Акумулятори для СЕС, як правильно вибрати

Звичним явищем є мережеві сонячні електростанції(СЕС) класичного типу, що працюють на моментальну генерацію для споживання чи передавання у загальну електромережу. Такі СЕС відносно дешеві, прості, компактніші та достатньо ефективні, що є їх невід’ємною перевагою, але як у всьому, кожний сильний бік має свій недолік, позаяк, такі електростанції мають ряд недоліків, а саме: не рівномірна генерація, у дні, коли інсоляція різної інтенсивності, це призводить до не рівномірного вироблення електроенергії. Також такий тип СЕС , парадоксально, але є залежним від мережевого живлення. Якщо воно просідає, то є ризик перебоїв у виробітку, а якщо мережевої напруги немає, то й генерація зупиняється, навіть й незважаючи на те, що інсоляція присутня, просто інвертор не зможе її перетворити до потрібного рівня. Ну і звичайно, те, що у вечірні та нічні години генерації теж немає, бо не світить сонце. У будь якому випадку, такі СЕС знаходять своє застосування, та виправдовують своє використання. Але й є спосіб виправити всі ці негативні моменти, а саме: встановити так званий «гібридний» інвертор та акумуляторні батареї, що будуть зберігати надлишково згенеровану електроенергію, живити постійно всю систему, та стануть джерелом безперебійного живлення, у момент коли генерація не можлива через відсутність інсоляції. Вибір таких батарей – важлива тема, на якій ми зосередимося у цьому матеріалі.

Типи та різноманіття акумуляторів для гібридних СЕС

Вибір системи накопичення та зберігання електроенергії(energy storage) є запорукою успіху всієї установки генерації енергії. На сьогоднішній день на ринку акумуляторів представлено безліч їх видів, технологій виготовлення, форм-факторів та виробників. Саме тому легко можна зробити помилку, що призведе до потенційного невірного рішення у купівлі дороговартісного обладнання. Найкраще, що можна зробити – це швидко розібратися у основних відмінностях акб для СЕС, що ми зараз спробуємо зробити.

Свинцево-кислотні акумуляторні батареї

Свинцево-кислотні акумуляторні батареї – це класичний продукт, який перевірений століттями, їх застосування, як накопичувача електроенергії налічує півтора сотні років. До прикладу, у кінці 1900р. у м. Львів, в підвалі оперного театру, була розміщена збірка таких акумуляторів, що налічувала 1300шт, для компенсації падіння напруги з міської електростанції. До речі, ці акб були місцевого виготовлення, оскільки технологія не складна.  Як правило такі акумулятори використовуються для пуску двигунів, тому їх ще іноді називають «стартерними». Або ж як «тяговий» для електротранспорту, по типу навантажувачів, електроштабелерів, тощо. На рівні з цим, такий тип акумуляторів активно використовується як energy storage для СЕС з кінця 1950-тих років, тому аргумент, про те, що це «автомобільний» акумулятор, і він зовсім не годиться для сонячної генерації, як мінімум не відповідає історичній реальності. Такий тип батарей, був домінантним аж до середини 2000-них років, коли почали активніше використовувати нові типи та види акумуляторів, про що згодом. По своїй структурі такий акб максимально простий та дешевий, у середині є набір свинцевих пластин в обмазці (сурма, кальцій, та навіть срібло), які занурені у розчин соляної кислоти та на дистильованої води. Простота – це велика сила таких акумуляторів, але вона одночасно і породжує слабкості. Для розуміння суті, давайте розглянемо основні переваги та недоліки класичних свинцево-кислотних батарей.

Переваги свинцево-кислотних акумуляторів

Простота конструкції та дешевизна матеріалів конвертуються у низьку ціну готового продукту, подекуди, це стає головним аргументом для формування великих, об’ємних накопичувачів енергії. Різниця може сягати сотень тисяч гривень, в залежності від масштабу.  Також такий акб дуже просто купити та замінити як ланку у системі, адже вони масово розповсюдженні. Також перевагою є велика ємність у не великих габаритах, що також має велике значення. Висока пікова струмовіддача, яка вимірюється сотнями ампер (300-600А), роблять такі акб ідеальними як буферна системи для стабілізації живлення.

У підсумку, такі акумулятори, є найпростішими, найдоступнішими, та найзручнішими у монтажі та використанні, з усіх типів, що можна зустріти на ринку.

Недоліки свинцево-кислотних акумуляторів

Основною проблемою таких акумуляторів є низький пороговий рівень розряду, що не перевищує 50% від номінальної ємності, тобто з акб на 100Аг можна безпечно отримати енергію в еквіваленті ємності 50Аг. Якщо допустити більшу глибину розряду, то сильно втрачається номінальна ємність батареї. Також така батарея має суттєво меншу кількість гарантованих циклів заряд\розряд, приблизно 500-800, опісля досягнення якого, теж суттєво зменшується ємність. Кілька розрядів, глибших за 50% теж у суттєво скорочують кількість циклів. Процес заряду, та розряду, породжує хімічні реакції, у результаті яких відбувається википання дистильованої води у ланках батареї, її рівень, а також щільність самого електроліту потрібно регулярно контролювати, а це потребує багато часу, якщо збірка велика, навички, розуміння техніки безпеки, та інструмент з розхідниками. Ігнорування сервісного обслуговування неминуче призведе до швидкої деградації батареї. Навіть правильна та грамотна експлуатація не зможе вберегти батарею від вікової деградації, з часом обмазка пластин покриється оксидом свинцю (сульфатація), що зруйнує обмазку, та призведе до руйнування самих пластин, як наслідок вихід акб з ладу. А ще класичні батареї дуже важкі, та достатньо габаритні.

Отож, основні проблеми таких акб є низький гарантований ККД, не довговічність конструкції батареї, та вимоги до регулярного кваліфікованого обслуговування. Частково такі проблеми вирішені у покращеному варіанті  батарей - з технологією CA\CA, де обмазка та сплав пластин зроблена з додаванням кальцію, такі акб не потрібно обслуговувати, бо вони малокиплячі, але і коштують вони дорожче, і заряджати їх потрібно до вищої напруги ніж звичайні свинцево-кислотні, що робить не можливим їх інтеграцію у вже зібрані накопичувачі енергії зі звичайних кислотних.

Довгий час провідні інженери у світі билися над питанням, як зберегти переваги традиційний свинцево-кислотних акумуляторів, але й вирішити або сильно зменшити їх недоліки. У результаті заявилися два підвиди таких акумуляторів, які отримали назви: «AGM» та «Gel», на особливостях яких ми й коротко зупинимося.

Акумулятори AGM

Акумулятори AGM – це різновид класичних свинцево-кислотних акумуляторів, але з суттєвими змінами у конструкції. Так у них збереглися класичні свинцеві пластини з кальцієвою обмазкою, але рідкого електроліту у класичному розумінні немає, натомість весь простір у середині між корпусом та пластинами заповнений міцними скловолоконними матами, які просочені електролітом. Така конструкція значно міцніша та довговічніші, ніж класичний свинцево-кислотні, адже контакт пластини і електроліту набагато кращий, а отже дуже мало кипіння, газоутворення, що сильно зменшує ризик сульфатації та руйнування обмазки пластин.

Переваги акумуляторів з технологією AGM

Помітно більший ККД у порівнянні з класичними свинцево-кислотними. Граничний безпечний розряд збільшено до 70% від ємності батареї. Також такий акумулятор герметичний, не википає, не потребує обслуговування, та може бути розміщеним у будь-якому просторовому положенні. Кількість циклів збільшено до 1200. Не сильно боїться холодів.

Недоліки акумуляторів з технологією AGM

В першу чергу, це ціна, яка може бути на 30-40% більшою. Також такі акумулятори вибагливі до температурного режиму, ідеальним показником є +25^оС, верхньою межею є +45^оС, після чого батарея почне прискорено старіти. Важливим є процес зарядки та його контролю, адже недозаряд та перезаряд можуть сильно зменшити ресурс батареї. З такої рації, дуже складно інтегрувати  AGM батарею у збірку з класичних батарей.

У підсумку, можна сказати, що «AGM» це нове покоління класичної свинцево-кислотної технології виробництва акумуляторів, яка вирішує певні недоліки попередника, але є більш дороговартісною та вимогливою до умов та режиму експлуатації.

Акумулятори GEL

Іншим різновидом свинцево-кислотної батареє є так званий «Gel» - або ж гелевий акумулятор. Конструктивно це той самий  свинцево-кислотний акб, але його електроліт загущений діоксидом кремнію до гелеподібної маси, яка щільно та надійно окутує свинцеві пластини. Така технологія теж дозволяє зменшити руйнування обмазки пластин та утворення оксиду свинцю.

Переваги акумуляторів з технологією Gel

Оптимальна технологія, що дозволяємо збільшити ККД у порівнянні з AGM та класичним свинцево-кислотним. Глибина розряду до 80% від номінальної ємності. Не менше 1500 циклів заряду. Можливість штатно працювати у підвищених температурах, адже гель стабільно поводиться у широкому діапазоні температур. Не потребує обслуговування, та може встановлюватися у всіх просторових положеннях.

Недоліки акумуляторів з технологією Gel

Вища ціна за класичного свинцево-кислотного на 40-60% та на 15-30 за AGM. Погана переносимість низьких температур, адже електроліт стає надто густим, і контакт з пластинами стає гіршим. Також такі акумулятора мають значно менший піковий струм моментальної віддачі, ніж свинцево-кислотний та AGM, саме тому представників такої технології не зустріти на автомобілях чи транспорті, але для СЕС їх характеристики більш як підходящі. Також такий акумулятор дуже вимогливий до процедури заряду та чутливий до перезаряду.

У підсумку, акумулятори типу «Gel» - це стабільні та ефективні батареї, які достатньо добре збалансовані за характеристиками, без явного дисбалансу в ту чи іншу сторону.

Загалом всі види свинцево-кислотних акумуляторів – це класика для будь-яких систем накопичення та зберігання енергії, у тому числі для СЕС, вони мають великий список переваг, і не менший недоліків, тому все 20-те століття кращі вчені намагалися створити набагато кращий аналог. У 70-ті роки зародилася ідея використання літію, як основи для нового покоління хімічних  акумуляторів. У 1991р компанія Sony представила перший комерційний літієвий акумулятор, який володів високим ККД та значною струмовіддічею, а головне – мав велику кількість циклів заряду у порівнянні з іншими аналогами. Однак, дуже довгий час такі акумулятори були частиною маленьких гаджетів, і мали велику кількість обмежень, та застережень, серед яких неймовірна пожежна небезпечність, значна втрата властивостей при температурах близьких до +0^oC, та висока вартість. Саме тому акумулятори Li-Ion, так і не отримали великого розповсюдження силових системах, у тому числі, як накопичувачі енергії у СЕС. Проте, вченим вдалося побороти більшість проблем, болячок та недоліків, таких акумуляторів, і у 2005 році була представлена технологія літій-залізо-фосфатного акумулятора, який отримав позначку LiFePO4

Акумулятори LiFePO4

Технологія LiFePO4 є достатньо простою, як і найпростіші хімічні батареї тут є катод з літій-залізо-фосфату, та анод з графіту, вони розміщені на кінцях полімерної мікропористої плівки, яка просякнута електролітом на основі солей літію. Ця плівка згортається у трубочку циліндричної форми, та поміщається у корпус з металу, що і формує класичний літієвий акумулятор. У цій технології є обмеження, чим довша довжина плівки, тим більший її опір, і тим менша загальна струмовіддача готового виробу, тому в індустрії довгий час всі батареї на літієвій технології були не великого розміру, умовно розміром з батарейку формату 18650. Навіть величезні акумулятори  є по-суті збірками з малих елементів, які просто з’єднано послідовно-паралельно.  З часом технології розвиваються, розміри елементів збільшуються, їх опір зменшується, струмовіддача зростає, але принцип залишається тим самим. Також широкого поширення набувають елементи у полімерних пакетах, паралельно укладені листи все тої ж плівки у електроліті, шар на шар, як листовий торт. Простими словами, будь -який LiFePO₄, це збірка з менших елементів.

Переваги акумуляторів LiFePO4

Значний ККД, такий акумулятор може безпечно віддавати 95% своєї ємності, при тому, що вольт-амперна характеристика 80% часу буде у сталому діапазоні, без значних коливань.  Такі акумулятори працюють у діапазоні від -20 ^oC і до +60 ^oC, умовно не бояться перегріву, що було слабким місцем звичайних літієвих та гелевих акумуляторів. Також кількість циклів тут коливається у діапазоні 3000-6000, в залежності від типу хімії, що застосовується. Дуже низький рівень саморозряду та вікової деградації, умовно, термін служби такого акб при нормальній експлуатації може сягати 10-15років. Висока струмовіддача до 2-3с, без зменшення ресурсу та значного нагріву. Відсутність оксидів нікелю та кадмію, які є токсичними сполуками, такий акб безпечний та простіший в утилізації. Також, кожен готовий акб має свою власну плату BMS, яка регулюю заряд, розряд, баланс внутрішніх елементів, температуру та безпеку. Умовно зі збірки накопичувача енергії, можна у будь – який момент вийняти окремий акб, та замінити на інший, зі схожими характеристиками.

Недоліки акумуляторів LiFePO4

Варто зазначити, що батареї на основі технології LiFePO₄ стали значно безпечними у плані пожежі, та самозаймання у порівняння зі звичайними Li-Ion, але все ж рівень небезпеки, та складність гасіння тут вища ніж у свинцево-кислотних батарей. Також акумулятори LiFePO₄, не люблять заряд при низьких температура, нижче + 0^oC, це може зменшити їх ємність, та термін служби. Головним недоліком акумуляторів LiFePO₄ на відміну від свинцево-кислотних – є ї ціна, яка доходить до різниці у 5-6 разів

У підсумку  можна сказати, що акумулятори LiFePO₄ - це нова епоха у технології збереження електричного заряду, та дуже достойний аналог свинцево-кислотних акумуляторів у системах накопичення заряду (energy storage), що практично вирішив всі слабкі сторони останніх.

Для наглядного розуміння відмінностей та експлуатаційних характеристик, розглянемо порівняння всіх вище зазначених типів акумуляторних батарей

Порівняння АКБ для СЕС

Приклади використання різних типів акумуляторів як накопичувач енергії

Варіантів комбінацій типів акб та їх призначень у ролі накопичувачів енергії може бути буквально нескінченне значення, але ми звами спробуємо змоделювати кілька ситуацій, у яких кожен з видів батарей буде максимально доцільним та виправданим:

• Звичайні свинцево-кислотні акумулятори  – можуть стати ідеальним рішенням для живлення інвертора сонячних панелей, у випадку коли зникає мережева напруга, або її рівень не стабільний чи не задовільний. Таким чином можна добитися безперервної генерації сонячної електроенергії, та не зупиняти робочий процес, чи віддачу напруги до мережі. Застосування таких акумуляторів є виправданим, оскільки їх інтенсивність використання буде малим, а потреба у енергії від споживача не високою, при цьому дешевизна, та доступність зробить з класичним  найкращим вибором.
• Свинцево-кислотний AGM – хорошим невеликим, та дешевим накопичувачем електроенергії для домашніх СЕС, який забезпечить безперебійність генерації у день, не довге резервне живлення підчас відключень, та зможе живити слабкі споживачі у ночі, наприклад, модем, освітлення, холодильник, тощо. Такі акумулятори будуть ресурснішими та стійкішими за класичні свинцево-кислотні, але при цьому не сильно дорожчими.
• Свинцево-кислотний Gel – прекрасний варіант для резервного живлення як для домашньої СЕС так і для малих підприємств, магазинів, цехів, офісів, тощо, який зможе забезпечити мінімальну життєдіяльність на період відключення електроенергії, як і самої СЕС так і місця яке вона живить.
• Літієвий акумулятор LiFePO4 - Ідеальний варіант для повноцінної автономності, у день СЕС живить споживачів та заряджає акумуляторині накопичувачі, а у період без генерації, вже останні покривають потреби у споживанні, і так може тривати довгі роки без помітної втрати експлуатаційних характеристик.

Не зайвим при виборі, буде розуміння своїх потреб у контексті ціни\циклу використання, нижче у наведені табличці можна зорієнтуватися, на що можна очікувати.

*Ціни на акумулятори носять номінальний розмір, на день написання матеріалу, та служать для розуміння самого підходу розрахунку доцільності вибору певного типу акб

Висновок

Висновки насправді дуже прості, немає поганих чи не підходящих акумуляторів, які ми розглянули у цій статті. Кожен тип акумулятора має свої переваги та недоліки, особливості, конкретну ціну та простоту чи складність доступності у купівлі. Для правильного вибору акумулятора вам потрібно всього лиш злегка розібратися у їх особливостях та зрозуміти свої потреби та завдання, після чого, успіх вам гарантований. У будь-якому разі менеджери магазину Електро100 зможуть проконсультувати та підібрати для вас оптимальний варіант у співвідношенні ціна-якість.