ทำไมการควบคุมอัจฉริยะจึงสำคัญพอๆ กับความจุแบตเตอรี่

ความจุของแบตเตอรี่กำหนดว่าจะเก็บพลังงานได้มากเพียงใด แต่กลยุทธ์การควบคุมกำหนดว่าจะชาร์จ เก็บรักษา และจ่ายพลังงานนั้นเมื่อใด แบตเตอรี่ที่เหมือนกันสองลูกจึงอาจให้ผลลัพธ์ในการใช้งานจริงต่างกันได้ แม้ฮาร์ดแวร์จะไม่แตกต่างกันเลย

เมื่อบ้านสองหลังติดตั้งแบตเตอรี่ขนาด 10 kWh เหมือนกัน ก็ย่อมคาดหวังว่าจะได้ผลลัพธ์เหมือนกัน แต่ระบบแรกอาจเริ่มจ่ายพลังงานทันทีที่การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ต่ำกว่าความต้องการใช้ไฟฟ้าของบ้าน ขณะที่ระบบที่สองเก็บพลังงานบางส่วนไว้สำหรับช่วงที่ค่าไฟสูงกว่าในเวลาต่อมาของวัน หากระบบได้รับการออกแบบและตั้งค่าให้จ่ายไฟสำรอง ก็อาจเก็บพลังงานสำรองไว้ใช้เมื่อไฟดับด้วย

เมื่อถึงช่วงต้นเย็น แบตเตอรี่ลูกหนึ่งอาจมีพลังงานเหลือใกล้ระดับสำรอง ขณะที่อีกลูกยังมีพลังงานพร้อมใช้งาน ความจุทางกายภาพของทั้งสองไม่ได้แตกต่างกันเลย เพียงแต่ทำงานตามคำสั่งที่ต่างกัน

ความจุไม่ได้กำหนดตารางการทำงาน

ความจุ ซึ่งวัดเป็นกิโลวัตต์-ชั่วโมง บอกว่าแบตเตอรี่เก็บพลังงานได้มากเพียงใด ส่วนกำลัง ซึ่งวัดเป็นกิโลวัตต์ บอกว่าแบตเตอรี่จ่ายพลังงานนั้นได้รวดเร็วเพียงใด กระทรวงพลังงานสหรัฐฯ แยกทั้งสองอย่างนี้เป็นข้อมูลจำเพาะคนละรายการ เพราะตอบคำถามคนละข้อ แบตเตอรี่อาจเก็บพลังงานได้เพียงพอสำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายเครื่องตลอดช่วงเวลาหนึ่ง แต่ยังไม่สามารถรองรับทุกเครื่องพร้อมกันได้ หากความต้องการกำลังไฟฟ้ารวมเกินพิกัดกำลังของแบตเตอรี่

การพิจารณาว่าตัวเลขความจุที่อ้างถึงเป็นประเภทใดก็สำคัญเช่นกัน ความจุที่ระบุ ความจุที่ใช้งานได้ และพลังงานที่จ่ายได้หลังการแปลงพลังงาน ไม่ได้ใช้ขอบเขตการวัดเดียวกันทั้งหมด คำแนะนำด้านแบตเตอรี่ของรัฐบาลออสเตรเลียระบุว่า ความจุที่ใช้งานได้ต่ำกว่าความจุรวม และพลังงานบางส่วนสูญเสียไปในระหว่างการชาร์จและการจ่ายพลังงาน จึงต้องใช้เกณฑ์เดียวกันกับตัวเลขของแบตเตอรี่ก่อนนำมาเปรียบเทียบ

เมื่อตัวเลขเหล่านี้ชัดเจนแล้ว คำถามที่เหลือคือเรื่องการทำงาน: ระบบควรใช้พลังงานที่มีอยู่อย่างไร?

ทำไมจังหวะเวลาจึงเปลี่ยนผลลัพธ์

หน้าที่พื้นฐานอย่างหนึ่งของแบตเตอรี่สำหรับบ้านคือทำให้มีไฟฟ้าใช้ในเวลาอื่น ระบบพลังงานแสงอาทิตย์อาจผลิตพลังงานได้มากกว่าที่บ้านต้องการในช่วงเที่ยง แต่ผลิตได้น้อยหรือไม่ได้เลยหลังพระอาทิตย์ตก แบตเตอรี่เก็บพลังงานส่วนเกินในช่วงกลางวันบางส่วนไว้ใช้ในช่วงเย็น

โหมดใช้ไฟฟ้าที่ผลิตได้เองแบบพื้นฐานมักทำงานตามสถานการณ์ที่เกิดขึ้นในขณะนั้น เมื่อการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์สูงกว่าความต้องการใช้ไฟฟ้าของบ้าน แบตเตอรี่จะชาร์จ และเมื่อความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงกว่าการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ แบตเตอรี่จะจ่ายพลังงาน วิธีนี้ช่วยลดการดึงไฟฟ้าจากโครงข่ายได้ แต่ก็อาจใช้พลังงานที่เก็บไว้ก่อนถึงช่วงที่อัตราค่าไฟแพงกว่า

กลยุทธ์ที่อิงตามเวลาอาจเก็บพลังงานในแบตเตอรี่ไว้สำหรับช่วงเวลาที่มาถึงภายหลัง วิธีนี้ไม่ได้ทำให้พลังงานทุกกิโลวัตต์-ชั่วโมงมีมูลค่ามากขึ้นในทุกตลาด ผลลัพธ์ขึ้นอยู่กับอัตราค่าไฟและรูปแบบการใช้ไฟฟ้าของครัวเรือน วิธีนี้เปลี่ยนตารางการทำงานเพื่อให้พลังงานที่เก็บไว้พร้อมใช้สำหรับวัตถุประสงค์ที่ต่างออกไป

การสำรองไฟทำให้ต้องพิจารณาข้อแลกเปลี่ยนอีกประการหนึ่ง ในระบบที่รองรับการสำรองไฟและตั้งค่าให้ทำงานเมื่อไฟดับ การตั้งระดับพลังงานสำรองให้สูงขึ้นจะทำให้มีพลังงานพร้อมใช้มากขึ้นหากโครงข่ายไฟฟ้าขัดข้อง แต่พลังงานสำรองเดียวกันนี้ทำให้เหลือความจุน้อยลงสำหรับการใช้ไฟฟ้าที่ผลิตได้เองในแต่ละวันหรือการจัดการการใช้ไฟฟ้าตามอัตราค่าไฟ คำแนะนำของรัฐบาลออสเตรเลียระบุข้อจำกัดนี้ไว้อย่างชัดเจน: ระบบแบตเตอรี่ไม่ได้รองรับการสำรองไฟทุกระบบ และระบบที่รองรับก็ต้องได้รับการตั้งค่าให้ทำงานดังกล่าว

ทางเลือกเหล่านี้มักเรียกว่าการจัดสรรการชาร์จและจ่ายพลังงานของแบตเตอรี่ ซึ่งไม่สามารถแยกออกจากความจุได้ เพราะทุกการตัดสินใจใช้พลังงานจากแหล่งเก็บเดียวกันที่มีอยู่อย่างจำกัด พลังงานที่ใช้ไปในช่วงบ่ายไม่อาจยังคงอยู่ในแบตเตอรี่เพื่อรอใช้ในช่วงเย็นวันเดียวกันได้

การควบคุม “อัจฉริยะ” หมายถึงอะไรในทางปฏิบัติ

“การควบคุมอัจฉริยะ” ไม่จำเป็นต้องหมายถึงปัญญาประดิษฐ์ ตัวควบคุมสามารถใช้ชุดกฎกับข้อมูล เช่น การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ ความต้องการใช้ไฟฟ้าของบ้าน ระดับประจุของแบตเตอรี่ การตั้งค่าพลังงานสำรอง และราคาไฟฟ้า แล้วตัดสินใจว่าจะชาร์จ จ่ายพลังงาน หรือรอ

ตัวควบคุมบางตัวยังใช้ข้อมูลคาดการณ์ด้วย หากคาดว่าวันถัดไปจะผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ได้มาก ระบบอาจอนุญาตให้ใช้พลังงานในช่วงกลางคืนได้มากขึ้น เพราะมีแนวโน้มว่าจะชาร์จกลับได้อีก หากการคาดการณ์ไม่แม่นยำ การตัดสินใจนั้นอาจทำให้พลังงานในแบตเตอรี่เหลือน้อยกว่าที่ตั้งใจไว้

งานวิจัยโดย Mirletz และ Guittet ทดสอบวิธีจัดสรรการชาร์จและจ่ายพลังงานที่ตอบสนองต่อราคา โดยใช้ข้อมูลคาดการณ์การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์และการใช้ไฟฟ้า ข้อมูลการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ และอัตราค่าไฟของผู้ให้บริการ อัตราค่าไฟ ขนาดระบบ รูปแบบการผลิตและการใช้ไฟฟ้าที่ต่างกัน จำเป็นต้องใช้กลยุทธ์การจัดสรรพลังงานที่ต่างกัน จึงไม่อาจสันนิษฐานได้ว่าตารางการทำงานที่ออกแบบสำหรับอัตราค่าไฟหรือครัวเรือนหนึ่งจะเหมาะกับอีกแห่งหนึ่ง

ในระบบพลังงานภายในบ้านที่เชื่อมโยงกันมากขึ้น ระบบจัดการพลังงาน หรือ EMS อาจประสานการตัดสินใจระหว่างการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ การใช้ไฟฟ้าของบ้าน แบตเตอรี่ อินเวอร์เตอร์ และการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า การศึกษาเกี่ยวกับที่อยู่อาศัยโดย Merrington, Khezri และ Mahmoudi เป็นตัวอย่างหนึ่ง: ระบบจัดการพลังงานภายในบ้านในการศึกษานี้ใช้ราคาไฟฟ้า ข้อจำกัดของโครงข่ายไฟฟ้า การใช้ไฟฟ้าของบ้าน และข้อมูลสภาพอากาศเพื่อกำหนดการทำงาน ระบบที่ใช้งานจริงใช้ชุดข้อมูลที่แตกต่างกัน แต่มีจุดประสงค์คล้ายกัน คือการนำข้อมูลหลายด้านมาจัดทำเป็นแผนการทำงานเดียว

EMS ไม่ได้ทำหน้าที่แทนระบบป้องกันของแบตเตอรี่ BMS ตรวจติดตามสภาวะของแบตเตอรี่และกำหนดหรือบังคับใช้ขีดจำกัดการทำงานในระดับแบตเตอรี่ ขณะที่อินเวอร์เตอร์หรือ PCS ทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการชาร์จและการจ่ายพลังงาน คำสั่งจาก EMS จะดำเนินการได้ก็ต่อเมื่อแบตเตอรี่และอุปกรณ์แปลงพลังงานรองรับได้

ในระดับฮาร์ดแวร์ หน่วยจัดการแบตเตอรี่แรงดันสูงของ NXP ทำหน้าที่ตรวจติดตามระบบอินเตอร์ล็อกและควบคุมคอนแทคเตอร์ พร้อมทั้งมีส่วนเชื่อมต่อสำหรับสื่อสารกับ EMS ตัวอย่างนี้ช่วยอธิบายว่าเหตุใดการประสานงานในระดับสถานที่ติดตั้งจึงไม่สามารถแทนที่การป้องกันแบตเตอรี่ได้: ระบบในระดับแบตเตอรี่ยังคงต้องจำกัดหรือหยุดการทำงานเมื่อสภาวะต่าง ๆ กำหนดให้ต้องทำเช่นนั้น อ่านคำอธิบายเพิ่มเติมได้ในบทความ BMS ทำหน้าที่อะไรบ้าง?

ข้อจำกัดของการควบคุมอัจฉริยะ

หากแบตเตอรี่มีความจุน้อยเกินไปสำหรับงานที่ตั้งใจไว้ การเปลี่ยนตารางการทำงานก็ไม่อาจแก้ปัญหาพลังงานไม่เพียงพอได้ หลักการเดียวกันนี้ใช้กับกำลังเช่นกัน: ซอฟต์แวร์ควบคุมไม่สามารถทำให้อุปกรณ์จ่ายกำลังได้เกินพิกัดกำลังขาออก

การควบคุมที่ซับซ้อนขึ้นไม่ได้ดีกว่าเสมอไป การทบทวนวรรณกรรมอย่างเป็นระบบโดย Azuatalam และคณะพบว่า การเพิ่มความซับซ้อนของกลยุทธ์การจัดการพลังงานไม่ได้ทำให้สมรรถนะหรือความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจของระบบ PV ร่วมกับแบตเตอรี่ดีขึ้นเสมอไป สมมติฐานในการสร้างแบบจำลอง ข้อมูลนำเข้าที่ไม่แน่นอน และวิธีพิจารณาการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่อาจทำให้ผลลัพธ์เปลี่ยนไป

ข้อจำกัดคล้ายกันนี้พบได้ในการทำงานประจำวัน ตารางอัตราค่าไฟที่ล้าสมัยอาจทำให้ชาร์จในช่วงเวลาที่ไม่เหมาะสม การตั้งระดับพลังงานสำรองสูงเกินไปอาจทำให้ความจุที่ใช้ประโยชน์ได้ไม่ได้ถูกใช้งานในแต่ละวัน ขณะที่การตั้งไว้ต่ำเกินไปอาจไม่สอดคล้องกับความสำคัญที่เจ้าของให้กับการสำรองไฟ ข้อมูลคาดการณ์และกิจวัตรของครัวเรือนก็เปลี่ยนแปลงได้เช่นกัน จึงอาจต้องทบทวนการตั้งค่าที่เคยเหมาะสม

เมื่อช่วงเย็นมาถึง แบตเตอรี่ที่มีประโยชน์คือแบตเตอรี่ที่ยังมีพลังงานเพียงพอสำหรับงานที่ครัวเรือนเลือกไว้ การจะทำเช่นนั้นได้ต้องอาศัยฮาร์ดแวร์ที่เพียงพอ การตั้งค่าที่เหมาะสม และกลยุทธ์การทำงานที่สอดคล้องกับการใช้ไฟฟ้าจริงของบ้าน