Аккумуляторные батареи для солнечной электростанции

В последнее время возросло количество солнечных электростанций, параллельно вырос и спрос на батареи, потому что многие хотят получить автономию, независимость от сети, и нужно иметь буфер, а это аккумуляторные батареи

Акуммуляторы – вещь недешёвая, и какого бы типа они ни были, могут стоить до половины всей системы электропитания в проектах придомовых солнечных электростанций. Вместе с тем, такое утверждение относится прежде всего к автономным системам; для других вариантов аккумуляторов требуется меньше, а иногда они и вовсе не нужны. Всё зависит от того, каких целей потребитель стремится достичь при построении домашней солнечной станции: полной автономии, создания системы резервного питанияили заработка на поставке электроэнергии.

Отметим сразу, что в плане экономии средств на энергопотреблении солнечная электростанция (имеем в виду, прежде всего, автономную) не самый рациональный путь. Если у вас есть сеть, то даже при нынешних тарифах выгоднее все же использовать сеть. Однако, мотивами создания собственной СЭС может быть необходимость в энергетической независимости, сознание причастности к новейшим технологиям и коммерческие перспективы в будущем (возможно, недалеком – с учетом постоянного роста тарифов).

Какие солнечные электростанции бывают

Среди солнечных электростанций для домашнего хозяйства мы можем выделить три типа систем. Прежде всего, это сетевые станции (on-grid), где выработка идёт напрямую на внутридомовые нагрузки, а излишки (либо же вообще вся выработанная энергия) отправляются в сеть, для чего заключается договор «зеленого» тарифа. В такой электростанции аккумуляторы отсутствуют. А зависимость от сети сохраняется, ведь ею придется воспользоваться при ненастной погоде, да и отдавать электричество можно, только когда внешняя сеть под напряжением. 

Второй вариант – это гибридная электростанция, система, когда есть и сеть, и аккумуляторы. Такие станции делают потребителя независимым: у нас есть автономия, определенный запас энергии в аккумуляторах, также мы используем энергию солнечных батарей (СБ), но при этом мы пользуемся и сетью, берем из нее, сколько нужно, и можем продавать энергию в ту же сеть. Как правило, аккумуляторы ставятся на гибридные объекты мощностью до 30 кВт.

Нам нужно, чтобы они полностью обеспечили потребности домохозяйства в электроэнергии. Поэтому должен быть достаточный запас по ёмкости, а что самое важное – аккумуляторы должны обладать хорошим циклическим ресурсом (особенно это важно для «островных» СЭС). В экономическом плане это большие инвестиции, и, учитывая лишь износ аккумуляторов, можно понять, что эти деньги мы едва ли «отобьем». Зато приобретаем комфорт и независимость, а при отсутствии альтернатив «торг и подавно не уместен». Заметим также, что для автономной СЭС может потребоваться и даже необходим (на случай длительной непогоды, особенно зимой) еще и резервный источник электропитания – бензо-, дизель- или газовый генератор, который сможет подзарядить аккумуляторы.

Выбор батареи для собственной СЭС

Свинцово-кислотные (СК)

В этой группе предлагается несколько типов батарей. Начиная от стартерных, которые порой (правда, таких случаев уже немного) также предлагают в качестве «солнечных». Это яркий пример того, как делать не нужно. Продержаться в рабочем режиме такие батареи смогут лишь короткий промежуток времени, поскольку им нельзя давать глубокий разряд (при глубоком разряде они быстро деградируют, осыпаются пластины). Если наращивать ёмкость и количество этих батарей, то это уже вопрос объема, места, да и в итоге оказывается значительно дороже. Кроме того, такие батареи при работе выделяют газы и требуют вентиляции. Одним словом, если мы хотим комфортно жить и не бросать деньги на ветер, такой выбор самый неподходящий. Все-таки у каждого типа батарей свое назначение.

Самый лучший выбор для «солнца» из герметизированных необслуживаемых (VRLA) СК-аккумуляторов – AGM либо GEL (гелевые). Лучше, конечно, гелевые: у них при прочих равных условиях более высокий технический ресурс, и они менее прихотливы к глубоким разрядам. Кроме того, поскольку наше солнечное приложение не предполагает сверхмощных токов разряда и чаще всего разряд происходит малыми и средними токами, гелевые батареи отлично подходят для этих случаев. Даже с учетом того, что они чуть дороже, чем AGM, они того стоят.

HTL температуроустойчивые гелевые батареи	Cвинцово-кислотные аккумуляторы с трубчатыми пластинами и гелеобразным электролитом серии «OPzV»	Литий-железо-фосфатные аккумуляторы с длительным сроком службы для возобновляемой энергетики

Гелевые батареи также более выносливы в температурном плане, при высоких температурах чувствуют себя лучше, чем AGM. К примеру, у компании CSPower (АКБ поставляются на рынок Украины под брендами Pulsar и NetPRO Battery) есть серия гелевых высокотемпературных аккумуляторов HTL, имеющих утолщенные мощные пластины со специальными карбоновыми добавками. Эти добавленные компоненты увеличивают выносливость при работе в циклическом режиме и при высоких температурах. С ними аккумуляторы серии HTL могут работать при температуре +35-40°С так же, как обычные АКБ при температуре +20-25°С. А при 80-процентном разряде такие батареи с добавками способны вынести порядка 800 циклов (детальнее о влиянии добавок в свинец читайте во врезке «Чудодейственные компоненты»).

Чудодейственные компоненты

Технологии производства аккумуляторных батарей не стоят на месте. Новшеством последнего времени стало включение в состав пластины свинцово-кислотных АКБ в определенных пропорциях различных добавок для улучшения некоторых характеристик элементов питания. Среди улучшенных параметров можно назвать возможности по отдаче, механическую прочность, температурный диапазон, устойчивость к износу, осыпанию, коррозии, увеличение срока службы, наконец.

В состав активных материалов пластин может добавляться, например, кальций, олово, иногда селен, а также карбон. Олово в качестве добавки, а также карбон, напыляемый на пластины, заметно сильно влияют на циклический ресурс. На рынке уже сейчас есть «свинцово-карбоновые» батареи с декларируемым повышенным циклическим ресурсом (до 1500…2000 циклов разряда глубиной 80…100%). Однако, подтверждение указанных возможностей требует практической проверки и определенного  времени.

Благодаря добавкам расширяется и температурный режим эксплуатации батарей. Это может быть интересно и для солнечных приложений, и для телекоммуникаций, где есть выносные объекты (базовые станции). Например, уже во многих странах, и у нас, и за рубежом используются фонари с солнечным питанием. Как правило, аккумулятор находится здесь же, рядом с опорой: в боксе у земли, под землей или, наоборот, наверху, возле солнечной панели. Понятно, что здесь температурная стойкость очень важна, так как перегрев сильно влияет на химические процессы в АКБ, ускоряя её износ.

Однако вместе с добавками повышается и цена продукции. Известно, что олово примерно в 10 раз дороже свинца, и если добавить необходимые по технологии 1,6% массы, то и цена батареи вырастет примерно на 16%.

Довольно часто в «солнечных» целях используют сегодня тяговые батареи для погрузчиков, для электрокаров и штабелеров – PzS/PzB. Это тоже батареи с трубчатыми пластинами, и они рассчитаны на погрузчики, которые тоже работают в циклическом режиме. Потому иногда их используют в качестве автономных солнечных: они имеют хороший ресурс при тяжелой нагрузке – 1500 циклов глубокого разряда. Однако у таких АКБ есть недостаток – это обслуживаемые батареи упрощенной конструкции в сравнении с OPzS (отсутствуют фильтр-пробки), они выделяют газы и аэрозоли электролита, и здесь без технического помещения с вентиляцией, а также долива воды, точно не обойтись. Вдобавок ко всему, за счет особенностей состава активных материалов и повышенной плотности электролита срок службы таких аккумуляторов почти вдвое меньше, чем у OPzS. По этой причине, а также с точки зрения эксплуатационных удобств аккумуляторы PzS подойдут не всем.

Свинцово-кислотные аккумуляторы для типичного дома.

 

Расчет 1

Какие бы ни были батареи по типу, электролиту, исполнению пластин и пр., важный параметр для них – ёмкость. Практика показывает, что для стандартных домов вполне достаточна емкость от 200 до 1000 Ампер-часов (Ач). Так, если для дома площадью до 150 кв. метров с оглядкой на потребление и другие факторы применить четыре 12-вольтовых аккумулятора (для типичного входного напряжения инверторов 48 В) ёмкостью C10 = 200 Ач, то запасаемой в них энергии 9,6 кВт*ч хватит на 8-12 часов автономной работы при переменной в течение дня нагрузке со средней мощностью 0,5…1 кВт. Это с учетом небольшой поправки на преобразование (КПД инвертора) и неполной разрядки аккумулятора (отдачи около 80% емкости).

Естественно, можно поставить аккумуляторы и большей ёмкости, скажем, 300-400 Ач, наращивая ёмкость за счет параллельного включения равноценных групп. Для достижения большей емкости (600…1000 Ач) желательнее применять 2-вольтовые элементы OPzS / OPzV с трубчатыми пластинами (понадобится 24 элемента, соединенных последовательно).

Литиевые АКБ

Так уж получилось, что свинцово-кислотные из-за своей цены и инерционности рынка остаются пока самыми популярными на рынке солнечных электростанций. А между тем в спину им «дышат» литий-ионные батареи, превосходящие СК практически по всем параметрам.

Пока литиевые батареи, конечно, все ещё дороже свинцовых примерно в 2,5-3 раза, однако с ними пользователь очень многое выигрывает. Прежде всего по циклическому ресурсу, который до 10 крат выше; с литиевыми АКБ мы можем сохранить массу пространства в доме, они компактнее и легче. Эти батареи имеют больше возможностей по заряду и разряду. Если СК заряжаются до 12-14 час, то литиевые можно зарядить за час-два. Это очень удобно для автономных станций, потому что в случаях дефицита солнца летом или тем более зимой, для заряда батарей запускается дизельный генератор. И согласитесь, куда приятней и для души, и для кармана, когда работать ему придется всего пару часов. 

Еще один плюс литиевых батарей – возможность дистанционного мониторинга: мы видим все параметры, можем отслеживать все процессы в аккумуляторах. Здесь налицо состояние и всей АКБ в целом, и каждой ячейки в отдельности, отображаются характеристики по ёмкости, по току, по циклам заряда-разряда. А в случае необходимости коррекцию можно сделать через компьютер, без внешнего воздействия.

Для непрофессионального пользователя система управления АКБ – Вattery management system (BMS) – это вообще находка. Попробуй узнай, какое сейчас напряжение в свинцово-кислотной батарее и хватит ли заряда, к примеру, для стирки! А с литиевыми просто – все данные на экране. Срок службы литиевых батарей также больше. А такого понятия, как «высох», вообще нет. Для СК повышенное напряжение заряда ведет к ускоренному высыханию; если же продержали ее случайно разряженной неделю (например, уехали или недосмотрели хозяева) – считай, пропала батарея (засульфатировалась). Литиевую же внутренний компьютер сам отключит на определенном уровне, да и побыть частично разряженной для нее не так критично.

Если говорить о температурном режиме, то у литиевых батарей диапазон значительно шире. В плюсовых температурах мы можем их эксплуатировать до +60°С, а при отрицательных температурах потери емкости у них значительно меньше, чем у СК. Мы знаем, как иногда сложно на морозе заводится автомобиль, если аккумулятор потерял емкость. Так вот, литиевая батарея при -20°С в зависимости от типа элементов может отдать от 50 до 80% своей ёмкости. А СК в таких условиях – от 0 до 70%, в зависимости от тока разряда (чем выше ток разряда, тем меньше ёмкость), и это при условии, если в АКБ не замерзнет электролит.

Мнение эксперта

Преимущества «лития» бесспорны, но важно правильно оценить свои задачи

Сегодня наблюдается такая тенденция на рынке альтернативной энергетики: все интересуются литий-ионными батареями, но это пока не перешло в этап массовых покупок, есть определенный рубеж. Точно такое же было на рынке погрузочной техники (а мы уже несколько лет поставляем литий-ионные батареи в этот сектор): несколько лет покупатели спрашивали цену, им было дорого, со временем решались на покупку. Сначала международные компании, а потом уже и наши. И сегодня это уже очень серьезное направление на рынке погрузочной техники.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов относительно свинцово-кислотных (СК) бесспорны, и по всем параметрам. Например, цена: кислотные первоначально дешевле, но по циклам заряда-разряда много дороже. Если сравнить первоначальную стоимость, то кислотные батареи будут дешевле в 2-4 раза, однако у герметичных кислотных 500 циклов, а у литий-ионных – 4000 циклов. Таким образом, по цене за цикл литий-ионная получается в 2 раза дешевле СК. Хотя срок окупаемости растягивается на годы, на 5, 10 лет, в зависимости от аккумулятора.

Большое преимущество «лития» в том, что можно прерывать заряд, потом заряжать снова, на него это не влияет, в сравнении с СК, для которого такие рваные циклы просто губительны. Или, например, недоразряд. Люди, бывает, берут свинцово-кислотные аккумуляторы с запасом и разряжают их наполовину, но если таким батареям не делать профилактически полные циклы раз в месяц-два, то они приобретают память и становятся через пару лет 50-процентной емкости. У литий-ионной АКБ эффекта памяти нет.

У литий-ионных, в отличие от СКС, имеется система мониторинга. Можно также вставить SIM-карту, и удаленно, через компьютер, наблюдать за состоянием аккумулятора; к тому же по любому сбою приходит сообщение.

При выборе батарей для солнечных электростанций все зависит от будущего режима работы – как часто планируется разряжать батареи. Если речь идёт о резервном питании (допустим, свет иногда пропадает), то свинцово-кислотных будет достаточно. Но если это автономное энергоснабжение, то нужен аккумулятор с большой цикличностью. Тогда, если есть первоначальный капитал, лучше купить литиевые батареи – и дольше послужат, и в 2 раза выиграешь по цене.

Хотя есть одна закавыка: в солнечной энергетике не полностью используются преимущества литий ионных батарей по зарядке: он заряжается большим током и быстро. А «солнце» дает небольшие токи зарядки, и там это длительный процесс. 

Александр ПРЯДКО, директор компании «Энерджи ГМБХ»

Литиевые аккумуляторы для «солнца».

 

Расчет 2

Очевидно, что литиевые батареи значительно привлекательней для домашней солнечной электростанции, и инвестиция в них куда более выгодна, чем в СК. Единоразово в литиевые мы вкладываем денег больше в 2,53 раза, однако по итогу значительно продлеваем срок службы наших АКБ и надолго избавляем себя от «головной боли», связанной с различными моментами их эксплуатации.

Попробуем сделать сравнительный анализ эффективности СК и литиевых батарей. Хорошая 12-вольтовая AGM-батарея ёмкостью 100 Ач за два года сможет обеспечить где-то 700 циклов разряда глубиной 80%. Средняя стоимость такой батареи примерно 250 долларов. Литиевая батарея с подобными исходными параметрами (ёмкость, напряжение), как уже говорили, будет стоить в 2,5-3 раза дороже, но легко прослужит 10 лет. При этом два года мы назначаем с некоторой форой для свинцовых, так как за этот срок их ожидает много рисков – «усушка», деградация пластин, недозарядка, глубокий разряд (сульфатация) и т.д. – так что два года работы возможны при самых благоприятных обстоятельствах. А литиевые мы в это время не жалеем, используем по полной, под 100% их возможностей. И вот, со всеми этими погрешностями в течение срока эксплуатации мы получаем чистую двукратную выгоду.

Завершая обзор, хочется вернуться к его началу и еще раз связать идею выбора аккумуляторных батарей для солнечных электростанций, с той отдачей, которую мы ждем от нашей СЭС. А рынок АКБ представляет массу возможностей для решения любых задач. Сегодня это свинцово-кислотные, литиевые батареи, а на горизонте уже новые технологии, графено-полимерные аккумуляторы, но это, как говорится, уже другая история…

Редакция благодарит заместителя директора компании «Пульсар Лимитед» Илью Питателева за консультации при подготовке статьи.

Подготовил Евгений ПОЛИЩУК,

«Украина Электро» - журнал электротехнического рынка Украины

6 (14), 2018

http://ua-electro.com/