Солнечные аккумуляторы: обзор различных видов, правила выбора и схема подключения

На что обратить внимание

Определить тип батареи, который подойдет для ваших нужд – это только полдела. Параметры, которые нужно учитывать при покупке любого аккумулятора.

1. Емкость
2. Скорость заряда
3. Глубина разряда
4. Условия эксплуатации

Делать расчеты, удерживая в памяти все требования к аккумуляторам – сложно. Если обратиться к консультанту, он не только поможет рассчитать емкость батареи, но и даст практические советы по ее транспортировке, установке и хранению. Одно из мест, где можно получить такую консультацию- сайт https://sunenergy.com.ru/product-category/akkumulyatornie-batarei/

Сравнение различных типов батарей

Свинцовые батареи стоят дешевле, но они имеют более короткий срок службы и по современным меркам низкую плотность энергии, а некоторые из них требуют регулярного технического обслуживания, чтобы поддерживать их в рабочем состоянии. Литиевые батареи дороже, но они не требуют технического обслуживания и имеют более длительный срок службы, что соответствует их более высокой цене. Давайте более подробно рассмотрим какой лучше взять аккумулятор для солнечных электростанций, плюсы и минусы каждого варианта и объясним, почему вы можете выбрать один из них для своей системы.

Свинцово-кислотные с жидким электролитом

Свинцово-кислотная АКБ с жидким электролитом

Отличительной особенностью этих батарей является то, что свинцовые пластины погружены в жидкий электролит. Их необходимо регулярно проверять и доливать каждые 1-3 месяца, чтобы они работали должным образом. Халатное отношение к обслуживанию может сократить их срок службы и аннулировать гарантию. Поскольку в ходе эксплуатации этот тип АКБ может выделять опасные газы, их необходимо устанавливать в вентилируемом помещении, чтобы позволить газам батареи выходить наружу.

Герметичные свинцово-кислотные

Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор

Герметизированные бывают двух типов: AGM и GEL, которые имеют много схожих свойств. Они практически не требуют обслуживания и влагозащищены. Отличия заключаются в электролите – в гелевом аккумуляторе он находится в загущенном состоянии, а в AGM электролит абсорбирован в стекловолокне. Считается, что они не выделяют газы, это не совсем так, поскольку для защиты аккумуляторов предусмотрены клапаны, которые могут открываться в экстренных ситуациях.

Панцирные OPzS и OPzV

Панцирные аккумуляторы типов OPzS и OPzV

Эти аккумуляторы являются разновидностью свинцово-кислотных аккумуляторов: OPzS – с жидким электролитом, а OPzV с электролитом в виде геля. Минусы – низкая плотность энергии и нелинейные разрядные характеристики, свойственные всем свинцовым аккумуляторам. Из плюсов можно отметить 1200-1500 циклов, при глубине разряда на 80%, что в 2-3 раза больше в сравнении с обычными свинцово-кислотными АКБ, но и более высокую цену, которая соизмерима уже со стоимостью LiFePo4 аккумуляторов.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы

Одним из лучших химических составов литиевых АКБ для солнечных батарей является литий-железо-фосфат LiFePO4, он же LFP, еще встречается название «Лифер». Эта технология имеет в несколько раз больший срок службы, чем у свинцовых АКБ и может использоваться при более глубоких циклах. Благодаря линейным разрядным характеристикам можно использовать меньшую емкость, при разряде большими токами. Они также не требуют обслуживания или вентиляции, в отличие от заливных свинцово-кислотных батарей. LiFePO4 это одна из разновидностей литий-ионных батарей, но в отличие от них LiFePO4 пожаро-взрывобезопасны.

Литий-титанатные, они же LTO

Литий-титанатная АКБ

Можно уверенно сказать, что это великолепные аккумуляторы и одни из лучших на данный момент и они имеют все вышеперечисленные плюсы LiFePO4 аккумуляторов, но и еще могут заряжаться просто огромнейшими токами в 10С (для сравнения «свинец» можно заряжать токами 0,1 – 0,2С) и имеют ресурс 16000 циклов. Из минусов можно отметить высокую цену и больший вес в сравнении с LiFePO4.

Литий-ионные, они же Li-ion

Имеют очень высокую плотность энергии и малый вес, благодаря чему широко применяются на электротранспорте, в том числе в Тесле, но имеют существенный недостаток — при повреждениях и при работе в нештатном режиме могут воспламеняться. У LiFePO4 и Литий-титанатных аккумуляторов отсутствует этот недостаток, поэтому они более предпочтительны для использования в автономных и бесперебойных системах.

Литий-ионный аккумулятор

Подводя промежуточный итог, можно отметить, что первоначальные вложения на литиевые батареи больше, но при эксплуатации стоимость владения получается значительно ниже — за время эксплуатации литиевых аккумуляторов приходится несколько раз заменить свинцовые АКБ.

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

Как выбрать контроллер?

Контроллер обеспечивает оптимальный уровень напряжения в сети и сохранность аккумулятора. Ключевой характеристикой при выборе является  пропускная мощность — тот объем мощности, который проходит через контроллер.

Основные функции контроллера:

1. Автоматический заряд АКБ, когда он полностью или частично разряжен, и отключение от модулей, когда он полностью заряжен, для предотвращения перезаряда. Что, в свою очередь, продлевает срок службы.
2. Контроль напряжения в сети — произойдет отключение электроприборов, если уровень заряда будет меньше порогового значения.
3. Включение и выключение подачи энергии в накопитель происходит по заданным параметрам.

Виды контроллеров

Контроллеры типа on-off

Это самый простой вид, который работает только на включение и отключение панелей от накопителя при полном разряде и заряде. В настоящее время используются более сложные устройства для обеспечения более продуктивной работы.

Контроллеры ШИМ

Приборы этого типа автоматически устанавливают показатели напряжения и силы тока, а также отличаются четырех стадийным циклом для максимальной сохранности электроэнергии:

1. При разряженном аккумуляторе на первом этапе используется вся возможная мощность батарей.
2. Второй этап — зарядка с поддержанием и медленным ростом постоянного напряжения.
3. Третий этап — при значениях заряда, близких к максимальным, контроллер уменьшает силу тока, а напряжение продолжает быть стабильным, что позволяет довести заряд до 100%.
4. Сохранение максимального заряда путем перехода на четвертом этапе в режим уравновешивания.

Контроллеры МРРТ

Этот вид устройств наиболее оптимально подходит для электростанций и помогает повысить эффективность на 25-35%.

МРРТ в реальном времени определяет напряжение и силу тока и подает нужное соотношение с учетом уровня заряда.

За счет своих свойств МРРТ делают возможным сочетание в одной системе высокомощных панелей и среднего по мощности аккумулятора, что позволяет рационально использовать и распределять электричество в облачную погоду (работа на полную мощность) и при активном Солнце (контроллер будет понижать напряжение до оптимального).

1. Параметр максимального напряжения стоит подбирать с учетом дополнительных 20-25% для полноценной работы в условиях, отклоняющихся от нормы.
2. Общая мощность элементов должна быть меньше произведения силы тока и напряжения, с учетом дополнительного запаса в 15-20%.
3. Чем больше показателей может учитывать контроллер, тем меньший процент электроэнергии будет потерян при использовании системы.

Расчет необходимой емкости батарей

Емкость аккумуляторных батарей рассчитывают, исходя из предполагаемого периода автономной работы без подзарядки и суммарной мощности потребления электроприборов.

Среднюю по временному интервалу мощность электроприбора можно рассчитать следующим образом:

P = P1 * (T1 / T2),

Где:

• P1 – паспортная мощность прибора;
• T1 – время работы прибора;
• T2 – общее расчетное время.

Практически на всей территории России существуют длительные периоды, когда солнечные батареи не будут работать по причине плохой погоды.

Устанавливать большие массивы аккумуляторов для их полной загруженности всего несколько раз в год нерентабельно. Поэтому к выбору интервала времени в течение которого устройства будут работать только на разряд необходимо подойти исходя из среднестатистического значения.

Количество генерируемой солнечными панелями энергии зависит от плотности облаков. Если пасмурная погода в регионе не редкость, то недостаток входящей мощности необходимо учитывать при расчете объема аккумуляторного блока

В случае длительного периода, когда нет возможности использовать солнечные батареи, необходимо применить другую систему получения электроэнергии, основанную, например, на дизель- или газогенераторе.

Заряженный на 100% аккумулятор может до своей полной разрядки выдать мощность, которую можно рассчитать по формуле:

P = U x I

Где:

• U – напряжение;
• I – сила тока.

Так, один аккумулятор с параметрами напряжения 12 вольт и силы тока 200 ампер, может сгенерировать 2400 ватт (2,4 кВт). Для расчета суммарной мощности нескольких аккумуляторов, необходимо сложить значения, полученные для каждого из них.

В продаже есть аккумуляторы с большим показателем мощности, но они стоят дорого. Иногда намного дешевле приобрести несколько обыкновенных устройств в комплекте с соединительными кабелями

Полученный результат необходимо умножить на несколько понижающих коэффициентов:

• КПД инвертора. При правильном согласовании напряжения и мощности на входе в инвертор будет достигнуто максимальное значение от 0,92 до 0,96.
• КПД силовых кабелей. Минимизация длины проводов, соединяющих аккумуляторы и расстояния до инвертора необходима для снижения электрического сопротивления. На практике значение показателя составляет от 0,98 до 0,99.
• Минимально допустимое разряжение батарей. Для любого аккумулятора существует нижний предел зарядки, при преодолении которого срок службы устройства значительно снижается. Обычно, контроллеры выставляют на минимальное значение зарядки 15%, поэтому коэффициент равен около 0,85.
• Максимально допустимая потеря емкости до смены аккумуляторов. Со временем происходит старение устройств, повышение их внутреннего сопротивления, что приводит к безвозвратному уменьшению их емкости. Использовать устройства, остаточная емкость которых менее 70% нерентабельно, поэтому значение показателя нужно взять за 0,7.

В итоге значение интегрального коэффициента при расчете необходимой емкости для новых аккумуляторов будет приблизительно равно 0,8, а для старых, перед их списанием – 0,55.

Для обеспечения дома электроэнергией при протяженности цикла заряда – разряда равной 1 суткам потребуется 12 аккумуляторов. Когда один блок из 6 устройств будет работать на разряд, второй блок будет заряжаться

Правила эксплуатации

При эксплуатации аккумуляторных батарей, как впрочем и любого технического устройства, необходимо соблюдать правила. В случае использования АКБ в системах солнечных станций, правила эксплуатации определены характером работы подобных систем и выражены в требованиях предъявляемым к аккумуляторам, о чем написано выше.

В связи с большой электрической нагрузкой, которую как правило подключают к системам энергоснабжения, приходится включать в работу несколько аккумуляторных батарей, объединённых в единую группу. Делается это для увеличения общей емкости и для увеличения напряжения на выходе либо для достижения обеих задач.

Используется три схемы включения группы аккумуляторов:

Последовательно. При таком включении емкость группы будет равна ёмкости одного аккумулятора, а
напряжение будет отражено в сумме напряжений всех АКБ группы.

Параллельно. При таком включении напряжение неизменно и равно номинальному напряжению одного аккумулятора, а емкость группы определяется как сумма емкостей включенных АКБ;

Комбинировано. При данной схеме включения используется последовательное и параллельное включение АКБ.

При объединении аккумуляторов в группы следует помнить, что в одной группе следует использовать АКБ:

1. Одного вида;
2. Одной емкости;
3. Одного номинального напряжения.

Желательно, чтобы аккумуляторы были одинакового времени эксплуатации и фирмы производителя.

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Спасибо, что дочитали до конца!

Не забывайте ,  в ДЗЕНе

Если статья Вам понравилась!

Следите за нами в твиттере:

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши комментарии

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:        

ALTER220 Портал о альтернативную энергию

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее!!!

Оптимальный температурный режим

Любые батареи крайне негативно переносят резкие перепады температуры, это касается тех случаев, когда температура превышает отметку +45 ˚С или же понижается до -20 ˚С. Из-за того, что панели могут подвергаться внезапному нагреву и даже самовоспламенению, их строго запрещено держать возле открытого огня. Стоит отметить, что попадание каких-либо атмосферных осадков или обычной проточной воды на батарею просто недопустимо, так как могут возникнуть токи саморазряда, которые спровоцированы дополнительными цепями электроэнергии.

Специалисты привыкли различать аккумуляторы для солнечных панелей по типу конструкции корпуса:

• Герметические модели, использующие замкнутый цикл. Они могут быть малообслуживаемыми (требуют постоянного контроля и доливки дистиллированной воды), а также необслуживаемыми (отличаются высокой чувствительностью к перезаряду и глубокому разряду).
• Требующие постоянного контроля над уровнем электричества и его постоянного восстановления, когда происходит выкипание паров.

Батареи со встроенными элементами питания

Солнечная батарея со встроенным аккумулятором – это небольшое питающее устройство. Оно позволяет при помощи солнечной энергии заряжать различные типы мобильных и мультимедийных систем. Внешний аккумулятор должен иметь соединительную цепочку для работы с солнечной батареей. В данном же случае – этого не нужно.

Батареи со встроенными элементами питания

Для того, чтобы использовать такую солнечную батарею необходимо воспользоваться специальным переходником. Чаще всего, такие устройства применяют для подзарядки  аудиоплееров, iPod, фото и видео камер.

В солнечную батарею встраивается литиевый аккумулятор, питающийся от солнечных лучей при помощи специальных панелей. Все устройство содержится в небольшом пластиковом корпусе, предохраняющем его от повреждений и загрязнений.

Аккумуляторные солнечные батареи способны заменить обычные батарейки. Не придется с собой в поход или путешествие брать их великое множество. Он  идеально подходит для людей, любящих длительные путешествия, походы и морские круизы. При наличии всех необходимых переходников это устройство способно снабдить питанием самые разные приборы и виды техники. Начиная от бритвы и заканчивая планшетом или видеокамерой.

Солнечно аккумуляторная батарея способна удерживать самую активную технику в рабочем состоянии на протяжении 10-12 часов.

Как правило, именно это и необходимо для того, чтобы находясь в походе или в местах, где отсутствуют централизованные источники питания чувствовать себя комфортно, пользуясь всеми необходимыми приборами и аппаратурой.

Для любой, использующей солнечные батареи техники, требуется грамотно подобранная солнечно аккумуляторная батарея. Она должна обеспечить оборудование бесперебойной подачей энергии. Это нужно для стабильной работы и качественной эксплуатации. От этого выбора, контроля и поддержания его основных параметров и характеристик  напрямую зависит безотказность и надежность всех жизненно необходимых источников потребления энергии.

Конструктивные особенности

Традиционные литий-ионные аккумуляторы с катодом на основе соединений кобальта считаются одним из самых мощных малогабаритных источников энергии. Высокая плотность заряда, отсутствие эффекта памяти, возможность применения в различных устройствах, включая и мобильные.

Все это хорошо. Но, применение в литиевых АКБ кобальта существенно повышает их стоимость. Не обратить внимания на такой фактор просто невозможно. Если для батарейки мобильного телефона это некритично, то для устройств большой емкости стоимость возрастает ощутимо. Кроме того, повышенной безопасностью элементы такого класса никогда не отличались. Особенно первые модели, появившиеся на рынке. Такие аккумуляторные батареи для ИБП могли вспыхнуть или взорваться при нарушении технологии подзарядки (перезаряд), они плохо держали емкость в условиях пониженных температур.

Все это и послужило толчком для развития технологии в направлении поиска эффективной и более доступной по стоимости замены кобальту. Результатом этих работ и стал литиевый аккумулятор нового поколения LiFePO4.

Литий-железофосфатные ионные аккумуляторы имеют следующую конструкцию:

• Герметичный цилиндрический или призматический корпус с вертикальной компоновкой. Благодаря такому решению появилась возможность скомпоновать батарею, занимающую меньше места.
• «Сухая» конструкция литий-ионной аккумуляторной батареи обеспечена применением желеобразного сепаратора. Высокая пористость материала позволяет насытить его электролитом на основе солей лития.
• Основное отличие от традиционных модификаций, реализованное в LiFePO4 литиево-ионной батарее, железофосфатное покрытие катода. Именно это техническое решение позволило снизить стоимость и уменьшить потенциальную опасность, которой отличались ионные аккумуляторы предыдущих поколений.
• Для повышения безопасности в устройстве реализована система предохранительных клапанов, позволяющая снизить избыточное давление внутри корпуса, вызванное увеличенным газообразованием при перезаряде.
• Литиевые аккумуляторы относятся к низковольтным источникам питания. Напряжение заряда не превышает 3,6-3,9 В. Но стабильное напряжение разряда (3,2 В на протяжении разряда до 20% от номинальной емкости) позволяет комплектовать 12-вольтные блоки без ухудшения эксплуатационных характеристик.

Применение подобных технических решений обеспечило высокую плотность заряда батареи. Несмотря на небольшой объем, емкость отдельных модификаций достигает 770 А*ч.

Принцип действия фотоэлектрических преобразователей

Работа фотоэлементов базируется на фотоэлектрическом эффекте: при действии электромагнитных волн на вещество его электронам передается энергия фотонов. Весь рабочий процесс схематически в батареях проходит следующим образом:

1. Солнечное излучение воздействует на внешний (n) и на внутренний (р) слои.
2. В области р-n перехода создаются некомпенсированные электронно-дырочные пары.
3. Возникшие свободные электроны переходят из р-слоя в n-слой. Дырки поступают в обратном направлении.
4. В результате в первой пластине возникает переизбыток электронов. Она получает отрицательный заряд.
5. Вторая пластина становится положительно заряженной.
6. Создается источник постоянного тока.

Принцип действия ФЭП

Через металлические контакты электроны поступают в нагрузку. После нее они попадают обратно в n-слой. Цепь замыкается.

В зависимости от разновидности, ФЭП работают только при действии электромагнитного излучения определенного спектра частот. В двухслойных батареях в фотоэлектрическом движении принимают участие только те электроны, энергии которых достаточно для преодоления запрещенной зоны.

Использование многослойных фотоэлементов позволяет свести к минимуму данное ограничение. Такие приборы поглощают солнечную энергию в большем спектре излучения за счет послойного изменения ширины запрещенной зоны (изменяется от большей к меньшей).

Мощности отдельных ФЭП достаточно только для питания портативных устройств, например, наручных электронных часов. Для получения мощностей, достаточных для запитывания бытовых потребителей, отдельные фотоэлементы соединяют в солнечные модули.