Аккумуляторные батареи для солнечных станций и особенности их выбора

Введение

Энергетика на возобновляемых ресурсах сегодня переживает бум. Ветровые энергетические установки, солнечные батареи выпускаются в промышленных условиях. Вместе с тем, возможность построения решения технических задач для построения малых электростанций стала широкодоступной. Принцип действия устройств заложенных в основе этих станций и законы физики на которые они опираются диктуют оптимальные технические решения с хорошими энергетическими показателями. Однако игнорирование авторами самоделок этих правил приводит к тому, что желаемый результат остается лишь желаемым и затраченные ресурсы времени, капиталов уходят лишь на демонстрационную модель, никак не востребованную в качестве рабочей. Интересным представляется анализ составляющих подобных энергетических систем с целью обоснования выбора оптимальных элементов под заданные технические параметры установки.

Структура малой электростанции

Топология любой генерирующей установки состоит в следующем:

1. Средства генерации. Это могу быть фото­элементы, ветряной генератор, тепловой насос или любое другое устройство, преобразующее энергию природного происхождения (энергия солнца, ветра, воды и прочее) в электрическую энергию;
2. Устройство (программируемый контроллер (ПК), например) решающее, как и сколько электроэнергии направлять в демпфер-накопитель, аккумулятор электрической энергии;
3. Аккумуляторная батарея (АКБ), своего рода демпфер, накопитель. Его задача – накапливание электрической энергии.
4. Устройство (инвертор, например) преобра­зующее постоянный электрический ток напряжением от АБ в требуемый вид электроэнергии (переменный 50 Гц, например)

Структурно описанная система (рис.1) работает следующим образом: когда аккумулятор осуществляет зарядку от источника генерации, контроллер следит за напряжением на клеммах аккумулятора, и как только оно достигает верхнего предела, процесс зарядки – работа по приему энергии прекращается и ток перенаправляется к нагрузке. В то время, когда генерация электроэнергии отсутствует (темное время суток, отсутствие ветра и прочее подобное) питание всех потребителей (включая и составляющих системы) реализуется исключительно за счет предварительно заряженного аккумулятора. Как только, напряжение на клеммах аккумулятора достигло нижнего предела – контроллер производит отключение работы схемы. В этом случае, без какого-либо постороннего питания установка генерации не будет работоспособна [1].

 
Рисунок 1. Схема работы установки

 

В основе работы АКБ входят 2 электрохимических процесса:

1. Зарядки;
2. Разрядки.

В упрощенном виде схему АКБ представим следующим образом (рис.2):в корпус сосуда вставлены две пластины из разнородных металлов с выводами для обеспечения электрических контактов. Между пластинами залит электролит.

 

 

При работе на внешнюю нагрузку создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Он формируется движением электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.Этот процесс условно показан на схеме с никель-кадмиевой конструкцией электродов.

 

 

Окислы никеля - электрод «+»; губчатый кадмий – «-». Во время разряда частицы активного кислорода из окислов никеля выделяются в электролит и направляются на отрицательные пластины, где окисляют кадмий.При отключенной нагрузке на клеммы пластин подается постоянное напряжение большей величины, чем у заряжаемого аккумулятора с той же полярностью, когда плюсовые и минусовые клеммы источника и потребителя совпадают. Зарядное устройство развивает электрическую мощность для создания электрического тока с направлением, противоположным разряду. В результате внутренние химические процессы между электродами и электролитом изменяются. Например, на банке с никель-кадмиевыми пластинами положительный электрод обогащается кислородом, а отрицательный — восстанавливается до состояния чистого кадмия.При разряде и заряде аккумулятора происходит изменение химического состава материала пластин (электродов), а электролита не меняется.В качестве металла электродов могут встретиться различные металлы, в том числе: свинец; литий; титан; кобальт; кадмий; никель; цинк и другие.Они влияют на электрические выходные характеристики, а, следовательно, на область применения.Наиболее распространёнными в промыш­ленности пока еще являются свинцово-кислотные АКБ. Они широко используются в транспорте, источниках бесперебойного питания и системах аварийного электроснабжения. Однако постепенно они начинают уступать высокоэнергоемким, но более чувствительными к условиям заряда и эксплуатации литий-ионным или литий-полимерным. Основной областью их применения являются мобильные и компьютерные устройства, строительный инструмент и электромобили.Анализ выбора АКБ для того или иного применения производится на основании основных параметров АКБ, которыми являются:

1. емкость;
2. плотность энергии;
3. саморазряд;
4. температурный режим,
5. ресурс – циклов,
6. цена единицы энергии.

Критерии выбора АКБ для солнечной станции.

В условиях минимального бюджета всей электростанции следует твердо помнить одно: любая несоответствующая общему принципу деталь всей схемы может свести к нолю все ожидания.Для солнечной электростанции наиболее привлекательны обслуживаемые аккумуляторы с большим ресурсом – от 1500 циклов при полной разрядке. Наилучшее решение с точки зрения надежность-производительность-цена представляется AGM батареи.Батареи AGM представляют собой кислотный аккумулятор. Отличия от обычного свинцово-кислотной АКБ:

• они содержат электролит в виде пропитки специального материала, отсеки сепарированы между собой. Сами пластины сделаны из чистого свинца, причем как «положительные» — так и «отрицательные», что позволяет таким аккумуляторам быстрее набирать зарядку [2].
• пусковой ток у AGM намного выше, чем токи обычных свинцово-кислотных АБ. Отсеки или банки полностью герметичны, они не имеют жидкой токопроводящей жидкости, а сепараторы — разграничители всегда заполнены ей – таким образом, чтобы выдерживать как заряды, так и разряды.
• при зарядке нет выделения газов, при разряде нет замерзания в холодную погоду
• выдерживают более глубокие разряды; разрядка до глубины 20-30% не влияет на работу батареи.
• заряжается «новый тип» быстрее примерно в 2 – 3 раза, чем старый «жидкостный».
• срок службы до 5 – 10 лет, они выдерживает, до 200 циклов разряда глубина 100%, до 350 с показателем в 50% и до 850 с 30%.

Количество аккумуляторов серьезно влияет на сроки окупаемости проекта. Поэтому расчет электроемкости – весьма не простая задача. В упрощенном виде примем следующее:

1. Минимальный запас ёмкости аккумуляторов определяется средним расходом электроэнергии дома. Например, если у вас с вечера и до утра потребляется 3кВт*ч энергии, то в аккумуляторах должен быть такой запас энергии. Если один аккумулятор на напряжение 12 вольт и емкостью 200 Ач, то энергии в нём поместиться 12*200=2400 ватт*ч (2,4кВт*ч). Но в действительности дополнительно как минимум 0,3% приходиться на саморазряд. Более того, в батарее должен оставаться не менее 50% запас энергии. Поэтому, нужно ставить аккумуляторов в два раза больше чем требуется, иначе их придётся менять каждый год или даже раньше, т.е. АКБ на напряжение 12 вольт 400Ач.
2. Оптимальный запас емкости АКБ - это запас энергии в аккумуляторах на 1-2 суток. Например, если у вас суточное потребление 3 кВт*ч, то рабочая ёмкость АКБ должна быть 2*3кВт*ч=6 кВт*ч, с учетом 50% запаса из п.1 должна составлять 12 кВт*ч. Тогда вы без проблем сможете переживать 1-2 пасмурных дня, без перебоев. При этом в обычные дни в течение суток аккумуляторы будут разряжаться всего на 20-30%, и это продлит их недолгую жизнь.
3. Важно учесть так же и КПД АКБ. Для свинцово-кислотных аккумуляторов равен примерно 80%. То есть аккумулятор при полном заряде берёт на 20% больше энергии, чем потом сможет отдать. КПД зависит от тока заряда и разряда, и чем больше токи заряда и разряда, тем ниже КПД. Например, если у вас аккумулятор на 12В и 200Ач, и вы через инвертор подключаете электрический чайник на 2кВт, то напряжение на АБ резко упадёт, так как ток разряда АКБ будет около 167 Ампер, и КПД отдачи энергии упадёт до 40-50%. Также если заряжать АКБ большим током, то КПД будет резко снижаться. Таким образом полученную емкость из предыдущего пункта надо еще увеличить на 1/0,8=1,25, т.е. 25%.

Для солнечной электростанции оптимальным решением в выборе АКБ - это специализированные аккумуляторы. Отличаются от остальных минимальным током разряда, служат значительно дольше, чем мощные автомобильные, срок службы которых составляет всего 2-3 года против 8-10 лет. Аккумулятор прослужит весь свой заявленный срок только в том случае, если он используется вместе с качественным контроллером заряда, который защищает батарею от чрезмерной зарядки и глубокой разрядки. Так же важно, чтобы батарея АКБ состояла из однотипных аккумуляторов, одного производителя. Так же имеет значение и контроллеры заряда. Важно, чтобы размер батареи позволял хранить энергию как минимум в течение 4 дней.

Иметь собственную солнечную или ветровую электростанцию исходя из уровня электронной элементной базы сегодня доступное техническое решение. Переход или частичное использование альтернативных источников электрического снабжения помогут сохранить чистоту окружающей среды и сократить затраты на выработку энергии, а некоторых случаях позволят получить полностью автономную электросистему и сделает экономически привлекательным ряд проектов (например, автономные магазины на протяженных автотрассах). Однако, использование данных решений в РФ в условиях возможности подключения к стационарным сетям, в силу экономических параметров пока представляется вряд ли выгодным, иная ситуация обстоит в европейских странах где стоимость электроэнергии в разы выше (в Германии в 10! раз выше), здесь альтернативная энергетика давно перешла в разряд устойчивой и востребованной генерации электроэнергии.