Несмотря на широко распространенное мнение, учёт коэффициента полезного действия аккумулятора, который представляет собой отношение электроэнергии, полученной и отданной во время работы, не стоит включать в расчеты. Параметры емкости аккумулятора, указанные в технической документации, уже учитывают возможный объем при отдаче электроэнергии.
Как выбрать аккумуляторы для солнечных батарей?
- фотоэлектрические солнечные модули (батареи);
- аккумуляторы, предназначенные для циклических режимов использования;
- солнечный инвертор с контролем заряда.
Хотя элементов относительно немного, все они имеют высокую стоимость, и ошибка при проектировании системы может привести к повышенным затратам или даже поломке всей установки. Поэтому выбор аккумулятора для солнечных батарей является ответственной задачей.
Какие аккумуляторы для солнечных батарей являются наиболее популярными на сегодняшний день?
Гелевые аккумуляторы основаны на электролите (кидратированной серной кислоте), имеющем желеобразную консистенцию, что достигается добавлением вещества с двуокисью кремния. Аккумуляторы с желеобразным электролитом имеют герметичный корпус и считаются безопасными, так как не выделяют газов; они демонстрируют хорошую устойчивость к глубоким разрядам, поскольку пластины защищены от коррозии узким электролитом, и могут функционировать даже после 700-900 циклов зарядки и разрядки, теряя в среднем не более 10% своей емкости в течение года. Недостатком является более высокое внутреннее сопротивление, что ограничивает возможность выдачи значительных пусковых токов. Полный срок эксплуатации такого аккумулятора будет достигнут лишь при соблюдении условий безопасности, среди которых отсутствие значительного перегрева корпусных материалов, избегание превышения напряжения при заряде и предотвращение коротких замыканий, что может вызвать кипение и увеличение объема устройства.
AGM для солнечных батарей
Аккумуляторы типа AGM используют пористый сепаратор, изготовленный из стекловолоконного материала, пропитанного электролитом. Это обеспечивает полную герметичность устройства и минимизирует риск утечки электролита. Даже в случае физического повреждения корпуса, устройство продолжает функционировать. AGM-аккумуляторы выдерживают не менее 500 циклов глубокого разряда и не требуют специального обслуживания в процессе эксплуатации. Они также имеют повышенную устойчивость к вибрациям.
Литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы отличаются высокой эффективностью в плане глубины заряда, длительного срока службы, большого количества циклов зарядки и разрядки, а также современным дизайном. К их преимуществам можно отнести компактные размеры, простоту установки и подключения к системе, высокую емкость, возможность многократных глубоких разрядов до 80% (более 6000 циклов), а также устойчивость к сложным погодным условиям и перепадам температур.
Карбоновые (графеновые) аккумуляторы
Это самые современные модели, которые отличает высокая степень гидрофильности, большая емкость и оптимизированная рабочая площадь пластин. За счет углеродсодержащих свинцовых пластин, процесс сульфатации и деградации емкости происходит намного медленнее по сравнению с гелевыми и AGM-аккумуляторами. Например, карбоновые (графеновые) аккумуляторы для солнечных систем, такие как АКБ JPC12-100 100А, могут функционировать до 15 лет и показывать до 9000 циклов при грамотном использовании и неглубоком разряде. Они поддерживают быструю зарядку и могут выдерживать высокие зарядные токи, которые могут быть в 4 раза выше, чем у AGM-аккумуляторов аналогичной емкости.
Более того, стандартные аккумуляторы лучше работают и служат дольше при строгом соблюдении режима полный заряд — полный разряд; они неэффективны при зарядке в промежуточных состояниях. Графеновые аккумуляторы проявляют высокую работоспособность даже в условиях частичной зарядки и не чувствительны к уровню заряда на момент поступления энергии.
Например, карбоновые (графеновые) аккумуляторы для солнечных батарей АКБ JPC12-200 200А применяют отрицательный электрод суперконденсатора, что обеспечивает долговечность устройства. В отличие от стандартного электрода, который со временем теряет свои качества из-за химической реакции зарядки-разрядки, отрицательный электрод суперконденсатора минимизирует коррозию на положительном электроде. Это ведет к увеличению срока службы каждого электрода, а значит и всего аккумулятора.
Таким образом, карбоновые аккумуляторы являются наиболее эффективным выбором по соотношению «цена-качество-долговечность» на сегодняшний день.
Щелочные аккумуляторы
В отличие от кислотных моделей, щелочные аккумуляторы демонстрируют отличные результаты при глубоких разрядах и способны долго выдавать токи, приблизительно равные 1/10 емкости батареи. Их настоятельно рекомендуется полностью разряжать, чтобы избежать так называемого эффекта памяти, который снижает емкость аккумулятора на величину неиспользованного заряда.
В сравнении с кислотными типами, щелочные аккумуляторы имеют значительно более длительный срок службы — свыше 20 лет, обеспечивают стабильное напряжение в процессе разряда и бывают как обслуживаемыми (с заливкой), так и необслуживаемыми (герметизированными). Тем не менее, они не предназначены для зарядки слабыми токами, которые обычно вырабатывают солнечные панели, поскольку такой ток не способен «заполнять» батарею. Поэтому щелочные аккумуляторы находят применение в основном как резервное хранилище для дизель-генераторов.
Литий-ионные аккумуляторы
Аккумуляторы этого типа обладают принципиально иной химией по сравнению с аккумуляторами для ноутбуков и других устройств. Они используют литий-железо-фосфатную реакцию (LiFePo4). Литий-ионные батареи отличаются быстрой зарядкой, способны отдавать до 80% заряда и не теряют емкость из-за неполного заряда или долгого хранения в разряженном состоянии. Средний срок службы составляет до 20 лет, а количество возможных циклов зарядки достигает 3000. В данный момент многие модели производятся, в том числе, и в России. Несмотря на то что они являются самыми дорогостоящими, в сравнении с кислотными аналогами, литий-ионные предлагают в два раза большую емкость на единицу веса, что делает их более экономически выгодными в долгосрочной перспективе.
Характеристики и требования к аккумуляторам зависят от особенностей работы самой солнечной электростанции.
Аккумуляторные батареи должны:
- обладать высоким количеством циклов зарядки и разрядки без значительного уменьшения емкости;
- иметь низкий уровень саморазряда;
- сохранять работоспособность при как низких, так и высоких температурах.
Ключевыми характеристиками принято считать:
- емкость батареи;
- скорость полного заряда и допустимого разряда;
- условия эксплуатации и срок службы;
- вес и габариты.
Подчеркнем основные преимущества литиевых LFP и LTO аккумуляторов по сравнению со свинцово-кислотными:
- Продолжительность службы значительно превышает таковую у свинцовых аккумуляторов;
- Количество циклов при глубине разряда 80% составляет от 2000 до 3500 у LFP и может достигать 16000 у LTO, в то время как традиционные свинцовые имеют всего 300-350 циклов, а OPzS и OPzV — до 1500;
- Быстрая зарядка, благодаря возможности принимать высокие токи (до 2С у LFP и до 10C у LTO), по сравнению с 0,1-0,3С у свинцовых;
- Линейные разрядные характеристики позволяют использовать в 2-3 раза меньшую емкость со стороны свинцовых аккумуляторов, не влияя на паспортную емкость;
- Низкий вес и высокая плотность энергии;
- Безопасны, не выделяют вредных веществ и имеют высокую степень пожарной безопасности.
Из недостатков литиевых аккумуляторов отметим, что они не могут использоваться без системы балансировки и защиты BMS (Battery Management System), а также высокие первоначальные вложения.
Сравнительная таблица аккумуляторов:
| Свинцовые автомобильные |
Свинцовые AGM/GEL |
Свинцовые OPzS |
Свинцовые OPzV |
Литий-ионные Li-ion |
Литий-титанатные LTO |
Литий-железо-фосфатные LiFePO4 | |
| Плюсы | Низкие первоначальные вложения. | Герметичные, не выделяют газы. | Обслуживаемость, хорошие характеристики для свинцовых АКБ. | Герметичные, не выделяют газы, оптимальные показатели для свинцовых АКБ. | Наивысшая плотность энергии. Малый вес и объем. Долгий срок службы. | Наибольшая продолжительность службы. Большие токи заряда и разряда. Полная безопасность. | Высокая плотность энергии. Долгий срок службы. Большие зарядные и разрядные токи. Полная безопасность. |
| Минусы | Короткий срок службы. Выделяют газы. Медленная зарядка. Не могут долговременно выдавать большие токи. Нелинейная разрядная характеристика. | Короткий срок службы при частых циклах зарядки и разрядки. Медленный заряд. Ограниченная отдача при разряде большими токами. | Высокая стоимость. Медленная зарядка. Наличие ограничений по нагрузочным токам. Небольшая снимаемая емкость при разряде большими токами. | Высокая стоимость. Медленная зарядка. Невозможность долговременной отдачи больших токов. Ограниченная емкость при значительном разряде. | Могут быть опасны при повреждении или in нештатных условиях, выделяют газы и потенциально взрывоопасны. Нуждаются в системе балансировки и защиты. | Самые большие первичные вложения. Необходима система балансировки. | Высокие начальные затраты. Требуется система балансировки. |
| Номинальное напряжение 1 шт, В | 12 | 12 | 2 | 2 | 3,7 | 2,3 | 3,2 |
| Количество шт. последовательно для получения 12В | 1 | 1 | 6 | 6 | 4 | 6 | 4 |
| Удельный вес, Вт*ч на 1 кг | 45 | 40 | 33 | 33 | 205 | 73 | 95 |
| Цена за 1000 Вт*ч, руб (на 2019г) | 7000 | 14000 | 16000 | 20000 | 14000 | 33000 | 16000 |
| Количество циклов при разряде 30% | 750 | 1400 | 3000 | 5000 | 9000 | 25000 | 10000 |
| Количество циклов при разряде 70% | 200 | 500 | 1700 | 1800 | 5000 | 20000 | 5000 |
| Количество циклов при разряде 80% | 150 | 350 | 1300 | 1500 | 2000 | 16000 | 3000 |
| Цена за 1 цикл при разряде на 30%, руб | 9,3 | 10 | 5,3 | 4 | 1,6 | 1,3 | 1,6 |
| Цена за 1 цикл при разряде на 70%, руб | 35 | 28 | 9,4 | 11,1 | 2,8 | 1,7 | 3,2 |
| Цена за 1 цикл при разряде на 80%, руб | 46,7 | 40 | 12,3 | 13,3 | 7 | 2,1 | 5,3 |
Аккумуляторы в системе бытовой гелиоэнергетики
Понимание методов и особенностей использования аккумуляторов для обеспечения электроэнергией объектов, работающих на солнечных батареях, позволит сделать правильный выбор и добиться максимальной эффективности работы системы.
Перед покупкой необходимо глубоко разобраться в способах формирования аккумуляторного массива и в правилах расчета основных параметров.
Способы объединения устройств в общий массив
Residential и промышленные объекты имеют потребление электроэнергии, превышающее возможности лишь одного аккумулятора. Когда солнечная энергетическая система разработана для значительного количества электрических устройств, необходимо создание аккумуляторного массива, который будет сопоставим с аналогичным объединением солнечных панелей.
Аккумулятор является критически важной частью автономной солнечной электростанции, необходимой для аккумулирования, хранения и подачи электроэнергии, полученной от солнца, в требуемом объеме к подключенным приборам.
Неважно, какие размеры, стоимости или емкости используются — все устройства в системах солнечной энергетики должны иметь возможность обеспечивать электроэнергией в пасмурную погоду в течение как минимум суток.
Для питания дачных домиков, хозпостроек и бытовок достаточно приобрести компактную модель аккумулятора с невысокой емкостью. Важно, чтобы он мог переносить много глубоких циклов заряда и разряда.
В зависимости от условий эксплуатации, аккумулятор подбирается с акцентом на его стойкость к погодным условиям и к низким температурам.
Подключение аккумуляторов в единый массив хранения электроэнергии можно осуществить параллельно, последовательно или комбинированным способом. Выбор зависит от необходимых выходных показателей напряжения и мощности.
Способ подключения аккумуляторов определяет значения выходного напряжения; однако не рекомендуется создавать сложные схемы, чтобы избежать образования выравнивающих токов между устройствами в массиве.
Аккумуляторы располагаются в помещении или другом строении, обеспечивая температуру окружающей среды в диапазоне от 10 до 25 градусов Цельсия, чтобы защитить их от влаги. Это существенно увеличивает срок службы устройств и сокращает потери электроэнергии.
Современные технологии изготовления аккумуляторов, предназначенных для размещения в помещениях, предполагают высокий уровень экологической безопасности. Поэтому нет необходимости в интенсивной вентиляции. Тем не менее, размещать их в жилых комнатах не рекомендуется.
Поскольку аккумуляторы имеют большой вес (например, устройство на 12 В и 200 А*ч весит около 70 кг), их следует устанавливать на пол или на прочные и хорошо закрепленные стеллажи.
Важно предотвратить падение аккумуляторов с высоты, так как это может привести к их повреждению, а системы с жидким электролитом могут быть опасны для здоровья человека при разгерметизации.
С ростом длины силового кабеля увеличивается электрическое сопротивление, что негативно сказывается на эффективности системы. Поэтому аккумуляторы стараются размещать ближе друг к другу, минимизируя общую длину проводов.
Особенности устройства и ключевые параметры
Автомобильные аккумуляторы не предназначены для работы с большим количеством циклов зарядки и разрядки. Для альтернативной и резервной энергетики используются устройства иного типа. Учитывая их высокую стоимость, требуется тщательно изучить все их параметры перед покупкой.
Режимы работы аккумулятора в автомобиле и в системе альтернативной энергетики настолько различаются, что более чем достаточно указать его назначение на самом устройстве.
Типы оборудования для альтернативной энергетики
Почти все аккумуляторы, применяемые в альтернативной энергетике и устанавливаемые в сооружениях, относятся к категории необслуживаемых. Пользователь не может провести физические манипуляции с ними, которые бы затрагивали их внутреннюю структуру.
Такое решение снижает риск вредного воздействия аккумуляторов на людей, окружающую среду и предметы. Поэтому не требуется глубокое изучение структуры и физико-химических аспектов работы различных типов аккумуляторов. В основном внимание следует уделить различиям в основных характеристиках устройств.
Обычные OPzS аккумуляторы изготовлены по близкой к базовой свинцово-кислотной конструкции. Изменение формы положительной пластины значительно увеличивает число циклов зарядки и разрядки по сравнению с автомобильными аналогами.
Однако недостатком таких батарей является присутствие жидкого электролита, что создает риск при разгерметизации. Они занимают среднюю ценовую нишу.
Щелочные (никелевые) аккумуляторы практически не применяются из-за их низкой восприимчивости к слабым токам при зарядке и необходимости полного цикла от полностью заряженного до разряженного состояния. В противном случае снижается емкость батареи.
Кроме того, эти устройства обладают большим весом и габаритами по сравнению с конкурентами такой же емкости. Они также опасны в случае разгерметизации. Эти устройства стоят недорого.
Разгерметизация аккумулятора может произойти из-за внутренних дефектов, чрезмерной мощности зарядного тока, падения с высоты или эксплуатации в неподходящих условиях. Наибольшую опасность представляют устройства, содержащие жидкости, которые могут быть опасны при испарении.
В AGM аккумуляторах электролит находится в связанном состоянии в стекловолоконной структуре. Их можно заряжать небольшими токами. Эти устройства считаются достаточно безопасными и занимают среднюю ценовую нишу среди продаж.
Гелевые аккумуляторы содержат электролит, в который добавляется оксид кремния, что делает его желеобразным. Они обладают высокой степенью безопасности и хорошими эксплуатационными характеристиками, но стоят довольно дорого.
Аккумуляторы для альтернативной энергетики не продаются в магазинах для автомобилей. Их можно приобрести у компаний, занимающихся продажей солнечных батарей, ветроэлектрических установок или через интернет.
Литиевые аккумуляторные батареи (например, модели на основе литий-железо-фосфата) демонстрируют отличные характеристики, они компактные, легкие и практически безопасны. Однако их стоимость значительно выше по сравнению с другими аналогично функционирующими устройствами, даже с гелевыми.
Типы аккумуляторов
Ассортимент аккумуляторов разнообразен. Они имеют различные конструкции, определяющие их принципы работы. Основной задачей аккумулятора является накопление полученной энергии. Когда возникает необходимость, устройство отдает эту энергию. Они могут работать в разных режимах:
- накопление энергии в течение дня с последующим её использованием ночью или в часы пик нагрузок;
- расширение функциональных возможностей освещения, когда за окном облачная погода, и солнечные панели не могут выполнять свою основную функцию.
Стоит выбрать аккумулятор с учетом особенностей работы. Не всегда используется специальный аккумулятор. Некоторые пользователи используют автомобильные аккумуляторы для этой цели. Для заданных условий желательно, чтобы такие устройства соответствовали самым высоким требованиям, однако лучше рассмотреть варианты, разработанные специально для солнечных батарей, т.к. они могут работать значительно дольше.
Гелевые аккумуляторы
ACC данного типа отличаются тем, что содержат менее объемный электролит. Структура этого вещества также отличается: она желеобразная или пастообразная. Эта характеристика и дало название – гелевые аккумуляторы. В них используются стекловолоконные сепараторы, которые обеспечивают стабильность электролита.
Гелевые аккумуляторы применяются не только для солнечных батарей, но и для газовых котлов, мотоциклов, квадроциклов и скутеров. Эти устройства способны функционировать длительное время благодаря возможности многократной перезарядки – до 1000 циклов. Они хорошо переносят механические повреждения, мелкие дефекты корпуса не ведут к их поломке.
Рабочая температура таких аккумуляторов охватывает широкий диапазон, и их можно использовать даже при сильных морозах до -50°С, что не приводит к значительной потере емкости. Они сохраняют свои показатели даже в отключенном состоянии. Установку можно проводить в различных положениях. Однако гелевые аккумуляторы имеют и недостатки:
- чувствительны к колебаниям сетевого напряжения;
- опасно заряжать их до максимума, что может привести к взрыву;
- не могут длительное время работать при низких температурах, требуется их предохранение;
- приобретение таких устройств связано с высокими расходами.
Щелочные аккумуляторы
К щелочным аккумуляторам относится никель-металлогидридный тип. Здесь в качестве положительного электрода используются оксид бария и графит, что увеличивает срок работы и улучшает проводимость активной массы. Объем электролита в таких аккумуляторах сравнительно невелик. Это связано с тем, что в процессе электрохимической реакции вещества, образующиеся в них, не растворяются в объемном электролите и не вступают с ним в реакцию.
Эти аккумуляторы требуют постоянного контроля: следует периодически проверять уровень заряда и объём электролита. Прежде чем отправить такое устройство на хранение, его следует частично или полностью разрядить. К преимуществам щелочных моделей можно отнести возможность использовать их в условиях низких температур на протяжении длительного времени, а также их высокую нагрузочную способность. Таким образом, мощность нагрузки при разряде может быть значительной за счёт подачи большого тока.
Основные критерии выбора аккумуляторов
Примеры популярных моделей разных типов аккумуляторов:
- Delta GX 12-12 – гелевый аккумулятор, параметры: емкость – 12 А*ч, напряжение – 12 В, средний срок службы – 10 лет.
- MNB ММ 200-12. Емкость – 200 А*ч, напряжение – 12 В, тип – AGM. Средняя продолжительность работы – 12 лет.
- Литий-ионный АКБ LT-LYP200. Емкость – 200 А*ч, номинальное напряжение – 3,2 В.
