Акумуляторні батареї для сонячної електростанції
Останнім часом зросла кількість сонячних електростанцій, паралельно виріс і попит на батареї, тому що багато хто хоче отримати автономію, незалежність від мережі, і потрібно мати буфер, а це акумуляторні батареї
Акуммулятор - річ недешева, і якого б типу вони не були, можуть коштувати до половини всієї системи електроживлення в проектах прибудинкових сонячних електростанцій. Разом з тим, таке твердження стосується насамперед автономних систем; для інших варіантів акумуляторів потрібно менше, а іноді вони і зовсім не потрібні. Все залежить від того, якої мети споживач прагне досягти при побудові домашньої сонячної станції: повної автономії, створення системи резервного живлення або заробітку на постачанні електроенергії.
Відзначимо відразу, що в плані економії коштів на енергоспоживанні сонячна електростанція (маємо на увазі, перш за все, автономну) не самий раціональний шлях. Якщо у вас є мережа, то навіть при нинішніх тарифах вигідніше все ж використовувати мережу. Однак, мотивами створення власної СЕС може бути необхідність в енергетичній незалежності, свідомість причетності до новітніх технологій і комерційні перспективи в майбутньому (можливо, недалекому - з урахуванням постійного зростання тарифів).
Які сонячні електростанції бувають
Серед сонячних електростанцій для домашнього господарства ми можемо виділити три типи систем. Перш за все, це мережеві станції (on-grid), де вироблення йде безпосередньо на внутрішньобудинкові навантаження, а надлишки (або ж взагалі вся вироблена енергія) відправляються в мережу, для чого укладається договір «зеленого» тарифу. У такій електростанції акумулятори відсутні. А залежність від мережі зберігається, адже нею доведеться скористатися при похмурій погоді, та й віддавати електрику можна, тільки коли зовнішня мережа під напругою.
Другий варіант - це гібридна електростанція, система, коли є і мережа, і акумулятори. Такі станції роблять споживача незалежним: у нас є автономія, певний запас енергії в акумуляторах, також ми використовуємо енергію сонячних батарей (СБ), але при цьому ми користуємося і мережею, беремо з неї, скільки потрібно, і можемо продавати енергію в ту ж мережу . Як правило, акумулятори ставляться на гібридні об'єкти потужністю до 30 кВт.
І третій варіант - це автономна система, коли у нас взагалі немає мережі: віддалене або, як то кажуть, «острівне» розташування, а також проблеми з підключенням мережі або нестача потужності через квотування постачальником електроенергії. Під автономними станціями також можна мати на увазі і такі, які забезпечені нормальним підключенням до мережі, але віддача виробленої СБ електроенергії в неї не проводиться (off-grid). В автономній сонячної станції акумулятори грають найвідповідальнішу роль, і тут потрібно особливо ретельно думати і рахувати, які акумуляторні батареї (АКБ) вибирати.
Схема мережевої сонячної електростанції
Нам потрібно, щоб вони повністю забезпечили потреби домогосподарства в електроенергії. Тому повинен бути достатній запас по місткості, а що найважливіше - акумулятори повинні мати хороший циклічний ресурс (особливо це важливо для «острівних» СЕС). В економічному плані це великі інвестиції, і, з огляду на лише знос акумуляторів, можна зрозуміти, що ці гроші ми навряд чи «відіб'ємо». Зате набуваємо комфорт і незалежність, а при відсутності альтернатив «торг і подавно не доречний». Зауважимо також, що для автономної СЕС може знадобитися і навіть необхідне (на випадок тривалої негоди, особливо взимку) ще й резервне джерело електроживлення - бензо-, дизель- або газовий генератор, який зможе підзарядити акумулятори.
Вибір батареї для власної СЕС
Існує кілька типів акумуляторних батарей, які застосовуються з сонячними електростанціями. Це, як правило, свинцево-кислотні, або літієві. Рідше використовуються нікель-кадмієві акумулятори, які можуть бути затребувані з кліматичних причин (великі перепади температур) або у важких умовах експлуатації. Нікель-кадмієві батареї невибагливі, витримують високі і низькі температури і незамінні, наприклад, на станціях газо- і нафтоперекачування в пустелі або на морських платформах. Однак в середній смузі більш традиційні перші два різновиди - свинцево-кислотні та літієві. (З найбільш поширеними типами акумуляторних батарей, їх конструкцією і параметрами можна познайомитися в журналі «Україна Електро», 2018, № 4-5).
Схема гібридної сонячної електростанції
Схема автономної сонячної елетростанціі
Гелева батарея для сонячних електростанцій виробництва EverExceed
Вибираючи АКБ для сонячної електростанції, потрібно виходити з бюджету, а вже в рамках цього бюджету вибирати найбільш витривалі батареї. Причому знову ж таки потрібно враховувати режим експлуатації. Важливий параметр - ємність, проте чи не важливіший показник циклічності, якщо мова йде про роботу в циклічному режимі в умовах автономії, тобто частих циклах заряду-розряду. Якщо батарея планується для роботи в буферному режимі (використовується для підтримки, включається лише при пропажі мережі або негоді, а при досягненні встановленої мінімальної напруги, при наявності мережі, відключається), то вимоги щодо циклічності більш помірні. Втім, бувають різні схеми енергопостачання, і при виборі АКБ їх слід врахувати.
Свинцево-кислотні (СК)
У цій групі пропонується кілька типів батарей. Починаючи від стартерних, які часом (правда, таких випадків вже небагато) також пропонують в якості «сонячних». Це яскравий приклад того, як робити не треба. Протриматися в робочому режимі такі батареї зможуть лише короткий проміжок часу, оскільки їм не можна давати глибокий розряд (при глибокому розряді вони швидко деградують, обсипаються пластини). Якщо нарощувати ємність і кількість цих батарей, то це вже питання обсягу, місця, та й в підсумку виявляється значно дорожче. Крім того, такі батареї при роботі виділяють гази та вимагають вентиляції. Одним словом, якщо ми хочемо комфортно жити і не кидати гроші на вітер, такий вибір самий невідповідний. Все-таки у кожного типу батарей своє призначення.
Найкращий вибір для «сонця» з герметизованих необслуговуваних (VRLA) СК-акумуляторів - AGM або GEL (гелеві). Краще, звичайно, гелеві: у них при інших рівних умовах більш високий технічний ресурс, і вони менш вибагливі до глибоких розрядів. Крім того, оскільки наше сонячне устаткування не передбачає надпотужних струмів розряду і найчастіше розряд відбувається малими і середніми струмами, гелеві батареї відмінно підходять для цих випадків. Навіть з урахуванням того, що вони трохи дорожче, ніж AGM, вони того варті.
Гелеві батареї також більш витривалі в температурному плані, при високих температурах відчувають себе краще, ніж AGM. Наприклад, у компанії CSPower (АКБ поставляються на ринок України під брендами Pulsar і NetPRO Battery) є серія гелевих високотемпературних акумуляторів HTL, що мають потовщені потужні пластини зі спеціальними карбоновими добавками. Ці додані компоненти збільшують витривалість при роботі в циклічному режимі і при високих температурах. З ними акумулятори серії HTL можуть працювати при температурі +35-40°С так само, як звичайні АКБ при температурі +20-25°С. А при 80-процентному розряді такі батареї з добавками здатні винести близько 800 циклів (детальніше про вплив добавок в свинець читайте в підрозділі «Чудодійні компоненти»).
Чудодійні компоненти
Технології виробництва акумуляторних батарей не стоять на місці. Нововведенням останнього часу стало включення до складу пластини свинцево-кислотних АКБ в певних пропорціях різних добавок для поліпшення деяких характеристик елементів живлення. Серед покращених параметрів можна назвати можливості по віддачі, механічну міцність, температурний діапазон, стійкість до зношування, осипання, корозії, збільшення терміну служби, нарешті.
До складу активних матеріалів пластин може додаватися, наприклад, кальцій, олово, іноді селен, а також карбон. Олово в якості добавки, а також карбон, напилюваний на пластини, помітно сильно впливають на циклічний ресурс. На ринку вже зараз є «свинцево-карбонові» батареї з декларованим підвищеним циклічним ресурсом (до 1500...2000 циклів розряду глибиною 80...100%). Однак, підтвердження зазначених можливостей вимагає практичної перевірки і певного часу.
Завдяки добавкам розширюється і температурний режим експлуатації батарей. Це може бути цікаво і для сонячних додатків, і для телекомунікацій, де є виносні об'єкти (базові станції). Наприклад, вже в багатьох країнах, і у нас, і за кордоном використовуються ліхтарі з сонячним живленням. Як правило, акумулятор знаходиться тут же, поруч з опорою: у боксі у землі, під землею або, навпаки, нагорі, біля сонячної панелі. Зрозуміло, що тут температурна стійкість дуже важлива, так як перегрів сильно впливає на хімічні процеси в АКБ, прискорюючи її знос.
Однак разом з добавками підвищується і ціна продукції. Відомо, що олово приблизно в 10 разів дорожче свинцю, і якщо додати необхідні за технологією 1,6% маси, то і ціна батареї виросте приблизно на 16%.
Також під «сонячне» призначення дуже підходять свинцево-кислотні батареї з трубчастими пластинами, особливо батареї рідинного типу серії OPzS. Вони більш стійкі до глибоких розрядів за рахунок обслуговуваності, тобто поповнення рівня електроліту (на відміну від герметизованих акумуляторів серія OPzS допускає долив води). Підвищену циклічність забезпечує трубчаста (панцирна) конструкція позитивних пластин. Аналогічні пластини мають акумулятори серії OPzV з гелевим електролітом, які також мають високі показники циклічності і активно використовуються в сонячних електростанціях. Обидві серії розраховані на тривалий термін експлуатації.
Герметизована акумуляторна батарея серії OPzV
з трубчастими пластинами від EverExceed
Досить часто в «сонячних» цілях використовують сьогодні тягові батареї для навантажувачів, для електрокарів і штабелерів - PzS / PzB. Це теж батареї з трубчастими пластинами, і вони розраховані на навантажувачі, які теж працюють в циклічному режимі. Тому іноді їх використовують в якості автономних сонячних: вони мають хороший ресурс при важкому навантаженні - 1500 циклів глибокого розряду. Однак у таких АКБ є недолік - це обслуговувані батареї спрощеної конструкції в порівнянні з OPzS (відсутні фільтр-пробки), вони виділяють гази та аерозолі електроліту, і тут без технічного приміщення з вентиляцією, а також доливання води, точно не обійтися. Додатково до всього, за рахунок особливостей складу активних матеріалів і підвищеної щільності електроліту термін служби таких акумуляторів майже вдвічі менше, ніж у OPzS. З цієї причини, а також з точки зору експлуатаційних зручностей акумулятори PzS підійдуть не всім.
Свинцево-кислотні акумулятори для типового будинку.
Розрахунок 1
Які б не були батареї по типу, електроліту, виконання пластин тощо., Важливий параметр для них - ємність. Практика показує, що для стандартних будинків цілком достатня ємність від 200 до 1000 Ампер-годин (Аг). Так, якщо для будинку площею до 150 кв. метрів з оглядкою на споживання і інші чинники застосувати чотири 12-вольтових акумулятора (для типової вхідної напруги інверторів 48 В) ємністю C10 = 200 Аг, то запасаємої в них енергії 9,6 кВт * год вистачить на 8-12 годин автономної роботи при змінним протягом дня навантаженні із середньою потужністю 0,5...1кВт. Це з урахуванням невеликої поправки на перетворення (ККД інвертора) і неповною розрядки акумулятора (віддачі близько 80% ємності).
Зрозуміло, можна поставити акумулятори й більшої ємності, скажімо, 300-400 Аг, нарощуючи ємність за рахунок паралельного включення рівноцінних груп. Для досягнення більшої місткості (600...1000 Ач) бажаніше застосовувати 2-вольтові елементи OPzS/OPzV з трубчастими пластинами (знадобиться 24 елемента, з'єднаних послідовно).
Літієві АКБ
Так вже вийшло, що свинцево-кислотні через свою ціну і інерційність ринку залишаються поки найпопулярнішими на ринку сонячних електростанцій. А тим часом в спину їм «дихають» літій-іонні батареї, що перевершують СК практично за всіма параметрами.
Поки літієві батареї, звичайно, все ще дорожче свинцевих приблизно в 2,5-3 рази, однак з ними користувач дуже багато виграє. Перш за все за циклічним ресурсом, який до 10 крат вище; з літієвими АКБ ми можемо зберегти масу простору в будинку, вони компактніші і легші. Ці батареї мають більше можливостей по заряду і розряду. Якщо СК заряджаються до 12-14 год, то літієві можна зарядити за годину-дві. Це дуже зручно для автономних станцій, тому що у випадках дефіциту сонця влітку або тим більше взимку, для заряду батарей запускається дизельний генератор. І погодьтеся, куди приємніше і для душі, і для кишені, коли працювати йому доведеться всього пару годин.
Ще один плюс літієвих батарей - можливість дистанційного моніторингу: ми бачимо всі параметри, можемо відстежувати всі процеси в акумуляторах. Тут у наявності стан і всієї АКБ в цілому, і кожної комірки окремо, відображаються характеристики по ємності, по току, по циклам заряду-розряду. А в разі необхідності корекцію можна зробити через комп'ютер, без зовнішнього впливу.
Для непрофесійного користувача система управління АКБ - Вattery management system (BMS) - це взагалі знахідка. Спробуй дізнайся, яка зараз напруга в свинцево-кислотній батареї і чи вистачить заряду, наприклад, для прання! А з літієвими просто - всі дані на екрані. Термін служби літієвих батарей також більший. А такого поняття, як «висох», взагалі немає. Для СК підвищена напруга заряду веде до прискореного висихання; якщо ж протримали її випадково в розрядженому стані тиждень (наприклад, поїхали або недогледіли господарі) - вважай, пропала батарея (засульфатувалась). Літієвий же внутрішній комп'ютер сам відключить на певному рівні, та й побути частково розрядженою для неї не так критично.
Якщо говорити про температурний режим, то у літієвих батарей діапазон значно ширший. У плюсових температурах ми можемо їх експлуатувати до +60°С, а при негативних температурах втрати ємності у них значно менше, ніж у СК. Ми знаємо, як іноді складно на морозі заводиться автомобіль, якщо акумулятор втратив ємність. Так ось, літієва батарея при -20°С в залежності від типу елементів може віддати від 50 до 80% своєї ємності. А СК в таких умовах - від 0 до 70%, в залежності від струму розряду (чим вище струм розряду, тим менше ємність), і це за умови, якщо в АКБ НЕ замерзне електроліт.
Думка експерта
Переваги «літію» безперечні, але важливо правильно оцінити свої завдання
Сьогодні спостерігається така тенденція на ринку альтернативної енергетики: всі цікавляться літій-іонними батареями, але це поки не перейшло в етап масових покупок, є певний рубіж. Точно таке ж було на ринку вантажної техніки (а ми вже кілька років поставляємо літій-іонні батареї в цей сектор): кілька років покупці запитували ціну, їм було дорого, з часом вирішувалися на покупку. Спочатку міжнародні компанії, а потім вже і наші. І сьогодні це вже дуже серйозний напрямок на ринку вантажної техніки.
Переваги літій-іонних акумуляторів щодо свинцево-кислотних (СК) безперечні, і по всіх параметрах. Наприклад, ціна: кислотні спочатку дешевше, але по циклам заряду-розряду багато дорожче. Якщо порівняти первісну вартість, то кислотні батареї будуть дешевше в 2-4 рази, проте у герметичних кислотних 500 циклів, а у літій-іонних - 4000 циклів. Таким чином, за ціною за цикл літій-іонна виходить в 2 рази дешевше СК. Хоча термін окупності розтягується на роки, на 5, 10 років, в залежності від акумулятора.
Велика перевага «літію» в тому, що можна переривати заряд, потім заряджати знову, на нього це не впливає, в порівнянні з СК, для якого такі рвані цикли просто згубні. Або, наприклад, недоразряд. Люди, буває, беруть свинцево-кислотні акумулятори з запасом і розряджають їх наполовину, але якщо таким батареям не робити профілактично повні цикли раз на місяць-два, то вони набувають пам'ять і стають через пару років 50-відсоткової ємності. У літій-іонної АКБ ефекту пам'яті немає.
У літій-іонних, на відміну від СКС, є система моніторингу. Можна також вставити SIM-карту, і віддалено, через комп'ютер, спостерігати за станом акумулятора; до того ж у випадку будь-якого збою приходить повідомлення.
При виборі батарей для сонячних електростанцій все залежить від майбутнього режиму роботи - як часто планується розряджати батареї. Якщо мова йде про резервне живлення (припустимо, світло іноді пропадає), то свинцево-кислотних буде досить. Але якщо це автономне енергопостачання, то потрібен акумулятор з великою циклічністю. Тоді, якщо є початковий капітал, краще купити літієві батареї - і довше послужать, і в 2 рази виграєш за ціною.
Хоча є одна заковика: в сонячній енергетиці в повному обсязі використовуються переваги літій іонних батарей із зарядки: він заряджається великим струмом і швидко. А «сонце» показує дещо струми зарядки, і там це тривалий процес..
Олександр ПРЯДКО, директор компанії «Енерджі ГМБХ»
Літієві акумулятори для «сонця»
Розрахунок 2
Очевидно, що літієві батареї значно привабливіші для домашньої сонячної електростанції, і інвестиція в них куди вигідніша, ніж в СК. Одноразово в літієві ми вкладаємо грошей більше в 2,53 рази, проте за підсумком значно продовжуємо термін служби наших АКБ і надовго позбавляємо себе від «головного болю», пов'язаного з різними моментами їх експлуатації.
Спробуємо зробити порівняльний аналіз ефективності СК і літієвих батарей. Хороша 12-вольта AGM-батарея ємністю 100 Аг за два роки зможе забезпечити десь 700 циклів розряду глибиною 80%. Середня вартість такої батареї приблизно 250 доларів. Літієва батарея з подібними вихідними параметрами (ємність, напруга), як уже говорили, буде коштувати в 2,5-3 рази дорожче, але легко прослужить 10 років. При цьому два роки ми призначаємо з деякою форою для свинцевих, так як за цей термін їх чекає багато ризиків - «усушка», деградація пластин, недозаряд, глибокий розряд (сульфатація) і т.д. - так що два роки роботи можливі при найсприятливіших обставинах. А літієві ми в цей час не шкодуємо, використовуємо по повній, під 100% їх можливостей. І ось, з усіма цими похибками протягом терміну експлуатації ми отримуємо чисту дворазову вигоду.
Завершуючи огляд, хочеться повернутися до його початку і ще раз зв'язати ідею вибору акумуляторних батарей для сонячних електростанцій, з тією віддачею, яку ми чекаємо від нашої СЕС. А ринок АКБ представляє масу можливостей для вирішення будь-яких завдань. Сьогодні це свинцево-кислотні, літієві батареї, а на горизонті вже нові технології, графено-полімерні акумулятори, але це, як то кажуть, вже інша історія...
Редакція дякує заступнику директора компанії «Пульсар Лімітед» Іллі Пітатєлєву за консультації при підготовці статті.
Підготував Євген ПОЛІЩУК,
«Україна Електро» – журнал електротехнічного ринку України
6 (14), 2018
Sign up to our newsletter
Receive our latest updates about our products & promotions