Аккумуляторная батарея является одним из важнейших звеньев в цепи, представляющей устройство гелиосистемы. Именно здесь накапливается энергия, получаемая от солнечных батарей и впоследствии расходуемая на нужды потребителя. От АКБ во многом зависит эффективность работы всей системы, обеспечение ее максимального КПД. Приобретая аккумулятор, необходимо учитывать много параметров и технических характеристик в каждом конкретном случае. Но первый шаг, который надо сделать, чтобы правильно выбрать аккумулятор для солнечных батарей – определиться с типом АКБ, о чем мы и поговорим в данной статье.
- Какие аккумуляторы используются в солнечных батареях
- Типы аккумуляторов
- Свинцово-кислотные аккумуляторы
- Заливной свинцово-кислотный аккумулятор
- Регулируемый свинцово-кислотный аккумулятор с регулируемым клапаном
- AGM герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы
- Gel герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы
- Свинцово-углеродные аккумуляторы
- Трубчатые гелевые аккумуляторы OPzV
- Литий-ионные аккумуляторы
- ******
Какие аккумуляторы используются в солнечных батареях
Выбрать любой аккумулятор для солнечных панелей не получится. Например, не подойдет обычный автомобильный, который традиционно предназначен для кратковременных пиковых нагрузок при старте авто (работа стартера) с последующим восстановлением заряда по мере движения. Допускать разряд такого АКБ ниже 45–50% нежелательно, что в случае с солнечными панелями не подходит. Ведь ночью аккумуляторы, установленные в системах солнечных панелей, начинают терять заряд до значений, недопустимых для обычных стартерных АКБ. Для гелиосистем необходимо использовать аккумуляторы глубокого цикла, то есть такие, которые часто разряжаются до значения не менее 50% или даже 80–90%. Сегодня таких существует несколько основных типов, рассмотрим их особенности.
Типы аккумуляторов
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Это давно существующий и самый распространенный тип аккумуляторов, который долгое время считался наиболее предпочтительным для автономных энергосистем из-за относительно низкой стоимости, надежности и срока службы. Существует несколько различных видов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, например, герметичные свинцово-кислотные и заливные свинцово-кислотные.
Заливной свинцово-кислотный аккумулятор
Основным типом в этой серии является заливная свинцово-кислотная батарея, в которой электролит (кислота) находится в жидкой форме. Такие аккумуляторы состоят из элементов, пластины которых должны находиться полностью в жидкости, чтобы они могли нормально функционировать. По этой причине их называют еще «залитыми» или «затопленными». В них необходимо регулярно проверять уровень жидкости, чтобы пластины оставались погруженными в нее. Еще лет 10 назад такие батареи были самыми распространенными АКБ глубокого цикла, и до сих пор они используются в некоторых крупных автономных системах. Один из их минусов – необходимость вентиляции в помещении, где они находятся, так как во время зарядки и разрядки этих батарей образуется побочный продукт в виде летучих газов, которые выходят из батареи для предотвращения повышения давления. Из-за этого также снижается уровень электролита – необходимо постоянное обслуживание, за аккумулятором нужно следить и добавлять воду каждые 1–3 месяца, что тоже относится к недостаткам данного типа аккумуляторов. Кроме того, что АКБ громоздкие и едкие, требуют регулярных проверок, их необходимо хранить строго в вертикальном положении во избежание утечки.
Но с другой стороны, при правильной эксплуатации, регулярном техническом обслуживании и уходе можно поддерживать работу аккумулятора на должном уровне. В итоге такие затопленные АКБ могут работать длительное время (до 20 лет или более), что является плюсом таких батарей. Они также являются наиболее доступной и бюджетной категорией для солнечных батарей. Поэтому для тех, кто не возражает против регулярного технического обслуживания и мониторинга, такие АКБ могут стать правильным выбором.
Те же, кто не хочет тратить много времени и сил на обслуживание гелиосистем, все-таки переходят на использование других моделей.
Регулируемый свинцово-кислотный аккумулятор с регулируемым клапаном
Этот тип свинцово-герметичных аккумуляторов относится к герметичным и необслуживаемым. АКБ этого вида часто обозначают сокращенно VRLA (от англ.Valve Regulated Lead Acid – свинцово-кислотные с регулируемым клапаном) или же SLA (от англ. Sealed Lead Acid – герметичные свинцово-кислотные). Герметичность в данном случае означает, что из аккумулятора данного вида электролит не будет вытекать даже при сильной тряске или падении на бок. Кроме того, горючие пары, которые выделяются при работе аккумулятора, не выходят наружу, а «заперты», и аварийный клапан может открыться только при сильных нарушениях условий эксплуатации. Под понятием «необслуживаемые» подразумевается, что в аккумуляторах этого вида не нужно следить за уровнем электролита и доливать жидкость. Герметичные VRLA или свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном работают так же, как и залитые батареи, но герметично закрыты в герметичном корпусе с электролитом в нежидкой форме. В аккумуляторах VRLA используется система рекомбинации газов, которая объединяет газы, образующиеся в процессе зарядки/разрядки, и направляет их обратно в аккумулятор. Это предотвращает почти все потери (около 99%) электролита из-за выделения газа. Таким образом, эти батареи не нуждаются в техническом обслуживании, а вероятность разлива кислоты отсутствует. Значит, они намного безопаснее, проще в обращении и транспортировке, чем затопленные батареи.
У этой разновидности АКБ существует два подвида: аккумуляторы AGM (Absorbtion Glass Matt) и Gel (Gelled Electrolite).
AGM герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы
Данная технология начала набирать популярность с начала 1980-х благодаря герметичной свинцово-кислотной АКБ, предназначенной для военных транспортных средств, самолетов и ИБП. В аккумуляторах AGM (Absorbtion Glass Matt – пер. с англ. «абсорбирующие стеклянные маты») применяется система VRLA, но электролит находится в абсорбирующем стеклянном слое – специальной стеклоткани (стекловолоконный мат), пропитанной электролитом, – и располагается между свинцово-кальциевыми пластинами. Это наиболее экономичный тип аккумулятора VRLA, который за последние годы стал очень популярным. Одним из основных преимуществ батарей AGM является то, что их внутреннее сопротивление существенно ниже, чем у заливных. Следовательно, эти АКБ могут выдерживать более высокие температуры, а также медленнее разряжаются. В отличие от залитых, аккумуляторы AGM герметичны, требуют меньше или вообще не требуют вентиляции. Они не опасны, устойчивы к низким температурам, относительно легки по весу, менее склонны к нагреву (из-за низкого внутреннего сопротивления), могут сохранять статический заряд длительное время. Однако срок службы батарей этого типа может быть довольно низким по сравнению с затопленными и гелевыми батареями, обычно 6–10 лет. Как правило, являются отличным выбором для автономной солнечной системы.
Gel герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы
Гелевые аккумуляторы Gel (от англ. Gelled Electrolite) используют систему VRLA, но с гелевым электролитом. По факту, здесь используется кислота, связанная специальным гелеобразующим стабилизатором (силикогель – коллоидный диоксид кремния) для формирования густого гелеобразного электролита. Гель находится между свинцовыми пластинами в желеобразном виде и занимает практически все пространство между ними. За счет такого устройства данные АКБ более прочны, долговечны, не требуют технического обслуживания и обладают высокой устойчивостью к вибрациям и ударам, хорошо работают при высоких и низких температурах, имеют большой жизненный цикл, осушение пластин или их осыпание невозможно. Благодаря вязкости электролита элементы становятся менее подверженными утечкам при повреждениях, очень хорошо работают при высоких скоростях разряда и, как правило, служат дольше, чем батареи AGM.
Тем не менее, GEL аккумуляторы имеют больше недостатков, чем аккумуляторы других типов, что делает их менее популярными. Эти батареи не имеют вентиляции и разряжаются немного быстрее, чем залитые элементы. Среди других минусов – узкие зарядные профили, которые легко повреждаются, если зарядка выполнена неправильно, недостаточная емкость в ампер-часах, а их низкое зарядное напряжение может привести к случайной перезарядке. Это важно в применении к солнечным энергетическим системам, где выработка электроэнергии изменчива и может вызвать эту перезарядку. В дополнение к этим минусам, гелевые батареи стоят дороже, чем залитые свинцово-кислотные батареи.
Свинцово-углеродные аккумуляторы
Свинцово-углеродные АКБ – это усовершенствованные свинцово-кислотные батареи герметичного типа VRLA, в которых используется общая свинцовая положительная пластина (играет роль анода) и углеродная (композитная) отрицательная пластина (играет роль катода). Углерод действует как своего рода «суперконденсатор», который позволяет быстрее заряжать и разряжать аккумулятор, а также продлевает срок службы при частичной зарядке. Подобно обычным гелевым герметичным АКБ, свинцово-углеродные аккумуляторы тоже герметичны, в них, как правило, используют гелевый электролит для повышения безопасности и снижения эксплуатационных расходов.У них более длительный период эксплуатации, чем у привычных свинцово-кислотных батарей. Существует несколько компаний, производящих свинцово-углеродные батареи с наноуглеродистыми или усовершенствованными катодными сплавами, что обеспечивает более длительный срок эксплуатации. Среди них, к примеру, японские торговые марки GS Yuasa и YHI Power, также об этом заявляет китайский производитель Narada.
Трубчатые гелевые аккумуляторы OPzV
Один из наиболее популярных и часто эксплуатируемых видов АКБ из заливных устройств – аккумуляторы OPzV (от нем. Ortsfest PanZerplatte Verschlossen – «стационарно закрытая трубчатая пластина»). Эти трубчатые гелевые одноэлементные (2 В) аккумуляторы с технологией VRLA соединены последовательно, образуя между собой батареи с глубоким циклом и мощностью 24 В или 48 В. Они принципиально отличаются от других батарей схемой сборки, и представляют собой трубчатые положительные и плоские намазанные отрицательные пластины. Некоторые элементы таких АКБ (2В) сделаны в виде корпусов из специального прозрачного пластика (материала SAN – стирол-акрилнитрила, сверхустойчивого к механическим повреждениям, химическому воздействию, не горючего). Поэтому уровень электролита в прозрачных корпусах всегда хорошо виден, отмечены его максимум и минимум. Трубчатые гелевые аккумуляторы имеют большой срок службы (до 20 лет), значительную механическую прочность самих пластин и относятся к малообслуживаемым – доливать воду необходимо примерно 1 раз в 1–2 года. Также OPzV аккумуляторы имеют один из самых больших циклических ресурсов среди АКБ: до 5000 циклов (15 лет) при 20% глубины разрядки и 3000 циклов при 40% глубины разрядки (при соблюдении определенных параметры зарядки и поддержки правильного температурного диапазона, обычно 15–30 °С).
Литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы считаются сегодня лучшим типом аккумуляторов накопления солнечной энергии из-за высокой плотности энергии и превосходной эффективности. В последние годы такие АКБ стали более популярны среди владельцев солнечных модулей, нежели свинцово-кислотные. Несмотря на то, что коммерчески данная технология стала доступной только лет 15–20 назад, литий-ионные аккумуляторы быстро стали очень популярными в бытовой электронике (смартфонах, лэптопах) благодаря их относительно небольшому весу и высокой плотности накапливаемой энергии/мощности. Эти плюсы привели к тому, что их предпочитают устанавливать в электромобилях и домашних гелиосистемах.
Хотя литиевые батареи дороже, чем другие типы батарей, они имеют множество преимуществ, которые компенсируют их цену. Это более длительный срок службы (варьируется от 3000 до 5000 циклов), более эффективное использование энергии, отсутствие необходимости технического обслуживания, более глубокие разряды (большая емкость хранения), отсутствие выделения газа и многое другое. Литий-ионные аккумуляторы гораздо компактнее и легче при той же емкости, но их также можно глубоко разряжать на 80-90% от общей емкости без ущерба для срока службы аккумулятора. Их высокая и эффективная зарядка/разрядка помогает оптимизировать выработку энергии от солнечных батарей. Кстати, возможность быстрой зарядки является огромным преимуществом для использования в электромобилях и автономных системах солнечной энергии, так как медленное время зарядки свинцово-кислотных АКБ – основной недостаток для потребителей.
Считается, что литий-ионные аккумуляторы сегодня – лучший выбор для солнечных панелей. Однако отдельные литиевые элементы имеют очень высокую плотность энергии и могут нагреваться во время использования, поэтому им могут потребоваться сложные системы управления для контроля температуры и напряжения элементов.
******
Также существуют еще некоторые малораспространенные типы аккумуляторов, которые можно использовать в гелиоиндустрии. Например, никель-солевые аккумуляторы, для которых характерны устойчивость к перепадам температур, высоким и низким температурам, повышенной влажности. Плюс к этому, они изготовлены из экологически чистых материалов, которые можно легко утилизировать – Fe, Ni, Al, глинозем, соли. Но, несмотря на множество преимуществ перед свинцово-кислотными устройствами, такие аккумуляторы – самые дорогие.
Еще один вид – панцирные аккумуляторы, изготовленные на базе положительных свинцовых пластин, находящихся в так называемом «панцире» – чехле из эбонита или стеклоткани. Такие АКБ бывают стационарными, тяговыми, солнечными. Устройства такого вида обеспечивают надежное электроснабжение в трудных режимах работы, при перегрузках. Выдерживают 850–1600 циклов.
Новичком же в индустрии накопления энергии в домашних условиях является аккумулятор с морской водой. В отличие от других АКБ, такие аккумуляторы не содержат тяжелых металлов, а используют электролиты с морской водой. В то время как батареи, в которых используются тяжелые металлы, в том числе свинцово-кислотные и литий-ионные, необходимо утилизировать с помощью специальных процессов, морская батарея может быть легко переработана. Однако, как новая технология, аккумуляторы для морской воды еще недостаточно проверены в работе и не получили широкого распространения.
В следующих статьях мы расскажем вам о других факторах, влияющих на выбор аккумулятора солнечной батареи – о том, что еще нужно учитывать при покупке этого устройства, чтобы ваша гелиосистема работала эффективно.