Аккумуляторы

Аккумуляторы

Солнечная энергия – мощный источник возобновляемой энергии, способный при его грамотном использовании обеспечить человечество экологически чистой энергией на долгие годы.

Однако, с точки зрения потребителя, солнечные энергосистемы обладают серьезнейшим недостатком: режим выработки электроэнергии не совместим ни с ритмом производства при промышленном использовании солнечной энергии, ни с круглосуточной потребностью в электроэнергии индивидуальных потребителей. Только часть светового дня солнечные электростанции могут эффективно работать, так как утром и вечером интенсивность солнечного излучения снижается. А ведь это, как раз, время пикового потребления электроэнергии. Поэтому накопление и сохранение энергии является важнейшей задачей при разработке фотоэлектрических энергосистем.

Надежность и эффективность работы фотоэлектрических станций во многом определяется правильностью выбора аккумуляторных батарей. Аккумулятор (лат. Accumulator - собиратель, от лат. Accumulo- собираю, накопляю) —это устройство для накопления энергии с целью её последующего использования. Накопление и аккумулирование энергии осуществляется посредством преобразования химической энергии в электрическую. Аккумуляторные батареи, используемые в солнечных энергосистемах, сравнительно глубоко разряжаются каждый вечер и заряжаются в светлое время суток. Поэтому, использование наиболее распространенных типов аккумуляторных батарей для фотоэлектрических систем связано с определенными сложностями. Для сохранения солнечной энергии применяются свинцово- кислотные аккумуляторные батареи. Наиболее известны следующие типы свинцово-кислотных батарей:

— стартерные (автомобильные);
— AGM (герметичные);
— GEL (герметичные гелевые);
— заливные с намазными пластинами (серия OPzS);
— тяговые.

В зависимости от конструктивных особенностей свинцово - кислотные аккумуляторы подразделяются на обслуживаемые и необслуживаемые. Понятно, что обслуживаемые нуждаются в регулярном техобслуживании, контроле уровня и плотности электролита. Необслуживаемые – являются герметичными и требуют минимального ухода.

Различные типы аккумуляторов имеют различные характеристики: количество циклов перезарядки, сроки хранения, емкость, диапазон рабочих температур, возможности быстрой зарядки и, наконец, стоимость.

Автомобильные стартерные батареи в солнечных энергосистемах применять не рекомендуется, за исключением случаев работы системы в тяжелых условиях, при сильной разрядке аккумуляторов и отсутствии возможности их полной зарядки. Использование таких аккумуляторных батарей возможно лишь при условии постоянного контроля, поскольку необходимо следить за уровнем и плотностью электролита, периодически производить выравнивающий заряд АБ и т. д. Наличие хорошо проветриваемого отдельного помещения также является необходимым. Неприятной особенностью таких батарей является то, что часть энергии в них теряется в результате саморазряда. Особенно велики потери при низких температурах. Хорошо отработанные технологии и крупномасштабное производство автомобильных аккумуляторных батарей сделали их стоимость сравнительно невысокой, однако стартерный режим работы, рассчитанный на отдачу малого количества энергии (5-7% емкости) большими токами в течение короткого периода времени, несовместим с особенностями работы автономных систем электроснабжения, в которых происходит равномерный отбор мощности в течение длительного времени.

Срок службы стартерных батарей не более 3-х лет, что, при среднем сроке эксплуатации солнечных батарей 15-20 лет, означает необходимость замены аккумуляторов в системе не один раз.

Выбор аккумуляторных батарей для конкретной солнечной электросистемы определяется рядом факторов, основными из которых являются: низкий уровень саморазряда, способность работать с малыми зарядными токами, а также в режимах глубокого разряда, работоспособность при низких температурах (это касается систем круглогодичного использования), минимальные требования по техническому обслуживанию.

Аккумуляторные батареи глубокого цикла, рассчитанные на большое число циклов заряда-разряда, как нельзя лучше подпадают под эти требования, особенно, если это аккумуляторы необслуживаемого типа.

В последнее время особенно популярны в автономных фотоэлектрических системах герметичные аккумуляторы, отличающиеся пониженным газовыделением и практически не требующие обслуживания. Герметичные необслуживаемые аккумуляторные батареи типа AGM (Absorbed Glass Mat) используют для связывания электролита специальное стекловолокно.

Однако гелевые и AGM аккумуляторные батареи не рассчитаны на глубокий разряд и поэтому более пригодны для работы в резервных системах электроснабжения в буферном режиме. В последнее время на рынке аккумулирующих систем появились усовершенствованные AGM батареи, специально предназначенные для работы в режимах глубокого разряда и цикличности. Разумеется, по эффективности они уступают гелевым аккумуляторам, однако, вполне пригодны для использования в автономных гелиосистемах.

Гелевые же аккумуляторные батареи, обладая всеми достоинствами AGM аккумуляторов: герметичностью, отсутствием необходимости в обслуживании, низким газовыделением в процессе работы, длительным ресурсом,- имеют преимущества, выгодно отличающие их от AGM и стартерных свинцово-кислотных батарей. Основное же их достоинство – это, то что они лучше выдерживают циклические режимы заряда-разряда, что делает их применение в системах автономного электроснабжения более целесообразным в сравнении с другими видами батарей. Меньшая потеря емкости при низких температурах – еще одно существенное преимущество гелевых батарей. Стоимость их, соответственно, выше, чем AGM и стартерных аккумуляторных батарей.

Наиболее приспособлены к цикличным режимам работы аккумуляторные батареи с жидким электролитом и намазными пластинами (солнечная серия OPzS), специально разработанные для фотоэлектрических систем.

Срок их службы сопоставим с ресурсом самих солнечных панелей (около 20 лет) и заменять их на протяжении всего срока службы системы придется значительно реже (если вообще придется). Принцип их работы тот же, что и стартерных батарей, однако они максимально приспособлены к использованию именно в системах солнечного автономного электроснабжения. Такие АБ способны долго работать в тяжелых циклических режимах и рассчитаны на значительное число циклов глубокого заряда-разряда до 60% от номинальной емкости без повреждений и сокращения срока эксплуатации. Кроме того, батареи в фотоэлектрических системах должны заряжаться малыми токами. Как правило, емкости аккумуляторных свинцово-кислотных батарей должно хватать не менее, чем на 2-3 суток, причем должен быть предусмотрен некоторый запас по емкости, поскольку разряжать до конца батареи не рекомендуется. В связи с этим, емкость аккумулятора должна быть немаленькой, за исключением гибридных систем. Стоимость таких аккумуляторных батарей намного выше, чем стартерных и герметичных AGM, у нас в стране они практически не производятся (за исключением нескольких заводов, собирающих батареи из импортных деталей), поэтому широкого распространения они не получили. Выпускаются в виде отдельных аккумуляторных банок напряжением 2В и емкостью 200 А.ч и больше (китайского производства). Такие же «солнечные» аккумуляторы европейского и американского производства дороже китайских почти в 2 раза. Европейский аккумулятор емкостью 100 А.ч. 12В стоит около 350 евро.

Аккумуляторы «глубокого разряда», как мы уже отмечали, наиболее предпочтительны в автономных системах солнечного электроснабжения, например, ProSolar серий D или DG, а еще лучше герметичные гелевые аккумуляторы OpzV. Заливные батареи с намазными пластинами OpzS и тяговые нуждаются в особом вентилируемом помещении и строгом соблюдении требований пожаробезопасности, а также в постоянном контроле и обслуживании специально обученным персоналом, что не всегда возможно обеспечить. В таких случаях лучше применять герметичные необслуживаемые аккумуляторы – более высокая стоимость с лихвой компенсируется легкостью в эксплуатации.

КПД стартерных батарей составляет около 75 %, солнечные же обладают несколько более высокими показателями. Каждый цикл заряда-разряда приводит к потере части емкости аккумулятора, пока не приводит к полному выходу его из строя.

Чтобы фотоэлектрическая система функционировала с максимальной эффективностью, важно правильно подобрать не только тип аккумулятора, но и его емкость. Емкость – это то количество энергии, которое может быть сохранено в батарее. Измеряется в ампер-часах. Для наглядности, одна аккумуляторная батарея емкостью 100 А.ч. может питать нагрузку током в 1 ампер в течение 100 часов или током 4 ампера в течение 25 часов. Диапазон серийно производимых АБ варьируется в пределах от 1 до 2000 А.ч. Для фотоэлектрической системы, потребляющей, к примеру, 2480 Вт.ч в сутки, емкость (при минимальном сроке хранения энергии 4 дня) рассчитывается следующим образом: в первую очередь определяется дневное потребление, которое в нашем случае составит 2480 Вт.ч. : 12 В = 206 А.ч. Четыре дня хранения составляют: 4 дня х 206 А.ч./день = 824 А.ч. Поскольку нельзя допускать полной разрядки аккумулятора, то в случае применения свинцово-кислотных батарей необходимо предусмотреть 20 % запасной емкости, т.е. к полученному значению емкости за 4 дня добавляется еще 20 %. Следовательно, расчетная емкость нашего свинцового аккумулятора составит 989 А.ч.

Емкость аккумуляторного блока подбирается в зависимости от величины суточного потребления электроэнергии, учитывая глубину разряда (не более 50 %) и количество пасмурных дней, в течение которых система должна работать без подзарядки.

Для увеличения срока службы аккумуляторной батареи важно, как мы уже говорили, не допускать полного ее разряда, т. е. желательно использовать только малую часть ее емкости до повторной зарядки. Зарядный цикл – это каждый процесс заряда-разряда. Если батарея рассчитана на использование более 50 % запасенной в ней энергии, то такая батарея называется батареей «глубокого разряда».

Длительный срок службы обычных свинцово-кислотных батарей для систем автономного электроснабжения обеспечивается разрядкой за каждый цикл не более 20 % емкости АБ, а для батарей «глубокого разряда» - не более 80 % емкости.

Работоспособность аккумулятора и срок его службы напрямую зависят от циклов заряда-разряда. При очень высоком зарядном токе уменьшается количество электролита в АБ, а также велика возможность полного выхода батареи из строя. Глубокий разряд также негативно влияет на состояние аккумуляторной батареи. Разряды более 70 %-го уровня уменьшают общее число циклов заряда-разряда и, соответственно, срок эксплуатации. Частая же замена аккумуляторных батарей увеличивает стоимость всей системы.

Перезарядка батарей может привести к выходу их из строя. Максимальное напряжение для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей должно составлять 2,5 В на элемент или 15 В для 12-ти вольтовой батареи. Чтобы предотвратить перезаряд аккумуляторов, в фотоэлектрических станциях, как и в других автономных системах, необходим контроллер заряда. Контроллер заряда-разряда, таким образом, является важным элементом солнечной электростанции, влияющим как на эффективность работы АБ, так и на ее долговечность.

Аккумуляторы

Соединять аккумуляторные батареи в единый блок желательно посредством последовательного соединения. При параллельном соединении общая емкость аккумуляторной системы будет равна суммарной емкости, составляющих блок аккумуляторных батарей, общее же напряжение останется неизменным и равным напряжению одиночного аккумулятора.

При последовательном соединении емкость аккумуляторного блока будет равна емкости одиночного аккумулятора, а напряжение аккумуляторной батареи – равно сумме напряжений, входящих в нее аккумуляторов.

Энергия же, накопленная в таком аккумуляторном блоке, равна сумме энергий отдельно взятых аккумуляторов (или произведению энергии одного аккумулятора на общее их число, в случае, если аккумуляторы одинаковые), вне зависимости от способа соединения – параллельного или последовательного.

В любых электрических системах часть электрической энергии теряется, превращаясь в тепло. При одной и той же мощности, чем больше напряжение системы, тем меньше ток и, следовательно, меньше потери на сопротивление и, конечно, цена. Таким образом, системы высокого напряжения рентабельнее. При использовании аккумуляторных батарей с последовательным соединением аккумуляторов, мы получаем увеличение КПД за счет уменьшения потерь.

Аккумуляторы

Разогрев акккумуляторов в процессе эксплуатации не способствует длительному сроку службы. При заряде аккумуляторов выделяется некоторое количество водорода (даже при герметизированных АБ). Поэтому, вентиляция является необходимым условием эксплуатации аккумуляторных батарей.

Применение аккумуляторных батарей в автономных фотоэлектрических системах необходимо не только для сохранения и накопления выработанной электроэнергии, но и для обеспечения согласованности величины и времени поступления электроэнергии от источника к потребителю, стабильности выходного напряжения при разных режимах эксплуатации, что предотвращает выход из строя электроприборов при скачках питающего напряжения. Выходное напряжение солнечной батареи с номинальным напряжением 12 В может на выходе колебаться в пределах от 0 до 21 В. Аккумулятор же, работающий в буферном режиме, помимо своей основной функции стабилизирует напряжение на нагрузке.

Аккумуляторные батареи для фотоэлектрических станций могут состоять как из отдельных аккумуляторов, так и из моноблоков (сборок из аккумуляторов) с номинальным выходным напряжением 6 или 12 В. Аккумуляторные батареи имеют условное буквенно-цифровое обозначение. В случае отечественных аккумуляторов, первая цифра соответствует количеству аккумуляторов, соединенных последовательно (N). Номинальное напряжение АБ равно произведению числа последовательно соединенных элементов N и номинального напряжения отдельно взятого аккумулятора. Для свинцово-кислотных аккумуляторов номинальное напряжение равно 2N, а для Ni-Cd - 1,2N, где N – число последовательно соединенных аккумуляторов.

В последние годы появились новые разработки, коснувшиеся и способов сохранения вырабатываемой энергии. Например, с помощью расплавов солей на солнечных тепловых электростанциях возможно сохранять накопленную за день энергию и использовать ее затем для нагревания пара, вращающего турбину генератора.

Поделиться: