Без акумуляторних батарей вигода від сонячної електростанції не буде повною. Але які акумулятори вибрати. Найчастіше вибирають кислотно-свинцеві (гелеві або AGM) або літієві. Літієві акумулятори це продукт нового покоління, що значно перевищують всі попередні варіанти. Так, вони значно дорожчі, але це єдиний варіант акумуляторів які можуть працювати 20 років. Це майже відповідає повному розрахунковому строку експлуатації сонячної електростанції. Тому розглянемо які саме варіанти літієвих батарей можна купити і чим вони відрізняються
Принцип роботи сонячної електростанції з блоком акумуляторів
Джерелом енергії є фотоелектричні модулі (сонячні батареї) саме вони перетворюють сонячне світло в електричну енергію. Але відразу споживати вироблену сонячними панелями енергію не вийде, бо вони виробляють постійний струм. Тому потрібен інвертор який перетворює постійний струм від сонячних панелей чи акумуляторів в звичний нам змінний струм напругою 220В/50Гц, див ілюстрацію нижче.
На схемі зображено сонячну електростанцію з акумуляторним блоком. В принципі система може працювати й без акумуляторів. Але сонячна активність нестабільна, тим більше пік сонячної енергії припадає на полудень, коли більшості домовласників немає вдома. Через це досить популярними є комбіновані автономні електростанції де є і сонячні батареї і вітрогенератори. Адже вітер є і в хмарну погоду і вночі. Але все ж на 100% вирівняти вироблення і споживання електроенергії не може навіть комбінована приватна електростанція.
Саме акумуляторний блок накопичує вироблену енергію щоб віддати її коли потрібно не залежно від вітру чи сонячної активності.
Але це не єдиний з можливих режимів роботи. Більшість сонячних станцій працюють паралельно з мережею. Або віддають надлишок генерації в мережу за «Зеленим тарифом» або мережа компенсує провали генерації коли потужності виробленої альтернативними джерелами недостатньо. І все було б добре, якби не аварії та відключення електроенергії, що особливо критично зимою та в нічний час. Тоді акумуляторний блок працює як джерело резервного живлення.
Для таких випадків важливо визначити які споживачі критично важливі і не повинні відключатись в будь-якому випадку. Це автоматика системи опалення, охоронна сигналізація, циркуляційний насос, аварійне підсвічування входів-виходів, сходових маршів. На другому місці йде робоча комп’ютерна техніка, холодильник і т.ін. Але більша частина розеток та освітлювальних приладів повинні відключатись у випадку аварії, та не витрачати на себе заряд акумулятора.
Адже ємність акумуляторів обмежена, а ставити блоки акумуляторів, які можуть живити весь будинок протягом 4-6 годин занадто дорого.
Літій-іонні акумулятори для сонячних батарей
Перейдемо до порівняння літієвих акумуляторів які зараз можна купити в Україні. Але спершу приведемо вигоди та переваги всіх літієвих акумуляторів:
- Довговічність – кількість циклів розряду-заряду від 4000 до 10000. Тоді як в свинцево-кислотних від 800-1000 циклів, це забезпечує тривалість експлуатації до 20 років з збереженням до 70% початкової ємності.
- Глибина розряду – літієві акумулятори можна розряджати набагато глибше в порівнянні з усіма іншими видами. При цьому вони не втрачають своїх властивостей, в них немає ефекту пам’яті (втрати ємності через неповне заряджання).
- Літієві акумулятори нормально працюють при нерівномірному режимі (частковий розряд, неповний заряд і т.д.) Що часто буває в реальних умовах експлуатації автономної станції.
Першими розглянемо вже класичний літій-іонний акумулятор. Переносом заряду в таких акумуляторах є іони літію.
Конструктивно літій-іонний акумулятор складається з тонких пластин (точніше фольги) з міді (- анод) та алюмінію (+ катод). Мідний провідник вкритий тонким шаром графіту. Молекулярна решітка графіту утримує на собі атоми літію. Ключовою є властивість літію легко позбавлятись від «зайвого» електрону. Саме ці «втрачені» електрони створюють заряд мінус на мідному електроді, а електричний струм є саме впорядкованим рухом електронів. Під час розряду атоми літію втрачають електрони після чого стають позитивно зарядженими іонами літію, які мігрують до протилежного аноду з алюмінію. Алюмінієвий електрод (+ катод) вкритий оксидом літію та кобальту. Вся суть процесу полягає в тому, що іони літію мігрують катода до анода під час розряду (роботи акумулятора), а під час заряджання відбувається зворотній процес.
Нажаль процеси заряду розряду не можуть відбуватися безкінечно довго. З часом утворюються сполуки які «не відпускають» іони літію
Літій було обрано через те, що це метал з найвищим електрохімічним потенціалом, це те саме намагання позбутись «зайвого» електрона притаманне всім металам. Саме тому в літієвих акумуляторів найвища ємність на кілограм маси (літій ще й досить легкий метал, але його не так багато щоб впливати на масу батареї).
Якщо з літієм все зрозуміло, то ось використання рідкоземельного кобальту який напряму не впливає на електрохімічну реакцію це досить дорого. Тому не припиняються намагання замінити дорогий кобальт на щось простіше.
Літій-ферум фосфатні акумулятори для сонячних батарей
За принципом дії схожі на описаний вище літій-кобальтовий акумулятор, але на катоді використовується інший оксид LiFePO4, де немає рідкоземельного кобальту, а присутні набагато дешевші залізо та фосфор. Крім ціни ці з’єднання менш токсичні та більше термостійкі. Недоліком є дещо менша ємність (на 14% при однакових розмірах і масі) в порівнянні з класичними літій-іонними акумуляторами на основі оксиду кобальту. Але з часом цей показник вирівнюється, бо LiCoO2 швидше втрачають ємність ніж LiFePO4.
Переваги та особливості літій-ферум фосфатних акумуляторів:
- Літій-ферум фосфатні акумулятори випускають у вигляді прямокутних блоків, на відміну від класичних які випускаються у вигляді невеликих циліндрів (стандарт 18650 чи 26650), а потім запаюються у великі батареї. Це пов’язано з тим, що літій-ферум-фосфатні акумулятори дуже чутливі до перепадів напруги між окремими банками. Тому їх випускають відразу на велику ємність, або об’єднують у блоки в умовах де є можливість точної настройки.
- Акумулятори LiFePO4 мають значно більший термін служби в порівнянні з іншими літієвими елементами живлення.
- Надзвичайна стабільність напруги на виході під час розряду. Напруга знаходиться в межах номінальної практично до повного вичерпання ємності. Що надзвичайно важливо для випадків коли акумулятор є джерелом аварійного живлення.
- Вищий піковий струм, а значить можуть віддати імпульс набагато більшої ємності в порівнянні з іншими типами батарей.
- Повільніше старіння і втрата ємності в порівнянні з LiCoO2 батареями. Саме цей тип акумуляторів може працювати 20 років з незначною втратою характеристик
- Термічна та хімічна стабільність. Звичайні літій-іонні акумулятори через замикання досить активно спалахують і потребують вбудованого захисту від надмірного заряджання та від короткого замикання. LiFePO4 акумулятори набагато стабільніші та безпечніші.
- Морозостійкість можуть працювати в діапазоні температур -30-55°С, тоді як звичайні LiCoO2 акумулятори максимум -10 + 40°С
Саме через все наведене вище ми рекомендуємо вибирати літій-ферум фосфатні (LiFePO4) акумулятори для сонячний станцій чи аварійних джерел живлення.
Літій-ферум полімерні акумулятори для сонячних панелей
Насправді є просто технологія вдосконалення літій-полімерних акумуляторів, де електроліт і сепаратор це спеціальний полімерний матеріал. Тоді як в класичній схемі сепаратор це мембрана проникна тільки для іонів літію та електроліту, а електроліт рідина.
Літій полімерними можуть бути як LiCoO2 так і LiFePO4 акумулятори.
Технологія з використанням полімерних матеріалів дозволяє виготовляти батареї довільної форми в тонкому пластиковому корпусі. Це особливо актуально для портативної техніки телефонів чи ноутбуків, але не дає особливих переваг у випадку накопичення енергії від сонячних батарей.
Як вибрати акумулятори для сонячної електростанції
По-перше, треба визначитись з типом акумуляторів. Для сонячних або сонячно-вітрових станцій підходять:
- Кислотно-свинцеві (не автомобільні) закритого типу. Закритого типу важливо, щоб не було випаровування кислоти. Таким вимогам відповідають гелеві (GEL) та адсорбційні, де розчин електроліту утримується в скловолокні (AGM). Ці типи акумуляторних батарей набагато дешевші, але поступаються за більшістю технічних характеристик. І в довгостроковій перспективі кислотно-свинцеві акумулятори потрібно буде замінити кілька разів поки вийде з ладу один комплект літієвих.
- Літій іонні LiCoO2. На відміну від попередніх мають збільшену кількість циклів заряду-розряду, не чуттєві до недозарядженого стану та високих температур.
- Літій-ферум фосфатні LiFePO4. Найбільш вдосконалена технологія серед всіх сучасних літій-іонних батарей. В порівнянні з попередніми мають кращий температруний діапазон (не бояться низьких температур) , стабільніша напруга і, загалом, надійніша технологія виготовлення, що сприяє більш безпечній експлуатації.
По-друге, ємність. Саме ємність та номінальна напруга визначає як довго працюватимуть споживачі захищеної категорії. Розберемо приклад. Нам потрібно забезпечити роботу споживачів 1,2кВт, протягом 2 годин. Застосовуємо літієві акумулятори напругою 48 Вольт. Візьмемо наступну формулу:
Q = (P*t)/U*k, де:
Q – необхідна ємність в А*г (ампер-години);
P – потужність споживачів Вт;
t – час автономної роботи, в нашому випадку – 1,5 години;
U – напруга на виході блоку батарей, наприклад – 12В;
k – коефіцієнт допустимого розряду, візьмемо для нашого прикладу, що k =0,8 (можна розрядити акумулятор на 80%).
Отже, нам потрібно:
Q = (1200*2)/48*0,8 = 62,5 А*г
Це і є необхідна ємність. Якщо взяти невеликий запас для компенсації старіння та округлити, то потрібно встановити акумуляторний блок ємністю 70 (ампер-годин).
Якщо потрібна консультація, чи ви хочете отримати розрахунок потужності сонячної станції для вашого регіону і режиму експлуатації телефонуйте. Краще мати цифри на руках, а потім вже приймати рішення.
