Аккумуляторы для солнечных батарей: обзор видов подходящих батарей и их особенностей

Краткое описание

Активное использование солнечной энергии — это доступная и экономически выгодная альтернатива привычным для всех источникам энергии. Современные технологии позволяют всем желающим использовать солнечные панели для освещения улиц, домов, а также для отопления. В наше время все чаще встречаются такие агрегаты на загородных участках, где они обеспечивают все хозяйство электроэнергией. Само устройство панели представлено в виде универсальных преобразователей фотоэлектрического типа, которые соединены в единую систему. Для работы такой установки необходимо наличие солнечных лучей, энергия которых постепенно преобразовывается в электричество. Специалисты рекомендуют устанавливать аккумуляторные батареи для солнечных панелей в тех регионах, где чаще всего наблюдаются солнечные дни

На сегодняшний день специалисты различают три наиболее востребованные категории АКБ:

• Профессиональные тонкопленочные.
• Универсальные поликристаллические.
• Оригинальные монокристаллические.

Наиболее востребованными считаются именно поликристаллические устройства, так как их кристаллы направлены в разные стороны, что снижает уровень зависимости от прямых солнечных лучей. Универсальность и эффективность таких батарей широко используется для освещения частных домов и больших зданий. Даже в средней полосе России такие устройства используются для снижения количества потребляемой электроэнергии из общей сети, а в летнее время пользователи могут даже зарабатывать на продаже лишней энергии.

Принцип действия накопителей энергии

Аккумулятор — устройство, позволяющее сохранять и отдавать ток. Принцип его действия построен на обратимости химических процессов. В общем случае, энергия сохраняется в положительно заряженном ионе составляющего вещества, который при подаче тока на батарею интегрируется в кристаллическую решетку графита, солей или оксидов металлов, с возникновением их химической связи.

В сущности, любой аккумулятор состоит из двух различных по материалам электродов, погруженных в электролит, облегчающий перемещение ионов с одного на другой. Направление движения тока задается свойствами самих металлов, используемых в качестве проводящих контактов. Обладающий большим удельным сопротивлением становится катодом, меньший — анодом. В техническом сленге первый называется минусом питания, второй плюсом.

При заряде батареи основа анода растворяется, с переносом ионов, содержащих два электрона на катод. При разряде происходит обратная реакция, с освобождением частиц энергии и восстановлением изначального металла анода. Конечно, цикл не бесконечен, так как в любом случае происходят потери материала в процессе химических реакций. Максимальное количество периодов заряда и разряда — одна из главных характеристик батареи, которая непосредственно зависит от использованных в ней металлов для основы электрода и катода. Важна и скорость прохождения реакции, а также побочные эффекты, происходящие в их процессе. К примеру, нагрев — чем большим током происходит заряд аккумулятора, тем быстрее идет реакция переноса, во время которой электролит нагревается, так как через него проходит большее количество заряженных частиц. Слишком большие значения токов могут вызвать закипание проводящего вещества, в результате которого произойдет выделение газов, в свою очередь, разрушающих корпус батареи.

Емкость аккумулятора, как еще одна из главных его характеристик, определяется площадью анода и катода. Чтобы увеличить ее, множество связанных пластин, выполненных из металлов обоих контактов, чередуются внутри батареи, разделяемые нейтральной прослойкой, не мешающей перемещению ионов.

Популярные типы аккумуляторов глубокого разряда

Затопленный свинцово-кислотный

Залитые свинцово-кислотные батареи, как батареи глубокого цикла с самой длинной историей, обычно хорошо принимаются, несмотря на необходимость регулярного обслуживания. На самом деле, они хорошо известны как наиболее часто используемые аккумуляторы для автомобилей и грузовики, а по мнению специалистов его дистиллированная вода рутинная заправка, может быть, в конце концов, это не так уж и беспокоит владельцев автомобилей.

Доказанная надежность и длительный срок службы ввиду их толстые сетки из сплава сурьмы, по сравнению с типичными сетками из кальциевого сплава аккумуляторов VRLA, являются некоторыми из особенностей, которые делают залитые свинцово-кислотные аккумуляторы популярными. 

Однако тот факт, что они имеют самые экономичные цены среди всех типов батарей глубокого цикла, может быть главной привлекательностью для большинства. Например, можно получить Оптовая затопленная свинцово-кислотная батарея с достаточной мощностью для вилочных погрузчиков и других небольших электромобилей менее чем за 50 долларов США.  

Между тем, для залитые свинцово-кислотные батареи, подходящие для солнечной энергии или хранение энергии ветра, такое как показано на рисунке ниже, цены варьируются от 80 до 100 долларов США + для любого оптовые заказы.

AGM 

Аккумуляторы AGM являются наиболее популярным типом аккумуляторов VRLA из-за их рентабельного уровня цены и улучшенного преимущества безопасности по сравнению с гелевыми аккумуляторами. В отличие от гелевых аккумуляторов глубокого цикла с электролитами, взвешенными в корпусе аккумулятора с помощью гелевой пасты, аккумуляторы AGM полностью удерживают электролит в стекловолоконном мате, что значительно увеличивает его срок службы. защита от протечек.

Дело в том, что Аккумуляторы AGM могут поддерживать более высокую емкость и все же прийти с более низкое внутреннее сопротивление причина, по которой они предпочтительнее других свинцово-кислотных аккумуляторов, особенно для приложений с большой нагрузкой, требующих быстрой зарядки, таких как автомобили для кемпинга и отдыха.

Доступность аккумуляторов AGM особенно очевидна для тех, которые подходят для легких электромобилей, таких как этот. Аккумулятор AGM емкостью 75 Ач идеально подходит для электровелосипеда. или другой Аккумулятор AGM емкостью 120 Ач который похож на тот, что изображен на картинке ниже:

Аккумуляторы AGM для хранения солнечной энергии или RV, с другой стороны, обычно имеют более высокую цену, учитывая их гораздо большую емкость. Некоторые могут легко стоимость более 250 долларов США даже на уровне оптового оптового заказа. Однако есть и меньшие емкости. Аккумуляторы AGM для хранения солнечной энергии емкостью от 75 Ач и поэтому предлагаются по гораздо более низкой оптовой цене.

На литиевой основе

По сравнению со всеми другими типами аккумуляторов глубокого разряда разработка литиевых аккумуляторов, получивших официальное название с изобретением литий-ионные аккумуляторы в 1985 году, все еще находится в зачаточном состоянии. Тем не менее, как последнее изобретение в семействе батарей глубокого цикла, литиевые батареи часто хвалят как лучший тип батарей глубокого цикла.

И неслучайно именно так воспринимаются аккумуляторы на основе лития. От рейтинга c до срока службы до глубины разряда и даже плотности энергии, которая измеряет, сколько энергии батарея может хранить с учетом ее размера или веса, все результаты показывают, что чем другие батареи глубокого цикла. Тем не менее, батареи на основе лития, как правило, без проблем и значительно легче, когда речь идет о весе и проблемах с эффектом памяти.

Несмотря на его чрезвычайно растущую популярность, основным недостатком, вероятно, по-прежнему является его довольно высокая цена, хотя ожидается, что она резко снизится в ближайшем будущем. На уровне оптового заказа Литий-ионный аккумулятор 12В от 100Ач, например, может по-прежнему стоить около 150 долларов США за штуку. 

В то же время единый Литий-ионный аккумулятор OEM 12 В емкостью 50 Ач может стоить как минимум еще 100 долларов США дополнительно. А литиевая батарея высокого класса с другой стороны, подходящий для хранения солнечной энергии, имеет минимальную стартовую цену в 1500 долларов США даже при оптовых заказах. Более сбалансированный подход, который оптовик может принять для решения этих различных уровней затрат, состоит в том, чтобы работать с производитель нестандартных литиевых аккумуляторов для разработки адаптированного, конкретного напряжения для целевых приложений.

Плюсы и минусы альтернативной отопительной системы

Достоинств у солнечной системы обогрева не так много, но каждое из них весомо и может стать причиной для частных экспериментов:

• Экологические достоинства. Это безопасный для жильцов дома и окружающей природы, чистый источник тепла, не требующий применения традиционных видов топлива.
• Автономность. Владельцы систем абсолютно не зависят от цен на энергоносители и от экономической обстановки в стране.
• Экономичность. При сохранении традиционной отопительной системы появляется возможность снизить затраты на оплату горячего водоснабжения.
• Общедоступность. Для установки солнечных систем не нужно разрешения из государственных инстанций.

Но существует и неприятные моменты, способные испортить общую картину. Например, для определения эффективности работы системы потребуется продолжительный период – не менее 3 лет (при условии, что солнечной энергии достаточно и она используется активно).

Установка только солнечных модулей потребует больших вложений: самые дешевые кремниевые панели обойдутся не менее 2200 руб. за штуку, а поликристаллические шестидиодные элементы первой категории – до 17000 за штуку. Подсчитать стоимость 30 модулей довольно просто (+)

Пользователи отмечают следующие недостатки:

• высокие цены на оборудование, необходимое для запуска системы в эксплуатацию;
• прямая зависимость количества произведенного тепла от географического положения и погоды;
• обязательное наличие резервного источника, например, газового котла (на практике зачастую резервной оказывается гелиосистема).

Чтобы добиться большей отдачи, приходится регулярно следить за исправностью коллекторов, очищать их от мусора и беречь от образования наледи в заморозки. Если температура часто опускается ниже отметки 0ºС, нужно позаботиться о дополнительной теплоизоляции не только элементов гелиосистемы, но и дома в целом.

Виды аккумуляторов для солнечных батарей

В настоящей момент разработаны и выпускаются различные по конструкции, принципу действия и условиям работы аккумуляторные батареи (АКБ), поэтому всегда есть возможность выбрать интересующую модель по предъявляемым к ней требованиям. Рассмотрим существующие виды АКБ, используемые в составе солнечных электростанций.

Почему не автомобильные

Очевидным, на первый взгляд, решением становится установка на солнечную электростанцию нескольких автомобильных  аккумуляторов от грузовика – 180-250Ач.

Мощности сборки таких аккумуляторов действительно должно хватать на питание дома, да и стоимость одной такой батареи начинается с 65$ (за тюменскую батарею), однако авто аккумуляторы рассчитаны на применение в совершенно других условиях и разряд даже на 30% для них – экстремальные условия. В то же время они могут выдавать высокие пусковые токи (для запуска двигателя авто), которые в условиях жилого дома вряд ли пригодятся.

Автомобильный аккумулятор

Режим использования в автомобиле отличается от применения аккумуляторов в системе солнечных электростанций. В светлое время суток контроллер в основном только заряжает батарею, а в темное – батарея «кормит» все токоприемники. В этом режиме авто аккумулятор сможет прослужить не больше года, после чего емкость будет очень быстро падать, повышается риск закипания и внезапного выхода из строя.

Аккумуляторы AGM и GEL

Гелевый аккумулятор

Суть работы аккумуляторов данного вида аналогичен автомобильным аккумуляторам с разницей лишь в том, что электролитное вещество пребывает в связанном состоянии. В AGM устройствах электролит помещён в стекловолокно, оно пропитано электролитным составом. В GEL устройствах электролит (серная кислота) помещается в гелеобразном виде.

Аккумуляторные батареи представленного вида широко используются в системах электростанций, работающих на энергии солнца, так как режим их работы связан с небольшим разрядным током и в продолжительный период времени, такой режим для устройств этого видане критичен.

Также АКБ данного типа не боятся глубокого разряда и выдерживают многократное повторение режимов «заряд-разряд». Единственный минус, при использовании подобных аккумуляторов, это их чувствительность к условиям зарядки, перезаряд может вызвать непоправимые последствия в работе АКБ.

Стоимость AGM и GEL аккумуляторов выше, чем у автомобильных.

Аккумуляторы OPzS

Аккумулятор OPzS

Аккумуляторы данного вида работают на том же принципе, что и приведенные выше (свинцово-кислотные), с той лишь разницей, что анод (положительный полюс) выполнен трубчатым и именно эта особенность АКБ, позволяет увеличить количество циклов «заряд-разряд» без нарушения функционирования аккумулятора. OPzS-аккумуляторы не требуют специального обслуживания, они успешно эксплуатируются длительное время. Единственный неприятный момент – сравнительно высокая цена.

Щелочные аккумуляторы

Положительным качеством АКБ данного вида является способность переносить глубокий разряд токами разной величины.

К отрицательным качествам можно отнести большие размеры и наличие эффекта памяти, который обусловлен тем, что в случае неполного разряда при последующей зарядке аккумулятор теряет часть своей ёмкости.

Щелочной аккумулятор

В случае использования подобных аккумуляторов в системах солнечных электростанций периодически будут возникать ситуации, когда разряд АКБ будет неполным, вследствие чего аккумуляторы потеряют часть своей ёмкости, что в конечном счете неблагоприятно отразится на работе системы в целом.

Литиевые АКБ

Литиевая батарея

К положительным свойствам литиевых АКБ можно отнести высокую энергоемкость, небольшие габариты, способность выдерживать глубокий разряд и способность к быстрому заряду.

Виды аккумуляторов

Для солнечных батарей можно использовать по сути любой аккумулятор. Но главное, чтобы он работал долго. Функционирование АКБ имеет зависимость от типа изготовления и материалов.

Основные виды накопителей энергии:

1. Литиевые.
2. Свинцово-кислотные.
3. Щелочные.
4. Гелевые.
5. AGM
6. Заливные никель-кадмиевые.
7. OPZS.

Литиевые

Энергия появляется в них в тот момент, когда ионы лития вступают в реакцию с молекулами металлов. Металлы — это дополнительные компоненты.

Данные типы батарей способны очень быстро заряжаться при большой емкости. Весят данные АКБ мало и обладают компактным размером. Кроме этого их себестоимость достаточно высока. Из-за этого их почти не применяют в солнечные энергетики. Работают в 2 раза меньше чем гелевые. Но прослужить еще меньше если заряд превысит 45%. Именно на этой отметке они способны удерживать объем емкости на нужном уровне.

Подобные аккумуляторы функционируют в малых диапазонах напряжения. Существенный минус подобных устройств заключается в уменьшающейся со временем емкости. И это не зависит от соблюдения всех технических правил.

Свинцово-кислотные

На стадии разработки их оснастили несколькими отсеками для электролита с водяным раствором. В эту смесь погружают свинцовые электроды и различные примеси. Благодаря этому АКБ получился стойким к коррозии.

Работают такие устройства не долго. Это объясняется быстротой разряда.

Щелочные

Данные аккумуляторы имеют мало электролита. Их химические вещества не способны в нем раствориться. Они даже не реагируют между собой.

Алкалиновые (щелочные) аккумуляторы способны проработать достаточно долго. Они хорошо устойчивы к скачкам напряжения. В отличие от гелевых данные АКБ способны стабильно работать при пониженных температурах. Причем на морозе они способны проработать много времени.

Хранить их нужно разряженными на 100%. Это нужно для того, чтобы не потерять емкость при будущих зарядках. Такая особенность может серьезно нарушить функционирование солнечной электростанции.

Гелевые

Этот тип имеет такое название потому что электролит в нем представлен в виде геля. За счет решетчатой прослойке он практически не течет.

Данный аккумулятор для солнечных батарей работает долго и может быть много раз перезаряжен. Устойчив к механическим повреждениям. Разного рода трещины не нарушат его функционирование.

Он может работать при низких температурах до -50 градусов и его емкость не снижается. После длительного бездействия гелевый аккумулятор не теряет своих свойств.

Если предстоит использовать этот АКБ в холодном помещение, то его следует утеплить. Ни в коем случае нельзя превышать уровень заряда. В противном случае он может взорваться или выйти из строя. Кроме этого они сильно чувствительны к скачкам напряжения.

AGM

По сути они принадлежат к типу свинцово-кислотных. Но есть отличие — это находящееся внутри стекловолокно, находящееся в электролите. Кислота наполняет прослойки этого материала. Это дает возможность ей не растекаться. Все это говорит о том, что подобный аккумулятор для солнечных батарей можно располагать в любом положении.

Подобные батареи имеют хороший объем емкости, работают долго и могут подзаряжаться до 500 или 1000 раз. Здесь все зависит от производителя. Но несмотря на все достоинства есть существенный недостаток. Они чувствительны к повышенному току. Это может раздуть корпус.

Литые никель-кадмиевые АКБ

Относятся к щелочному типу и нуждаются в заливке электролита. В отличие от аккумуляторов с желеобразным наполнителем они более безопасны. Их стоимость не высока и мощность держат достаточно хорошо. Способны отлично выдерживать много циклов заряда и разряда.

Срок эксплуатации достаточно мал. Чем дольше им пользуешься, тем меньше становится его емкость.

Аккумуляторы для автомобиля

Эти устройства достаточно выгодны в плане экономии денежных средств. Люди, которые самостоятельно изготавливают свою солнечную электростанцию чаще всего используют их.

Минус данных АКБ заключается в быстром износе и частой замене. В результате их можно использовать на небольшой срок и под не высокую мощность солнечных модулей.

Разновидности и определяющие показатели работы

Еще один немаловажный показатель при выборе – жидкокислотные (AGM) или гелиевые (GEL) аккумуляторы. Принято подразумевать под жидкокислотными аккумуляторами только автомобильные, но это не совсем так. Обычный автомобильный источник питания предназначен для быстрой подачи большого тока к стартеру, но не всегда способен обеспечить достаточное число циклов. OPzS – аккумулятор, имеющий максимальное количество зарядов и требующий контроля за основными параметрами электролита.

Этот универсальный источник подачи напряжения, тем не менее, достаточно дорог, и поэтому так и не получил широкой популярности. Гелевые аккумуляторы – имеют более доступную цену, и поэтому в солнечных электростанциях применяются довольно часто. А самыми дешевыми вариантами батарей стали на сегодняшний день AGM – и в этом состоит его популярность.

При выборе этих устройств необходимо учесть и срок их службы. 10- летний продолжительность работоспособности кислотных и гелевых батарей, бесспорно, делает этот выбор предпочтительней.

Кроме того, для различных типов солнечных батарей существуют модифицированные источники питания. Это не только внешние аккумуляторы, но и встроенные в один корпус с самой батареей. Они обеспечивают гарантированное питание различной бытовой и специальной аппаратуры и техники.

Схема устройства солнечной электростанции

Рассмотрим, как устроена и работает гелиосистема для загородного дома. Главное ее назначение – преобразовать энергию солнца в электричество 220 В, которое является основным источником питания для домашних электроприборов.

Основные части, из которых состоит СЭС:

1. Батареи (панели), преобразующие солнечное излучение в ток постоянного напряжения.
2. Контроллер, регулирующий заряд АКБ.
3. Блок аккумуляторных батарей.
4. Инвертор, преобразующий напряжение АКБ в 220 В.

Конструкция батареи продумана таким образом, что позволяет оборудованию функционировать в различных погодных условиях, при температуре от -35ºС до +80ºС.

Выходит, что правильно установленные солнечные батареи будут работать с одинаковой производительностью и зимой, и летом, но при одном условии – в ясную погоду, когда солнце отдает максимальное количество тепла. В пасмурную эффективность работы резко снижается.

Эффективность СЭС в средних широтах велика, но не настолько, чтобы полностью обеспечивать электричеством большие дома. Чаще гелиосистема рассматривается как дополнительный или резервный источник электроэнергии

Вес одной батареи на 300 Вт равен 20 кг. Чаще всего панели монтируют на крышу, фасад или специальные стойки, установленные рядом с домом. Необходимые условия: разворот плоскости в сторону солнца и оптимальный наклон (в среднем 45° к поверхности земли), обеспечивающий перпендикулярное падение солнечных лучей.

При возможности устанавливают трекер, отслеживающий движение солнца и регулирующий положение панелей.

Верхняя плоскость батарей защищена закаленным противоударным стеклом, которое легко выдерживает удары града или тяжелые снежные наносы. Однако необходимо следить за целостностью покрытия, иначе поврежденные кремниевые пластины (фотоэлементы) перестанут работать

Контроллер выполняет насколько функций. Кроме основной – автоматической регулировки заряда АКБ, контроллер регулирует подачу энергии от солнечных батарей, предохраняя тем самым аккумулятор от полной разрядки.

Для самодельных гелиосистем лучшим выбором являются гелевые аккумуляторы, отличающиеся сроком бесперебойного функционирования 10-12 лет. После 10-летней работы их емкость уменьшается примерно на 15-25 %. Это необслуживаемые и абсолютно безопасные устройства, не выделяющие вредных веществ.

Зимой или в пасмурную погоду панели также продолжают работать (если их регулярно очищать от снега), но выработка энергии снижается в 5-10 раз

Задача инвертеров – преобразовывать постоянное напряжение от АКБ в переменное напряжение 220 В. Они отличаются такими техническими характеристиками, как мощность и качество получаемого напряжения. Синусовое оборудование способно обслуживать наиболее «капризные» к качеству тока приборы – компрессоры, бытовую электронику.

Подсчитано, что на 1м² поверхности планеты падает примерно1кВт солнечной энергии, а 1м² батареи на фотоэлементах преобразует около 160-200 Вт. Следовательно, КПД равняется 16-20%. При правильном устройстве этого вполне хватает, чтобы снабдить электричеством все маломощные приборы в доме

Контроллер показывает заряд батарей в процентном обозначении. Если 24-вольтовое оборудование демонстрирует заряд аккумуляторов в 27 В, значит они заполнены на все на 100%

Пара мощных гелевых аккумуляторов 200 А-ч с (показатель мощности 4,8 кВт). Это сутки работы электроприборов при безостановочном потреблении 180-200 Вт. Накопители энергии морозоустойчивы, то есть их можно устанавливать на чердаке, а так как безопасны – то и рядом с жилыми помещениями.

На цифровом дисплее инвертора обычно показаны два параметра: потребляемая мощность и общее напряжение энергосистемы. Дополнительная опция зарядного устройства позволяет подключать электрогенератор и оперативно заряжать АКБ (если нет солнца)

Простейшая схема солнечной электростанции, включающая главные составные элементы. Каждый из них выполняет свою функцию, без которой работа СЭС невозможна

Расчет и выбор аккумулятора

Сила тока не должна превышать штатный и максимальный разрядный ток аккумулятора

Чтобы выбрать подходящую аккумуляторную батарею нужно вычислить значения 2 параметров:

• мощность, потребляемую всеми электроприборами за сутки;
• мощность и разрядные токи подбираемой батареи.

Для первого параметра порядок действий следующий:

1. Рассчитать мощность, потребляемую 1 прибором за сутки по формуле: P = P₁ * (T₁ / T₂), где Р₁ – мощность прибора, указанная в паспорте или на корпусе, Т₁ – время использования, Т₂ – 24 часа. Для обогревателей и подобных устройств Т₂ принять равным 30 часов.
2. Умножить полученную мощность на 5 коэффициентов: минимальный уровень разряда батареи (0,85, если минимальный уровень – 15%), КПД инвертора (0,92-0,96, указан в паспорте), КПД соединительных кабелей (0,98), потеря емкости АКБ со временем (0,7).
3. Повторить предыдущие 2 шага со всеми приборами и сложить полученные результаты.

Для второго параметра порядок действий следующий:

1. Определить мощность 1 АКБ, умножив ее напряжение на емкость.
2. Определить емкость массива батарей с учетом КПД аккумуляторов: 0,8 для новых и 0,55 для изношенных. В первом случае мощность массива должна быть на 30-35% больше потребляемой мощности. Во втором – на 10%.
3. Подсчитать силу тока, требуемую для работы всех электроприборов. Она не должна превышать штатный и максимальный разрядный ток аккумулятора. Продолжительная работа с превышением этих значений ускоряет износ аккумулятора.

Подводя итог, можно сказать, что существует 5 видов АКБ, накапливающих энергию, выработанную солнечными панелями. Чтобы правильно подобрать батарею с нужными параметрами нужно провести несложный расчет.

Как вам статья?

Мне нравитсяНе нравится