Зберігання енергії в акумуляторах: від акумулятора до управління енергією

Якщо ви плануєте створити систему накопичення енергії, варто розібратися в усьому ланцюжку, а не лише в ємності. Акумуляторне накопичення енергії — це злагоджена система, в якій акумулятор є лише одним із компонентів. Спочатку ми розглянемо, як працює цей процес і чому одного лише акумулятора недостатньо. Потім ми поговоримо про основу сонячної системи накопичення енергії — акумулятор та електронну систему контролю, що його захищає.

Ми розглянемо, як інвертор або PCS перетворює постійний струм на змінний і навпаки. Покажемо, що вимірює смарт-лічильник у точці підключення до мережі. EMS — це система управління, яка визначає, коли і скільки система має заряджати або розряджати. Ми також розглянемо, через які канали (RS485, Modbus, CAN, Ethernet) пристрої взаємодіють між собою.

Далі йтиметься про взаємодію сонячних панелей та акумулятора, типові режими роботи та практичне функціонування EMS. Ми покажемо, коли система управління виходить за межі збільшення власного споживання, та чим відрізняється побутова система від промислової. Насамкінець ви зможете ознайомитися з критеріями вибору та професійною думкою SOLARKIT.

Як працює акумуляторне зберігання енергії?

Якщо ви хочете дізнатися, як працює акумуляторне зберігання енергії, найпростіше простежити шлях енергії від даху до розетки. Сонячні панелі генерують постійний струм (DC), який інвертор перетворює на змінний струм (AC), придатний для використання в побуті. Вироблена енергія спочатку використовується власними споживачами будинку. Якщо виробництво перевищує поточне споживання, надлишок не надходить у мережу, а заряджає акумулятор. Коли акумулятор зарядився, подальший надлишок система вже подає у мережу, якщо це дозволено.

Увечері, у похмуру погоду або під час відключення електроенергії (якщо система придатна для автономного режиму роботи) процес відбувається у зворотному напрямку. Акумулятор розряджається, а інвертор знову перетворює накопичений постійний струм на змінний. Це перетворення система здійснює автоматично, без втручання людини. Якщо накопичена енергія вичерпається, а сонячні панелі не генерують, мережа бере на себе постачання.

Отже, суть накопичення енергії сонячних панелей за допомогою акумулятора полягає у часовому зсуві: надлишок енергії, накопичений вдень, використовується тоді, коли сонячні панелі вже не генерують. Це має велике значення, оскільки у багатьох домогосподарствах найбільше споживання припадає на ранок і ранній вечір, коли сонячні панелі майже не дають струму. Важливо уточнити: сам акумулятор не генерує енергію, а лише накопичує та віддає її.

Чому одного акумулятора недостатньо?

Акумулятор як накопичувач енергії сам по собі зберігає енергію лише в хімічній формі. Він не може самостійно вирішувати, коли заряджатися, коли розряджатися і скільки струму віддавати, а також не перетворює постійний струм у форму, придатну для використання в побуті — для цього потрібен інвертор або PCS.

Крім того, літій-іонні елементи чутливі. Перезарядка, глибокий розряд, надто великий струм або експлуатація поза межами допустимого діапазону температур можуть призвести до термічного пробою, що може навіть спричинити пожежу. Для запобігання цьому служить система BMS, яка постійно контролює стан заряду та працездатності акумулятора, а в разі небезпеки відключає його або зменшує струм заряду та розряду. Вона вирівнює різницю напруг між елементами, оскільки без цього найслабший елемент обмежував би ємність усього акумуляторного блоку. Ці ризики частково пов’язані також із хімічними властивостями елементів. Тому накопичувачі енергії, які ми реалізуємо, виготовляються з літій-залізо-фосфатних (LFP, LiFePO₄) елементів, теплова стійкість яких краща, ніж у елементів NMC з більшою енергетичною щільністю. Про це детально йтиметься в наступному розділі. 

Однак, хоч би якою безпечною була батарея, система також повинна знати, що відбувається в будинку та в точці підключення до мережі. Для цього потрібні вимірювання, а для прийняття рішень — система управління вищого рівня, BMS. Про це ви зможете докладно прочитати в наступних розділах.

Основа системи накопичення енергії від сонячних батарей: акумулятор

Серцем будь-якої сонячної системи накопичення енергії є акумулятор, тому можливості системи значною мірою визначаються тим, на якій хімічній основі побудовані її елементи. У побутових системах накопичення сьогодні одним із найпоширеніших варіантів є літій-залізо-фосфат (LFP, LiFePO4). Порівняно з елементами NMC (нікель-марганець-кобальт) він має стабільнішу кристалічну структуру, менш схильний до виділення кисню при високих температурах, а отже, має більший запас теплової стабільності. Перевагою NMC є вища енергетична щільність, що має значення там, де обмежуючим фактором є простір або вага.

Іншою важливою характеристикою є циклічний ресурс: він показує, після скількох повних циклів заряджання-розряджання ємність знижується до 70 відсотків від початкового значення. Згідно з даними виробників та галузі, елемент LFP зазвичай витримує 6000–8000, а то й до 10 000 циклів, тоді як показники елементів NMC зазвичай нижчі. Якщо розраховувати по одному циклу на день, це може означати термін експлуатації понад десятиліття, однак на реальний термін служби також впливають глибина розряду (DoD) та температура. У технічних характеристиках варто звертати увагу на корисну ємність, оскільки вона може бути меншою за номінальну: виробники зазвичай допускають глибину розряду 80–95 відсотків.

Рівень напруги акумулятора, що слугує накопичувачем енергії, також має вирішальне значення. На споживчому ринку існують дві основні категорії: низьковольтні системи, як правило, з номінальною напругою 51,2 В, та високовольтні накопичувачі, напруга яких може досягати 800 В. Низьковольтні варіанти можна розширювати за допомогою паралельного підключення, і вони пропонують велику ємність за вигідною ціною, тоді як високовольтні варіанти більше підходять для систем з великим енергоспоживанням та високою потужністю. Діапазон напруги акумулятора та інвертора повинен збігатися, і це завжди варто перевіряти перед покупкою.

Взаємодія акумулятора та інвертора — як відбувається перетворення енергії?

Акумулятор накопичує постійний струм, тоді як побутові прилади та електромережа працюють на змінному струмі, тому між ними завжди потрібен перетворювач. Це шлях енергії. Однак не менш важливим є й шлях інформації: без взаємодії між акумулятором та інвертором інвертор не знав би, скільки струму він може прийняти від акумулятора або віддати йому. Тому в літієвих системах ці два пристрої з’єднує комунікаційний кабель, через який система управління батареєю (BMS) передає інформацію про стан заряду та допустимі граничні значення заряду й розряду. Якщо цей зв’язок безперебійний, обидва пристрої працюють як єдиний злагоджений блок.

Функціонування акумуляторної системи та постійний моніторинг

Функціонування акумуляторної системи базується на комунікації із замкнутим контуром (closed-loop). У цьому випадку BMS та інвертор перебувають у двосторонньому зв’язку, і BMS постійно надсилає інвертору інформацію про стан заряду (SOC), напругу, температуру, а також допустимі значення струму заряджання та розряджання. Якщо акумулятор наближається до повного заряду, BMS може зменшити струм заряду, щоб уникнути перезарядження та забезпечити вирівнювання елементів. Якщо температура виходить за межі безпечного діапазону, процес заряду або розряду сповільнюється, а за необхідності — зупиняється.

На відміну від цього, у системі з відкритим контуром (open-loop) інвертор працює на основі заздалегідь встановлених параметрів і не адаптується в режимі реального часу до стану акумулятора. Це може призвести до менш ефективної зарядки, перезарядження або глибокого розрядження, а в кінцевому підсумку — до скорочення терміну експлуатації. Згідно з досвідом виробників, управління із замкнутим контуром не тільки збільшує термін служби, але й може скоротити час перезаряджання.

Моніторинг акумулятора є наочним проявом цього зв’язку. У системі із замкнутим контуром рівень заряду визначається на основі вимірювань BMS, а не за оцінкою, отриманою на основі напруги. Дані, що надходять із BMS, відображаються на дисплеї інвертора або на хмарній платформі виробника, завдяки чому ви можете дистанційно стежити за рівнем заряду та станом акумулятора.

У чому полягає різниця між гібридним інвертором та PCS?

Гібридний інвертор об’єднує в одному пристрої функції сонячного та акумуляторного інверторів: через входи MPPT він приймає постійний струм від сонячних панелей, заряджає та розряджає акумулятор, а потім подає змінний струм у побутову мережу або в енергомережу. Це поширене рішення для побутових систем, особливо при нових установках, оскільки один пристрій керує як сонячними панелями, так і акумулятором.

PCS (Power Conversion System) — це двонаправлений перетворювач для комерційних та промислових акумуляторних батарей, який перетворює енергію між акумулятором та мережею або споживачами, синхронізуючись із мережею. Однак з функціональної точки зору інвертор також містить PCS: фактично це комбінація перетворювача (PCS), одного або декількох MPPT, а в багатьох випадках — модуля перемикача (STS). Тому інвертори також виконують завдання забезпечення відповідності мережевим вимогам, регулювання частоти та напруги, а також захисту. Різниця полягає скоріше в масштабі та будові: блоки PCS часто мають модульну конструкцію, тому для досягнення необхідної потужності можна з’єднати кілька таких блоків, а заряджання та розряджання керуються окремою системою EMS; у промислових масштабах вони можуть пропонувати й додаткові функції.

Отже, межа не є чіткою: існують також PCS із входом MPPT, а гібридний інвертор теж є двонаправленим перетворювачем. У професійному середовищі ці два терміни часто вживаються як взаємозамінні, тому варто порівняти конкретні функції у технічних характеристиках. Якщо спростити: у приватному будинку зазвичай встановлюють гібридний інвертор, а в промислових масштабах — автономні PCS та EMS.

«Розумний» лічильник: що відбувається в мережі?

Акумулятор та інвертор самі по собі бачать лише власний електричний ланцюг. Щоб система могла прийняти правильне рішення, їй потрібно знати, скільки струму надходить із мережі та скільки повертається туди. Цю задачу виконує «smart meter», тобто лічильник, встановлений у точці підключення до мережі та підключений до інвертора, який часто працює з трансформатором струму (CT). Це не те саме, що лічильник, який використовується енергопостачальником для розрахунків. Система управління енергоспоживанням будує свої рішення на даних цього пристрою. Без вимірювань система управління працювала б «наосліп».

Що вимірює «smart meter»?

«Розумний лічильник» здійснює двостороннє вимірювання: окремо фіксує енергію, спожиту з мережі, та енергію, що подається назад у мережу. Крім того, він вимірює миттєві значення, наприклад напругу, силу струму, потужність, частоту та коефіцієнт потужності, і зазвичай надсилає їх інвертору по лінії RS485 за протоколом Modbus-RTU.

Передача даних відбувається швидко: у деяких рішеннях виробників лічильник щосекунди передає усереднене значення потужності в систему управління (EMS), яка, у свою чергу, надсилає інвертору новий опорний сигнал. Таким чином система може зреагувати протягом однієї секунди, якщо, наприклад, подача енергії в мережу досягає допустимого обмеження. Це є основою як для обмеження зворотної подачі (export limitation), так і для режиму роботи з нульовою подачею, що в деяких місцях навіть вимагається мережевими нормами.

Місце встановлення лічильника є не менш важливим. Він повинен бути розміщений між мережею та всіма побутовими споживачами, а також іншими виробниками, оскільки лише так можна бачити повний енергетичний обмін у будинку. Різниця між миттєвим споживанням та виробництвом показує, чи ви саме споживаєте, чи подаєте енергію назад у мережу. Якщо лічильник встановлено в неправильному місці, наприклад, на стороні споживача, система працює з неправильними даними.

Чому важливий правильний напрямок вимірювання?

Трансформатор струму (CT) чутливий до напрямку: стрілка на ньому вказує, який напрямок струму вважається позитивним. Якщо його встановити навпаки, система сприйматиме споживання як подачу, а подачу — як споживання. У такому випадку система управління накопичувачем енергії робить саме протилежне тому, що потрібно: надлишок енергії від сонячних панелей подає в мережу замість того, щоб заряджати акумулятор, або ввечері не розряджає акумулятор, коли будинок споживає енергію з мережі. У системі, налаштованій на нульове подавання, ця помилка може також означати, що, хоча обмеження здається активним, система насправді подає енергію назад без обмежень.

Правильний напрямок може відрізнятися залежно від виробника: у деяких випадках стрілка повинна вказувати в бік мережі, в інших — у бік інвертора. Тому завжди слід керуватися конкретною інструкцією з монтажу. Деякі інвертори можуть програмно змінювати напрямок вимірювання, а деякі виробничі додатки допомагають виявляти помилки за допомогою функції перевірки CT.

EMS — «мозок» системи накопичення енергії

Якщо BMS є захисником акумулятора, то EMS (Energy Management System) — це «мозок» усієї системи накопичення. Саме цей контролер вищого рівня вирішує, коли, чому та скільки енергії система має накопичувати або віддавати. Система EMS безпосередньо взаємодіє з інвертором та BMS, враховує дані про мережу, сонячні панелі та споживачів, а потім на їх основі формує стратегію роботи. У системах для приватних домогосподарств вона часто вбудована в програмне забезпечення акумуляторної батареї або інвертора, але існують також і автономні пристрої для управління енергією. Кінцевий результат той самий: єдиний центр, який бачить всю систему в цілому.

Що означають EMS та BMS

Коротке пояснення значень EMS та BMS: BMS (Battery Management System) — це система управління акумулятором, а EMS (Energy Management System) — система управління енергоспоживанням. Ці два скорочення схожі, проте їхні завдання знаходяться на різних рівнях.

Система BMS працює на рівні акумулятора. Вона контролює напругу, струм і температуру елементів, оцінює стан заряду та працездатності, зрівноважує елементи та виконує захисні функції. У великих акумуляторних батареях вона може бути багаторівневою: власні системи BMS модулів підпорядковуються головній (master) системі BMS.

На відміну від цього, EMS мислить на системному рівні. Вона не займається окремими елементами, а вирішує, як розподілити енергію між акумулятором, сонячними панелями, мережею та споживачами, з урахуванням мережевих обмежень, наприклад, з метою збільшення власного споживання, зміщення навантаження або згладжування пікових навантажень.

Ці дві системи взаємодіють: рішення EMS обмежуються граничними значеннями BMS. Якщо, за даними BMS, акумулятор занадто холодний або вже заряджений, EMS марно вимагатиме заряджання — безпека має пріоритет. У добре інтегрованій системі цей розподіл функцій непомітний: EMS планує, а BMS контролює.

Які дані використовує система EMS?

Система EMS настільки ефективна, наскільки точними є дані, з якими вона працює. Її найважливіші джерела можна розділити на чотири групи.

Перша — вимірювання в режимі реального часу: дані з мережі смарт-лічильників, показники виробництва інвертора, а також дані про рівень заряду та граничні значення, що надходять від BMS. Друга — прогнозування: сучасні системи на основі місця встановлення та метеорологічних даних оцінюють очікуване виробництво сонячної енергії навіть на 48 годин наперед. Третій — модель споживання: система управління енергоспоживанням (EMS) на основі попередніх вимірювань вивчає повторювані звички домогосподарства; деякі виробники вимагають для цього принаймні двотижневий профіль навантаження. Четвертий — тариф: плата за подачу електроенергії, ціна на електроенергію, а в разі динамічного тарифу — ціна, що змінюється залежно від періоду.

Функціонування системи управління енергією, по суті, є безперервним циклом планування: на основі даних складається графік, коли заряджати, коли розряджати та скільки запасу залишати. Акумулятор виконує ці дії, BMS повідомляє про поточний рівень заряду, а EMS на основі цього інформації переплановує.

Тому може траплятися, що навіть у сонячну погоду акумулятор не заряджається одразу. Це зроблено навмисно: згідно з прогнозом він зарядиться пізніше, завдяки чому система уникає необхідності обмежувати виробництво сонячних панелей через обмеження зворотного живлення, а також подовжує термін експлуатації акумулятора.

Як взаємодіють між собою елементи системи управління накопичувачем енергії?

З попередніх розділів видно, що в системі накопичення енергії разом працюють кілька самостійних пристроїв: акумулятор, інвертор, лічильник та EMS. Система управління накопичувачем енергії працює надійно лише тоді, коли всі ці пристрої «розмовляють» однією мовою. На практиці набули поширення кілька перевірених комунікаційних рішень: послідовний кабель RS485 із протоколом Modbus, шина CAN, а також Ethernet та інтернет-з’єднання. Кожне з них має свою роль, і в одній системі часто одночасно працює декілька з них. Нижче ми коротко розглянемо їх з практичної точки зору.

RS485 та Modbus

RS485 — це фізичний стандарт: він визначає, як сигнали проходять по крученій спареній парі. А Modbus — це протокол, який визначає, у якому форматі пристрої надсилають запити та надають відповіді. Послідовна лінія Modbus працює за принципом «майстер–раб»: центральний пристрій надсилає запит, решта відповідають лише тоді, коли до них звертаються, і не спілкуються між собою.

До шини RS485 можна підключити кілька пристроїв, і при низькій швидкості передачі даних вона витримує довжину кабелю до 1200 метрів. У системах накопичення енергії її часто використовують для підключення «розумних» лічильників, але багато виробників також пропонують RS485-з’єднання для зв’язку між акумулятором та інвертором.

Під час підключення слід звернути увагу на кілька деталей: правильний розподіл провідів A і B, замикання шини, швидкість передачі даних та Modbus-адреси пристроїв. Якщо хоча б одна з цих умов порушена, зв’язок може перериватися або взагалі не встановлюватися.

CAN-комунікація

Шина CAN (Controller Area Network) спочатку була розроблена компанією Bosch для автомобільної промисловості, а сьогодні широко використовується в промисловій автоматизації та акумуляторних системах зберігання. На відміну від Modbus RS485, тут немає обов’язкового центрального пристрою: CAN — це багатомайстерна система з розсилкою повідомлень, де кожен вузол може передавати дані, якщо шина вільна, а конфлікти вирішуються за допомогою побітової арбітрації пріоритетів. Диференціальна передача сигналів добре фільтрує електричні перешкоди, а виявлення помилок є частиною протоколу.

У побутових акумуляторних системах обмін даними між системою BMS та інвертором часто відбувається через CAN за допомогою кабелю з роз'ємом RJ45. По цій же шині можуть спілкуватися між собою паралельно підключені акумуляторні модулі. Зовні кабель схожий на мережевий, однак розклад виводів може відрізнятися залежно від виробника, тому завжди слід дотримуватися розкладу, передбаченого виробником.

Ethernet та підключення до хмари

Третій рівень — це мережеве підключення. Багато інверторів підключаються до локальної мережі та Інтернету за допомогою LAN-порту, Wi-Fi або окремого модуля збору даних (донгла). У деяких моделях через Ethernet-порт доступний також протокол Modbus TCP, завдяки чому зовнішня система управління енергоспоживанням (EMS) або програма управління «розумним домом» може безпосередньо зчитувати дані про споживання, виробництво та стан акумуляторів.

Хмарне підключення забезпечує роботу виробничої платформи моніторингу: звідти ви можете отримати доступ до даних системи через мобільний телефон, а інсталятор може дистанційно проводити діагностику, налаштовувати систему та навіть оновлювати прошивку. Оптимізація на основі динамічних тарифів та прогнозу погоди також вимагає підключення до Інтернету.

Важливо знати, що місцеві обмеження — тобто обмеження заряджання, розряджання та подачі енергії в мережу — зазвичай діють навіть без Інтернету. У разі втрати зв’язку система продовжує працювати, просто дані не надходять у хмару, доки зв’язок не відновиться.

Що відбувається у разі помилки зв’язку?

Наслідки помилок зв’язку залежать від того, яке саме з’єднання було втрачено.

Якщо зникає зв’язок між BMS та інвертором, інвертор не знає, в якому стані перебуває акумулятор, тому з міркувань безпеки обмежує або зупиняє зарядку та розрядку й виводить код помилки, наприклад, повідомлення «BMS Lost» або «BMS communication fault». Зазвичай в такому випадку акумулятор залишається цілим, а причиною несправності часто є ослаблений або пошкоджений кабель зв’язку. Також може статися так, що сама система BMS відключається з міркувань безпеки, наприклад, через надмірний струм або перегрів, що для інвертора також відображається як помилка зв’язку.

Якщо зв’язок зі «smart meter» обривається, добре спроектована система переходить у безпечний режим: вона обмежує потужність до заданого граничного значення зворотного подавання.

Отже, робота акумуляторної системи побудована таким чином, що у разі відсутності даних на перший план виходить безпека, а не вихідна потужність.

Чому важливий моніторинг акумулятора?

Моніторинг акумулятора — це не просто функція для зручності. Існує три причини, чому варто регулярно перевіряти дані.

Перша — це раннє виявлення несправностей. Сигнали тривоги від BMS вказують, наприклад, на те, що елементи стають незбалансованими, температура виходить за межі безпечного діапазону або виникає надмірний струм. Не можна ігнорувати ці сигнали, оскільки вони можуть призвести до пошкодження акумулятора або створити ризик для безпеки.

Другий аспект — моніторинг старіння. Показник стану (SOH) відображає, як змінюється ємність з роками, завдяки чому вчасно можна виявити, чи деградація відбувається швидше, ніж очікувалося.

Третій аспект — гарантія та сервісне обслуговування. Деякі установники пов’язують гарантію працездатності з онлайн-доступністю системи, а віддалений доступ дозволяє швидше усувати несправності.

У разі появи коду помилки втручання, особливо оновлення прошивки, варто доручити установнику.

Як взаємодіють сонячна панель та акумулятор для накопичення енергії?

Ключовим питанням взаємодії сонячного модуля та акумулятора є те, де стикаються ці дві електричні ланцюги. Це визначає ККД, можливість розширення, а також те, які пристрої потрібні в системі. Існує дві основні схеми.

У системі з підключенням до постійного струму (DC) сонячні панелі та акумулятор підключаються до одного й того самого гібридного інвертора, а саме до його загальної сторони постійного струму. Постійний струм від сонячних панелей безпосередньо заряджає акумулятор, і лише для споживачів або мережі він перетворюється на змінний струм. Вона також здатна накопичувати енергію, що відсікається (clipping) від надмірно розрахованого масиву сонячних панелей. При заряджанні від сонячних панелей вона зазвичай досягає ККД циклу 95–98 відсотків, тому для нових установок це, як правило, є раціональним вибором.

У системі, підключеній до мережі змінного струму (AC), сонячні панелі працюють на власний інвертор, а акумулятор підключається до сторони змінного струму за допомогою окремого акумуляторного інвертора. Таким чином, накопичена енергія перетворюється навіть тричі, тому ККД зазвичай становить 90–94 відсотки. Натомість існуюча сонячна система залишається недоторканою, тому це найпростіший шлях у разі подальшого розширення. Обидва інвертори працюють незалежно один від одного, тож якщо один з них вийде з ладу, інший може продовжувати працювати.

Однак різниця стосується лише накопиченої енергії: те, що надходить від сонячного панелі безпосередньо до споживачів, в обох випадках проходить лише одне перетворення. А при заряджанні від мережі перевага DC-підключення в плані ККД втрачається. Отже, при проектуванні системи накопичення енергії від сонячних панелей з акумулятором важливо, яка кількість енергії фактично проходить через акумулятор.

Якщо ви розмірковуєте над тим, яка схема підходить для вашої системи, ми детально розглядаємо дилему вибору між накопичувачами енергії з підключенням до мережі змінного (AC) або постійного (DC) струму в нашій статті, що містить критерії для прийняття рішення.

Які режими роботи доступні в сучасній системі?

У сучасній системі управління накопичувачем енергії не працює за єдиною, фіксованою логікою. Виробники пропонують кілька режимів роботи, серед яких можна вибирати з урахуванням місцевих тарифів та потреб користувачів. Назви відрізняються залежно від виробника, проте логіка, що лежить в їхній основі, є схожою.

Оптимізація власного споживання (Self-use): порядок пріоритетів — споживачі, акумулятор, мережа. Сонячна батарея спочатку забезпечує електроенергією будинок, надлишок заряджає акумулятор, і лише те, що залишається після цього, надходить у мережу. Цей режим вигідний там, де плата за подачу електроенергії в мережу низька, а ціна на купівлю — висока.

Пріоритет подачі в мережу (Feed-in first): після забезпечення будинку надлишок енергії від сонячних панелей у першу чергу надходить у мережу, а не в акумулятор. Це може бути доцільним, якщо плата за подачу в мережу вища за ціну електроенергії, що купується.

Резервний режим (Backup): система підтримує акумулятор на високому рівні заряду, щоб у разі відключення електроенергії було забезпечено живлення критично важливих споживачів (у системах з резервним виходом). Рекомендується там, де часто трапляються перебої в електропостачанні.

Заряджання та розряджання за розкладом (Force time use, Time of use): користувач може вказати, коли система має заряджатися від мережі, а коли — розряджати акумулятор. За тарифом із різними цінами залежно від часу доби енергія, накопичена в дешевші періоди, може використовуватися в дорожчі години.

Деякі системи пропонують також інші режими, наприклад, згладжування пікових навантажень (peak shaving) або роботу в режимі генератора. У режимах власного споживання та резервного живлення зазвичай можна встановити мінімальний рівень заряду (Min SOC), нижче якого акумулятор не розряджається.

Отже, вибір відповідного режиму — це насамперед питання тарифів: одне й те саме обладнання з різними налаштуваннями може забезпечити зовсім різний рівень економії.

Як працює система EMS на практиці

Щоб краще уявити собі це, давайте простежимо один день у уявному сімейному будинку, де працюють сонячні панелі, акумулятор, тепловий насос та зарядний пристрій для електромобіля. Цей приклад є ілюстративним, а конкретна поведінка системи залежить від виробника та налаштувань.

Напередодні ввечері система EMS бачить у прогнозі, що наступного дня очікується сонячна погода. Тому вона не заряджає акумулятор від мережі вночі, а вранці розряджає його до мінімального рівня заряду, щоб покрити ранкове споживання, доки не запрацюють сонячні панелі.

До полудня виробництво вже перевищує потреби будинку. У цей час система EMS може перевести тепловий насос у режим підвищеної потужності через роз’єм SG Ready, завдяки чому надлишок енергії накопичується у вигляді тепла в баку для гарячої води або буферному баку. Якщо теплового насоса немає, через релейний канал можна керувати, наприклад, нагрівальним елементом.

Опівдні, у час пікового виробництва, акумулятор заряджається, і електромобіль також заряджається за рахунок сонячної енергії. Деякі системи управління енергією в першу чергу заряджають автомобіль за рахунок надлишку енергії, а також можна налаштувати мінімальний рівень заряду, щоб завжди був достатній запас ходу. Система розподіляє надлишок таким чином, щоб через обмеження на зворотне подавання не довелося обмежувати виробництво сонячних панелей.

Ввечері акумулятор бере на себе забезпечення будинку електроенергією. Система управління енергією (EMS) не розряджає акумулятор нижче встановленого мінімального рівня заряду, завдяки чому на ніч залишається запас, а система управління батареєю (BMS) тим часом постійно контролює стан елементів.

Отже, робота системи управління енергією — це поєднання порядку пріоритетів і прогнозування: мета полягає в тому, щоб використовувати якомога більше власної виробленої енергії в найсприятливіший час і з найменшими втратами.

Коли система управління енергією виходить за межі простого власного споживання?

Збільшення власного споживання є основним завданням, але розвинена система енергоменеджменту здатна набагато більше. У цьому випадку питання полягає не лише в тому, де використовується власне виробництво, а й у тому, коли, за якою ціною та за яких умов мережі.

За умови динамічного тарифу система управління енергоспоживанням (EMS) на основі прогнозу цін заряджає акумулятор тоді, коли електроенергія дешева, і використовує її тоді, коли вона дорога. Це називається енергетичним арбітражем. Для цього система повинна одночасно враховувати очікуване виробництво, споживання та стан акумулятора.

При згладжуванні пікових навантажень (peak shaving) метою є згладжування піків потужності, що споживається з мережі. Там, де тарифи прив’язані до максимальної спожитої потужності, акумулятор розряджається в пікові години, що знижує плату за потужність. Це особливо важливо там, де плата за потужність становить значну частину рахунку.

Дотримання мережевих вимог також є частиною енергоменеджменту: система дотримується обмежень на зворотну подачу енергії, а на деяких ринках за сигналом оператора мережі може обмежувати споживання або подачу енергії.

Найвищим рівнем є віртуальна електростанція (VPP). У цьому випадку численні, географічно розкидані накопичувачі координуються центральним програмним забезпеченням, завдяки чому вони поводяться як єдина керована електростанція. Ці системи можуть брати участь як у регулюванні частоти, так і в регулюванні попиту, а частину доходу отримують їхні власники.

Які саме з цих можливостей доступні, залежить від місцевих ринкових умов та нормативно-правового середовища. Тому під час вибору системи енергоменеджменту варто враховувати й майбутні можливості.

У чому полягає різниця між побутовими та промисловими системами накопичення енергії сонячних батарей з акумуляторами?

Основний принцип в обох випадках однаковий: акумулятор, система управління батареєю (BMS), інвертор та система керування. Різниця полягає в масштабі, структурі та цілях.

У побутових системах ємність зазвичай коливається від кількох кВт·год до кількох десятків кВт·год; для покриття середнього вечірнього та нічного споживання часто достатньо корисної ємності 5–10 кВт·год. Перетворення зазвичай здійснює один інвертор, а управління вбудовано в програмне забезпечення інвертора або акумулятора. Головною метою є збільшення власного споживання та, за необхідності, забезпечення резервного живлення. Існують також модульні моделі, які можна встановлювати на відкритому повітрі та обігрівати; такі рішення, наприклад, можна знайти серед акумуляторів EcoFlow.

У промислових та комерційних масштабах ємність може коливатися від кількох сотень кВт·год до мегаватт-годин. Системи мають шафове або контейнерне виконання, системи управління батареями (BMS) модулів організовані у багаторівневу ієрархію, перетворення здійснюється модульними блоками PCS, а управління забезпечується окремою системою EMS або SCADA. Часто зустрічається також конструкція «все в одному», де перетворювач, акумулятор та система тепловідведення розміщені в одному попередньо інтегрованому шафі. Система тепловідведення відіграє особливу роль: поряд з повітряним охолодженням дедалі ширше застосовується рідинне охолодження, а системи протипожежного захисту та детекції диму також є частиною обладнання.

Змінюються й цілі. На промисловому об’єкті, окрім власного споживання, важливу роль відіграють також згладжування пікових навантажень, зміщення навантаження та послуги енергомережі, тому розрахунок потужності базується на профілі навантаження об’єкта. Щодо підключення до енергомережі, вимоги до безпеки та якості електроенергії також є суворішими.

Отже, система зберігання енергії від сонячних панелей з акумуляторами базується на тих самих основних елементах, однак у промислових масштабах питання проектування, безпеки та бізнес-моделі мають набагато більшу вагу.

На основі чого варто обирати систему накопичення енергії?

З вищесказаного вже видно, з чого складається система накопичення енергії: акумулятор з BMS, інвертор, лічильник та EMS. Тому під час вибору недостатньо орієнтуватися лише на одне число, наприклад, на кВт·год. Варто одночасно враховувати три групи критеріїв: ємність і потужність, сумісність елементів, а також можливості системи управління. Перед прийняттям рішення варто зібрати дані про власне споживання, оскільки без них розрахунок потужності буде лише приблизним.

Ємність і потужність

Ємність (кВт·год) показує, скільки енергії може накопичити акумулятор, а потужність (кВт) — яке навантаження він здатний обслуговувати одночасно. Це не одне й те саме: система з великою ємністю, але низькою потужністю пропрацює довго, проте при підключенні споживача з великим споживанням її може не вистачити.

Ємність визначається насамперед вечірнім та нічним споживанням, а не загальним денним споживанням. Завжди розраховуйте на корисну потужність, а не на номінальну. Щодо продуктивності, варто звернути увагу як на постійну, так і на короткочасну пікову потужність, а також на те, чи обмежує систему інвертор або акумулятор для накопичення енергії. Якщо метою є також резервне живлення, слід продумати, які споживачі повинні працювати під час відключення електроенергії.

Важливою є також можливість розширення. У модульних системах потужність можна згодом збільшити за допомогою нових модулів; таке рішення, наприклад, можна знайти серед акумуляторів FoxEss . Однак умови розширення завжди визначаються технічними вимогами виробника.

C-rate та сумісність

C-rate показує, наскільки швидко акумулятор можна зарядити або розрядити відносно його ємності. При 1C повний заряд або розряд відбувається за одну годину, а при 0,5C — за дві години. На практиці це визначає потужність: акумулятор ємністю 10 кВт·год, який можна заряджати або розряджати зі швидкістю 0,5C, здатний тривало видавати приблизно 5 кВт. Елементи LFP, як правило, добре витримують тривале навантаження 0,5C та короткочасне навантаження 1C. C-rate для заряджання та розряджання можуть відрізнятися, що окремо вказується в технічному паспорті.

Не менш важливим є питання сумісності. Діапазон напруги акумулятора повинен відповідати інвертору, а протоколи зв’язку між акумулятором та інвертором (CAN або RS485) також мають збігатися. Акумулятори високої та низької напруги не можна замінювати один на одного, навіть за умови однакової ємності в кВт·год. Завжди перевіряйте актуальний затверджений виробником перелік сумісності на рівні моделі та прошивки. Незатверджене поєднання може працювати, але може призвести до повідомлень про помилки, обмеженої потужності або проблем із гарантією.

Функції системи EMS

Можливості EMS визначають, наскільки ефективно ви зможете використовувати обладнання. Варто перевірити, чи підтримує система управління заряджанням на основі прогнозів та динамічних тарифів, чи вміє вона керувати обмеженням зворотного подавання енергії та чи має функцію зрізання пікових навантажень. Якщо у будинку є тепловий насос або зарядний пристрій для електромобіля, важливо, щоб система EMS могла керувати і ними, наприклад, через протоколи SG Ready або EEBUS.

Відкритий інтерфейс, наприклад Modbus TCP, дає змогу згодом підключити й зовнішні системи. Також зверніть увагу на те, яким є додаток від виробника, чи є можливість віддаленого оновлення та який рівень кіберзахисту пропонує виробник. Це важливо, оскільки акумуляторну батарею зазвичай купують для експлуатації протягом десятиліть, і за цей час програмне забезпечення може доповнюватися оновленнями. Нарешті, переконайтеся, що локальне керування працює навіть без підключення до Інтернету.

Думка SOLARKIT щодо акумуляторних систем накопичення енергії

Як оптовий постачальник сонячних панелей та партнер, що надає технічну підтримку, ми бачимо, що успіх акумуляторного накопичення енергії рідко залежить від самого акумулятора. Набагато більшу роль відіграє те, наскільки елементи системи узгоджені між собою та чи базується проектування на реальних даних про споживання. Помилкові рішення, як правило, є наслідком відсутності обстеження, а не від професіональної необізнаності. Тому нижче ми пропонуємо не конкретний продукт, а певний підхід.

З чого в ідеалі складається система накопичення енергії?

Якщо ви запитаєте, з чого в ідеалі складається система накопичення енергії, наша відповідь складатиметься з п’яти елементів: акумулятор на основі LFP, корисна ємність якого розрахована на ваше вечірнє споживання; надійна система управління батареєю (BMS) із замкнутим контуром зв’язку; інвертор, що відповідає діапазону напруги та списку сумісності виробника; правильно встановлений «розумний» лічильник у точці підключення до мережі; а також система управління енергоспоживанням (EMS), яку можна налаштувати відповідно до місцевих тарифів.

Щодо архітектури, наш висновок простий: для нової системи — підключення до постійного струму (DC), для існуючого та справного інвертора — підключення до змінного струму (AC). Виняток становить випадок, коли старий інвертор все одно потребує заміни.

Не менш важливо, чого не слід робити: зайвого перерозмірування. Акумулятор, що є занадто великим порівняно з сонячною батареєю, рідко пропорційно покращує самозабезпечення, натомість погіршує окупність.

Перш ніж надавати або запитувати пропозицію, варто зафіксувати тип і рік випуску наявного інвертора, значення напруги та струму ланцюгів, потужність підключення та обмеження подачі, потребу в резервному живленні, а також профіль вечірнього навантаження.

У чому полягає різниця між системою управління акумулятором (BMS) та системою управління енергоспоживанням (EMS)?

Якщо коротко, одним реченням, підсумувати суть відмінності між BMS та EMS акумулятора: BMS відповідає за безпеку та термін служби акумулятора, а EMS — за те, щоб енергія використовувалася якомога економічніше. BMS постійно контролює елементи в режимі реального часу, а EMS планує роботу на 48 годин вперед.

Тому на практиці їхні несправності проявляються по-різному. Сигнал тривоги BMS або помилка зв’язку вимагають негайної уваги, оскільки система з міркувань безпеки може обмежити або зупинити заряджання та розряджання. Натомість неправильно налаштована система EMS, як правило, є не питанням безпеки, а економічним питанням: акумулятор не заряджається та не розряджається тоді, коли це було б найвигідніше.

Тому під час покупки варто окремо перевірити обидві системи: у BMS — функції захисту, вирівнювання елементів та комунікацію із замкнутим контуром, а в EMS — режими роботи, прогнозування та можливість розширення. Акумуляторне зберігання енергії працює ефективно лише тоді, коли обидві системи працюють разом, злагоджено.

Поширені запитання

Як коротко працює система накопичення енергії в акумуляторах?

Вдень сонячні панелі спочатку забезпечують енергією споживачі будинку, надлишок заряджає акумулятор, і лише коли акумулятор повністю заряджений, енергія надходить у мережу. Ввечері або в похмуру погоду акумулятор розряджається, а інвертор перетворює накопичений постійний струм на змінний. Таким чином, акумуляторне зберігання енергії дозволяє перенести денну сонячну енергію на вечір і ніч.

Що означають EMS і BMS?

Значення термінів EMS та BMS: BMS (Battery Management System) — це система управління акумулятором, яка контролює та захищає напругу, струм і температуру елементів. EMS (Energy Management System) керує енергоменеджментом всієї системи: вирішує, коли система має заряджатися, розряджатися або подавати енергію назад. Отже, різниця між BMS та EMS полягає в рівні управління: BMS захищає акумулятор, а EMS оптимізує роботу всієї системи.

Чому акумулятор не заряджається відразу, коли світить сонце?

У разі заряджання на основі прогнозу це робиться навмисно. Система EMS, спираючись на прогноз погоди, знає, що акумулятор зарядиться пізніше, тому не заряджає його до повного заряду вранці. Таким чином можна уникнути необхідності обмежувати потужність сонячних панелей опівдні через обмеження на зворотне подавання енергії, а також зберегти термін експлуатації акумулятора. Якщо це явище спостерігається навіть без функції прогнозування, варто перевірити напрямок підключення лічильника.

Що відбувається, якщо порушується зв’язок між акумулятором та інвертором?

У такому випадку інвертор не знає стану акумулятора, тому з міркувань безпеки обмежує або зупиняє зарядку та розрядку і виводить код помилки. Акумулятор, як правило, справний, а причиною несправності часто є ослаблений або пошкоджений кабель зв’язку. Якщо помилка не зникає навіть після перезапуску, зверніться до вашого установника та не оновлюйте прошивку самостійно.

Чи працює накопичувач енергії без підключення до Інтернету?

Так, у більшості систем. Локальне керування, тобто заряджання, розряджання та обмеження зворотної подачі, працює навіть без Інтернету. У разі втрати з’єднання виходять з ладу лише хмарні функції: мобільний моніторинг, дистанційна діагностика, а також оптимізація на основі прогнозів погоди та цін. Зазвичай дані завантажуються після відновлення з’єднання. Деякі установники пов’язують гарантію продуктивності з доступністю в режимі онлайн, тому варто перевірити це в договорі.