Аккумуляторы в солнечной энергетике

Солнечная энергетика - это энергетика будущего, поэтому каждому необходимо знать основные принципы работы систем, построенных с использованием возобновляемых источников энергии, особенно тех, которые генерируют электроэнергию за счет энергии солнца.

Главной особенностью таких систем является применение в них аккумуляторов. В этой статье мы обсудим особенности аккумуляторов, используемых в солнечной энергетике.

 

---

• Солнечная энергия, и как превратить ее в электричество
• Почему без аккумуляторов не бывает солнечной энергетики
• Как работает аккумулятор
• Типы аккумуляторов
• Жизненный цикл аккумулятора
• Какой аккумулятор лучше всего подходит для солнечных энергетических систем

---

Солнечная энергия, и как превратить ее в электричество

Нелишне отметить для начала, что именно солнце является источником почти всей энергии, доступной на нашей Земле. Солнечная энергия возникает во время так называемого протон-протонного цикла - совокупности термоядерных реакций, в ходе которых водород превращается в гелий. В результате выделяется огромное количество энергии в виде света и тепла, и небольшое количество этой энергии достигает поверхности Земли. Интенсивность солнечной энергии достигает величины 1 кВт/кв. м, хотя фактическое значение зависит от конкретного места, времени года, погодных условий и других факторов.

Самым главным с точки зрения практического использования является то, что солнечная энергия фактически не ограничена и доступна в любой точке на поверхности земли. Главная задача - как ее собрать и затем преобразовать так, чтобы она могла питать нужные нам устройства. Это достигается тремя способами, с помощью:

• Солнечного теплового коллектора, который поглощает солнечный свет для непосредственного получения тепловой энергии.
• Концентратора солнечной энергии (или солнечного коллектора), использующего систему зеркал для сбора солнечных лучей в единый энергетический пучок, который является источником тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости.
• Фотоэлемента (его еще называют фотоэлектрической или фотовольтаической ячейкой), преобразующего солнечный свет непосредственно в электрическую энергию.

Первые два способа не позволяют получить электроэнергию сразу, без дополнительного преобразования, поэтому рассмотрим систему, генерирующую электрический ток за счет использования фотоэлементов. Существуют четыре основных элемента таких солнечных энергетических систем:

• солнечные панели, состоящие из фотоэлементов;
• контроллер мощности;
• инвертор;
• система хранения энергии в виде аккумуляторных батарей.

При выборе и расчете солнечной генерирующей установки необходимо учитывать следующие параметры:

• максимальную мощность фотоэлементов,
• интенсивность солнечного света,
• угол падения солнечного света (или угол наклона солнечных панелей),
• количество солнечных часов (обычно рассчитывается как суммарное количество солнечных часов за 1 день).

Почему без аккумуляторов не бывает солнечной энергетики

В деле производства электроэнергии с помощью солнечного света есть некоторые нюансы. А именно - солнечная генерация на сегодняшний день не умеет вырабатывать энергию круглосуточно, т.е. работает периодически, пока существует достаточный для выработки тока уровень освещенности или интенсивность потока солнечного света. С другой стороны, пока на улице «солнца много», фотоэлементы могут вырабатывать электроэнергии даже больше, чем нужно. Чтобы эта энергия не пропадала даром ее нужно как-то хранить и выдавать в сеть в темное время суток. Вот для этого и нужны аккумуляторы. Аккумуляторами, в том числе, оснащаются источники бесперебойного питания.

Еще один нюанс заключается в том, что ток, вырабатываемым фотоэлементами, постоянный, а большинство бытовых электроприборов питаются от переменного тока. Задачу преобразования постоянного в переменный ток решает инвертор. А контроллер мощности позволяет добиться, чтобы производительность фотоэлементов была близка к максимальной.

Как работает аккумулятор

Аккумулятор (или аккумуляторная батарея многократного цикла глубокого заряда-разряда), как уже было сказано выше, является необходимым элементом солнечной энергетической системы и представляет собой портативный источник электроэнергии, который работает путем преобразования энергии, возникающей в процессе химической реакции, в электрическую. В общем виде каждый аккумулятор имеет три основных элемента: электроды (катод и анод), электролит и сепаратор.

В любой батарее всегда есть два электрода: катод подключен к положительному полюсу, а анод - к отрицательному полюсу. Когда аккумулятор питает нагрузку, он разряжается, и ток течет от катода к аноду. Т.е. в аккумуляторах, в отличие от, к примеру, полупроводниковых приборов, катод является положительно заряженным, если этот аккумулятор сам выступает как источник тока. Но все меняется, когда аккумулятор заряжается или сам выполняет роль нагрузки. В этом случае ток течет от положительного анода к ставшему отрицательным катоду. Эта перемена создает некоторую путаницу, о которой следует помнить.

Электроды погружают в электролит - жидкое или гелеобразное вещество, содержащее электрически заряженные ионы, которые реагируют с электродами. Этот химический процесс заставляет аккумуляторную батарею вырабатывать электроэнергию. Сепаратор физически разделяет электроды. Без него электроды будут соприкасаться, что приводит к короткому замыканию, с последующим разрушением аккумулятора.

Аккумуляторы работают на постоянном токе. Наиболее важными параметрами любой батареи являются:

• Номинальное напряжение одной ячейки.
• Номинальная мощность одной ячейки.
• Количество ячеек в аккумуляторной батарее.
• Тип аккумуляторной батареи.

Емкость батареи указывает, сколько энергии она может хранить, ее измеряют в ампер-часах (A*ч). Емкость позволяет примерно оценить силу тока аккумулятора через 1 час его разрядки. Чтобы более точно определить возможности аккумулятора, необходимо учесть напряжение аккумуляторной батареи, так как в процессе разряда это напряжение падает. Поэтому емкость аккумуляторов на маркировке обозначают, исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А*ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 ампера на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже уровня 10,5 В.

Часто производители аккумуляторов указывают емкость батареи в ватт-часах (Вт*ч), которая рассчитывается следующим образом:

где:

• E - энергия в Вт,
• Vavg - среднее напряжение по циклу разряда,
• C - емкость аккумулятора в A*ч.

В данном случае емкость эквивалентна запасаемой аккумулятором энергии.

В настоящее время на рынке представлены аккумуляторы емкостью до 3000 A*ч.

Типы аккумуляторов

Батареи можно грубо разделить на два типа: обычные (не перезаряжаемые) и аккумуляторы (перезаряжаемые). В этой статье основное внимание уделяется аккумуляторным батареям, используемым в системах возобновляемых источников энергии. Для данного типа батарей химическая реакция, протекающая внутри устройства, носит обратимый характер, что позволяет как разряжать, так и заново заряжать аккумулятор. Существует три основных типа аккумуляторов:

• свинцово-кислотные,
• никель-кадмиевые (NiCd),
• литий-ионные(Li-ion).

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты. Обычно такие батареи имеют номинальное напряжение одной ячейки 2 В или 12 В. Различают обслуживаемые и необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы. Обслуживаемые батареи (Valve Regulated Lead Acid, или VRLA) нуждаются в периодическом контроле уровня и плотности электролита, а необслуживаемые (Sealed Lead Acid Battery, или SLA) - не требуют дополнительного ухода. Кроме того, выпускаются и так называемые заливные батареи - это аккумуляторы с жидким электролитом и намазными пластинами. Различают также AGM —необслуживаемые батареи, в которых сернокислый электролит находится в связанном в стекловолокне виде. И аккумуляторы с гелевым электролитом. Батареи AGM прекрасно работают в буферном режиме, т.е. в режиме подзарядки. В таком режиме служат до 10-12 лет (батареи напряжением 12В) или даже до 18 лет (батареи напряжением 2В).

Гелевые батареи лучше выдерживают циклические режимы заряда-разряда. Их применение целесообразно в системах автономного электроснабжения, однако они дороже AGM батарей.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи имеют номинальное напряжение 1,2 В.

Наконец, номинальное напряжение литий-ионных (Li-ion) батарей может варьироваться от 3,3-3,7 В, в зависимости от химического состава ячейки. В свою очередь, они делятся на литий-кобальтовые и литий-ферро-фосфатные. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда/разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике.

Жизненный цикл аккумулятора

Практически невозможно оценить, как долго будет работать конкретный аккумулятор, так как на его жизненный цикл влияет множество факторов. К ним относятся: тип батареи, количество циклов зарядки/перезарядки, условия эксплуатации - температура использования, насколько сильно разряжается батарея во время работы, и др.

При надлежащем уходе и бережных условиях эксплуатации аккумулятор выйдет из строя после того, как все активные материалы внутри потеряют свои потребительские качества. Но несоблюдение соответствующих рекомендаций по проектированию и управлению системой питания почти стопроцентно гарантирует ранний отказ системы аккумуляторов.

Владельцам систем, работающих за счет солнечной энергии, нужна надежная аккумуляторная батарея, обладающая длительным сроком службы, не говоря уже о приемлемой цене. Но это довольно трудно - найти аккумулятор, который отвечал бы всем этим требованиям. Длительный срок эксплуатации нужен «солнечным» аккумуляторам из-за многократно повторяемых циклов зарядки/разрядки, которые происходят в течение суток. Так как аккумулятор должен обеспечивать питание домашней сети в течение длительного темного времени, а еще он должен иметь большую емкость и «не бояться» состояния, когда батарея почти полностью разряжена (такие устройства называются аккумуляторными батареями глубокого разряда), т.е. не выходить из строя при этом.

Какой аккумулятор лучше всего подходит для солнечных энергетических систем

Возможность глубокого разряда является обязательным свойством для аккумуляторов в солнечной энергетической системе. Свинцово-кислотные батареи обладают им, так как они могут быть разряжены до 80% от общей мощности без каких-либо негативных последствий. Аккумуляторы с жидким электролитом являются наиболее часто используемыми батареями в системах солнечной энергии, так как они также имеют долгий срок службы и являются экономически эффективными.

Недостатком свинцово-кислотных аккумуляторов с жидким электролитом является то, что они нуждаются в постоянном уходе, поскольку солнечные панели обычно устанавливаются там, где доступ для обслуживания затруднен. Дело в том, что в процессе эксплуатации таких аккумуляторов требуется постоянно подливать испаряющийся электролит.

Кроме этого, нужно обеспечить для них систему отвода газов, чтобы предотвратить накопление газообразного водорода до взрывоопасного уровня, поэтому аккумуляторная станция нуждается в системе вентиляции. Еще одна проблема свинцово-кислотных батареей с жидким электролитом - это их утилизация после истечения срока службы: они токсичны!

Гелевые батареи используют силикагель вместо жидкого электролита. Такой электролит не проливается и прост обслуживании. Однако, поскольку гелевые аккумуляторы довольно дороги и имеют меньшую емкость, чем другие типы батарей, они не пользуются большой популярностью в солнечной энергетике.

Батареи AGM обладают всеми преимуществами гелевых аккумуляторов, не имея при этом их недостатков. В качестве электролита они используют тонкое волокнистое бор-силикатное матовое стекло - такой электролит не проливается даже при сильных повреждениях корпуса. Уровень саморазряда батарей AGM даже лучше, чем у аккумуляторов с жидким электролитом. И они лучше выдерживают температурные колебания окружающей среды. Однако одним из очевидных недостатков является то, что батареи AGM в два-три раза дороже, чем аккумуляторы с жидким электролитом.

Никель-кадмиевые батареи на сегодня не так популярны для использования в солнечных энергетических системах. Дело здесь в том, что в последние годы растущая стремительными темпами индустрия производства электромобилей фокусировалась на использовании литий-ионных батарей и вложила немало сил и средств в их разработку. Во многим, именно поэтому литий-ионные батареи становятся все более популярными и в альтернативной энергетике, т.к. обладают высокими потребительскими качествами и имеют длительный срок службы (примерно 5 лет, как утверждают в компании Tesla).

Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее распространенной технологией хранения электроэнергии, используемой сегодня. Однако при использовании в системах с возобновляемыми источниками энергии, в том числе и в солнечной энергетике, эти батареи имеют ряд недостатков. Во-первых, они характеризуются более низкой энергоэффективностью, чем свинцово-кислотные батареи. Во-вторых, у них выше уровень саморазряда и хуже эксплуатационные температурные допуски. Кроме того, они по-прежнему дороже свинцово-кислотных.

В настоящее время именно свинцово-кислотные батареи с жидким электролитом являются наиболее популярными аккумуляторами, используемыми для применения в солнечной энергетике, и в ближайшие годы, по всей видимости, их монополия останется незыблемой.

 

Источник: TopClimat.ru