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
Подбираем аккумулятор для солнечной электростанции
Солнечные батареи вырабатывают электричество только в период светового дня. Потребление же электроэнергии происходит практически круглосуточно. Для того, чтобы пользоваться электричеством от солнца в любое время суток, к солнечным электростанциям подключают аккумуляторы.
Почему не автомобильные
Очевидным, на первый взгляд, решением становится установка на солнечную электростанцию нескольких автомобильных аккумуляторов от грузовика – 180-250Ач.
Мощности сборки таких аккумуляторов действительно должно хватать на питание дома, да и стоимость одной такой батареи начинается с 65$ (за тюменскую батарею), однако авто аккумуляторы рассчитаны на применение в совершенно других условиях и разряд даже на 30% для них – экстремальные условия. В то же время они могут выдавать высокие пусковые токи (для запуска двигателя авто), которые в условиях жилого дома вряд ли пригодятся.
Режим использования в автомобиле отличается от применения аккумуляторов в системе солнечных электростанций. В светлое время суток контроллер в основном только заряжает батарею, а в темное – батарея «кормит» все токоприемники. В этом режиме авто аккумулятор сможет прослужить не больше года, после чего емкость будет очень быстро падать, повышается риск закипания и внезапного выхода из строя.
Емкость
При расчете емкости устанавливаемых в систему солнечной электростанции аккумуляторов следует учитывать следующие параметры:
Температура эксплуатации аккумулятроных батарей – от нее напрямую зависит емкость. Емкость АКБ указывается при температуре окружающей среды в 20°С, а уже при 0°С – емкость снижается до 80%. В общем, вот таблица:
Емкость аккумулятора в зависимости от температуры
В нижней части таблицы указывается коэффициент, на который необходимо умножить емкость в зависимости от температурных условий. Становится понятным, что аккумуляторы выгоднее хранить в отапливаемом помещении.
Уровень допустимого разряда. Батареи нельзя разряжать на все 100% — так они очень быстро выходят из строя, поэтому остаточный ток должен составлять не менее 60-70% и чем больше этот %, тем дольше служит аккумулятор в солнечной электростанции.
Что подключается. К сожалению, стоимость аккумуляторных батарей на данный момент такова, что полностью заменить потребление всех токоприемников с их помощью невозможна. Поэтому под аккумуляторы не подключают ни стиральные машины, ни пылесосы, ни другие мощные потребители. Подключается освещение, холодильник, компьютер/ноутбук.
КПД инвертора. Современные преобразователи постоянного тока в переменный весьма производительны, но не превышают 96%,т.е. 4% вы будете терять гарантированно. Подключение светодиодного освещения напрямую к сети в 12В значительно снижает потери.
При различных подходах к экономии электричества, ваши показатели в таблице могут значительно отличаться.
Токоприемники, способные кормиться от аккумуляторов
Переводим потребляемую мощность в амперы 6000 Вт / 12 вольт = 500 А
500 А /1,03 = 515 А (делим на коэффициент, при использовании аккумулятора при t = 25°С
515 А / 0,3 = 1716 А (делим на % допустимого разряда батареи)
585,73 А/ 0,96 = 1787 А (делим на КПД инвертора).
Как видим, для обеспечения 6 кВт в сутки понадобится аккумуляторы, общей емкостью не менее 1787 А/ч
Какие брать?
Фактически, аккумуляторы – главный тормоз развития альтернативной энергетики в целом, её слабая сторона. Современные технологии не сделали батареи компактнее, легче и дешевле. Применительно к системе солнечного электроснабжения используются два типа аккумуляторов:
Разница есть и в цене и во внутреннем строении, но самая большая разница заключается в эффективности. Гелевый аккумулятор гораздо лучше переносит глубокий разряд, это нормальный режим работы для него. К недостаткам гелевых батарей можно отнести низкие пусковые токи при минусовой температуре, хотя в условиях использования в системе электроснабжения дома такие токи не понадобятся. Также, гелевые аккумуляторы стоят значительно дороже.
Стоимость
Цена аккумуляторных батарей, вместе с их износом, делают этот элемент самым слабым звеном в цепи солнечного электроснабжения. Из рассмотренного примера видно, что для питания даже самых маломощных приборов, необходимо приобрести 8 аккумуляторов по 200 А/ч каждый. Если перевести все это в цифры, то Delta GX12-200 стоит 452,4$ x 8 = 3619$ — такая система гарантированно прослужит 15 лет.
Видео. Как выбирать аккумулятор
В ролике описаны основные критерии, влияющие на выбор, а также тонкости, связанные именно с применением в системе солнечной электростанции.
Май 2018 
