باتری این امکان را فراهم می‌کند که برق تولیدشده در یک زمان را ذخیره کنیم و در زمان دیگری از آن استفاده کنیم. این ویژگی برای سیستمهای خورشیدی اهمیت زیادی دارد؛ چون زمان تولید برق همیشه با زمان مصرف آن یکسان نیست. اما همه برقی که وارد یک ذخیره‌ساز می‌شود، دوباره به مصرف‌کننده بازنمی‌گردد.
فرض کنید یک سیستم باتری ۱۰ کیلووات‌ساعت برق دریافت کند. اگر بازده کل آن ۸۵ درصد باشد، پس از یک چرخه شارژ و تخلیه، تنها ۸٫۵ کیلووات‌ساعت برق مفید تحویل می‌دهد. باقی انرژی در باتری، تجهیزات تبدیل برق و بخش‌های کمکی مصرف شده یا عمدتاً به گرما تبدیل شده است.
این اختلاف در یک روز شاید چندان محسوس نباشد، اما در سیستم‌هایی که هر روز کار می‌کنند، بر انرژی قابل‌استفاده، میزان بهره‌برداری از برق خورشیدی و هزینه نهایی ذخیره‌سازی تأثیر می‌گذارد. برای شناخت این موضوع باید مسیر انرژی را از لحظه ورود به سیستم تا تحویل برق دنبال کنیم.
بازده رفت‌وبرگشت؛ معیار اصلی بازیابی انرژی
بازده رفت‌وبرگشت انرژی (Round-Trip Efficiency) نشان می‌دهد چه درصدی از انرژی ورودی به یک ذخیره‌ساز، پس از شارژ و تخلیه دوباره قابل‌استفاده است. اگر ۱۰۰ کیلووات‌ساعت انرژی وارد سیستم شود و در پایان چرخه ۹۰ کیلووات‌ساعت تحویل دهد، بازده آن ۹۰ درصد است.
برای اینکه این مقایسه درست باشد، سطح شارژ باتری در آغاز و پایان آزمون باید یکسان باشد. همچنین لازم است بدانیم انرژی در کدام نقطه اندازه‌گیری شده است؛ چون بازده خود باتری با بازده سیستمی که اینورتر و تجهیزات خنک‌کننده هم دارد، یکسان نیست.
در مدل مرجع ذخیره‌سازی مقیاس نیروگاهی سال ۲۰۲۵، بازده ۸۵ درصد برای یک سیستم باتری لیتیوم‌یونی به‌عنوان فرض مدل‌سازی در نظر گرفته شده است. این عدد، مشخصات تضمین‌شده تمام باتری‌های موجود در بازار نیست.
انرژی در کدام بخش‌های سیستم تلف می‌شود؟
داخل باتری: هنگام شارژ، انرژی الکتریکی به شکل شیمیایی ذخیره می‌شود و هنگام تخلیه مسیر برعکس را طی می‌کند. حرکت یون‌ها و جریان برق در اجزای داخلی سلول بدون مقاومت نیست؛ در نتیجه بخشی از انرژی به گرما تبدیل می‌شود. به همین دلیل باتری، به‌ویژه هنگام شارژ یا تخلیه با توان بالا، گرم می‌شود.
اینورتر و مبدل برق: باتری با برق مستقیم (DC) کار می‌کند، اما برق شبکه و بسیاری از وسایل از نوع متناوب (AC) است. در بسیاری از سیستم‌ها هنگام شارژ، برق متناوب به مستقیم و هنگام تخلیه دوباره به متناوب تبدیل می‌شود. هر یک از این تبدیل‌ها تلفات دارد. برای نمونه، اگر بازده هر تبدیل ۹۷ درصد باشد، بازده مجموع دو تبدیل حدود ۹۴ درصد خواهد بود؛ پیش از آنکه تلفات خود باتری را حساب کنیم.
تجهیزات جانبی: سامانه مدیریت باتری، مدارهای کنترل، ارتباطات و تجهیزات خنک‌کننده برای کارکرد خود برق مصرف می‌کنند. بخشی از این مصرف حتی زمانی وجود دارد که باتری نه شارژ می‌شود و نه تخلیه. بنابراین تلفات ذخیره‌سازی فقط به سلول و اینورتر محدود نیست.
بازده باتری یا بازده کل سیستم؟
یک سازنده ممکن است بازده سلول یا مجموعه باتری را اعلام کند، درحالی‌که مصرف‌کننده بیشتر با مقدار برق تحویل‌شده در خروجی سیستم سروکار دارد. به همین دلیل، هنگام مقایسه اعداد باید نقطه اندازه‌گیری را مشخص کرد.
اگر انرژی ورودی و خروجی در سمت برق مستقیم اندازه‌گیری شود، بخشی از تلفات تبدیل برق متناوب ممکن است در عدد گزارش‌شده وجود نداشته باشد. در مقابل، اندازه‌گیری در سمت برق متناوب می‌تواند تلفات مسیر شارژ و تخلیه را بهتر نشان دهد؛ البته فقط در صورتی که مرز آزمون و نحوه محاسبه مصرف تجهیزات جانبی نیز روشن باشد.
در سیستمهای خورشیدی با باتری، مسیر تبدیل انرژی به نوع اتصال تجهیزات بستگی دارد. هیچ معماری‌ای در همه شرایط الزاماً بازده بالاتری ندارد؛ بازده واقعی به مسیر انرژی، نوع مبدل‌ها و میزان بار وابسته است.
یک مثال ساده از جمع شدن تلفات
برای روشن شدن موضوع، یک سیستم فرضی را در نظر بگیریم که ۱۰ کیلووات‌ساعت برق متناوب دریافت می‌کند. در این مثال، برای تبدیل برق هنگام شارژ و تخلیه بازده ۹۷ درصد، برای چرخه داخلی باتری بازده ۹۶ درصد و برای مصرف جانبی چرخه مقدار ۰٫۲۰ کیلووات‌ساعت فرض شده است.
در پایان، حدود ۸٫۸۳ کیلووات‌ساعت برق مفید باقی می‌ماند و بازده کل نزدیک به ۸۸٫۳ درصد است. این اعداد صرفاً آموزشی‌اند و به یک محصول واقعی تعلق ندارند. پیام اصلی مثال آن است که چند اتلاف کوچک در طول مسیر می‌توانند در مجموع به اختلافی قابل‌توجه تبدیل شوند.
بازده واقعی همیشه با عدد روی برگه مشخصات برابر نیست
اینورتر در همه توان‌ها بازده یکسانی ندارد. وقتی مصرف برق پایین است، بخشی از انرژی همچنان صرف روشن ماندن و کنترل تجهیزات می‌شود. در نتیجه سهم این مصرف نسبت به برق مفید خروجی بیشتر خواهد بود. برای نمونه، سیستم ممکن است هنگام تغذیه چند وسیله کوچک، نسبت به زمانی که در توان معمول خود کار می‌کند، بازده کمتری داشته باشد.
برخی تجهیزات ذخیره‌ساز، مانند اینورتر و سامانه‌های کنترلی، حتی زمانی که باتری در حال شارژ یا تخلیه نیست نیز مقداری برق مصرف می‌کنند. این مصرف در سیستمهای مختلف یکسان نیست و در دوره‌های طولانی آماده‌به‌کار می‌تواند بر انرژی خالص قابل‌استفاده تأثیر بگذارد. از طرف دیگر، بازده اینورتر در توان‌های پایین معمولاً با بازده آن در شرایط نامی متفاوت است. به همین دلیل، بازده واقعی ذخیره‌ساز به الگوی مصرف و شرایط بهره‌برداری آن نیز بستگی دارد.
دما، سرعت شارژ و زمان نگهداری انرژی
باتری در تمام شرایط دمایی یکسان عمل نمی‌کند. در سرما، حرکت یون‌ها کندتر می‌شود و مقاومت داخلی می‌تواند افزایش یابد؛ بنابراین بخشی از انرژی بیشتری به گرما تبدیل می‌شود. در دمای بالا نیز ممکن است برای خنک‌کاری انرژی بیشتری لازم باشد و فرسودگی باتری سریع‌تر اتفاق بیفتد.
شارژ و تخلیه با توان بالا معمولاً جریان بیشتری از سلول عبور می‌دهد و می‌تواند تلفات حرارتی را افزایش دهد. بااین‌حال، کار در توان بسیار پایین نیز همیشه بهترین بازده کل سیستم را ایجاد نمی‌کند؛ زیرا مصرف ثابت تجهیزات همچنان ادامه دارد.
مدت زمانی که انرژی در باتری باقی می‌ماند هم اهمیت دارد. در دوره‌های طولانی بدون استفاده، باتری مقدار اندکی انرژی را به‌صورت طبیعی از دست می‌دهد و تجهیزات آماده‌به‌کار نیز ممکن است برق مصرف کنند. این دو نوع اتلاف با یکدیگر تفاوت دارند و اثر آن‌ها به مدت نگهداری و طراحی سیستم بستگی دارد.
بازده، ظرفیت و عمر باتری یک چیز نیستند
ظرفیت باتری نشان می‌دهد چه مقدار انرژی می‌تواند ذخیره یا تحویل دهد. بازده می‌گوید چه سهمی از انرژی صرف‌شده برای یک چرخه ذخیره‌سازی دوباره بازیابی می‌شود. عمر باتری نیز به مدت یا تعداد چرخه‌هایی مربوط است که باتری می‌تواند عملکرد قابل‌قبولی داشته باشد.
این سه شاخص به یکدیگر ارتباط دارند، اما نباید با هم اشتباه گرفته شوند. ممکن است ظرفیت یک باتری با افزایش سن کاهش پیدا کند، درحالی‌که بازده آن به همان نسبت افت نکند. به همین دلیل، عدد ظرفیت برحسب کیلووات‌ساعت به‌تنهایی نمی‌تواند کیفیت بازیابی انرژی را نشان دهد.
تلفات انرژی و ارزش واقعی ذخیره‌سازی
در یک سیستم خورشیدی، مصرف مستقیم برق تولیدشده معمولاً از عبور آن از چرخه شارژ و تخلیه باتری، تلفات کمتری دارد. بااین‌حال، ذخیره‌ساز امکان استفاده از انرژی روز را در شب یا هنگام قطع برق فراهم می‌کند؛ یعنی زمانی که برق خورشیدی به‌طور مستقیم در دسترس نیست.
بازده بر اقتصاد ذخیره‌سازی نیز اثر دارد. با بازده ۸۵ درصد، برای تحویل ۱۰۰ کیلووات‌ساعت برق باید حدود ۱۱۸ کیلووات‌ساعت انرژی وارد سیستم شود. اما ارزش اقتصادی این اختلاف به شرایط بستگی دارد: انرژی خورشیدی مازادی که در غیر این صورت استفاده نمی‌شود، با برقی که از شبکه خریداری شده ارزش یکسانی ندارد. در کاربرد برق پشتیبان نیز قابلیت اطمینان ممکن است از بیشینه بازده مهم‌تر باشد.
در نتیجه، مقایسه دو ذخیره‌ساز فقط با ظرفیت باتری یا بازده اسمی کافی نیست. باید دید در ساعات و شرایط واقعی بهره‌برداری، چه مقدار برق مفید تحویل می‌دهند.
انرژی هنگام ذخیره شدن در باتری و بازگشت به شبکه یا مصرف‌کننده، از چند مرحله عبور می‌کند. تلفات داخلی سلول، تبدیل برق، مصرف تجهیزات جانبی و شرایط کاری باعث می‌شوند همه انرژی ورودی دوباره قابل‌استفاده نباشد. تفاوت اصلی میان بازده اسمی و بازده واقعی نیز از همین‌جا شکل می‌گیرد: عدد اعلام‌شده برای یک جزء، الزاماً عملکرد مجموعه را نشان نمی‌دهد.
معیار مهم، انرژی خالصی است که کل سامانه در شرایط واقعی تحویل می‌دهد. این نگاه درک دقیق‌تری از نقش باتری در ذخیره برق خورشیدی و هزینه واقعی ذخیره‌سازی فراهم می‌کند.
منابع:
- مدل مرجع فناوری ذخیره‌سازی باتری در مقیاس نیروگاهی
- ارزیابی قابلیت اطمینان باتری در نیروگاه‌های خورشیدی
- بازده و عملکرد واقعی سیستمهای خورشیدی دارای باتری؛ آزمون مستقل ۱۲ سامانه