Содержание
Аккумуляторы для солнечных батарей – для чего нужны и как выбрать (можно ли без них)
Как работают большинство солнечных станций в Украине
Время автономной работы от аккумуляторов и количество защищенных потребителей
Принцип работы солнечной батареи
Принцип работы аккумулятора
Характеристики аккумуляторов
Как рассчитать емкость набора аккумуляторов для конкретного потребителя
Какие аккумуляторы лучше всего подходят для солнечных электростанций
Солнечная батарея – это фотоэлектрический модуль, непосредственно превращающий
солнечный свет в электрическую энергию. Это один из главных компонентов солнечной
электростанции, но не единственный.
Для нормальной работы фотоэлектрические модули (солнечные батареи) должны
подключаться к преобразователю — инвертору. Это устройство преобразует постоянный ток от
солнечных батарей в переменный частотой 50Гц и напряжением 220В, на которое рассчитана
вся бытовая техника.
Комбинации солнечных панелей и инвертора достаточно для генерации и потребления
электроэнергии. То есть аккумуляторы не являются обязательным элементом солнечной
электростанции, хотя важным и полезным. Далее разберемся для чего они необходимы и
каким образом подбирается емкость блока аккумуляторных батарей.
Солнце это довольно капризная стихия, поэтому довольно часто автономные электростанции
комбинируют с фотоэлектрическими модулями и ветрогенераторами. Ведь ветер может
давать ток и днем и ночью. На фото ниже изображена компактная электростанция солнце-
ветер для систем уличного освещения.
Но ни ветер, ни солнце не могут обеспечить 100% прогнозируемую генерацию. Солнечная
активность очень неравномерна и чаще максимум энергии солнечные батареи получают около
полудня. В то время как пик потребления электроэнергии приходится на утренние и вечерние
часы, что подтверждает график ниже.
Было бы хорошо как-нибудь собрать и сохранить энергию полученную днем и использовать ее в
удобное время. С этой задачей могут справиться аккумуляторы, предназначенные для
накопления электроэнергии, производимой солнечными панелями.
Частная электростанция, оснащенная аккумуляторным блоком, переходит совсем на другой
уровень комфорта и независимости от электросети.
Как работают большинство солнечных станций в Украине
Обычно солнечные батареи используются параллельно с городской или сельской электросетью.
Солнечные станции в Украине приобрели популярность из-за программы «Зеленый тариф».
Суть ее заключается в том, что государственные электросети закупают производимую частной
станцией электроэнергию по достаточно высокому тарифу, на момент 2021 года тариф
составляет 0,164 Евро/кВт, что достаточно выгодно, чтобы инвестировать в строительство
солнечных электростанций.
По сути владелец солнечной станции получает доход от производимой электроэнергии,
которого хватает на то, чтобы вложенные в строительство станции средства окупились (срок
окупаемости от 4 до 6 лет). А дальше владелец получает чистый доход. Доход зависит от
мощности станции и региона. Максимальная мощность солнечных станций для приватного
сектора составляет 30кВт. Минимальная мощность, которую целесообразно использовать
подключение к системе «Зеленый тариф» — 5 кВт.
Есть несколько вариантов работы частной солнечной станции:
Только на собственные нужды. Обеспечивает какую-либо часть или полную мощность
потребителей в дневное время. В вечернее и ночное время питание дома автоматически
переходит на внешнюю сеть. Также питание от внешней сети работает преимущественно зимой
и в дождливую или очень облачную погоду. Для этого варианта целесообразно устанавливать
блок аккумуляторных батарей. Ведь автономные станции устанавливаются в частном секторе,
где довольно часто бывают аварийные отключения сети. Особенно зимой. А когда зимней
ночью остановится циркуляционный насос и автоматически отключится котел, это уже серьезно.
И если газовый котел просто выключится, то в случае твердотопливного котла остановка
циркуляции может привести к закипанию воды и срыву аварийного клапана или даже к
разрушению теплообменника котла. Аккумуляторный блок позволит поддерживать работу
важнейших систем несколько часов, пока не будет устранена авария на линии. Кроме
аварийных случаев блок автоматического управления можно настроить так, что поток энергии
от фотоэлектрических модулей недостаточен в работу включаемых аккумуляторов. Так можно
компенсировать утренний и вечерний пик потребления, а днем солнечные батареи сновазарядят аккумуляторы. И только когда ни мощности аккумуляторных батарей ни
фотоэлектрических модулей недостаточно, блок управления переключается на внешнюю сеть.
Гибридная солнечная станция. Имеет достаточную мощность для обеспечения собственных
нужд плюс запас для продажи излишков по Зеленому тарифу. Принцип работы похож на
предыдущий, но как правило здесь большая пиковая мощность. И тоже имеет смысл установка
блока аккумуляторов блока по тем же причинам.
Коммерческая, где вся генерируемая энергия идет в сеть по «Зеленому тарифу». Такие
варианты тоже достаточно распространены.
Время автономной работы от аккумуляторов и количество защищенных потребителей
Чтобы рационально использовать емкость аварийных аккумуляторов, рекомендуется разделить
сеть на первую и вторую категорию потребления.
Первая категория – это розетки и светильники питающие критически важные приборы, тот
же котел с автоматикой и циркуляционным насосом, холодильник, рабочий компьютер,
аварийное освещение при входе и у лестницы в подвал или на второй этаж и так далее. Именно
они будут подключены к блоку аккумуляторов.
Вторая категория – все остальные розетки и освещения без которых можно обойтись.
Обычно суммарная мощность потребителей первой категории не превышает 0,5–2,5 кВт, а
время автономной работы от аккумуляторов находится в пределах 2–3 часов. За это время либо
будет возобновлено питание, либо будет запущен бензиновый или дизельный генератор.
Устанавливать аккумуляторы большой емкости, которые могут работать более 5-6 часов, очень
дорого. И гораздо более рационально построить систему автоматического ввода резервного
питания от дизельного генератора. Такая система будет работать в несколько этапов. В первые
минуты отключения защищенные потребители питаются от аккумуляторов или от
аккумуляторов и солнечных батарей, если на улице достаточный уровень солнечного
освещения.
Далее по мере разряда аккумуляторных батарей блок автоматического управления даст сигнал
на дистанционный запуск электрогенератора. Который возьмет на себя поддержку работы
защищенных, а зачастую и всех потребителей. После возобновления питания сети блок
управления выключит генератор, переключит аккумуляторы в режим заряда (источником
заряда аккумуляторов может быть как сеть, так и солнечные батареи).
Конечно, технически возможно установить аккумуляторный блок, что позволит работать в
автономном режиме 24 часа и больше, но такая схема будет иметь значительную смету.
Принцип работы солнечной батареи
В основе лежит фотоэффект, описанный Альбертом Эйнштейном, еще в 1905 году. Что является
датой рождения современных солнечных панелей.
Разберемся как именно солнечная панель превращает видимый свет (фотоны) в электрическую
энергию (поток электронов). Весь секрет в двух слоях кремния разделенных специальным
слоем. Вернее в примесях, изменяющих свойства верхнего и нижнего слоя кремния. В верхний
слой добавляют фосфор, чтобы получить кремний, в котором есть «лишние» электроны. Так
называемый кремний N-типа (negative) потому что электроны сами по себе имеют
отрицательный заряд.
А добавление бора в кремний дает кремний P-типа (positive) с дефицитом электронов
(дырками). Фотоны из потока солнечных лучей выбивают «лишние» электроны из N-кремния, и
эти электроны заполняют дыры P-кремния. А упорядоченное движение электронов и есть
электрический ток.
Принцип работы аккумуляторной батареи
Аккумулятор работает по принципу обратной химической реакции. Здесь за перенос заряда
отвечают заряженные ионы.
Каждый аккумулятор состоит из четырех основных компонентов:
1 Два электрода: анод (-) и катод (+) погружены в электролит и между которыми возникает
разность потенциалов.
2 Пористая мембрана, разделяющая электроды аккумулятора. Мембрана есть только в
современных (гелевых и других) аккумуляторах. Старые автомобильные аккумуляторы
разделены на отсеки (банки) с помощью сепараторов. Это мелкоперфорированные пластины,
через которые может циркулировать электролит, но которые не дадут электродам физически
прикоснуться и замкнуться. Такая батарея закрыта пробкой с клапаном, через которую можно
доливать свежий электролит, и через которую отводятся газы, образующиеся во время работы
аккумулятора. Использовать такие аккумуляторы для солнечных станций нельзя, из-за
испарения кислоты. Современные автомобильные аккумуляторы уже не нуждаются в доливах
электролита и ничего не испаряют, но по режиму работы свинцовые автомобильные
аккумуляторы – это пусковые агрегаты. Они могут давать хороший импульс для раскрутки
двигателя, но не предназначены для длительной работы с постоянными циклами заряда-разряда.
Поэтому далее рассмотрим, какие типы аккумуляторных батарей лучше всего подходят для
дополнения солнечных электростанций.
3 Электролит для переноса ионов и поддержания реакции внутри аккумулятора (например,
раствор серной кислоты).
Принцип работы всех типов аккумуляторных батарей схож, но отличается элементная база.
Поскольку самые простые и распространенные кислотно-свинцовые аккумуляторы разберем
принцип работы на их примере.
Для катодов используется оксид свинца, а анодов чистый свинец. В качестве электролита
используется 38% раствор серной кислоты в дистиллированной воде. На рисунке ниже
показаны процессы, когда аккумулятор подключен к внешней нагрузке.
Когда замкнуть катод и анод через внешнюю электрическую цепь, начнет
проходить реакция восстановления оксида свинца и окисление чистого свинца.
В результате реакции на обоих электродах аккумулятора оседает сульфат
свинца PbSO4. А ионы кислорода и водорода, которые высвобождаются при
реакции из серной кислоты и оксида цинка, образуют воду. Потому
концентрация электролита падает.
Со временем аккумулятор разряжается, это значит, что не осталось свободных
ионов, а оба электрода покрыты одинаковым веществом – сульфатом свинца.
Если наоборот подать на электроды аккумулятор напряжение, то поток
электронов начнет двигаться в обратном направлении. Анод восстановится к
металлическому свинцу, а катод снова станет чистым окислом свинца.
Сульфидные группы снова вернутся в электролит и станут молекулами серной
кислоты.На другой иллюстрации изображена конструкция и принцип работы никель
кадмиевых аккумуляторов. Как видим принцип работы схож, только для
переноса заряда используются ионы других металлов.
Никель-кадмиевые аккумуляторы уступают по популярности кислотно-
свинцовым или литий-ионным, но имеют свои преимущества – они очень
надежны и могут без проблем работать при экстремально низких температурах.
Процесс заряда и разряда аккумулятора может происходить многократно, но, к
сожалению, количество циклов ограничено. Материал электродов деградирует
в электролите образующиеся примеси и рано или поздно аккумулятор выходит
из строя и его нужно заменить. Наша задача понять какие аккумуляторы самые
лучшие для использования совместно с солнечными электростанциями, чтобы
они успели окупиться раньше, чем придет время их менять.
Характеристики аккумуляторов
Для начала разберемся с характеристиками важнейшими при выборе
аккумуляторных батарей:
1 Емкость аккумуляторных батарей Q = А*h. Измеряется в ампер-часах и на
упрощенном уровне означает, сколько часов полностью заряженная батарея
сможет выдавать ток в 1 ампер. Например, аккумулятор емкостью 10А*г –теоретически может выдавать ток в один ампер 10 часов, или ток 10А один час.
Но это только теоретически, потому что есть несколько ограничений.
Нельзя использовать всю емкость до дна. Имеются ограничения по
глубине разряда от 50 до 70%. То есть из паспортной емкости в 10А*ч можно
будет использовать только 5-7А*ч – подробнее коэффициент допустимого
разряда рассмотрим дальше.
Если ток близок к максимальному, то емкость также снижается. Те же
10А за один час из нашего примера довольно много хотя бы в пределах нормы.
А если нагрузка разрядит аккумулятор за несколько минут, то он не только
перегреется, но и не выдаст количество энергии равное номинальной емкости.
Зачастую на аккумуляторах пишут несколько значений емкости для разных
режимов работы. К примеру для 10, 20, 100 часов работы, они так и
обозначаются Q10, Q20, Q100. Ток разряда для каждого режима тоже будет
значительно отличаться. Лучше всего для «здоровья» аккумулятора
эксплуатировать его в средних режимах.
2 Номинальное напряжение сказывается на корпусе и сопроводительных
документах. На самом деле, величина напряжения на клеммах заряженного и
разряженного аккумулятора отличается не очень сильно. Например, полностью
заряженная аккумуляторная батарея номинальным напряжением 12 В покажет
при измерении 14,5В, а разряжена около 10В. Напряжение это важный
параметр влияющий на количество энергии (Дж), которые могут накопить
аккумуляторы. Энергию батареи можно вычислить по формуле:
W = U*I*h
Где W – энергия, накопленная аккумулятором в Дж;
U – номинальное напряжение аккумулятора в вольтах (В);
I – ток разряда в амперах (А);
h – время работы в часах.
Несложно заметить, что на формулу можно поместить емкость Q=U*I, тогда
формулу можно переписать так:
W = U*Q
То есть аккумулятор емкостью 15А*ч и напряжением 24В, может накопить и отдать
вдвое большее количество энергии, чем аккумулятор емкостью 15А*ч и напряжением
12В.
К сожалению, со временем ресурс аккумуляторов уменьшается и емкость падает.
Каждая батарея может отработать ограниченное количество циклов разряда и заряда.
3 Число циклов разряда и заряда. Хорошим показателем является снижение емкости
до 70% от номинальной из-за 1000 циклов заряда разряда. К сожалению, не все типы
аккумуляторных батарей могут похвастаться такой «живучестью».
4 Коэффициент глубины разряда. К примеру в автомобильных аккумуляторах этот
показатель не более 30%, в литий-ионных батареях около 70%. То есть в первом случае
можно воспользоваться только третью, а во втором уже 70% энергии, запасенной в
аккумуляторе. Поэтому пусковые автомобильные аккумуляторы не очень подходят для
работы с солнечными батареями. В принципе, при необходимости аккумулятор можно
разрядить в ноль. Но после глубоких разрядов снижается емкость и ускоряется износ. И
до существенного падения емкости аккумулятор выдержит не 1000, а только 300-400
циклов
5 Безопасность – не выделяющие химические вещества во время работы не
подвержены возгоранию. Здесь тоже преимущество за современными гелевыми и
другими батареями, не требующими обслуживания.
6 Плотность энергии на кг. Различная элемента базы приводит к тому, что одну и ту же
энергию можно получить из аккумуляторов отличающихся массой и габаритами в два-
три раза. Худшие показатели у «мокрых» свинцово-кислотных аккумуляторов, лучшие у
литий-полимерных.
Как рассчитать емкость набора аккумуляторов для конкретного потребителя
Разберем конкретный пример. Допустим нам нужно чтобы какая-нибудь нагрузка
(насос и автоматика котла например) работали от аккумуляторов не менее 1,5 часа.
Пусть суммарная мощность составляет 400Вт. Формула для расчета будет выглядеть
так:
Q = (P*t)/U*k, где:
Q – необходимая емкость в А*г;
P – мощность потребителей Вт;
t – время автономной работы, в нашем случае – 1,5 часа;
U – напряжение на выходе блока батарей, например – 12В;
k – коэффициент допустимого разряда, возьмем для примера, что k =0,5.
Q = (400*1.5)/12*0.5 = 100 А*ч
Это достаточно большая емкость, поэтому для блоков бесперебойного питания и
солнечных электростанций все чаще используют аккумуляторы на более высокое
напряжение. Например, если используем АКБ напряжением 48В, то в результате
получим:
Q = (400*1.5)/48*0.5 = 25 А*ч
Что существенно меньше и блок батарей будет меньше по размерам и цене.
Какие аккумуляторы лучше всего подходят для солнечных электростанций
Для наглядности мы составили таблицу, где видны преимущества и недостатки
каждого из вариантов. В последнем столбце указан параметр, который мы еще не
рассматривали. В идеальных условиях аккумулятор плавно разряжается достигает
штатной глубины разряда, после чего должен зарядиться полностью без отключений
зарядного тока.
Реальный режим работы может быть любым:
Неравномерный ток разряда;
Частичный заряд затем снова подключение нагрузки и так много раз подряд.
Без потери характеристик в таком режиме могут работать только литиево-ионные
аккумуляторы, для всех остальных это очень неблагоприятные условия работы.
Некоторые показатели невозможно передать цифрами, особенно данные по цене.
Поэтому внесен относительный показатель. Самыми дорогими являются литий
ионные аккумуляторы, так что цена других указана в отношении них.
Цветами обозначена степень «крутизны» аккумулятора по конкретному параметру.
Этим ближе цвет к зеленому тем лучше, чем ближе к красному тем хуже
| Тип аккумулятора | Колич ество циклов | Выделение вредных паров или аэрозолей | Глубина разряда | Плотность емкости на килограмм | Рабочие температуры (рекоменд.) | Скорость зарядки | «Рваный» режим работы | Цена |
| «мокрые» или
«Закрытого типа» свинцово- кислотные (автомобильные с жидким электролитом) |
≤500 | да | 30% | плохая | -20 + 45°С | низкая | непригодные
теряют емкость и «сыпятся» |
низкая |
| «Закрытого
типа» свинцово- кислотные (тяговые с жидким электролитом) |
≤500 | да | 40-50% | плохая | -20 + 45°С | средняя | могут
работать в со сменной нагрузкой режиме, но заряжать нужно до 100% |
низкая |
| «Закрытого
типа» трубчатые свинцово- кислотные |
≤500 | Почти нету | 40-50% | средняя | -20 + 45°С | средняя | могут
работать с умеренной утратой показателей |
умеренная |
| Свинцово-
кислотные герметичные AGM |
≤500 | отсутствуют | 40-50% | средняя | -20 + 45°С | середня | могут
работать с умеренной утратой показателей |
умеренная |
| Свинцово-
кислотные герметичные гелевые GEL |
≤ 1000 | отсутствуют | 40-50% | средняя | -20 + 45°С | средняя | могут
работать с умеренной утратой показателей |
средняя |
| Литий-ионные | ≤ 4000 | отсутствуют | до 70% | Отличная | 0 +45°С | высокая | могут без
ограничений, режим никак не сказывается на емкости и времени работы. |
высокая |
| Никель
кадмиевые |
≤1000 | отсутствуют | до 60% | Хорошая | – 30 +45°С | средняя | могут
работать в со сменной нагрузкой режиме, но заряжать нужно до 100% |
высокая |
Как видим, у литий-ионных аккумуляторов только один существенный недостаток –
это цена. Но они таки приобретают все большую популярность и не только из-за
долговечности и компактных размеров. Литий ионные аккумуляторы лучше всего
приспособлены к точному отслеживанию состояния батарей. Не только уровня
заряда, но еще многих параметров.
На втором месте по сумме характеристик оказываются гелевые кислотно-свинцовые
аккумуляторы.
Если необходима консультация по подбору блока аккумуляторов, инвертора или
солнечных батарей, звоните. Обязательно поможем.
Надеемся материал статьи был вам интересным. К следующим публикациям.
Все литий-ионные аккумуляторы, в свою очередь, делятся на три основные группы:
литий-ферум полимерные
литий-ионные
литий феррум-фосфатный
Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, а также каждый тип имеет свою
область применения.
О преимуществах, применении и выборе типа литий-ионного аккумулятора читайте в
следующей статье об аккумуляторных батареях.