СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В АВТОНОМНОМ СОЛНЕЧНОМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ

Одним из самых простых приборов, способных хранить энергию, является аккумулятор. Аккумулятор — это многоразовый источник тока, который предназначен для накопления и хранения энергии. Его работа основана на обратимых окислительно-восстановительных реакциях, что дает возможность использовать батарею многократно. Для создания аккумуляторной батареи, несколько аккумуляторов соединяют в одну цепь.

Принцип работы

Независимо от типа, любой аккумулятор работает благодаря наличию разности напряжения между пластинами из металла, погруженными в электролит.

Химические процессы, происходящие в батарее, являются обратимыми, поэтому после ее разряжения, есть возможность при помощи заряда восстановить работоспособность. Во время заряда ток пропускают в противоположном направлении, которое будет при разряде аккумуляторной батареи.

Основной характеристикой является емкость, то есть величина заряда, которую полностью заряженная батарея может отдать при разряде до наименьшего допустимого значения.

В системах автономного солнечного электроснабжения могут использоваться различные виды аккумуляторных батарей. Их выбор зависит от стоимости инженерного решения, наличия и функционала контроллера заряда, условий эксплуатации, назначения и других факторов.

Виды аккумуляторов для солнечных батарей

Все АКБ, представленные на рынке, можно разделить на 3 типа:

- свинцово-кислотные;

- щелочные;

- литий-ионные.

Свинцово-кислотные АКБ

По конструкции делятся на обслуживаемые (заливные) и необслуживаемые (герметизированные). Вторые в международной классификации обозначаются аббревиатурой SLA и содержат сернокислый электролит связанным в стекловолокне (AGM) или в виде геля. В сравнении с заливными имеют более высокие эксплуатационные характеристики и лучше приспособлены для использования в солнечной электроэнергетике.

Вне зависимости от применяемых технологий все свинцово-кислотные аккумуляторы в целом плохо переносят глубокий разряд, но способны постоянно подзаряжаться малыми токами.

Щелочные АКБ

В отличие от кислотных, щелочные аккумуляторы отлично справляются с глубоким разрядом и способны длительное время отдавать токи примерно на 1/10 емкости батареи. Более того, щелочные батареи настоятельно рекомендуется разряжать полностью, чтобы не возникал так называемый «эффект памяти», который снижает емкость АБ на величину «невыбранного» заряда.

В сравнении с кислотными, щелочные батареи имеют значительный — 20 лет и более — срок службы, выдают стабильное напряжение в процессе разряда, также бывают обслуживаемыми (заливными) и необслуживаемыми (герметизированными) и, кажется, просто созданы для солнечной энергетики. На самом деле нет, потому что не способны заряжаться слабыми токами, которые генерируют солнечные панели. Слабый ток свободно течет через щелочной аккумулятор, не наполняя батарею. Поэтому увы, но удел щелочных батарей в автономных энергосистемах - служить «банкой» для дизель-генераторов, где этот тип накопителей просто незаменим.

Литий-ионные АКБ

Батареи такого типа имеют принципиально иную «химию», чем аккумуляторы для планшетов и ноутбуков, и используют литий-железно-фосфатную реакцию (LiFePo4). Они очень быстро заряжаются, могут отдавать до 80% заряда, не теряют емкости из-за неполной зарядки или долгого хранения в разряженном состоянии. Батареи выдерживают 3000 циклов, имеют срок службы до 20 лет. Самые дорогие из всех, но в сравнении с, например, кислотными, имеют вдвое большую емкость на единицу веса, то есть их понадобится вдвое меньше.

Характеристики и требования к аккумуляторам определяются исходя из особенностей работы самой солнечной электростанции.

Аккумуляторные батареи должны:

• быть рассчитаны на большое количество циклов заряда-разряда без существенной потери емкости;
• иметь низкий саморазряд;
• сохранять работоспособность при низких и высоких температурах.

Основные технические характеристики АКБ:

• емкость батареи;
• скорость полного заряда и допустимого разряда;
• условия и срок эксплуатации.

Рассмотрев все виды аккумуляторов для систем автономного солнечного электроснабжения, их основные технические характеристики и требования, становится понятно, что литий-ионные батареи являются наилучшим из вариантов.

Изучив все предложения по литий-ионным аккумуляторам доступные на рынке, были найдены 48-вольтовые системы хранения энергии TESVOLT.

Накопители TESVOLT — это профессиональные игибкие модульные решения для различных ситуаций. Доступны конфигурации любой ёмкости с шагом 4.8 кВ∙ч для внутреннего и внешнего монтажа. Батареи TESVOLT могут работать как в автономных системах энергоснабжения, так и в сетевых. Данные системы обеспечивают бесперебойное питание частных домов, больниц и других объектов, сглаживают пики потребления, позволяют создать автономную сеть или увеличить собственное потребление от солнечной электростанции.

Технология

Каждый батарейный модуль TESVOLT содержит в себе 10 призматических литий-ионных ячеек Samsung SDI, использующих никель, марганец и кобальт в катоде (lithium NMC). Такие же ячейки применяются в электромобилях, так как обладают высокой плотностью энергии и многоуровневой системой безопасности.

Особенностью модулей TESVOLT является интеллектуальная система балансировки напряжения между ячейками, что дополнительно продлевает срок их службы и повышает надежность. Система хранения может заряжаться и отдавать энергию с высокой скоростью на постоянной основе. Система рассчитана на 8000 циклов, что гарантирует отличную экономическую эффективность.

Ячейки Samsung SDI не содержат экологически вредных тяжёлых металлов и могут быть полностью переработаны в компании TESVOLT по окончании срока службы без дополнительных затрат со стороны клиента.

Батарейные модули соединяются между собой параллельно, что сохраняет низкое напряжение при любом объёме хранилища. Такой подход делает всю систему очень гибкой и безопасной. В зависимости от ситуации, система хранения может работать как в однофазной сети (с одним батарейным инвертором), так и в трёхфазной (с тремя инверторами) [20, 21].

Стоимость данных систем хранения энергии выше, чем у многих других, однако они окупаются за счет большего срока службы. По сравнению с другими аккумуляторами эти имеют в 3-4 раза больше циклов заряда-разряда, при сохранении 70% от первоначальной ёмкости. Это значит, что система TESVOLT прослужит минимум в 3-4 раза дольше любой другой.

Расчет призматических литий-ионных ячеек Samsung SDI для батарейных модулей TESVOLT

Первым делом нужно задать величину глубины допустимого разряда АБ. Необходимо учитывать, что чем больше глубина разряда, тем быстрее АБ выйдут из строя. Рекомендуется допускать значение глубины разряда от 20 до 30%. Это значит, что можно использовать при этом 20–30% разряда от значения номинальной емкости АБ, т.е. принять коэффициент 0,2–0,3 в расчете и выборе АБ. Ни при каких обстоятельствах разряд батареи не должен превышать 80%.

В связи с тем, что призматические литий-ионные ячейки Samsung SDI могут выдержать 8 000 циклов, что в 3-4 раза больше, чем у других типов АБ, при сохранении 70% от первоначальной ёмкости, можно принять степень разряда ячеек в районе 50-60%. Принимаем коэффициент разряда АБ равным 0,6.

Определяем запас емкости:

I_запаса=I_полн./0,6  

I_запаса=65 023,8/0,6=108 373 А•ч

Выбираем коэффициент из таблицы 1, который учитывает температуру окружающей среды в помещении, где установлены АБ. Обычно это средняя температура в зимнее время. Этот коэффициент учитывает уменьшение емкости АБ при понижении температуры.

Таблица 1.

Температурный коэффициент для аккумуляторной батареи

В помещении с системами хранения энергии установлены системы кондиционирования воздуха, они поддерживают постоянную температуру воздуха на уровне 20°С. Исходя из метода линейной интерполяции, определяем коэффициент для аккумуляторной батареи 1,055.

Умножаем запас емкости на коэффициент и получаем общую требуемую емкость АБ.

I_{общего запаса}=108 373•1,055=114 333,52 А•ч

Системы хранения энергии TESVOLT состоят из призматических литий-ионных ячеек Samsung SDI. Каждый комплект TESVOLT TS 50 [20, 21] содержит 10 литий-ионных ячеек. Напряжение каждой из ячеек 48 В, а емкость равна 94 А∙ч, значит емкость всего модуля составит 940 А∙ч.

Разделим значение требуемой емкости на номинальную емкость одного модуля. Округлим полученное значение до ближайшего большего целого.

N₁=I_{общего запаса}/I_{емк. модуля}  

N₁=114 333,52/940=121,63≈122 шт.,

где N₁ – количество модулей, которые будут соединены параллельно.

Разделим номинальное напряжение постоянного тока системы на номинальное напряжение выбранной аккумуляторной батареи. Округлим полученное значение до ближайшего большего целого и получить значение последовательно соединенных батарей.

N₂=48/48=1 шт.,

где N₂ – количество модулей, которые будут соединены последовательно.

Таким образом определим общее количество модулей TESVOLT TS 50.

Список литературы:

1. Алиев И.И. Электротехнический справочник. М.: ИП РадиоСофт, 2010. - 384 с.
2. Кропочева Л.В, Комар В.Н., Иванова Е.A. Принципы формирования энергосистемы и перспективы ее развития: пособие. -Гродно: ГрГу,2015. -39 c.
3. Козловская В.Б., Радкевич В.Н., Сацукевич В.Н. Электрическое освещение: справочник. – Минск: Техноперспектива, 2007. – 255 с.