+38 (044) 296-30-29

+38 (044) 574-07-85

[email protected]

+7 (978) 855-80-80

+380 (67) 233-62-86

+380 (66) 516-42-42

+380 (73) 107-17-88

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.

И третий вариант – это автономная система, когда у нас вообще нет сети: удаленное или, как говорится, «островное» расположение, а также проблемы с подключением сети или нехватка мощности из-за квотирования поставщиком электроэнергии. Под автономными станциями также можно подразумевать и такие, которые снабжены нормальным подключением к сети, но отдача выработанной СБ электроэнергии в неё не производится (off-grid). В автономной солнечной станции аккумуляторы играют самую ответственную роль, и здесь нужно особенно тщательно думать и считать, какие аккумуляторные батареи (АКБ) выбирать.

Схема сетевой солнечной электростанции

Схема сетевой солнечной электростанции

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

Существует несколько типов аккумуляторных батарей, применяемых с солнечными электростанциями. Это, как правило, свинцово-кислотные, либо литиевые. Реже используются никель-кадмиевые аккумуляторы, которые могут быть востребованы по климатическим причинам (большие перепады температур) или в тяжелых условиях эксплуатации. Никель-кадмиевые батареи неприхотливы, выдерживают высокие и низкие температуры и незаменимы, например, на станциях газо- и нефтеперекачки в пустыне или на морских платформах. Однако в средней полосе более традиционны первые две разновидности – свинцово-кислотные и литиевые. (С наиболее распространенными типами аккумуляторных батарей, их конструкцией и параметрами можно познакомиться в журнале «Украина Электро», 2018, № 4-5).

Схема гибридной солнечной электростанции

Схема гибридной солнечной электростанции

Схема автономной солнечной элетростанции

Схема автономной солнечной элетростанции

Гелевая батарея для солнечных электростанций производства EverExceed

Гелевая батарея для солнечных электростанций 
производства EverExceed

Выбирая АКБ для солнечной электростанции, нужно исходить из бюджета, а уже в рамках этого бюджета выбирать наиболее выносливую батарею. Причем опять же нужно учитывать режим эксплуатации. Важный параметр – ёмкость, однако едва ли не важнее показатель цикличности, если речь идет о работе в циклическом режиме в условиях автономии, то есть частых циклов заряда-разряда. Если батарея планируется для работы в буферном режиме (используется для поддержки, включается лишь при пропадании сети или непогоде, а при достижении установленного минимального напряжения, при наличии сети, отключается), то требования по цикличности более умеренны. Впрочем, бывают разные схемы энергоснабжения, и при выборе АКБ их следует учесть.

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 12-75 OPzV LiFePO4
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 при- мерно на 16%.

Также под «солнечное» назначение очень подходят свинцово-кислотные батареи с трубчатыми пластинами, особенно батареи жидкостного типа серии OPzS. Они более устойчивы к глубоким разрядам за счет обслуживаемости, т.е. пополнения уровня электролита (в отличие от герметизированных аккумуляторов серия OPzS допускает долив воды). Повышенную цикличность обеспечивает трубчатая (панцирная) конструкция положительных пластин. Аналогичные пластины имеют аккумуляторы серии OPzV с гелевым электролитом, которые также имеют высокие показатели цикличности и активно используются в солнечных электростанциях. Обе серии рассчитаны на длительный срок эксплуатации. .

батарея серии OPzVс трубчатыми

Герметизированная аккумуляторная батарея серии OPzV
с трубчатыми пластинами от EverExceed

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.

СК-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/



Оставьте свой комментарий








Все права защищены © 2019 Pulsar Ltd.