过去50年来，全球电力消耗持续增长，预计2021年的用电量约为25,300太瓦时。随着向工业4.0转型，全球能源需求也随之增长。这些数字每年都在增长，这还不包括工业和其他经济部门的电力需求。这种产业转型和高能耗伴随着温室气体过量排放造成的更明显的气候变化影响。目前，大多数发电厂和设施严重依赖化石燃料（石油和天然气）来满足这些需求。这些气候问题阻碍了使用传统方法进行额外的能源生产。因此，开发高效可靠的储能系统对于确保可再生能源的持续可靠供应变得越来越重要。
能源行业已转向可再生能源或“绿色”解决方案。制造技术的改进促进了这一转变，例如，风力涡轮机叶片的生产效率得到了提升。此外，研究人员还提高了光伏电池的效率，从而提高了单位面积的发电量。2021年，太阳能光伏 (PV) 发电量大幅增长，达到创纪录的179太瓦时，较2020年增长了22%。太阳能光伏技术目前占全球发电量的3.6%，是继水电和风电之后的第三大可再生能源。
然而，这些突破并不能解决可再生能源系统的一些固有缺陷，主要是可用性问题。大多数此类方法无法像燃煤和燃油发电厂那样按需生产能源。例如，太阳能全天均可输出，但输出功率会根据太阳辐射角度和光伏板位置而变化。夜间无法产生任何能量，冬季和阴天时其输出功率会显著降低。风力发电也容易受到风速波动的影响。因此，这些解决方案需要与储能系统相结合，以便在低输出时段维持能源供应。
什么是储能系统？
储能系统可以储存能量，以便后续使用。在某些情况下，储存的能量和输出的能量之间会存在某种形式的能量转换。最常见的例子是电池，例如锂离子电池或铅酸电池。它们通过电极和电解质之间的化学反应提供电能。
电池，或称BESS（电池储能系统），是日常生活中最常见的储能方式。其他储能系统还包括水力发电厂，它将水坝中储存的水势能转化为电能。落下的水会推动涡轮机的飞轮，从而产生电能。另一个例子是压缩气体，气体释放后会推动涡轮机的轮子，产生动力。
电池与其他储能方法的区别在于其潜在的应用领域。从小型设备和汽车电源，到家庭应用和大型太阳能发电场，电池可以无缝集成到任何离网储能应用中。另一方面，水力发电和压缩空气储能方法需要非常庞大且复杂的基础设施。这导致成本非常高昂，需要非常大规模的应用才能证明其合理性。
离网存储系统的用例。
如前所述，离网储能系统可以促进对太阳能和风能等可再生能源的使用和依赖。然而，其他应用也可以从此类系统中受益匪浅。
城市电网旨在根据每个城市的供需情况提供适量的电力。所需电力可能全天波动。离网储能系统已被用于减弱波动，并在高峰需求时提供更高的稳定性。从另一个角度来看，离网储能系统对于弥补主电网任何不可预见的技术故障或定期维护期间的电力损失非常有益。它们可以满足电力需求，而无需寻找替代能源。例如，2023年2月初的德克萨斯州冰暴导致约26.2万人断电，而由于恶劣的天气条件，维修工作也延误了。
电动汽车是另一个应用领域。研究人员投入了大量精力来优化电池制造和充放电策略，以延长电池的使用寿命和功率密度。锂离子电池一直处于这场小型革命的前沿，并已广泛应用于新型电动汽车和电动公交车。在这种情况下，性能更佳的电池不仅可以增加续航里程，还可以通过合适的技术缩短充电时间。
无人机和移动机器人等其他技术进步也极大地受益于电池的发展。它们的运动策略和控制策略在很大程度上依赖于电池容量和提供的功率。
什么是BESS
BESS（电池储能系统）是一种用于储存能量的储能系统。这种能量可以来自主电网，也可以来自风能和太阳能等可再生能源。它由多个电池组成，这些电池以不同的配置（串联/并联）排列，并根据需求确定容量。这些电池连接到逆变器，逆变器用于将直流电转换为交流电以供使用。电池管理系统 (BMS) 用于监控电池状态以及充电/放电操作。
与其他储能系统相比，它们的放置/连接特别灵活，并且不需要非常昂贵的基础设施，但它们的成本仍然相当高，并且需要根据使用情况进行更定期的维护。
BESS 尺寸和使用习惯
安装电池储能系统时，一个关键问题是确定电池尺寸。需要多少个电池？采用什么配置？在某些情况下，电池类型在长期成本节约和效率方面起着至关重要的作用。
这是根据具体情况进行的，因为应用范围可以从小型家庭到大型工业工厂。
对于小型家庭，尤其是在城市地区，最常见的可再生能源是使用光伏板的太阳能。工程师通常会考虑家庭的平均用电量，并评估特定地点全年的太阳辐照度。电池的数量及其电网配置的选择，应确保在一年中太阳能供应最低的时期满足家庭用电需求，同时又不会完全耗尽电池的电量。这假设解决方案能够完全独立于主电网供电。
保持相对适度的充电状态或避免电池完全放电，乍一看可能有点违反直觉。毕竟，如果无法充分发挥储能系统的潜力，那它还有什么用呢？理论上是可行的，但这可能并非最大化投资回报的策略。
电池储能系统 (BESS) 的主要缺点之一是电池成本相对较高。因此，选择合适的使用习惯或充放电策略来最大程度地延长电池寿命至关重要。例如，铅酸电池的放电量不能低于 50%，否则会造成不可逆的损坏。锂离子电池能量密度更高，循环寿命更长。它们也可以进行更大范围的放电，但这是以更高的价格为代价的。不同化学成分的成本差异很大，铅酸电池比同等尺寸的锂离子电池便宜数百甚至数千美元。这就是为什么铅酸电池在第三世界国家和贫困社区的太阳能应用中使用最广泛的原因。
电池性能在其使用寿命期间会受到衰减的严重影响，它并非稳定运行，最终会突然失效。相反，电池容量会逐渐衰减。实际上，当电池容量达到其原始容量的 80% 时，即视为电池寿命耗尽。换句话说，当电池容量衰减 20% 时，电池可提供的能量就会减少。这实际上会影响完全独立系统的使用时间以及电动汽车的续航里程。
另一个需要考虑的问题是安全性。随着制造和技术的进步，如今的电池化学性质总体上更加稳定。然而，由于电池性能下降和滥用，电池可能会发生热失控，从而导致灾难性的后果，在某些情况下甚至危及消费者的生命。
这就是为什么公司开发了更好的电池监控软件（BMS）来控制电池使用情况，同时监控健康状况，以便及时维护并避免加剧后果。
结论
电网储能系统不仅为实现电力独立于主电网提供了绝佳的机会，还能在停电和高峰负荷期间提供备用电源。这类系统的发展将促进向绿色能源的转变，从而在满足能源消费持续增长需求的同时，限制能源生产对气候变化的影响。
电池储能系统是最常用且最易于配置的系统，适用于各种日常应用。其高灵活性与相对较高的成本形成鲜明对比，因此需要开发监控策略来尽可能延长其使用寿命。目前，业界和学术界正在投入大量精力，研究和了解不同条件下电池的退化情况。
