بطارية منجنات الليثيوم من أكثر مواد كاثود أيونات الليثيوم الواعدة. بالمقارنة مع مواد الكاثود التقليدية مثل كوبالات الليثيوم، تتميز منجنات الليثيوم بمزايا غنية بالموارد، وانخفاض التكلفة، وعدم التلوث، والسلامة العالية، وأداء المضاعفة الجيد، وغيرها. إنها مادة كاثود مثالية لبطاريات الطاقة. ومع ذلك، فإن ضعف أداء دورة الشحن واستقرارها الكهروكيميائي يحدان بشكل كبير من استخدامها في التصنيع. تتكون منجنات الليثيوم بشكل رئيسي من منجنات الليثيوم السبينيل ومنجنات الليثيوم الطبقية. تتميز منجنات الليثيوم السبينيل ببنية مستقرة، مما يسهل استخدامها في الإنتاج الصناعي. جميع منتجات السوق اليوم مصنوعة من هذه البنية. تنتمي منجنات الليثيوم السبينيل إلى نظام البلورات المكعبة، ومجموعة Fd3m الفراغية، وتبلغ سعتها النوعية النظرية 148 مللي أمبير/ساعة/جم. بفضل بنيتها النفقية ثلاثية الأبعاد، يمكن فصل أيونات الليثيوم بشكل عكسي من شبكة السبينيل دون التسبب في انهيارها، مما يجعلها تتميز بأداء تكبير واستقرار ممتازين.

3. بطارية NiMH
بطارية النيكل والهيدروجين (NiMH) هي نوع من البطاريات عالية الأداء. المادة الفعالة الموجبة فيها هي Ni (OH) 2 (يُسمى قطب NiO)، والمادة الفعالة السالبة هي هيدريد المعدن، ويُسمى أيضًا سبيكة تخزين الهيدروجين (يُسمى قطب تخزين الهيدروجين)، والإلكتروليت هو محلول هيدروكسيد البوتاسيوم بتركيز 6 مول/لتر.

تنقسم بطارية هيدريد النيكل المعدني إلى بطارية هيدريد النيكل المعدني ذات الجهد العالي وبطارية هيدريد النيكل المعدني ذات الجهد المنخفض.

تتميز بطارية هيدريد النيكل المعدنية ذات الجهد المنخفض بالخصائص التالية: (1) جهد البطارية 1.2 ~ 1.3 فولت، وهو ما يعادل بطارية النيكل والكادميوم؛ (2) كثافة طاقة عالية، أكثر من 1.5 مرة من بطارية النيكل والكادميوم؛ (3) شحن وتفريغ سريع، أداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة؛ (4) قابلة للإغلاق، مقاومة قوية للشحن الزائد والتفريغ؛ (5) لا تتكون بلورات شجرية، مما يمكن أن يمنع حدوث ماس كهربائي في البطارية؛ (6) آمنة وموثوقة، لا تلوث البيئة، ولا تسبب تأثير الذاكرة، إلخ.

تتميز بطارية النيكل والهيدروجين عالية الجهد بالخصائص التالية: (1) موثوقية عالية. تتميز بحماية جيدة من التفريغ الزائد والشحن الزائد، وتتحمل معدلات شحن وتفريغ عالية، ولا تتشكل فيها شجيرات. كما تتميز بخصائص نوعية ممتازة. تبلغ سعتها الكتلية النوعية 60 أمبير/ساعة/كجم، أي ما يعادل خمسة أضعاف سعة بطارية النيكل والكادميوم. (2) عمر افتراضي طويل يصل إلى آلاف المرات. (3) محكمة الغلق، وصيانة أقل. (4) أداء ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة، ولا تتغير سعتها بشكل ملحوظ عند درجة حرارة -10 درجة مئوية.

المزايا الرئيسية لبطارية NiMH هي: كثافة الطاقة العالية، وسرعة الشحن والتفريغ السريعة، وخفة الوزن، وعمر الخدمة الطويل، وعدم التلوث البيئي؛ العيوب هي تأثير الذاكرة الطفيف، والمزيد من مشاكل الإدارة، وسهولة تشكيل ذوبان فاصل البطارية الفردية.

4. خلية التدفق
بطارية التدفق السائل هي نوع جديد من البطاريات. وهي بطارية عالية الأداء تستخدم إلكتروليتًا موجبًا وسالبًا للفصل والتداول بشكل منفصل. تتميز بسعة عالية، ومجال تطبيق واسع (بيئة)، وعمر افتراضي طويل. وهي منتج طاقة جديد حاليًا.

تُستخدم بطارية التدفق السائل بشكل عام في نظام محطة طاقة تخزين الطاقة، والتي تتكون من وحدة المكدس، ووحدة تخزين وتزويد محلول الإلكتروليت ومحلول الإلكتروليت، ووحدة التحكم والإدارة، وما إلى ذلك. يتكون القلب من مكدس (يتكون المكدس من عشرات الخلايا لتفاعل الأكسدة والاختزال) وخلية واحدة للشحن والتفريغ وفقًا للمتطلبات المحددة في السلسلة، وبنيتها مماثلة لبنية مكدس خلية الوقود.

بطارية تدفق الفاناديوم هي نوع جديد من معدات تخزين الطاقة. لا تُستخدم فقط كجهاز تخزين طاقة داعم لعمليات توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، بل تُستخدم أيضًا لتقليل ذروة الاستهلاك في شبكة الكهرباء، مما يعزز استقرارها ويضمن سلامتها. من أهم مزاياها: مرونة التصميم، وطول دورة الحياة، وسرعة الاستجابة، وعدم انبعاثات ضارة؛ أما عيبها فهو تفاوت كثافة الطاقة بشكل كبير.

5. بطارية كبريت الصوديوم
تتكون بطارية كبريت الصوديوم من قطب موجب وقطب سالب، بالإضافة إلى إلكتروليت، وغشاء، وغطاء. بخلاف البطاريات الثانوية العادية (مثل بطاريات الرصاص الحمضية، وبطاريات النيكل والكادميوم، وغيرها)، تتكون بطارية كبريت الصوديوم من قطب منصهر وإلكتروليت صلب. المادة الفعالة للقطب السالب هي صوديوم معدني منصهر، والمادة الفعالة للقطب الموجب هي كبريت سائل وبولي كبريتيد صوديوم منصهر. تتكون البطارية الثانوية من صوديوم معدني كقطب سالب، وكبريت كقطب موجب، وأنبوب سيراميكي كفاصل إلكتروليت. عند درجة تشغيل معينة، تتفاعل أيونات الصوديوم بشكل عكسي مع الكبريت عبر غشاء الإلكتروليت لتكوين طاقة تُطلق وتُخزن.

كنوع جديد من مصادر الطاقة الكيميائية، شهد هذا النوع من البطاريات تطورًا كبيرًا منذ ظهوره. تتميز بطارية كبريت الصوديوم بحجمها الصغير وسعتها الكبيرة وعمرها الطويل وكفاءتها العالية. تُستخدم على نطاق واسع في تخزين الطاقة الكهربائية، مثل تقليل ذروة الاستهلاك وملء الوديان، وإمدادات الطاقة في حالات الطوارئ، وتوليد طاقة الرياح.

مزاياها الرئيسية هي: 1) طاقة نوعية أعلى (أي الطاقة الكهربائية الفعالة لكل وحدة كتلة أو وحدة حجم من البطارية). تبلغ طاقتها النوعية النظرية 760 واط/كجم، وهي في الواقع تتجاوز 150 واط/كجم، أي ما يعادل 3-4 أضعاف طاقة بطارية الرصاص الحمضية. 2) في الوقت نفسه، تتميز بقدرتها على التفريغ بتيار كبير وطاقة عالية. تتراوح كثافة تيار التفريغ عادةً بين 200 و300 مللي أمبير/سم²، ويمكنها إطلاق ثلاثة أضعاف طاقتها الكامنة في لحظة. 3) كفاءة شحن وتفريغ عالية.

لبطارية كبريتات الصوديوم عيوبها أيضًا. تتراوح درجة حرارة تشغيلها بين 300 و350 درجة مئوية، مما يتطلب تسخينها والحفاظ عليها دافئة أثناء التشغيل. ومع ذلك، يمكن حل هذه المشكلة بفعالية باستخدام تقنية العزل الحراري الفراغي عالية الأداء.

6. بطارية الرصاص الكربونية
بطارية الرصاص الكربونية هي نوع من بطاريات الرصاص الحمضية السعوية، وهي تقنية متطورة من بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية. بإضافة الكربون النشط إلى القطب السالب، يمكن تحسين عمر بطارية الرصاص الحمضية بشكل ملحوظ.

بطارية الرصاص الكربونية هي نوع جديد من البطاريات الفائقة، تجمع بين بطارية الرصاص الحمضية والمكثف الفائق: فهي لا تقتصر على مزايا الشحن الفوري عالي السعة للمكثف الفائق، بل تُعزز أيضًا ميزة الطاقة النوعية لبطارية الرصاص الحمضية، وتتميز بأداء شحن وتفريغ ممتاز - حيث يُمكن شحنها بالكامل في غضون 90 دقيقة (بهذه الطريقة، يقل عمرها الافتراضي بمقدار 30 مرة). علاوة على ذلك، بفضل إضافة الكربون (الجرافين)، يتم منع ظاهرة كبريتة القطب السالب، مما يُحسّن من عامل فشل البطارية في الماضي ويُطيل عمرها.

بطارية الرصاص الكربونية هي مزيج من المكثف الفائق غير المتماثل وبطارية الرصاص الحمضية على شكل اتصال داخلي متوازي. وباعتبارها نوعًا جديدًا من البطاريات الفائقة، فإن بطارية الرصاص الكربونية هي مزيج من تقنيات بطارية الرصاص الحمضية والمكثف الفائق. إنها بطارية تخزين طاقة مزدوجة الوظيفة بخصائص سعوية وخصائص بطارية. لذلك، فهي لا توفر فقط مزايا الشحن الفوري للمكثف الفائق بسعة كبيرة، بل توفر أيضًا مزايا الطاقة لبطاريات الرصاص الحمضية، والتي يمكن شحنها بالكامل في غضون ساعة. تتميز بأداء شحن وتفريغ جيد. بفضل استخدام تقنية الرصاص الكربونية، فإن أداء بطارية الرصاص الكربونية يتفوق بكثير على أداء بطارية الرصاص الحمضية التقليدية، والتي يمكن استخدامها في مركبات الطاقة الجديدة، مثل السيارات الكهربائية الهجينة والدراجات الكهربائية وغيرها من المجالات؛ ويمكن استخدامها أيضًا في مجال تخزين الطاقة الجديدة، مثل توليد طاقة الرياح وتخزين الطاقة.