การเชื่อมต่อแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับโครงข่ายไฟฟ้าทำอย่างไร

แบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์คืออะไร และเหตุใดจึงสำคัญต่อการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า

แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ทำงานโดยการเก็บไฟฟ้าส่วนเกินที่ผลิตจากแผงบนหลังคาไว้ ทำให้บ้านเรือนและธุรกิจสามารถสำรองพลังงานนี้ไว้ใช้ในเวลาที่ต้องการมากที่สุด หรือแม้แต่ส่งกลับไปยังโครงข่ายไฟฟ้าท้องถิ่นได้ โซลูชันด้านการจัดเก็บพลังงานเหล่านี้ช่วยแก้ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งของพลังงานแสงอาทิตย์ นั่นคือ แสงแดดไม่ส่องมาตลอดเวลาที่เราต้องการ ในวันที่มีเมฆครึ้มหรือตอนกลางคืน ผู้คนยังคงต้องการไฟฟ้า และแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ก็ช่วยให้มีไฟฟ้าใช้อย่างต่อเนื่อง บริษัทจำหน่ายไฟฟ้ายังได้รับประโยชน์เช่นกัน เนื่องจากแบตเตอรี่เหล่านี้ช่วยให้ปริมาณการจ่ายไฟโดยรวมมีความเสถียรภาพมากขึ้น แทนที่จะต้องพึ่งพาโรงไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติแบบเดิมที่ต้องเปิดใช้งานในช่วงที่มีความต้องการสูง ขณะนี้โครงข่ายไฟฟ้าสามารถจัดการแหล่งพลังงานหมุนเวียนได้ดีขึ้น ตามการวิจัยจาก NREL เมื่อปีที่แล้ว การเชื่อมต่อระบบจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับโครงข่ายไฟฟ้าสามารถลดค่าใช้จ่ายในช่วงเวลาเรียกเก็บสูงสุดลงได้ประมาณ 30 ถึง 45 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งหมายความว่าโครงข่ายไฟฟ้าเดิมของเราจะมีภาระน้อยลง ในขณะที่เรากำลังก้าวไปสู่เป้าหมายด้านพลังงานสะอาดทั่วประเทศ

ส่วนประกอบหลักที่จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับระบบไฟฟ้า

ส่วนประกอบหลักสามประการที่ทำให้สามารถเชื่อมต่อกับกริดได้:

1. อินเวอร์เตอร์สองทิศทาง : แปลงกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรี่แบบ DC เป็น AC เพื่อให้เข้ากันได้กับระบบกริด
2. ระบบจัดการพลังงาน (EMS) : ตรวจสอบสภาพของกริดและเพิ่มประสิทธิภาพรอบการชาร์จ/ปล่อยประจุ
3. ตัวควบคุมที่รองรับการเชื่อมต่อกับกริด : ให้มั่นใจว่ามีการซิงโครไนซ์ตามมาตรฐานแรงดันไฟฟ้าและความถี่ของผู้ให้บริการสาธารณูปโภค
   ระบบสมัยใหม่ยังรวมถึงสวิตช์แยกและอุปกรณ์วัดค่า เพื่อให้สอดคล้องกับข้อกำหนดด้านความปลอดภัย เช่น NEC Article 706

หลักการทางวิทยาศาสตร์ของอินเวอร์เตอร์แบบสองทิศทางในระบบแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์

อินเวอร์เตอร์แบบสองทิศทางโดยพื้นฐานทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมระหว่างแบตเตอรี่สำหรับเก็บพลังงานแสงอาทิตย์กับโครงข่ายไฟฟ้า สิ่งที่ทำให้มันแตกต่างจากอินเวอร์เตอร์ทั่วไปคือความสามารถในการส่งผ่านพลังงานได้ทั้งสองทิศทาง กล่าวคือ มันสามารถชาร์จแบตเตอรี่เมื่อมีพลังงานแสงอาทิตย์เหลืออยู่ และส่งไฟฟ้าที่เก็บไว้กลับเข้าสู่โครงข่ายไฟฟ้าเมื่อความต้องการใช้ไฟเพิ่มสูงขึ้น โมเดลใหม่ๆ บางรุ่นมาพร้อมกับเทคโนโลยีที่เรียกว่า MPPT ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานให้ดียิ่งขึ้น โดยมักจะมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานเกิน 95% การศึกษาหลายชิ้นแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์เหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการจัดการกับปัญหาแรงดันไฟกระชากและปัญหาความถี่ที่มักเกิดขึ้นในโครงข่ายไฟฟ้าที่มีการติดตั้งระบบพลังงานแสงอาทิตย์จำนวนมาก ความสามารถในการปรับตัวอัจฉริยะของอุปกรณ์เหล่านี้ช่วยให้ระบบโครงข่ายทำงานได้อย่างราบรื่น ในขณะเดียวกันก็ทำให้เราได้รับประโยชน์สูงสุดจากพลังงานหมุนเวียนที่เก็บไว้

ขั้นตอนการเชื่อมต่อแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับโครงข่ายไฟฟ้า

การประเมินความเข้ากันได้ของสถานที่ติดตั้งแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์และการซิงโครไนซ์กับระบบกริด

การเตรียมการทุกอย่างให้พร้อมก่อนติดตั้งระบบแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ หมายถึงการตรวจสอบสถานที่อย่างละเอียดก่อน เพื่อให้แน่ใจว่าสามารถทำงานร่วมกับระบบไฟฟ้ากริดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่างผู้เชี่ยวชาญจะพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น ความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าของแผงควบคุมไฟฟ้า ทิศทางที่ติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ในปัจจุบัน และระดับแรงดันไฟฟ้าที่หน่วยงานไฟฟ้าในพื้นที่กำหนด ข้อมูลล่าสุดจากรายงานการติดตั้งโซลาร์เซลล์ระบุว่า มีประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ของผู้ติดตั้งแบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อกับกริด จำเป็นต้องอัปเกรดแผงควบคุมเพื่อจัดการการไหลของกระแสไฟฟ้าสองทิศทาง นอกจากนี้ เรายังต้องตรวจสอบให้มั่นใจว่าผนังและพื้นสามารถรองรับตำแหน่งที่ติดตั้งแบตเตอรี่ได้ และดำเนินการตรวจสอบเงาบังด้วย เพราะแม้แต่เงาเล็กน้อยก็อาจทำให้ประสิทธิภาพลดลงมากกว่า 12 เปอร์เซ็นต์ ตามผลการวิจัยจาก NREL เมื่อปี 2023

การติดตั้งระบบแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์และอินเวอร์เตอร์แบบไฮบริด

การวางแบตเตอรี่ในสถานที่ที่อุณหภูมิคงที่ เช่น ในโรงรถหรือห้องเก็บของ จะช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาประสิทธิภาพลดลงเมื่ออากาศร้อนหรือเย็นจัด ไบบริด อินเวอร์เตอร์ เชื่อมต่อกับแผงโซลาร์เซลล์และกล่องไฟหลักของบ้าน ทำให้ผู้ใช้สามารถชาร์จไฟจากกริดในขณะที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ของตนเองได้ ตามที่ผู้เชี่ยวชาญสังเกตพบว่า ส่วนใหญ่แล้วคนส่วนใหญ่จะติดตั้งระบบเหล่านี้เสร็จภายในประมาณ 3 ถึง 7 วันสำหรับบ้านพักอาศัย นอกจากนี้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นอย่างมาก คิดเป็นเกือบ 9 จากทุก 10 การติดตั้งใหม่ในปัจจุบัน เนื่องจากมีความเร็วในการตอบสนองมากกว่าประเภทอื่น ๆ ตามที่ระบุไว้ในรายงานปี 2024 ของกระทรวงพลังงาน

การตั้งค่าโปรโตคอลการสื่อสารระหว่างแบตเตอรี่สำหรับเก็บพลังงานแสงอาทิตย์กับผู้ดำเนินการกริด

ในปัจจุบัน ระบบพลังงานสมัยใหม่ส่วนใหญ่จะอิงมาตรฐานต่างๆ เช่น IEEE 1547-2018 เมื่อสื่อสารกับบริษัทไฟฟ้า โปรโตคอลอย่าง SunSpec Modbus และ DNP3 ช่วยให้สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลแบบเรียลไทม์ได้สองทาง เมื่อมีความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงในระบบสายส่ง การสื่อสารสองทางนี้ทำให้สามารถปรับแต่งการทำงานได้ทันที ผลการทดลองบางอย่างแสดงให้เห็นว่าความเครียดในเครือข่ายไฟฟ้าลดลงประมาณ 18 เปอร์เซ็นต์ระหว่างการทดลองเหล่านี้ โดยอ้างอิงจากงานวิจัยของ EPRI ในปี 2023 การตั้งค่าต่างๆ ให้เหมาะสมจึงมีความสำคัญ เพราะแบตเตอรี่จำเป็นต้องปฏิบัติตามกฎระเบียบในพื้นที่เกี่ยวกับปริมาณไฟฟ้าที่สามารถส่งกลับเข้าสู่โครงข่ายได้ และความเร็วในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงระดับความถี่ในแต่ละภูมิภาค

การตรวจสอบความปลอดภัยและการอนุมัติจากหน่วยงานสาธารณูปโภคสำหรับการเชื่อมต่อ

การติดตั้งทุกครั้งต้องผ่านการรับรองตามมาตรฐาน UL 9540 เพื่อความปลอดภัยจากอัคคีภัย และต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดระยะห่างตาม NFPA 855 หน่วยงานสาธารณูปโภคมักจะกำหนดให้:

• การทดสอบระบบป้องกันการเกาะตัว (Anti-islanding) เพื่อยืนยันว่าสามารถตัดการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าได้ภายในเวลาไม่ถึง 2 วินาที
• การส่งออกโดยอัตโนมัติที่จำกัดต่ำกว่า 60% ของความจุบริเวณจุดเชื่อมต่อไฟฟ้า
• เอกสารรับรองว่าอินเวอร์เตอร์เป็นไปตามมาตรฐานฮาร์โมนิก IEEE 1547.1-2020

ระยะเวลาการอนุมัติแตกต่างกันตั้งแต่ 2 ถึง 6 สัปดาห์ ขึ้นอยู่กับคิวการเชื่อมต่อในพื้นที่

การทดสอบขั้นสุดท้ายและการเปิดใช้งานแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในโหมดเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า

ช่างเทคนิคจำลองเหตุการณ์ไฟฟ้าดับเพื่อยืนยันการสลับแหล่งจ่ายไฟผ่านสวิตช์ถ่ายโอนอัตโนมัติ (ATS) ภายในเวลาต่ำกว่า 10 มิลลิวินาที การตรวจสอบแบบเรียลไทม์ทำงานร่วมกับแพลตฟอร์มต่างๆ เช่น EnergyHub หรือ Span.io ซึ่งช่วยให้เจ้าของบ้านสามารถลดค่าใช้จ่ายจากความต้องการสูงสุดได้ถึง 34% โดยการปรับการใช้งานตามช่วงเวลา (LBNL 2024) ระบบจะผ่านการทดสอบวงจรโหลดต่อเนื่อง 72 ชั่วโมง ก่อนการเปิดใช้งานเต็มรูปแบบ

ข้อพิจารณาด้านกฎระเบียบ ความปลอดภัย และเทคนิคสำหรับการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า

การปฏิบัติตามมาตรฐาน IEEE 1547 และ NEC Article 706 สำหรับการติดตั้งแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์

การปฏิบัติตามมาตรฐาน IEEE 1547-2018 ร่วมกับ NEC Article 706 มีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงการเชื่อมต่อแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับโครงข่ายไฟฟ้าอย่างปลอดภัย กฎระเบียบเหล่านี้กำหนดให้มีมาตรการความปลอดภัยที่สำคัญหลายประการ เช่น การป้องกันกระแสเกินอย่างน้อย 150% และการรักษาระดับความถี่ให้สอดคล้องกันภายในช่วง ±0.5 เฮิรตซ์ เมื่อเทียบกับค่าที่โครงข่ายไฟฟ้าต้องการจริง ตามการวิจัยที่เผยแพร่ในปี 2023 โดย EPRI การยึดถือตามมาตรฐาน IEEE ใหม่นี้ ช่วยลดปัญหาความล่าช้าในการอนุมัติการเชื่อมต่อลงได้ประมาณหนึ่งในสาม เมื่อเทียบกับการออกแบบระบบที่ใช้มาตรฐานเดิม ข้อมูลล่าสุดจากรายงานมาตรฐานการเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้าปี 2024 ยังแสดงให้เห็นอีกประเด็นหนึ่งว่า ระบบติดตั้งในปัจจุบันจำเป็นต้องมีหม้อแปลงแยกสัญญาณที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน UL 3301 ทุกครั้งที่เกี่ยวข้องกับระบบขนาดกำลังเกิน 30 กิโลโวลต์แอมแปร์ และน่าสนใจที่ว่า กฎข้อนี้ไม่ได้ใช้เฉพาะกับการประยุกต์ใช้งานเชิงพาณิชย์อีกต่อไป ในปัจจุบันมีถึงสิบสองรัฐที่เริ่มนำข้อกำหนดลักษณะเดียวกันนี้มาใช้กับการติดตั้งในบ้านเรือนแล้ว เนื่องจากมีการปรับปรุงข้อกำหนดล่าสุดเพื่อป้องกันอัคคีภัย

การจัดการความมั่นคงของแรงดันไฟฟ้าและความถี่ในระบบแบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า

สำหรับระบบที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง จำเป็นต้องรักษาระดับแรงดันไว้ภายในช่วงบวกหรือลบ 5% และความถี่ควรคงที่ภายในช่วง 0.2 เฮิรตซ์ โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า การชดเชยพลังงานรีแอคทีฟแบบไดนามิก ปัจจุบันอินเวอร์เตอร์รุ่นใหม่บางรุ่นเริ่มมีความชาญฉลาดมากขึ้น โดยใช้อัลกอริธึมเครือข่ายประสาทเทียม (neural network) ที่สามารถทำนายการเปลี่ยนแปลงของภาระโหลดได้ล่วงหน้าประมาณ 15 นาที ก่อนที่จะเกิดขึ้นจริง ตามการวิจัยจาก NREL เมื่อปี 2023 ความสามารถในการคาดการณ์ลักษณะนี้สามารถทำให้คลื่นสัญญาณสอดคล้องกับเส้นโค้งไซน์มาตรฐานของโครงข่ายไฟฟ้าได้ถึงประมาณ 99.8% ระดับความแม่นยำนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันปัญหาไฟตก (brownouts) ที่อาจรบกวนการทำงานของโรงพยาบาลและศูนย์ดูแลผู้ป่วยเฉพาะทาง อีกทั้งระบบเหล่านี้ยังตอบสนองได้อย่างรวดเร็วมาก โดยใช้เวลาเพียง 2 มิลลิวินาทีเมื่อเกิดการเบี่ยงเบนของความถี่ และต้องยอมรับว่าสิ่งนี้มีความสำคัญที่สุดในพื้นที่ที่โครงข่ายไฟฟ้ามีขอบเขตความมั่นคงต่ำมาก บางครั้งอาจมีค่าสำรองความเฉื่อย (inertia buffer) ต่ำเพียง 1% เท่านั้น

ป้องกันความเสี่ยงจากการเกิดเกาะโดดด้วยตรรกะการควบคุมขั้นสูง

อินเวอร์เตอร์ที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน UL 1741 SA จัดการกับความเสี่ยงจากการเกิดเกาะไฟฟ้าโดยใช้เทคนิคการตรวจสอบกริดขั้นสูง ซึ่งเรียกว่า การตรวจจับสัญญาณรบกวนแบบหลายช่วงคลื่น ที่รวมเอาการวิเคราะห์ฮาร์มอนิกที่ 27 จุดต่างๆ เข้ากับสิ่งที่เรียกว่า การถ่ายภาพสเปกตรัมความต้านทานเข้าด้วยกัน เมื่อเกิดปัญหากับกริด ระบบเหล่านี้สามารถตัดการเชื่อมต่อออกได้ภายในเวลาไม่ถึงสองวินาทีหลังจากตรวจพบปัญหา ถือว่าน่าประทับใจมากเมื่อพิจารณาจากที่พวกมันยังคงรักษาระดับประจุไว้ประมาณ 85% เพื่อใช้ในกรณีที่เกิดไฟฟ้าดับ การอัปเกรดซอฟต์แวร์ล่าสุดยังทำให้ประสิทธิภาพดีขึ้นอีกด้วย โปรแกรมควบคุมรุ่นใหม่นี้ช่วยให้สามารถแมปโครงสร้างเครือข่ายโดยอัตโนมัติ ซึ่งช่วยลดปัญหาสัญญาณเตือนผิดพลาดที่เคยเกิดขึ้นบ่อยครั้งเมื่อระบบตรวจพบว่ามีสภาพการเกาะไฟฟ้า ทั้งที่จริงแล้วไม่มี Sandia Labs รายงานเมื่อปีที่แล้วว่า ความปรับปรุงนี้ช่วยลดข้อผิดพลาดดังกล่าวลงได้ประมาณครึ่งหนึ่ง ในพื้นที่ที่มีการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์และกังหันลมจำนวนมากเชื่อมต่อกับกริด

ประโยชน์ทางเศรษฐกิจและข้อดีทางการดําเนินงานของระบบแบตเตอรี่ที่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ที่เชื่อมต่อกับเครือข่าย

เจ้าของบ้านและธุรกิจเล็กๆ สามารถประหยัดเงิน และใช้ไฟฟ้าได้นานขึ้น เมื่อติดตั้งแบตเตอรี่พลังแสงอาทิตย์ที่เชื่อมต่อกับเครือไฟฟ้า รายงานความยั่งยืนของ Gaia Development เมื่อเร็วๆ นี้ จากปี 2023 แสดงถึงสิ่งที่น่าสนใจเช่นกัน เมื่อคนใช้ระบบแบตเตอรี่เหล่านี้กับแผ่นพลังแสงอาทิตย์ พวกเขาสามารถลดต้นทุนในการทํางานได้ประมาณ 35% และใช้พลังงานจากเครือไฟฟ้าหลักน้อยลงประมาณ 40% สําหรับบ้าน มีโบนัสอีกอย่าง การตั้งแบตเตอรี่เหล่านี้ ทําให้เจ้าของที่เข้าร่วมโครงการบริษัทอุปกรณ์บริการท้องถิ่น ได้เงิน โดยพื้นฐานแล้ว พลังงานแสงอาทิตย์ที่เก็บไว้ จะถูกใช้แทนที่จะใช้จากเครือไฟฟ้า ในช่วงเวลาที่แพงที่สุด

การลดค่าธรรมเนียมที่ต้องการสูงสุด โดยใช้แบตเตอรี่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์และการตอบสนองจากเครือข่าย

ผู้ประกอบการพาณิชย์สามารถลดค่าบริการที่ต้องการสูงสุดได้ 40~60% โดยการโปรแกรมแบตเตอรี่ให้อุดตันในช่วงเวลาสําคัญที่กําหนดโดยบริษัทสาธารณูปโภค กลยุทธ์การสลับความจุนี้ทําให้รูปแบบการบริโภคตรงกับตลาดราคานอกช่วงสูงสุด โดยลด घटบประกอบการชําระเงินที่ขึ้นอยู่กับความต้องการลงอย่างสําคัญ ซึ่งมักจะประกอบด้วย 30~50% ของค่าบริโภคไฟฟ้าทางการค้า

การร่วมโครงการวัดเครือข่ายและบริการเครือข่าย

บริษัทประกอบการใน 42 รัฐของสหรัฐอเมริกา ให้ค่าชดเชยสําหรับพลังงานแสงอาทิตย์ที่เกินที่นํากลับไปสู่เครือข่าย โดยระบบเก็บเก็บของเพิ่มช่องว่างการรับเครดิตขึ้น 65% ผ่านแพลตฟอร์มการค้าพลังงานอัตโนมัติ แบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อกับเครือข่ายให้บริการในการควบคุมความถี่ที่มูลค่า 50 100 ดอลลาร์/เมกะวัตต์-ชั่วโมงในตลาด ISO

การศึกษากรณี: ระบบแบตเตอรี่ที่เก็บพลังงานแสงอาทิตย์ที่อยู่อาศัย ลดความพึ่งพาของเครือข่ายถึง 60%

เจ้าของบ้านในรัฐแมสซาชูเซตส์สามารถลดการซื้อไฟฟ้าจากกริดรายปีจาก 12,000 กิโลวัตต์-ชั่วโมง เหลือ 4,800 กิโลวัตต์-ชั่วโมง หลังติดตั้งระบบเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ขนาด 20 กิโลวัตต์-ชั่วโมง ระบบนี้คืนทุนเต็มจำนวนภายใน 6.2 ปี จากการประหยัดรวมกันจากการซื้อขายตามช่วงเวลาการใช้งาน (time-of-use arbitrage) และเครดิตพลังงานหมุนเวียนจากแสงอาทิตย์ (SRECs)