Στο πλαίσιο της ταχείας κατασκευής νέων συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, ως βασικό συστατικό για την εξισορρόπηση της προσφοράς και ζήτησης ενέργειας και τη βελτίωση της ανθεκτικότητας του δικτύου, σχεδιάζονται γύρω από τη μετατροπή της μορφής ενέργειας, τον συνεργατικό έλεγχο του συστήματος και την ασφαλή και οικονομική λειτουργία. Στόχος είναι να επιτευχθεί ευέλικτη αποθήκευση και ακριβής απελευθέρωση ηλεκτρικής ενέργειας μέσω μιας επιστημονικής αρχιτεκτονικής. Ο βασικός στόχος του σχεδιασμού δεν είναι μόνο η κάλυψη των απαιτήσεων ισχύος και χωρητικότητας συγκεκριμένων σεναρίων αλλά και η επίτευξη βέλτιστης ισορροπίας μεταξύ ασφάλειας, απόδοσης, διάρκειας ζωής και οικονομίας.
Ο σχεδιασμός των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας ξεκινά με την επιλογή της υποκείμενης λογικής των μηχανισμών μετατροπής ενέργειας. Η αποθήκευση ηλεκτροχημικής ενέργειας βασίζεται στην αναστρέψιμη "ηλεκτροχημική-ηλεκτροχημική" αντίδραση, επιτυγχάνοντας αποθήκευση ενέργειας μέσω της αντίδρασης οξειδοαναγωγής θετικών και αρνητικών υλικών ηλεκτροδίων: κατά τη φόρτιση, η ηλεκτρική ενέργεια οδηγεί τους φορείς φορτίου (όπως ιόντα λιθίου) να μεταναστεύσουν και να ενσωματωθούν στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, μετατρέποντάς τους σε χημική ενέργεια. κατά την εκφόρτιση, οι φορείς φορτίου επιστρέφουν στο θετικό ηλεκτρόδιο και η χημική ενέργεια μετατρέπεται ξανά σε ηλεκτρική ενέργεια. Η αποθήκευση φυσικής ενέργειας βασίζεται στη μετατροπή μακροσκοπικών μορφών ενέργειας. Για παράδειγμα, η αντλούμενη υδροηλεκτρική αποθήκευση χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για να κινήσει μια αντλία για να αυξήσει τη δυναμική ενέργεια του νερού και κατά την παραγωγή ενέργειας, το νερό που πέφτει οδηγεί έναν στρόβιλο για να μετατρέψει τη δυναμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η αποθήκευση πεπιεσμένου αέρα χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια για τη συμπίεση του αερίου και την αποθήκευση ενέργειας υπό πίεση. όταν απελευθερώνεται ενέργεια, το αέριο υψηλής-πίεσης διαστέλλεται και κινεί μια γεννήτρια. Διαφορετικοί μηχανισμοί μετατροπής καθορίζουν την ταχύτητα απόκρισης του συστήματος, την ενεργειακή πυκνότητα και τα ισχύοντα σενάρια. Ο σχεδιασμός πρέπει πρώτα να αγκυρώσει την τεχνολογική διαδρομή με βάση τις απαιτήσεις.
Ο σχεδιασμός της αρχιτεκτονικής συστήματος δίνει έμφαση στον συντονισμό και την ιεραρχική διαχείριση πολλαπλών ενοτήτων. Ένα πλήρες σύστημα αποθήκευσης ενέργειας αποτελείται από μονάδες αποθήκευσης ενέργειας, ένα σύστημα μετατροπής ισχύος (PCS), ένα σύστημα διαχείρισης μπαταριών (BMS), ένα σύστημα διαχείρισης ενέργειας (EMS) και βοηθητικά συστήματα (έλεγχος θερμοκρασίας, πυροπροστασία, παρακολούθηση). Η μονάδα αποθήκευσης ενέργειας είναι ο πυρήνας της αποθήκευσης ενέργειας και οι μέθοδοι σειριακής και παράλληλης σύνδεσής της πρέπει να βελτιστοποιηθούν με βάση τις απαιτήσεις τάσης στόχου, χωρητικότητας και πλεονασμού. Το PCS (Power Control System) είναι υπεύθυνο για τη μετατροπή AC/DC και τη ρύθμιση ισχύος και η τοπολογία του (όπως δύο-επιπέδων ή τριών-επιπέδων) πρέπει να ταιριάζει με το επίπεδο ισχύος και τις απαιτήσεις απόδοσης του συστήματος. Το BMS (Σύστημα Διαχείρισης Μπαταριών), που λειτουργεί ως "απολήξεις των νεύρων", πρέπει να επιτύχει-παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο και ισορροπημένο έλεγχο της τάσης, της θερμοκρασίας και της εσωτερικής αντίστασης μεμονωμένων κυψελών για την αποφυγή αστοχιών που προκαλούνται από τοπική υπερφόρτιση και υπερφόρτιση. Το EMS (Σύστημα Διαχείρισης Ηλεκτρικής Ενέργειας) είναι ο «εγκέφαλος», που βελτιστοποιεί δυναμικά τις στρατηγικές φόρτισης και εκφόρτισης και συντονίζει τις ενέργειες κάθε μονάδας με βάση το φορτίο του δικτύου, την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας και τα σήματα τιμών ηλεκτρικής ενέργειας. Τα βοηθητικά συστήματα παρέχουν προστασία του περιβάλλοντος για τις παραπάνω βασικές λειτουργίες. για παράδειγμα, το σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας διατηρεί τις κυψέλες που λειτουργούν εντός ενός κατάλληλου εύρους θερμοκρασίας (συνήθως 25 μοίρες ± 5 μοίρες) και το σύστημα πυροπροστασίας κατασκευάζει μια γραμμή άμυνας έγκαιρης προειδοποίησης και καταστολής κατά των πυρκαγιών.
Ο σχεδιασμός πρέπει να ενσωματώνει σε βάθος τα χαρακτηριστικά και τους περιορισμούς του σεναρίου. Η αποθήκευση ενέργειας στην πλευρά του δικτύου-τονίζει την ταχεία απόκριση και τις δυνατότητες ρύθμισης μεγάλης-κλίμακας, που απαιτούν βελτιωμένη δυναμική απόδοση του συστήματος παραγωγής ενέργειας (PCS) και φιλικότητα προς το δίκτυο-του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας (EMS). Η πλευρική αποθήκευση ενέργειας από την πηγή ενέργειας-πρέπει να προσαρμοστεί στις διακυμάνσεις της παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, βελτιστοποιώντας την ανοχή του BMS σε διακοπτόμενη φόρτιση και εκφόρτιση. Η αποθήκευση ενέργειας από την πλευρά του χρήστη δίνει προτεραιότητα στην οικονομία και τη χρήση του χώρου, την εξισορρόπηση της διαμόρφωσης χωρητικότητας και του κόστους εγκατάστασης και μπορεί να χρησιμοποιεί αρθρωτή ενοποίηση για εξοικονόμηση χώρου. Επιπλέον, ο σχεδιασμός πρέπει να δεσμεύει διεπαφές επέκτασης για να εξυπηρετεί μελλοντικές αναβαθμίσεις χωρητικότητας ή τεχνολογικές επαναλήψεις.
Η ασφάλεια και η οικονομική απόδοση είναι ζωτικής σημασίας καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής. Από την άποψη της ασφάλειας, ένα πολυεπίπεδο αμυντικό σύστημα πρέπει να κατασκευαστεί μέσω σχεδίασης ηλεκτρικής μόνωσης, προστασίας από υπέρταση και υπερένταση και μηχανισμούς έγκαιρης προειδοποίησης θερμικής διαφυγής. Από οικονομική σκοπιά, βελτιωμένη απόδοση μετατροπής ενέργειας (π.χ. απόδοση PCS μεγαλύτερη από ή ίση με 95%), εκτεταμένη διάρκεια ζωής (π.χ. πλήθος κύκλου σχεδίασης Μεγαλύτερη ή ίση με 6000 φορές) και μειωμένη κατανάλωση ενέργειας του βοηθητικού συστήματος είναι απαραίτητα για την ενίσχυση των οφελών του κύκλου ζωής.
Συνοπτικά, η αρχή σχεδιασμού των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας είναι μια διαδικασία ολοκλήρωσης τεχνολογίας που βασίζεται σε μηχανισμούς μετατροπής ενέργειας, με επίκεντρο τη συνεργασία πολλών-ενοτήτων, που καθοδηγείται από την προσαρμογή σεναρίων και περιορίζεται από την ασφάλεια και τα οικονομικά. Η ουσία του είναι να μετατρέπει διακριτές μονάδες αποθήκευσης ενέργειας σε ένα αντιληπτό, ελεγχόμενο και βελτιστοποιήσιμο σύστημα ρύθμισης ενέργειας μέσω μιας επιστημονικής αρχιτεκτονικής, παρέχοντας βασική υποστήριξη για νέα συστήματα ενέργειας για να αντιμετωπίσουν το υψηλό ποσοστό πρόσβασης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
