Аккумуляторы для СЭС, как правильно выбрать

Обычным явлением являются сетевые солнечные электростанции (СЭС) классического типа, работающие на моментальную генерацию для потребления или передачи в общую электросеть. Такие СЭС относительно дешевы, просты, компактны и достаточно эффективны, что является их неотъемлемым преимуществом, но как во всем, любая сила одновременно порождает слабость, поскольку такие электростанции имеют ряд недостатков, а именно: не равномерная генерация, в дни, когда инсоляция разной интенсивности, это приводит к не равномерной выработке электроэнергии. Также такой тип СЭС есть, как бы это ни было парадоксально – зависим от сетевого питания. Если оно проседает, есть риск перебоев в выработке, а если сетевого напряжения нет, то и генерация останавливается, даже несмотря на то, что инсоляция присутствует, просто инвертор не сможет ее преобразовать до нужного уровня. Ну и конечно, то, что в вечерние и ночные часы поколения тоже нет, потому что не светит солнце. В любом случае, такие СЭС находят свое применение и оправдывают свое использование. Но и есть способ исправить все эти негативные моменты, а именно: установить так называемый «гибридный» инвертор и аккумуляторные батареи, которые будут хранить избыточно сгенерированную электроэнергию, постоянно питать всю систему, и станут источником бесперебойного питания, в момент когда генерация невозможна из-за отсутствия инсоляции. Выбор таких батарей является важной и интересной темой, над которой мы в этом материале попытаемся сосредоточиться, и рассмотреть все доступные варианты на рынке.

Типы и разнообразие аккумуляторов для гибридных СЭС

Выбор системы накопления и хранения электроэнергии является залогом успеха всей установки генерации энергии. На сегодняшний день на рынке аккумуляторов представлено множество типов, видов, технологий, форм-факторов и производителей. Именно поэтому легко может закружиться от этого голова, что приведет к потенциальному неверному решению по покупке дорогостоящего оборудования. Лучшее, что можно сделать – это быстро разобраться в основных отличиях акб для СЭС, что мы сейчас попытаемся сделать.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (FLA) – это классический продукт, который проверен веками, их применение в качестве накопителя электроэнергии насчитывает полторы сотни лет. К примеру, в конце 1900г. в г. Львове, в подвале оперного театра, был размещен сборник таких аккумуляторов, насчитывавший 1300шт, для компенсации падения напряжения с городской электростанции. Кстати, эти акб были местного изготовления, так как технология не сложна.Как правило, такие аккумуляторы используются для пуска двигателей, поэтому их еще иногда называют «стартерными». Или как «тяговой» для электротранспорта, по типу погрузчиков, электроштабелеров и т.д. Наравне с этим такой тип аккумуляторов активно используется как energy storage для СЭС с конца 1950-х годов, поэтому аргумент, о том, что это «автомобильный» аккумулятор, и он совсем не годится для солнечной генерации, как минимум не соответствует исторической реальности. Такой тип батарей был доминантным вплоть до середины 2000-х годов, когда стали активно использовать новые типы и виды аккумуляторов, о чем впоследствии. По своей структуре такой акб максимально простой и дешевый, внутри есть набор свинцовых пластин в обмазке (сурьма, кальций, и даже серебро), которые погружены в раствор соляной кислоты и дистиллированной воды. Простота – это большая сила таких аккумуляторов, но она одновременно и рождает слабости. Для понимания сущности, давайте рассмотрим основные преимущества и недостатки (FLA)

Преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов (FLA)

Простота конструкции и дешевизна материалов конвертируются в низкую цену готового продукта, это становится главным аргументом для формирования больших, объемных накопителей энергии. Разница может достигать сотен тысяч гривен, в зависимости от масштаба.Также такой акб очень просто купить и заменить в качестве звена в системе, ведь они массово распространены. Также преимуществом является большая емкость в не больших габаритах, что имеет большое значение. Высокая пиковая токоотдача, измеряемая сотнями ампер (300-600А), делают такие акб идеальными как буферные системы для стабилизации питания.

В итоге такие аккумуляторы являются самыми простыми, доступными и удобными в монтаже и использовании из всех типов, которые можно встретить на рынке.

Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов (FLA)

Основной проблемой таких аккумуляторов является низкий пороговый уровень разряда, не превышающий 50% номинальной емкости, то есть с акб на 100Аг можно безопасно получить энергию в эквиваленте емкости 50Аг. Если допустить большую глубину разряда, сильно теряется номинальная емкость батареи. Также такая батарея имеет существенно меньшее количество гарантированных циклов заряд\разряд, примерно 500-800, после достижения которого тоже существенно уменьшается емкость. Несколько разрядов, глубже 50% тоже существенно сокращают количество циклов. Процесс заряда и разряда порождает химические реакции, в результате которых происходит выкипывание дистиллированной воды в звеньях батареи, ее уровень, а также плотность самого электролита нужно регулярно контролировать, а это требует много времени, если сборка велика, навыки, понимание техники безопасности и инструмент с расходниками. Игнорирование обслуживания неизбежно приведет к быстрой деградации батареи. Даже правильная и грамотная эксплуатация не сможет уберечь батарею от возрастной деградации, со временем обмазка пластин покроется оксидом свинца (сульфатация), который разрушит обмазку, и приведет к разрушению самих пластин, следовательно выход акб из строя. А еще FLA батареи очень тяжелые и достаточно габаритные.

Итак, основные проблемы таких акб низкий гарантированный КПД, не долговечность конструкции батареи, и требования к регулярному квалифицированному обслуживанию. Частично такие проблемы решены в улучшенном варианте FLA батарей - тип CA\CA, где обмазка сделана из кальция, такие акб не нужно обслуживать, потому что они малокипящие, но и стоят они дороже, и заряжать их нужно до более высокого напряжения, чем обычные FLA, что делает невозможным их интеграцию в уже собранные накопители.

Долгое время ведущие инженеры в мире сражались над вопросом, как сохранить преимущества традиционных свинцово-кислотных аккумуляторов, но и решить или сильно уменьшить их недостатки. В результате появились два подвида таких аккумуляторов, которые получили названия: «AGM» и «Gel», на особенностях которых мы коротко остановимся.

Аккумуляторы AGM

Аккумуляторы AGM – это вид классических свинцово-кислотных аккумуляторов, но с существенными изменениями в конструкции. Так у них сохранились классические свинцовые пластины с кальциевой обмазкой, но жидкого электролита в классическом понимании нет, а все пространство внутри между корпусом и пластинами заполнено прочными стекловолоконными матами, пропитанными электролитом. Такая конструкция значительно прочнее и долговечнее, чем классический FLA, ведь контакт пластины и электролита намного лучше, а следовательно, очень мало кипения, газообразования, что сильно уменьшает риск сульфатации и разрушения обмазки пластин.

Преимущества аккумуляторов с технологией «AGM»

Заметно больший КПД по сравнению с классическими FLA. Предельный безопасный разряд увеличен до 70% от емкости батареи. Также такой аккумулятор герметичен, не выкипает, не требует обслуживания и может быть размещен в любом пространственном положении. Число циклов увеличено до 1200. Не сильно боится холодов.

Недостатки аккумуляторов с технологией «AGM»

В первую очередь, это цена, которая может быть на 30-40% больше. Также такие аккумуляторы требовательны к температурному режиму, идеальным показателем является +25оС, верхним пределом +45оС, после чего батарея начнет ускоренно стареть. Важен процесс зарядки и его контроля, ведь недозаряд и перезаряд могут сильно уменьшить ресурс батареи. С такой правоты, очень сложно интегрировать AGM батарею в сборку из классических FLA.

В итоге, можно сказать, что «AGM» это новое поколение классической свинцово-кислотной технологии производства аккумуляторов, которая решает определенные недостатки предшественника, но более дорогостояща и требовательна к условиям и режиму эксплуатации.

Аккумуляторы GEL

Другой разновидностью свинцово-кислотной батареи является так называемый «Gel» - или гелевый аккумулятор. Конструктивно это тот же FLA, но его электролит загущен диоксидом кремния до гелеобразной массы, которая плотно и надежно окутывает свинцовые пластины. Такая технология тоже позволяет снизить разрушение обмазки пластин и образование оксида свинца.

Преимущества аккумуляторов с технологией «Gel»

Оптимальная технология, позволяющая увеличить КПД по сравнению с AGM и FLA. Глубина разряда до 80% номинальной емкости. Не менее 1500 циклов заряда. Возможность штатно работать в повышенных температурах, ведь гель стабильно ведет себя в широком диапазоне температур. Не требует обслуживания и может устанавливаться во всех пространственных положениях.

Недостатки аккумуляторов с технологией «Gel»

Более высокая цена по FLA на 40-60% и на 15-30 по AGM. Плохая переносимость низких температур, ведь электролит становится слишком густым, и контакт с пластинами становится хуже. Также такие аккумуляторы имеют значительно меньший пиковый ток моментальной отдачи, чем FLA и AGM, поэтому представителей такой технологии не встретить на автомобилях или транспорте, но для СЭС их характеристики более подходящие. Также такой аккумулятор очень требователен к процедуре заряда и чувствителен к перезаряду.

В итоге, аккумуляторы типа «Gel» – это стабильные и эффективные батареи, достаточно хорошо сбалансированные по характеристикам, без явного дисбаланса в ту или иную сторону.

В общем, все виды свинцово-кислотных аккумуляторов – это классика для любых систем накопления и хранения энергии, в том числе для СЭС, они имеют большой список преимуществ, и не меньший недостатков, поэтому весь 20-й век лучшие ученые пытались создать гораздо лучший аналог. В 70-е годы зародилась идея использования лития, как основы для нового поколения химических аккумуляторов. В 1991 году компания Sony представила первый коммерческий литиевый аккумулятор, обладавший высоким КПД и значительным токоотдичей, а главное – имел большое количество циклов заряда по сравнению с другими аналогами. Однако очень долгое время такие аккумуляторы были частью маленьких гаджетов, и имели большое количество ограничений и оговорок, среди которых невероятная пожарная опасность, значительная потеря свойств при температурах близких к +0oC, и высокая стоимость. Именно поэтому аккумуляторы Li-Ion так и не получили большого распространения в силовых системах, в том числе, как накопители энергии в СЭС. Однако ученым удалось побороть большинство проблем, болячек и недостатков, таких аккумуляторов, и в 2005 году была представлена ​​технология литий-железо-фосфатного аккумулятора, получившего отметку LiFePO₄

Аккумуляторы LiFePO₄

Технология LiFePO₄ достаточно проста, как и простейшие химические батареи здесь катод из литий-железо-фосфата, и анод из графита, они размещены на концах полимерной микропористой пленки, пропитанной электролитом на основе солей лития. Эта пленка сворачивается в трубочку цилиндрической формы и помещается в корпус из металла, что и формирует классический литиевый аккумулятор. В этой технологии есть ограничение, чем длиннее длина пленки, тем больше ее сопротивление, и тем меньше общая токоотдача готового изделия, поэтому в индустрии долгое время все батареи на литиевой технологии были не большого размера, условно размером с батарейку формата 18650. последовательно-параллельно. С течением времени технологии развиваются, размеры элементов увеличиваются, их сопротивление уменьшается, токоотдача растет, но принцип остается прежним. Также широкое распространение получают элементы в полимерных пакетах, параллельно уложены листы все той же пленки в электролите, слой на слой, как листовой торт. Простыми словами, любой LiFePO₄ это сборка из меньших элементов.

Преимущества аккумуляторов LiFePO₄

Значительный КПД такой аккумулятор может безопасно отдавать 95% своей емкости, при том, что вольт-амперная характеристика 80% времени будет в установившемся диапазоне, без значительных колебаний. Такие аккумуляторы работают в диапазоне от -20 oC до +60 oC, условно не боятся перегрева, что было слабым местом обычных литиевых и гелевых аккумуляторов. Также количество циклов здесь колеблется в диапазоне 3000-6000, в зависимости от типа применяемой химии. Очень низкий уровень саморазряда и возрастной деградации, условно, срок службы такого акб при нормальной эксплуатации может достигать 10-15 лет. Высокая токоотдача до 2-3с без уменьшения ресурса и значительного нагрева. Отсутствие оксидов никеля и кадмия, являющихся токсичными соединениями, такой акб безопасен и проще в утилизации. Также каждый готовый акб имеет свою собственную плату BMS, которая регулирует заряд, разряд, баланс внутренних элементов, температуру и безопасность. Условно из сборки накопителя энергии, можно в любой момент вынуть отдельный акб и заменить на другой, с похожими характеристиками.

Недостатки аккумуляторов LiFePO₄

Стоит отметить, что батареи на основе технологии LiFePO₄ стали значительно безопаснее в плане пожара и самовозгорания по сравнению с обычными Li-Ion, но все же уровень опасности и сложность тушения здесь выше, чем у свинцово-кислотных батарей. Также аккумуляторы LiFePO₄, не любят заряд при низких температурах ниже + 0oC, это может уменьшить их емкость и срок службы. Главным недостатком аккумуляторов LiFePO₄ в отличие от свинцово-кислотных – есть ее цена, которая доходит до разницы в 5-6 раз

В итоге можно сказать, что аккумуляторы LiFePO₄ - это новая эпоха в технологии сохранения электрического заряда, и очень достойный аналог свинцово-кислотных аккумуляторов в системах накопления заряда (energy storage), практически решивший все слабые стороны последних.

Для наглядного понимания отличий и эксплуатационных характеристик рассмотрим сравнение всех вышеуказанных типов аккумуляторных батарей.

Сравнение АКБ для СЭС (12В 100А·ч)

Примеры использования различных типов аккумуляторов как накопителей энергии

Вариантов комбинаций типов АКБ и их назначений в роли накопителей энергии может быть буквально бесконечное количество, но мы с вами попробуем смоделировать несколько ситуаций, в которых каждый из видов батарей будет максимально уместным и оправданным:

Обычные свинцово-кислотные аккумуляторы FLA – могут стать идеальным решением для питания инвертора солнечных панелей в случае, когда пропадает сетевая энергия или её уровень нестабилен и неудовлетворителен. Таким образом можно добиться непрерывной генерации солнечной электроэнергии и не останавливать рабочий процесс или отдачу напряжения в сеть. Применение таких аккумуляторов оправдано, поскольку их интенсивность использования будет небольшой, а потребность в энергии у потребителя невысокой. При этом низкая цена и доступность делают FLA лучшим выбором.

Свинцово-кислотный AGM – хороший небольшой и недорогой накопитель энергии для домашних СЭС, который обеспечит бесперебойную генерацию днём, недолгое резервное питание во время отключений, а также сможет питать слабых потребителей ночью: модем, освещение, холодильник и т. д. Такие аккумуляторы более ресурсные и устойчивые, чем классические FLA, но при этом не сильно дороже.

Свинцово-кислотный GEL – отличный вариант для резервного питания как для домашней СЭС, так и для небольших предприятий, магазинов, цехов, офисов и т. п. Он способен обеспечить минимальную жизнедеятельность на период отключения электроэнергии как самой СЭС, так и объекта, который она питает.

Литиевый аккумулятор LiFePO₄ – идеальный вариант для полноценной автономности: днём СЭС питает потребителей и заряжает аккумуляторные накопители, а ночью или в период без генерации именно они покрывают потребности в энергии. И так это может продолжаться многие годы без заметной потери эксплуатационных характеристик.

Сравнительная таблица

Цены на аккумуляторы указаны номинально на день написания материала и служат для понимания подхода к расчёту целесообразности выбора того или иного типа АКБ.

Вывод

Выводы на самом деле очень просты: нет плохих или неподходящих аккумуляторов среди тех, которые мы рассмотрели в этой статье. Каждый тип АКБ имеет свои преимущества и недостатки, особенности, конкретную цену и доступность. Чтобы сделать правильный выбор аккумулятора, достаточно немного разобраться в их характеристиках и чётко понимать свои потребности и задачи. После этого успех гарантирован.

В любом случае, менеджеры магазина Электро100 смогут проконсультировать вас и подобрать оптимальный вариант в соотношении цена–качество.