В системах автономного солнечного электроснабжения могут использоваться различные виды аккумуляторных батарей. Их выбор зависит от стоимости инженерного решения, наличия и функционала контроллера заряда, условий эксплуатации, назначения и других факторов.
Виды аккумуляторов для солнечных батарей
Все АКБ, представленные на рынке, можно разделить на 3 типа:
Свинцово-кислотные АКБ
По конструкции делятся на обслуживаемые (заливные) и необслуживаемые (герметизированные). Вторые в международной классификации обозначаются аббревиатурой SLA и содержат сернокислый электролит связанным в стекловолокне (AGM) или в виде геля. В сравнении с заливными имеют более высокие эксплуатационные характеристики и лучше приспособлены для использования в солнечной электроэнергетике.
Вне зависимости от применяемых технологий все свинцово-кислотные аккумуляторы в целом плохо переносят глубокий разряд, но способны постоянно подзаряжаться малыми токами.
Стартерные (автомобильные) обслуживаемые аккумуляторы — рассчитаны на выдачу высокого тока в течение короткого промежутка времени, имеют высокий процент саморазряда, требуют обслуживания и вентилируемого помещения, хуже всех АКБ переносят глубокий разряд, который резко сокращает срок службы. Используются в самых низкобюджетных системах (потому что любые АКБ придется менять каждый сезон) при условии постоянного контроля за уровнем и плотностью электролита. Самые дешевые.
AGM — герметизированные батареи, которые в общем случае предназначены для использования в источниках бесперебойного питания, прекрасно работают в буферном режиме по 10−15 лет, но не предназначены для поддержания постоянной нагрузки. В системах солнечного электроснабжения целесообразно применять только в модификации VRLA — батарей глубокого разряда с толстыми пластинами и регулирующим клапаном для сброса давления газа. Относительно недорогие.
Гелевые — герметизированные АКБ, которые дольше предыдущих выдерживают циклические режимы заряда-разряда, способны переносить сильные морозы и могут быть установлены даже на боку. Как и AGM, производятся в двух модификациях: общего назначения и для глубокого разряда (DC). DC за счет более толстых электродных пластин способны многократно восстанавливаться и чаще всего используются в солнечной энергетике. Стоят дороже AGM, но не критично.
Гелевые с трубчатыми электродами (OPzV) — герметизированные батареи, специально разработанные для длительного отбора большой емкости и способные функционировать в таком режиме до 20 часов. В солнечной энергетике целесообразны только в системах с большой мощностью. Производятся в ЕС и США, стоят дорого, но есть хорошие китайские и украинские бренды вдвое дешевле.
Заливные с намазными пластинами (OPzS) — обслуживаемые АКБ, которые «пришли» в солнечную энергетику из сегмента тяговых аккумуляторов для электрических машин. Позиционируются как специально разработанные для солнечных электростанций, способны переносить без повреждений много циклов заряда-разряда до 60% номинальной емкости, но требуют установки в помещении с соблюдением норм пожарной безопасности и принудительной вентиляции. Стоят дорого и поставляются по предзаказу, поэтому используются гораздо реже, чем гелевые.
Щелочные АКБ
В отличие от кислотных, щелочные аккумуляторы отлично справляются с глубоким разрядом и способны длительное время отдавать токи примерно на 1/10 емкости батареи. Более того, щелочные батареи настоятельно рекомендуется разряжать полностью, чтобы не возникал так называемый «эффект памяти», который снижает емкость АБ на величину «невыбранного» заряда.
В сравнении с кислотными, щелочные батареи имеют значительный — 20 лет и более — срок службы, выдают стабильное напряжение в процессе разряда, также бывают обслуживаемыми (заливными) и необслуживаемыми (герметизированными) и, кажется, просто созданы для солнечной энергетики. На самом деле нет, потому что не способны заряжаться слабыми токами, которые генерируют солнечные панели. Слабый ток свободно течет через щелочной аккумулятор, не наполняя батарею. Поэтому увы, но удел щелочных батарей в автономных энергосистемах — служить «банкой» для дизель-генераторов, где этот тип накопителей просто незаменим.
Литий-ионные АКБ
Батареи такого типа имеют принципиально иную «химию», чем аккумуляторы для планшетов и ноутбуков, и используют литий-железно-фосфатную реакцию (LiFePo4). Они очень быстро заряжаются, могут отдавать до 80% заряда, не теряют емкости из-за неполной зарядки или долгого хранения в разряженном состоянии. Батареи выдерживают 3000 циклов, имеют срок службы до 20 лет, производятся в том числе в России. Самые дорогие из всех, но в сравнении с, например, кислотными, имеют вдвое большую емкость на единицу веса, то есть их понадобится вдвое меньше.
Основные технические характеристики АКБ
Характеристики и требования к аккумуляторам определяются исходя из особенностей работы самой солнечной электростанции.
Аккумуляторные батареи должны:
быть рассчитаны на большое количество циклов заряда-разряда без существенной потери емкости;
иметь низкий саморазряд;
сохранять работоспособность при низких и высоких температурах.
Ключевыми характеристиками принято считать:
емкость батареи;
скорость полного заряда и допустимого разряда;
условия и срок эксплуатации;
весогабаритные показатели.
Как правильно рассчитать и выбрать АКБ
Расчеты строятся на простых формулах и допусках на потери, которые возникают в автономной системе энергоснабжения.
Минимальный запас энергии в аккумуляторах должен обеспечивать нагрузку в темное время суток. Если от заката до рассвета общее энергопотребление составляет 3 кВт/, то и банк аккумуляторов должен иметь такой запас.
Оптимальный запас энергии должен покрывать суточные потребности объекта. Если нагрузка составляет 10 кВт/ч, то банк с такой емкостью позволит без проблем «пересидеть» 1 пасмурный день, а в солнечную погоду не будет разряжаться более чем на 20−25%, что оптимально для кислотных аккумуляторов и не ведет к их деградации.
Здесь мы не рассматриваем мощность солнечных батарей и принимаем за факт, что они в состоянии обеспечить такой заряд аккумуляторам. То есть, строим расчеты на потребности объекта в энергии.
Запас энергии в 1 батарее емкостью 100Ач напряжением 12 В считается по формуле: емкость х напряжение, то есть, 100 х 12 = 1200 ватт или 1,2 кВт*ч. Следовательно, гипотетическому объекту с ночным потреблением 3 кВт/ч и суточным в 10 кВт/ч нужен минимальный банк из 3 аккумуляторов и оптимальный из 10. Но это в идеале, потому что нужно учесть допуски на потери и особенности оборудования.
Где теряется энергия:
50% — допустимый уровень разряда обычных кислотных батарей, поэтому если банк построен на них, то аккумуляторов должно быть вдвое больше, чем показывает простой математический расчет. Батареи, оптимизированные под глубокий разряд, можно «опустошать» на 70−80%, то есть емкость банка должна быть выше расчетной на 20−30%.
80% — средний КПД кислотной батареи, которая в силу особенностей отдает энергии на 20% меньше, чем запасает. КПД тем ниже, чем выше токи заряда и разряда. Например, если к аккумулятору емкостью 200Ач через инвертор подключить электроутюг мощностью 2 кВт, то ток разряда составит около 250А, а КПД упадет до 40%. Что опять приводит к необходимости двукратного запаса емкости банка, построенного на кислотных аккумуляторах.
80-90% — средний КПД инвертора, который преобразовывает постоянное напряжение в переменное 220 В для бытовой сети. С учетом потерь энергии даже в самых лучших батареях общие потери составят примерно 40%, то есть даже при использовании OPzS и тем более AGM-аккумуляторов запас емкости должен быть на 40% выше расчетного.
80% — эффективность работы ШИМ-контроллера заряда, то есть, солнечные батареи физически не смогут передать аккумуляторам более 80% энергии, выработанной в идеальный солнечный день и при максимальной паспортной мощности. Поэтому лучше использовать более дорогие MPPT- контроллеры, которые обеспечивают отдачу солнечных батарей почти до 100%, либо увеличивать банк аккумуляторов и, соответственно, площадь солнечных батарей еще на 20%.
Все эти факторы нужно учитывать в расчетах в зависимости от того, какие составные элементы используются в системе солнечной генерации.
Правила эксплуатации АКБ
Обслуживаемые аккумуляторные батареи при работе выделяют газы, поэтому ставить их в жилых помещениях запрещено и нужно оборудовать отдельную комнату с активной вентиляцией.
Уровень электролита и глубину заряда нужно постоянно контролировать во избежание выхода АКБ из строя.
При круглогодичной эксплуатации во избежание глубокого разряда аккумуляторов в пасмурные дни необходимо предусмотреть возможность их подзарядки от внешних источников — сети или генератора. Многие модели инверторов могут реализовать такое переключение в автоматическом режиме.
Краткий итог
Чтобы правильно рассчитать емкость банка аккумуляторов, нужно определить суточное потребление энергии, прибавить 40% неустранимых потерь в АКБ и инверторе и далее увеличивать расчетную мощность в зависимости от типа батарей и контроллера.
Если солнечная генерация будет использоваться и в зимнее время, то итоговую емкость банка нужно увеличить еще на 50% и предусмотреть возможность подзарядки батарей от сторонних источников — сети или генератора, то есть высокими токами. Это также повлияет на выбор батарей с определенными характеристиками.
Если вы затрудняетесь с самостоятельными расчетами или хотите убедиться в их правильности — обращайтесь к специалистам ООО «Энергетический центр» — это можно сделать через онлайн-чат на сайте «Со светом» либо позвонить по телефону. У нас огромный опыт по комплектации и установке систем солнечной генерации на различных объектах — от коттеджей и дачных домов до объектов производственного и сельскохозяйственного назначения.
Производители предлагают такой широкий ассортимент оборудования, что собрать солярную электростанцию по вашим требованиям и финансовым возможностям не составит труда.
Источник
Аккумуляторы для накопления энергии от солнечных батарей
Человечество за последние десятилетия сделало множество шагов по пути сохранения благоприятной экологической обстановки на планете. В сущности, использование определенных видов техники людьми и вызывает ее ухудшение. Речь идет о производствах, химических фабриках и двигателях транспортных средств или генераторов энергии, которые производят выбросы вредных веществ в окружающую среду. Так вот, одним из средств исправления ситуации все больше становится использование возобновляемых источников энергии — движения воды и волн, потоков ветра и солнечного излучения.
Кроме плюса для биосферы, у экологически чистых генераторов тока есть и свои минусы, вырастающие из «детства» технологий, которые относительно недавно начали применяться человеком. К примеру, низкий коэффициент полезного действия. Ни один преобразователь энергии окружающей среды в ток не дает 100 % выдачи результата. У лучших из них, показатель находится в районе 30 %. То есть, человеку возвращается максимум треть от реального количества природного воздействия на генерирующие механизмы.
Еще одним минусом использования служит непостоянство процесса. Волны могут успокоиться в штиль, солнце всходит и заходит, а бывает и закрывается облаками, атмосферные массы могут как перемещаться, так и стоять на месте. В периоды затишья встает вопрос продолжения непрерывной подачи тока на потребляющие контуры. С такой целью в генерирующих системах используются аккумуляторы, которые пока идет выработка энергии заряжаются, а в остальное время отдают накопленное в общую сеть.
Речь, в статье пойдет об использовании аккумуляторов для солнечной электростанции. Будут рассмотрены их характеристики, типы устройства и нюансы эксплуатации.
Солнечная батарея выбрана не случайно. Для генераторов такого вида наиболее характерна прерывистость выработки тока. Она зависит от времени суток и состояния атмосферы. Ночью энергия не вырабатывается, а в облачную погоду генератор не дает максимум своей мощности. При этом, в полдень и при ясном небе, производится наибольшее количество тока.
Принцип действия накопителей энергии
Аккумулятор — устройство, позволяющее сохранять и отдавать ток. Принцип его действия построен на обратимости химических процессов. В общем случае, энергия сохраняется в положительно заряженном ионе составляющего вещества, который при подаче тока на батарею интегрируется в кристаллическую решетку графита, солей или оксидов металлов, с возникновением их химической связи.
В сущности, любой аккумулятор состоит из двух различных по материалам электродов, погруженных в электролит, облегчающий перемещение ионов с одного на другой. Направление движения тока задается свойствами самих металлов, используемых в качестве проводящих контактов. Обладающий большим удельным сопротивлением становится катодом, меньший — анодом. В техническом сленге первый называется минусом питания, второй плюсом.
При заряде батареи основа анода растворяется, с переносом ионов, содержащих два электрона на катод. При разряде происходит обратная реакция, с освобождением частиц энергии и восстановлением изначального металла анода. Конечно, цикл не бесконечен, так как в любом случае происходят потери материала в процессе химических реакций. Максимальное количество периодов заряда и разряда — одна из главных характеристик батареи, которая непосредственно зависит от использованных в ней металлов для основы электрода и катода. Важна и скорость прохождения реакции, а также побочные эффекты, происходящие в их процессе. К примеру, нагрев — чем большим током происходит заряд аккумулятора, тем быстрее идет реакция переноса, во время которой электролит нагревается, так как через него проходит большее количество заряженных частиц. Слишком большие значения токов могут вызвать закипание проводящего вещества, в результате которого произойдет выделение газов, в свою очередь, разрушающих корпус батареи.
Емкость аккумулятора, как еще одна из главных его характеристик, определяется площадью анода и катода. Чтобы увеличить ее, множество связанных пластин, выполненных из металлов обоих контактов, чередуются внутри батареи, разделяемые нейтральной прослойкой, не мешающей перемещению ионов.
Аккумуляторы по типам
Для солнечной энергетики ценность имеют емкие аккумуляторы. Количество циклов заряда также важно, от этого зависит периодичность смены вышедших из строя устройств. Оба фактора непосредственно устанавливаются используемыми технологиями и применяемыми химическими реакциями в батарее.
Существуют следующие виды в зависимости от электролитической составляющей:
Аккумуляторы, в которых электролит находится в виде геля. Такие конструкции не требуют периодического обслуживания в процессе эксплуатации. Что касается химической основы, — это обычные свинцово-кислотные батареи. Применение геля в качестве основы электролита дополнительно дает увеличение количества циклов заряда, за счет отсутствия связывания проницаемого ионами вещества с частями материала анода. Другими словами, у таких аккумуляторов меньше падает кислотность электролита, что дает возможность отказаться от периодического поднятия его плотности в процессе использования батареи. Аккумуляторы такого типа обозначаются, как «GEL» на корпусе. Их, наверное, самый большой минус — непереносимость перезаряда или пополнения слишком высокими токами.
Обычные AGM. Свинцово-кислотные АКБ, распространенные и зачастую используемые в транспорте. В аккумуляторах этого типа основой реакции служит связка химического обмена ионами между контактами свинца с преобразованием его в оксид металла. Электролитом служит раствор серной кислоты. Как раз последний фактор и обеспечивает минус у таких батарей — жидкость, кроме того, что может закипеть, еще и постоянно теряет свою кислотность из-за оседающих в ней остатков от химических реакций обмена. Такие аккумуляторы требуют периодического повышения плотности в процессе эксплуатации. Уровень электролита в одном положении, относительно пластин электродов, поддерживается пропиткой им специальных матов из стекловолокна.
Аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется щелочная основа. Материал, применяющийся для пластин электродов — водородный металлогидридный сплав никеля с лантаном или литием в качестве анода, и оксид никеля для катода. Электролитом служит сильнощелочной раствор гидроксида калия (KOH). Маркируются такие аккумуляторы, как NiMH. Плюс подобной батареи — отсутствие «эффекта памяти», что позволяет заряжать ее полностью, вне зависимости от текущего уровня запасенной энергии. Кроме того, они абсолютно безопасны для экологии. Минус — ограниченный срок службы и малое количество циклов.
Также аккумуляторы для солнечных панелей различают по металлам, используемым в качестве основы анода и катода. Среди них:
Уже упомянутые свинцово-кислотные батареи, основа которых — свинец (Pl), что обязательно бывает отмечено на корпусе накопителя;
Никель-кадмиевые, в которых анод изготавливается из гидрата закиси кадмия Cd(OH)2 или его металлического варианта Cd. Применяемый электролит состоит из смеси гидроксидов лития (LiOH) и кадмия (KOH). Катод выполнен путем соединения графитового порошка с гидратом закиси никеля Ni(OH)2. Обычно батареи такого типа маркируются, как NiCd. Характерным минусом служит долгое время заряда и относительно невысокая емкость АКБ, которая еще и уменьшается в процессе эксплуатации из-за сильно выраженного «эффекта памяти» никель-кадмиевых накопителей. Плюсом служит — низкая цена в соотношении с аналогами и малый нагрев при зарядке.
Литий ионные с пометкой Li-ion на корпусе. Анод в них выполнен на основе графита, нанесенного на алюминиевую фольгу, а катод с использованием кобальтита лития (LiCoO2) на тонкой медной поверхности. Литиевые аккумуляторы характеризуются низким уровнем саморазряда и быстрым набором энергии. К сожалению, взрывоопасны при неправильном использовании. Еще один минус — они дороги.
Применяются и другие виды по структуре и составу аккумуляторные батареи, но частота их использования с солнечными панелями практически равна нулю.
Где купить
Приобрести аккумуляторы можно как в специализированном магазине, так и онлайн в Интернет-магазине. Во втором случае, особого внимания заслуживает бюджетный вариант приобретения изделий на сайте Алиэкспресс. Для некоторых комплектующих есть вариант отгрузки со склада в РФ, их можно получить максимально быстро, для этого при заказе выберите «Доставка из Российской Федерации»:
Работа в составе оборудования гелио станции
Аккумулятор для солнечных батарей применяются в целях поддержания постоянного напряжения в исходящей сети, вне зависимости от функционирования самой генерирующей части. В сущности, работа гелио станции сильно зависит от времени суток и погодных условий. Когда производится достаточное количество электричества для поддержания всех устройств нагрузки, одновременно осуществляется подзарядка аккумуляторной батареи. Когда выработка падает, или становится ниже требуемой, накопитель начинает подпитывать сеть, возмещая недостаток из накопленных запасов. Особенно его использование актуально на ночной период времени, когда генерации энергии нет.
Требуемые характеристики для использования с солнечными батареями
Расчет емкости АКБ для солнечных батарей выполняется от потребляемого суточного максимума по нагрузке и штатного напряжения самого устройства. Здесь необходимо сделать ремарку про процесс заряда. Сами солнечные панели объединяются электрически с целью подгонки вырабатываемого напряжения штатным характеристикам аккумулятора. Последние бывают, как на 12 вольт, так и на 24. Подключаются они к сети потребления через инвертор, а между ним и батареей в гелио станции размещается контроллер, который не допускает перезаряда накопителя. Именно к нему на входы идет подача тока от солнечных панелей.
Необходимая емкость аккумулятора в ампер-часах рассчитывается в зависимости от суточного тока потребления всех устройств нагрузки с поправкой на дневное время, когда питание осуществляется от солнечных батарей. Примером может послужить использование гелио станции для снабжения энергией небольшого дома. Экспериментально было выявлено суточное потребление всех электрических приборов, используемых в быту для такого жилья. Оно составило приблизительно 7.5 Квт/сутки, с учетом потерь в преобразующем оборудовании (высчитывается умножением общего расхода дома на коэффициент 1.2). Для расчета оно обозначается переменной T. Вольтаж аккумулятора — V. Итоговой формулой требуемой выдачи энергии по отношению к часу станет Ahчас=T/V/24. В приведенном примере, для батареи 12 В это 7500/12/24=26 А×ч. Далее нужно учесть ночное время, в которое солнечные панели совсем не дают энергии и все питание сети происходит от АКБ. Необходимая емкость рассчитывается от этого времени — Ahакб=Ahчас×8. Для приведенного примера, наилучшим выбором станет батарея 208 А×ч.
Использование какого-либо конкретного типа аккумулятора в зависимости от технологии сохранения энергии или вида применяемых химических веществ, — зависит только от желания владельца гелио станции и его возможностей по периодическому обслуживанию батареи.
Замечания по эксплуатации
При использовании аккумулятора нужно помнить о токе его зарядки. Солнечные панели просто обязаны в то время, на которое приходится период их действия, выдать достаточный объем энергии, чтобы полностью зарядить батарею, попутно снабжая ей сеть с потребителями. Для расчета необходимого применяется формула: Aпанели=Ahакб/(24−8)+Ahчас. Для ранее описанного примера, это означает, что солнечная панель должна выдавать 208 А×ч/(24−8)+26 А×ч, что составит силу тока в 39 А×ч, при напряжении в 15 В. В свою очередь, переводя полученное значение в характеристики – необходимая выдаваемая мощность панели солнечных элементов должна быть не менее 39 А×ч/20 или 1.95 Ампер.
Инвертор, в свою очередь, как центральный преобразователь, обязан выдерживать прохождение тока к потребителям, поэтому его параметры также выбираются в зависимости от максимальных требований сети.
Схема присоединения
Аккумулятор подключается к контроллеру питания, который в свою очередь, через предназначенные для этого контакты к солнечной батареи и преобразующему инвертору. От последнего уже и происходит общее питание потребителей.
Объединение мощности и емкости аккумуляторов
В тех случаях, когда емкости аккумулятора не хватает на удовлетворение потребностей, используется их параллельная связка, дающая объединение характеристик вместимости. В общем виде, аноды всех батарей соединяются между собой. С катодами производят аналогичное действие. Получившаяся связка будет равна по объему суммарной емкости всех аккумуляторов цепочки. Такая система позволяет намного уменьшить стоимость конструкции, используя несколько более мелких батарей, взамен одной большой.
Рекомендации по выбору аккумулятора
Лучшая батарея для гелио станции выбирается в первую очередь от ее объема, он должен быть достаточным для обеспечения всего требуемого количества питания. На второй позиции, всегда остаются отзывы и рейтинги конкретных изготовителей, которые можно узнать из СМИ и интернета. Ну и третьим фактором выступает цена на представленные в продаже накопительные устройства. К примеру, гелиевые аккумуляторы для солнечных панелей, дороже чем AGM, но в свою очередь, дешевле литий-ионных батарей. Здесь важно соблюсти баланс между желаемыми возможностями накопителя, обязательностью его обслуживания и ценой на конкретную продукцию.
Еще одним из стимулов, влияющих на выбор конкретной модели, может стать ее экологическая и эксплуатационная безопасность. В некоторых случаях лучше использовать менее емкие, но более надежные литиевые аккумуляторы. Они не вызывают вопросов у сэс, слабо греются и продаются дешевле прочих.
Май 2018 
