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
Особенности эксплуатации щелочных аккумуляторов для солнечных батарей
При использовании солнечных батарей могут применяться разнообразные аккумуляторы. Щелочные аккумуляторы находятся в их числе. Даже из названия понятно, что в роль электролита в устройстве выступает щёлочной раствор.
Более того, они делятся на три подвида:
никель-железные;
никель-кадмиевые;
никель-металгидридные.
В чём, собственно, заключается основная особенность данных АКБ? Считается, что они способны хорошо, так сказать, отдавать маленькие токи, а большие отдают плохо. Если сравнивать с кислотными АКБ, то данные приборы могут разрядиться полностью и также полностью зарядится при любых температурных условиях и одинаково высоким КПД. Бытует мнение, что если устройство разрядится не в полной мере, его при этом снова начнут заряжать, то оно полноценно зарядиться не сможет, в особенности у АКБ на Ni-Cd. Это верно, но только в случае долговременного и постоянного недоразряда в течении нескольких месяцев. Проблемма устраняется простым долговременным зарядом на несколько часов больше положенного.
Еще одна особенность АКБ Ni-Cd это полноценно воспринимать и отдавать заряд при очень низких температурах до -50. Это не относится к никель-железным и никель-металгидридным АКБ. Кислотные устройства могут только хорошо отдать, а воспринять заряд только при температурах выше нуля. Это связано с тем, что плотность электролита в никель-кадмиевых аккумуляторах не меняется от уровня заряда, в отличие от остальных АКБ.
Такие устройства требуют некоторого обслуживания. В связи с этим, нужно время от времени проверять какой уровень электролита остался. Также проверяется, какой уровень зарядки имеет аккумулятор. Если они используются верно, то ресурс их будет большим — не менее двадцати лет.
Особенность никель-железных аккумуляторов невосприимчивым к малым токам. То есть ток через приборы идёт, но они не могут накопить заряд.
Преимущества АКБ никель-кадмиевых очевидны, поскольку они обладают большим ресурсом для работы, могут поддерживать напряжение при заряде. Помимо того, они обладают возможностью запасать значительное количество энергии, если говорить о расчёте единицы веса. К отрицательным характеристикам можно отнести и необходимость обслуживания.
Если сравнивать никель-металгидридные и никель-кадмиевые изделия с кислотными вариантами, то они будут стоить несколько дороже. Зато их ресурс больше. У них есть особенность, которая заключается в том, что такие устройства требуют установки в вентилируемых помещениях. Работая данные АКБ выделяют газы, как собственно и кислотные аккумуляторы. Но в переод предельной нагрузки щелочные АКБ выделяют водорода в большей степени, чем кислотные.
О щёлочных Ni-Cd батареях и о солнечных системах.
Несмотря на свои достоинства, Ni-Cd довольно нечасто применяются в автономных установках, которые работают на возобновляемых источниках. Это объясняется тем, что кислотные аккумуляторы дешевле, меньше по размерам,весу и устанавливаются в помещениях с положительной температурой. Нередко солнечные системы и кислотные батареи применяются в качестве передвижных источников энергии — опять вес, размер.
В тех системах, которые работают от солнечных панелей, АКБ Ni-Cd применяются тогда, когда к системе предьявляются довольно жесткие требования эксплуатации. Пониженная температура, повышенная влажность и отсутствие дополнительных источников энергии. Тут надо добавить, что Ni-Cd лекго выводятся из состояния полной разряженности, как только появляется хоть какие то токи заряда.
Если сравнивать с кислотными устройствами, то заряд отдается у Ni-Cd намного больше при той же емкости. Разница с кислотными составляет примерно 40-60 процентов. Если же говорить о внутреннем сопротивлении, то оно, соответственно, имеет довольно-таки большое значение. По этой причине напряжение будет падать ускоренно при больших разрядных токах. Не каждый контроллер может справиться с отслеживанием такого падения.
Как уже говорилось, место, где устанавливается АКБ, должно вентилироваться. Помимо этого, площади для установки должно быть достаточно. Для щёлочных аккумуляторов характерна габаритность, потому они нуждаются в достаточном месте, в том числе и для проведения обслуживания. Поэтому благодаря особенностям низкотемпературной работы АКБ Ni-Cd, их устанавливают в пристройках, контейнирах или просто под навесом от осадков. Тем самым экономится место полезной площади строения.
Неудивительно, что щелочные АКБ Ni-Cd очень часто применяются в автономных системах, которые получают энергию от солнечных панелей. Обыкновенно, они используются там, где здание полностью снабжается получаемой от батарей энергией. Именно в этом случае особенности таких устройств можно рассматривать как достоинство. Тем более вокруг таких зданий обычно достаточно места для размещения и солнечных батарей и аккумуляторных систем, т.к. это в основном всегда сильно удаленные от коммуникаций отдельно стоящие здания.
Май 2018 
