Аккумуляторы для солнечных батарей

В солнечной энергетике особое место занимают аккумуляторные батареи, которым отводиться роль посредника в передаче получаемых электрических мощностей конечным потребителям. Объяснить это можно тем, что максимальная величина электрической энергии вырабатывается солнечной батареей при интенсивном световом облучении, которое происходит в дневное время.

Однако наибольшее ее потребление осуществляется с наступлением темноты, когда массово используется освещение с бытовыми приборами. Аккумуляторы позволяют сохранять излишки выработанной днем электроэнергии для вечернего и ночного ее использования.

Конечно, как вариант, в дневное время можно отключать в резерв часть работающих солнечных модулей, но это не решит вопрос вечернего дефицита электричества.

Принцип работы аккумуляторов

Любые электрические аккумуляторы рассматриваются как источники постоянного тока многоразового использования с возможностями выполнения обратимых химических процессов путем проведения многократных циклов заряда с пропусканием электрических токов в направлении, противоположном обратному движению элементарных частиц при разряде.

Почему выбирают свинцово-кислотные модели

Статистическими исследованиями выявлено, что работа элитных литиевых аккумуляторов производства КНР стоит около $0,4 за 1 Вт/час с длительностью ресурса 1000÷2000 циклов заряд/разряд, которого хватает на 3-6 лет.

Самые дешевые, естественно, экологически не безопасные, свинцово-кислотные аккумуляторные батареи оцениваются по $0,08 с примерно таким же характеристиками, но с КПД ≈75% (теряют четверть получаемой энергии).

Эти примеры свидетельствуют об экономической нецелесообразности использования дорогих конструкций аккумуляторов в системах домашних солнечных электростанций.

Рекомеднуем также посмотреть:

Основные эксплуатационные параметры аккумуляторов

температурные и атмосферные режимы,

Емкость аккумулятора определяется величиной заряда, который замеряется при отдаче энергии потребителям от полного заряженного состояния до минимально допустимой величины выходного напряжения.

Для технических международных измерений применяется система СИ (единица измерения «Кулон»). В практической деятельности на территории стран СНГ издавна сложилась традиция определять емкость аккумуляторной батареи в ампер-часах при стандартном соотношении: 1А/час=3600Кл.

Сейчас стала использоваться еще одна подобная характеристика — энергетическая емкость, которая подразумевает величину энергии, отдаваемой потребителям от полностью заряженного аккумулятора до достижения состояния минимального выходного напряжения.

Единица ее измерения в системе СИ — «Джоуль», а на практике — ватт-час с соотношением 1Вт/час=3600Дж.

Плотность энергии учитывает общее количество энергии, распределенной в единице объема (либо веса) аккумулятора. Этот параметр используется для сравнения эффективности конструктивных особенностей разных моделей.

Саморазряд используется с целью анализа потерь полученного заряда на холостом ходу работы, когда отсутствует нагрузка. Термин введен для оценки качества работы конкретной конструкции при длительном хранении энергии.

Работоспособность свинцово-кислотных аккумуляторов по саморазряду оценивается потерей 40% емкости при годичном хранении под температурой +20 о С или 15% при — +5 о С. Эти примеры наглядно демонстрируют возрастание саморазряда при повышении температуры.

В условиях хранения +40 о С потеря 40% емкости может наступить через 4 месяца.

Температурные и атмосферные режимы

Аккумуляторы плохо переносят резкие перепады температуры, нагрев выше +40 о С и охлаждение ниже, чем -25 о С.

Их нельзя держать около открытого огня из-за возможности самовоспламенения паров или непреднамеренного нагрева. Попадание воды и атмосферных осадков на аккумуляторную батарею недопустимо по причине возникновения токов саморазряда через создаваемые дополнительно электрические цепи.

Тип аккумуляторной батареи определяется на основе конструкции корпуса:

требующего контроля за электролитом и восстановления его уровня при выкипании паров,

герметичных моделей, использующих замкнутый цикл. Они могут быть необслуживаемого исполнения с гарантией работы до 5 лет (чувствительны к глубокому разряду и перезаряду) или малообслуживаемые, требующие контроля и доливки воды два раза в год.

Процесс заряда аккумуляторов

Работа аккумулятора связана с изменением его внутренней химической энергии. Ее запас постоянно уменьшается при разряде и ведет к снижению тока и напряжения. Для ее восстановления достаточно пропустить постоянный ток большего напряжения в обратном направлении.

На практике принято выбирать его величину по соотношению: численное выражение 100% номинальной емкости в ампер/часах делят на 10 и получают значение тока в амперах. Эта эмпирическая величина не имеет научных обоснований, но широко применяется для проведения восьмичасовых циклов заряда. Однако она лучше всего подходит для NiMh и NiCd конструкций, а не свинцово-кислотных.

В солнечных электростанциях осуществляется заряд во время рабочего цикла схемы.

Устройство и принцип работы солнечной электростанции ранее был рассмотрен здесь: Солнечные электростанции для дома

Особенности эксплуатации аккумуляторов для солнечных батарей

Экономия режима работы

Алгоритмы контроллера и инвертора должны обеспечивать максимальные возможности передачи энергии от солнечных модулей к конечным потребителям без участия рабочих аккумуляторов, ресурс которых следует аккуратно использовать только для хранения и передачи ими излишков получаемой энергии.

Защита от тряски

При перемещениях и/или вибрациях корпуса возможно просачивание электролита на внешнюю поверхность, что вызывает увеличенный саморазряд. Для его профилактики требуется нейтрализовать образующиеся подтеки слабыми водными растворами пищевой соды или хозяйственного мыла в состоянии, соответствующем виду разжиженной сметаны.

Влияние температуры

Высокая температура аккумуляторной батареи ведет к испарениям воды: увеличивается плотность электролита и повышается напряжение на выходе. Этот процесс требует контроля — могут оголиться контактные пластины. Поэтому необходимо регулярно доливать до контрольного уровня дистиллированную воду.

При низких температурах увеличивается вязкость электролита: он хуже контактирует с электродами, начинает меньше отдавать зарядов, быстрее истощается.

Состояние электролита

Плотность раствора

Лучшая проводимость электролита наблюдается при комнатной температуре и плотности раствора 1,23г/м 3 . В холодных условиях эксплуатации рекомендуется увеличивать ее до значения 1,29÷1,31г/см 3 .

Заниженная до 1,10г/см 3 плотность в сильный мороз может быть причиной замерзания электролита, что проявится раздутием корпуса аккумуляторной батареи.

Отсутствие/наличие примесей

В корпус аккумуляторной батареи должны заливаться только специальная очищенная от примесей кислота и дистиллированная вода. Применение технической кислоты и/или обыкновенной воды нарушает химические процессы, ведет к увеличению сульфатации пластин (образованию диэлектрического слоя примесей), саморазряду, снижению емкости и ресурса.

Примеси полностью удалить невозможно, а эксплуатировать целую систему аккумуляторов даже с одним, имеющим глубокий саморазряд, не имеет смысла. Он все испортит.

Восстановление работоспособности аккумулятора

При физическом разрушении пластин вернуть к работе аккумулятор не получится. А предотвратить начавшуюся сульфатацию можно попытаться, но…без должной гарантии результата.

Способ использования раствора сульфата магния

Секции батареи заливают раствором и подвергают нескольким циклам разряда/заряда. Образовавшиеся сульфаты и примеси на пластинах станут осыпаться на дно. Их надо будет удалить: могут закоротить электрические цепи. Хорошо промытые банки заливают новым электролитом с номинальной плотностью и вводят в эксплуатацию.

Этот метод позволяет в определенных случаях продлить ресурс аккумулятора.

Заряд пульсирующим током

Иногда для профилактики сульфатации мастера заряжают аккумулятор выпрямленным током, получаемый срезанием одной полуволны промышленной синусоиды мощным диодом. Считается, что проводимый короткими импульсами тока заряд предотвращает образование диэлектрического слоя примесей на пластинах.

Преимущества и отличия свинцовых аккумуляторных батарей, разработанных для солнечной электростанции

Режим автомобильных батарей

Такие аккумуляторы выпускаются для надежной работы стартера в любое, даже холодное время года. Процесс прокрутки ротора двигателя с кривошипно-шатунным механизмом связан с большими механическими усилиями, требующими увеличенных токов для электродвигателя стартера на момент запуска.

Во время поездки аккумуляторная батарея постоянно подзаряжается от генератора.

Режим работы солнечной электростанции

Аккумуляторы подзаряжаются рабочими токами солнечных батарей и не испытывают огромных кратковременных нагрузок, как автомобильные аналоги.

Стационарные необслуживаемые аккумуляторы для промышленных задач компании Sonnenschein А700, А500, А400 успешно работают в режимах циклического и/или постоянного подзаряда.

Аккумуляторные батареи компании Delta в основном снабжаются клапанным регулированием давления газов внутри корпуса, работают в схемах альтернативной энергетики.

Ведущие производители аккумуляторов для солнечных батарей (солнечных аккумумляторов)

Выпуском аккумуляторов для промышленных целей занимаются популярные на российском рынке компании: Bosh (Германия), Sonnenschein (Германия), YUASA (Великобритания), C&D Technoloqies (США), Delta (Китай), Haza (Китай), APS (Тайвань).

Каждая из них имеет свои особенности. Например, батареи Haza выпускаются по технологиям AGM и HZY (гелевая) для совместной работы с солнечными модулями.

Чтобы подобрать подходящую модель аккумуляторной батареи для солнечной электростанции вначале надо хорошо продумать условия их эксплуатации и только после этого искать конкретную конструкцию по напряжению, емкости и другим описанным характеристикам.

Принцип работы контроллеров для заряда солнечных батарей, устройство, что учитывать при выборе рассмотрен здесь.

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.

Видео по теме

Источник