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दोपहर में सौर ऊर्जा अधिक होती है और शाम को कम हो जाती है। पवन ऊर्जा पूर्वानुमान से अधिक या कम हो सकती है। ग्रिड-स्तरीय बैटरियां इस समय अंतराल को भरती हैं, जो सेकंड-स्तरीय आवृत्ति विनियमन से लेकर घंटे-स्तरीय पीक शिफ्टिंग तक सब कुछ संभालती हैं। लेकिन बैटरी ईंधन उत्पन्न करने वाला उपकरण नहीं है - यह चार्ज होने में उपयोग की गई ऊर्जा का केवल एक अंश ही लौटा सकती है। विद्युत अभियांत्रिकी में, आपको न केवल क्षमता (kWh) बल्कि शक्ति (kW), प्रतिक्रिया समय, जीवनकाल, ऊष्मीय सुरक्षा और ग्रिड अंतर्संबंध का भी एक साथ मूल्यांकन करना होता है।
18650 / 21700 सेल
बीएमएस कंट्रोल बोर्डचित्र: 18650 और 21700 लिथियम आयन बैटरी सेल (सेवनएथिक्स, CC0) / Asus Zenbook UX31E बैटरी कंट्रोलर (रेमंड स्पेककिंग, CC BY-SA 4.0), विकिमीडिया कॉमन्स। प्रतिनिधि सेल और बीएमएस तस्वीरें, यह कोई स्थिर स्टोरेज-रैक उत्पाद नहीं है।
संक्षेप में 30 सेकंड में
- श्रृंखला में जुड़े सेलों की संख्या वोल्टेज निर्धारित करती है; समानांतर में जुड़े सेलों की संख्या क्षमता और अधिकतम धारा निर्धारित करती है। नाममात्र ऊर्जा का अनुमान E=N_sN_pV_{cell}Q_{cell} के रूप में लगाया जा सकता है।
- लिथियम-आयन बैटरियां उच्च राउंड-ट्रिप दक्षता और शक्ति घनत्व प्रदान करती हैं, लेकिन जीवनकाल तापमान, चार्ज दर और एसओसी सीमा के साथ बदलता रहता है। एलएफपी, एनएमसी, सोडियम-आयन और अन्य रसायन विज्ञानों की अपनी-अपनी खूबियां हैं, जो उनके उपयोग पर निर्भर करती हैं।
- बीएमएस सेल वोल्टेज, धारा, तापमान और इन्सुलेशन की निगरानी करता है और एसओसी (शेष चार्ज), एसओएच (क्षरण की डिग्री) और एसओपी (उपलब्ध शक्ति) का अनुमान लगाता है। सुरक्षा सीमा को अनुमानित मानों से भ्रमित न करें।
ग्रिड अनुप्रयोगों के लिए, अल्पकालिक आवृत्ति विनियमन, नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन को सुचारू बनाना, घंटे-आधारित ऊर्जा स्थानांतरण और बिजली कटौती के दौरान ब्लैक-स्टार्ट जैसी सुविधाओं को अलग-अलग डिज़ाइन किया गया है।
केवल बैटरी की कीमत की ही तुलना न करें, बल्कि LCOS (स्टोरेज की समतुल्य लागत) की भी तुलना करें, जिसमें रैक, PCS, ट्रांसफार्मर, अग्निशमन उपकरण, प्रतिस्थापन सेल और निपटान शामिल हैं।
1. सेल से रैक तक
एकल सेल का विद्युत-प्रेरक बल उसके धनात्मक और ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के बीच विभवांतर द्वारा निर्धारित होता है। N_s सेलों को श्रृंखला में जोड़ने से वोल्टेज बढ़ता है; N_p सेलों को समानांतर में जोड़ने से क्षमता और अनुमेय धारा बढ़ती है। आदर्श ऊर्जा है
उदाहरण के लिए, 3.2 V, 100 Ah LFP सेलों को 100 को श्रृंखला में और 10 को समानांतर में व्यवस्थित करने पर लगभग 32 kWh की नाममात्र ऊर्जा प्राप्त होती है। वास्तविक रूप से उपयोग योग्य क्षमता का अनुमान ऊपरी/निचली SOC सीमाओं, तापमान, क्षरण और PCS दक्षता को ध्यान में रखकर लगाया जाता है।
चित्र 1 — बैटरी में सेल की संख्या बढ़ाने से उसका आकार बढ़ जाता है, लेकिन वोल्टेज मॉनिटरिंग, थर्मल मैनेजमेंट, कॉन्टैक्टर, फायर सप्रेशन, PCS और अन्य सुविधाएं शामिल करने के बाद ही वह एक पावर उपकरण बनती है। ट्रांसफार्मर।
2. रसायन का चयन
धनात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री ऊर्जा घनत्व, जीवनकाल, लागत और सुरक्षा पर बहुत प्रभाव डालती है। एनएमसी (निकल-मैंगनीज-कोबाल्ट) उच्च ऊर्जा घनत्व प्राप्त करने की प्रवृत्ति रखता है, जो वाहनों और अन्य सीमित आयतन वाले अनुप्रयोगों में एक लाभ है, लेकिन इसकी ऊष्मीय स्थिरता और संसाधन लागत पर ध्यान देने की आवश्यकता है। एलएफपी (लिथियम आयरन फॉस्फेट) ऊर्जा घनत्व के मामले में नुकसान में है, लेकिन इसकी खूबियाँ ऊष्मीय स्थिरता, चक्रीय जीवनकाल और एक ऐसी आपूर्ति श्रृंखला हैं जिसमें कोबाल्ट की आवश्यकता नहीं होती है। सोडियम-आयन अपने कम तापमान गुणों और संसाधन उपलब्धता के कारण आशाजनक है, लेकिन इसकी प्रति इकाई आयतन ऊर्जा घनत्व अभी भी लिथियम रसायन की तुलना में कम है।
ग्रेफाइट प्रमुख ऋणात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री बनी हुई है, और क्षमता बढ़ाने के लिए सिलिकॉन को मिलाने पर शोध जारी है। लेकिन सिलिकॉन चार्ज/डिस्चार्ज पर बड़े आयतन परिवर्तन से गुजरता है, और कण विखंडन और प्रारंभिक अपरिवर्तनीय क्षमता हानि चुनौतियाँ बनी हुई हैं। सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने वाली सॉलिड-स्टेट बैटरियां रिसाव और ज्वलनशीलता को संभावित रूप से कम कर सकती हैं, लेकिन इंटरफेशियल प्रतिरोध, लगाए गए दबाव की आवश्यकता, उत्पादन उपज और कम तापमान पर आयनिक चालकता व्यावहारिक उपयोग में बाधाएं बनी हुई हैं।
3. बीएमएस ईंधन गेज नहीं है
एक बीएमएस (बैटरी प्रबंधन प्रणाली) प्रत्येक सेल के वोल्टेज, तापमान और करंट को पढ़ता है और चार्ज और डिस्चार्ज की अनुमत सीमा की गणना करता है। कूलम्ब गणना के माध्यम से एसओसी को ट्रैक किया जा सकता है,
लेकिन करंट सेंसर का ऑफसेट समय के साथ बढ़ता जाता है। ओपन-सर्किट वोल्टेज (ओसीवी), एक विस्तारित कल्मन फिल्टर या एक समतुल्य-सर्किट मॉडल के साथ क्रॉस-चेकिंग करके ड्रिफ्ट को ठीक किया जाता है। एसओएच का अनुमान क्षमता में कमी और आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि को अलग-अलग ट्रैक करके लगाया जाता है, और एसओपी तापमान, एसओसी और प्रतिरोध से "अभी उपलब्ध अधिकतम शक्ति" की गणना करता है।
जब एक सेल से दूसरे सेल में भिन्नता अधिक होती है, तो सबसे कमजोर सेल सबसे पहले अपनी ऊपरी या निचली सीमा तक पहुँच जाता है और पूरे पैक को बंद कर देता है। निष्क्रिय संतुलन, जो प्रतिरोधक के माध्यम से ऊर्जा को बाहर निकालता है, सरल है लेकिन इसे ऊष्मा के रूप में बर्बाद करता है; सक्रिय संतुलन, जो संधारित्रों या प्रेरकों के माध्यम से ऊर्जा को स्थानांतरित करता है, अधिक कुशल है लेकिन परिपथ की जटिलता को बढ़ाता है। बड़े रैक में, सेल-मॉनिटरिंग आईसी, पृथक संचार, कॉन्टैक्टर, प्री-चार्ज प्रतिरोधक और फ्यूज सभी को अतिरेक के साथ अंतर्निहित किया जाता है।
4. थर्मल डिज़ाइन और सुरक्षा
ऊष्मा उत्पादन को लगभग इस प्रकार लिखा जा सकता है:
पहला पद प्रतिरोधक तापन है; दूसरा अभिक्रिया का एन्ट्रॉपिक पद है। उच्च सी-दर, निम्न-तापमान चार्जिंग और सेल के भीतर आंतरिक शॉर्ट सर्किट सभी स्थानीयकृत ऊष्मा उत्पादन को बढ़ाते हैं। तापमान में अधिक अंतर भी क्षरण दरों को अलग करता है, जिससे कमजोर सेलों पर धारा और अधिक केंद्रित हो जाती है।
थर्मल रनवे वह घटना है जहां ऊष्मा उत्पादन शीतलन से अधिक हो जाता है, और इलेक्ट्रोलाइट अपघटन, गैस उत्पादन और पड़ोसी सेलों में ऊष्मा का प्रसार एक श्रृंखला प्रतिक्रिया में परिणत होता है। इसका समाधान तापमान सेंसर, फ्यूज, वेंट, रैक स्पेसिंग, धुआं/गैस पहचान, जल छिड़काव या अक्रिय गैस दमन, निकास और निकासी योजना के संयोजन से किया जाता है। यदि स्थापना स्थल पर वेंटिलेशन और अग्नि-दमन उपकरण अपर्याप्त हैं, तो मानकीकृत परीक्षण उत्तीर्ण करना सुरक्षा की गारंटी नहीं देता है।
5. ग्रिड पर उपयोग के मामलों का मिलान
| अनुप्रयोग | विशिष्ट अवधि | मुख्य मापदंड | उदाहरण नियंत्रण |
|---|---|---|---|
| आवृत्ति विनियमन | 0.1 सेकंड – कुछ मिनट | प्रतिक्रिया गति, आउटपुट ट्रैकिंग | ड्रॉप, एजीसी सहायता |
| नवीकरणीय ऊर्जा स्मूथिंग | मिनट – घंटे | पूर्वानुमान त्रुटि, राउंड-ट्रिप दक्षता | चार्ज/डिस्चार्ज शेड्यूलर |
| पीक शिफ्टिंग | 2–8 घंटे | प्रति किलोवाट-घंटे लागत, चक्रीय जीवन | अनुकूलन, मांग पूर्वानुमान |
अबाधित बिजली आपूर्ति | मिलीसेकंड – दसियों मिनट | स्विचओवर समय, विश्वसनीयता | यूपीएस, बैकअप जनरेटर के साथ समन्वय |
ब्लैक स्टार्ट | दसियों मिनट – घंटे | द्वीप संचालन, सिंक स्थापित करना | ग्रिड-फॉर्मिंग पीसीएस |
आवृत्ति विनियमन के लिए कम समय में उच्च शक्ति की आवश्यकता होती है; पीक शिफ्टिंग के लिए लंबे समय में बड़ी क्षमता की आवश्यकता होती है – आवश्यक किलोवाट और किलोवाट-घंटे भिन्न होते हैं। केवल बैटरी का आकार बढ़ाने से सब कुछ हल नहीं हो जाता; जीवनकाल और ग्रिड इंटरकनेक्शन क्षमता की बाधाएं अक्सर पहले आती हैं। पीसीएस ग्रिड-फॉलोइंग है या ग्रिड-फॉर्मिंग, यह भी निर्धारित करता है कि बिजली कटौती के दौरान यह वोल्टेज स्रोत के रूप में स्वतंत्र रूप से कार्य कर सकता है या नहीं।
6. वी2जी और सेकंड लाइफ
वी2जी (व्हीकल-टू-ग्रिड), जो इलेक्ट्रिक वाहनों को एकत्रित करता है और उन्हें वापस ग्रिड में डिस्चार्ज करता है, वितरित बैटरियों को विनियमित बिजली स्रोत के रूप में उपयोग करने का विचार है। इसके लिए उपयोगकर्ताओं के प्रस्थान समय, चार्ज की स्थिति, वितरण लाइन की क्षमता और बैटरी क्षरण लागत को एक साथ अनुकूलित करना आवश्यक है, और इससे संचार विलंबता और गोपनीयता संबंधी चिंताएँ भी उत्पन्न होती हैं। वीपीपी (वर्चुअल पावर प्लांट), जो घरेलू बैटरियों और वॉटर हीटरों को संयुक्त रूप से उपयोग करता है, इसी विचार पर आधारित है।
सेकंड लाइफ, जो वाहनों में अपनी सेवा अवधि पूरी कर चुकी बैटरियों को स्थिर उपयोग के लिए पुन: उपयोग में लाती है, विनिर्माण के दौरान उत्सर्जित कार्बन का बेहतर उपयोग करने की क्षमता रखती है। दूसरी ओर, जब किसी सेल का इतिहास अज्ञात होता है, तो एसओएच (SOH) में काफी भिन्नता होती है, और पुनः निरीक्षण, विच्छेदन और वारंटी कवरेज की लागत बढ़ जाती है। एक नए सेल के साथ केवल मूल्य तुलना करने के बजाय, निर्णय लेते समय शेष क्षमता के अनुमान में त्रुटि और सुरक्षा निगरानी की लागत को भी ध्यान में रखना चाहिए।
7. वर्तमान शोध को समझने का एक दृष्टिकोण
- तेज़ चार्जिंग और कम तापमान पर प्रदर्शन: लिथियम प्लेटिंग को रोकने वाले इलेक्ट्रोलाइट्स, हीटिंग नियंत्रण और नकारात्मक इलेक्ट्रोड संरचना पर शोध। केवल चार्जिंग समय ही नहीं, बल्कि चक्र जीवन के साथ इसके लाभ-हानि पर भी विचार करें।
-
सोडियम-आयन बैटरी: इसका उद्देश्य स्थिर अनुप्रयोगों के लिए संसाधन संबंधी बाधाओं को कम करना और लागत घटाना है। जांचें कि सेल वोल्टेज और ऊर्जा घनत्व इच्छित उपयोग के लिए उपयुक्त हैं या नहीं।
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सॉलिड-स्टेट बैटरी: इनसे ज्वलनशीलता न होने और उच्च ऊर्जा घनत्व की उम्मीद थी, लेकिन ठोस इंटरफ़ेस, लगाया गया दबाव और उत्पादन उपज अभी भी बाधा बने हुए हैं।
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क्षरण के लिए डिजिटल ट्विन: परिचालन इतिहास, तापमान, प्रतिबाधा और विखंडन विश्लेषण को जोड़कर शेष जीवनकाल का अनुमान संभाव्यता वितरण के रूप में लगाया जाता है।
पुनर्चक्रण: पुनर्प्राप्ति दर, शुद्धता, ऊर्जा उपयोग और लॉजिस्टिक्स के आधार पर गीली, सूखी और प्रत्यक्ष-पुनर्जनन प्रक्रियाओं की तुलना की जाती है। सामग्री की कीमतों में गिरावट के साथ अर्थव्यवस्था में बदलाव आता है।
एक शोध पत्र में "X% क्षमता सुधार" का आंकड़ा इलेक्ट्रोड क्षेत्र, सी-रेट, तापमान और चक्र-जीवन समाप्ति बिंदु के आधार पर बदल जाता है। कमर्शियल रैक में अपग्रेड करने के लिए, सिंगल-सेल परफॉर्मेंस के अलावा, मॉड्यूल-स्तर पर थर्मल प्रोपेगेशन टेस्टिंग, पीसीएस के साथ कंट्रोल कम्पैटिबिलिटी और फायर-सेफ्टी, इंश्योरेंस और डिस्पोजल प्लान की आवश्यकता होती है।
सारांश
पावर बैटरी एक ऐसा सिस्टम है जिसमें केमिकल सेल, बीएमएस, थर्मल मैनेजमेंट, पीसीएस, ट्रांसफार्मर, कम्युनिकेशन और फायर सप्रेशन सिस्टम शामिल होते हैं। केवल किलोवाट-घंटे की तुलना करने के बजाय, आवश्यक समय-सीमा, पीक किलोवाट, राउंड-ट्रिप एफिशिएंसी, लाइफटाइम और फेलियर पर आइसोलेशन की जांच करने से वह केमिस्ट्री और कॉन्फ़िगरेशन पता चलता है जो वास्तव में एप्लिकेशन के लिए उपयुक्त है।
क्या किलोवाट और किलोवाट-घंटे बैटरी रेटिंग एक दूसरे के स्थान पर उपयोग की जा सकती हैं?
kW पावर है और किलोवाट-घंटे ऊर्जा है।
उपयोग योग्य ऊर्जा को औसत शक्ति से विभाजित करके, हानियों और परिचालन सीमाओं को ध्यान में रखते हुए, अवधि का अनुमान लगाएं। ## संदर्भ - [अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी (IEA) - बैटरियां और सुरक्षित ऊर्जा परिवर्तन](https://www.iea.org/reports/batteries-and-secure-energy-transitions) - [अमेरिकी ऊर्जा विभाग - ऊर्जा भंडारण ग्रैंड चैलेंज](https://www.energy.gov/oe/energy-storage-grand-challenge) - [NREL - ऊर्जा भंडारण](https://www.nrel.gov/grid/energy-storage.html) - [IEC 62619 - औद्योगिक द्वितीयक लिथियम सेल और बैटरियां](https://www.iec.ch/standards) - [जापान बैटरी एसोसिएशन](https://www.baj.or.jp/)
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