Какой аккумулятор лучше для солнечных панелей: виды и характеристики

В начале разговора об АКБ следует обозначать потребность в хранении электроэнергии и условия её хранения и использования. Прежде всего, нужно понимать, что аккумуляторная батарея это емкость для хранения энергии, обладающая рядом характеристик, и требующая особо бережного отношения к себе. АКБ являются самой нежной и самой не надежной частью солнечной электростанции. Следует заметить, что солнечная электростанция, включающая в себя аккумуляторные батареи, имеет заменяемые элементы, так по истечению некоторого времени АКБ неизбежно потребуют замены. Какой бы ни был аккумулятор, температурные воздействия и среда, в которой они установлены, влияют на их работу и долговечность. Аккумуляторные батареи требуют создания специальных условий для его содержания. При этом емкости для хранения энергии являются наиболее затратной частью солнечной электростанции.

В солнечных электростанциях используется два основных типа АКБ: свинцовокислотные и литиевые. Автомобильные стартерные аккумуляторы не подходят для работы в солнечной электростанции, так как они не предназначены для цикличной работы и рано выйдут из строя, если применять их. Задача стартерного аккумулятора мгновенно отдать большой ток для стартера и встать на зарядку от генератора. Они сконструированы специально для такой работы, и стоят значительно дешевле.

Применяемые аккумуляторы для солнечных панелей – промышленные тяговые аккумуляторы предназначены для равномерной отдачи энергии в течение всего времени разряда. Задача АКБ отдать всю энергию, которая содержится в них для питания потребителей насколько это возможно, до полного разряда или наступления предупредительного уровня, установленного настройками подключенного к нему устройства. От количества циклов полного разряда – заряда зависит цена аккумулятора. Чем больше цикличность, тем аккумулятор дороже. Это вытекает из технологии изготовления.

Рис 15. Структура аккумуляторной батарей

На сегодняшний день наиболее распространены следующие технологии:

AGM (Absorbent Glass Mat) – свинцово-кислотный промышленный тяговый аккумулятор общего назначения с абсорбированным электролитом. Количество циклов полного разряда – заряда ~ 300. Применяется в источниках бесперебойного питания, гибридных солнечных электростанциях.

Рис 16. AGM аккумулятор

GEL – аккумуляторы изготовлены по комбинированной технологии AGM+GEL (в электролит добавлен загуститель), имеют чуть более высокую цикличность по сравнению со стандартными AGM аккумуляторами и менее чувствительны к глубоким разрядам и колебаниям температуры. Количество циклов полного разряда – заряда ~ 350. Применяется в источниках бесперебойного питания, гибридных солнечных электростанциях.

Рис 17. Аккумулятор по технологии AGM+GEL

CARBON (VPbC) – АКБ изготовлены по технологии PURE GEL. За счет карбонизации отрицательной пластины, аккумуляторы данной серии имеют высочайшую цикличность, сравнимую с литий-ионными аккумуляторами до 3 760 циклов по глубине разряда 70% DOD. И более ~ 1000 циклов при полной разрядке. Электролит в них густой, по структуре чистый гель. Срок службы АКБ в буферном режиме составляет 15 лет. Гарантия на них 3 года. Применяется в источниках бесперебойного питания, гибридных и автономных солнечных электростанциях.

Рис 18. Аккумулятор по технологии CARBON (VPbC)

Следует обратить внимание, что при увеличении цикличности и стоимости увеличивается густота электролита. Чем гуще электролит, тем хуже аккумулятор переносит отрицательные температуры. К примеру, АКБ по технологи CARBON при температуре ниже – 15ºС может лопнуть если, будет полностью разряжен.

По причине низкой цикличности аккумуляторы по технологии AGM и AGM+GEL не применяются в автономных солнечных электростанциях. Работа в ежедневном цикличном режиме, приведет к замене АКБ через 1-2 года. В буферном же режиме эти аккумуляторы способны провести 10-12 лет.

Одной из основных характеристик АКБ является их емкость, измеряемая в А/ч. Применяемые в СЭС номиналы аккумуляторов начинаются от 55 до 250 А/ч. Существуют и более низкие номиналы, но их реже используют в качестве накопителей энергии от солнечных панелей. Важно в одной системе использовать аккумуляторы одинакового номинала для равномерных разрядных и зарядных условий.

Если система собрана на напряжении 12 В, в которой применяется всего один аккумулятор, это не актуально. Но если возникает необходимость масштабирования такой 12 В системы путем параллельного подключения дополнительных аккумуляторов, обязательно нужно устанавливать АКБ точно такой же емкости.

Напряжения систем существует всего 4:

• 12 Вольт (один АКБ или группа АКБ собранных параллельно);
• 24 Вольта (два АКБ последовательно);
• 36 Вольт (три АКБ последовательно);
• 48 Вольт (четыре АКБ последовательно).

Также важно в последовательных цепях использовать одинаковые номиналы АКБ. Например, если в последовательной цепи будет один из АКБ большей или меньшей емкости, это приведет к ухудшению работы всей сборки и снижению времени работы от АКБ. Так как система заряжается заданным током на инверторе, аккумулятору с бОльшим номиналом требуется бОльший ток, а с меньшим номиналом – меньший. Возникнет ситуация, когда у одних будет недозаряд, а у других – перезаряд, и как следствие снижение ресурса произойдет у всех.

В случае подключения параллельных цепочек из АКБ на системах 24, 36 и 48В также необходимо иметь одинаковые номиналы. В противном случае перезаряд и недозаряд будет неизбежен.

С течением времени при работе в одной системе даже у новых АКБ появится разница в характеристиках. Она может быть не очень критична, пока разница не прогрессирует, но, по прошествии некоторого времени, а лучше сразу при первом монтаже установить аккумуляторный балансир. Это устройство позволяет выравнивать разрядные и разрядные токи, тем самым продлевая жизнь всей сборке. Балансиры актуальны и в случаях установки в одну систему аккумуляторов разного возраста и разной степени износа.

Рис 20. Примеры недозаряда и перезаряда без использования балансира.

При установке АКБ в СЭС или ИБП необходимо обязательно установить настройки на инверторе/ контроллере/ зарядном устройстве. Нужно выбрать тип аккумулятора, установить ток заряда, напряжения заряда при работе в цикличном и буферном режиме. Эти сведения, как правило, расположены на корпусе самого АКБ. Если нет, стоит руководствоваться общим правилом для зарядки АКБ. Свинцово-кислотный аккумулятор следует заряжать током 0,1 С. (10% от номинальной емкости, если производитель не рекомендует иного. Например, аккумулятор 100 А/ч следует заряжать током 10 А, 200А/ч – током 20 А).

Пункты меню инвертора

Таблица 1. Настройка инвертора при подключении АКБ.

Время зарядки свинцово-кислотного АКБ составляет 12-14 часов. Это время продиктовано химическими процессами, проходящими в аккумуляторе и цикличной работе зарядного устройства. Особенно это актуально для автономных солнечных электростанций. При цикличной работе АКБ, массив солнечных панелей должен быть способен зарядить емкости за световой день, при этом иметь возможность питать дневные нагрузки. Зачастую, клиент не представляет, сколько нужно солнечных панелей, чтобы зарядить имеющийся у него аккумулятор. И имеет ложное завышенное представление о возможностях солнечных панелей. Необходимо понимать, при зарядке аккумулятор берет большой ток в самом начале, который спадает с течением времени. Если ток изначально будет мал, то время зарядки будет превышать 12 – 14 часов и к концу светового дня аккумулятор может оказаться не заряженным.

Отдельно стоит сказать о сроках службы аккумуляторных батарей. Если свинцово-кислотная батарея AGM или AGM + GEL работает в составе источника бесперебойного питания или гибридной солнечной электростанции, то в буферном режиме они могут прослужить до 10 – 12 лет. Карбоновые АКБ 13-15 лет. При соблюдении необходимых условий содержания. Чаще всего АКБ выходят из строя по причине выработки циклов или из-за неправильной эксплуатации:

• зарядка большими токами;
• глубокий разряд;
• содержание на морозе или в сильно нагретом помещении;
• использование в одной системе АКБ разного номинала;
• сульфатация;

Рис 21. Сульфатация – гибель аккумулятора.

Сульфатация – не что иное, как процесс образования кристаллов сульфата свинца на пластинах аккумулятора. Кристаллы довольно твердые и их рост ведет к деформации батареи. Процесс сульфатации необратим, и у того АКБ, у которого она в той или иной степени началась, будут сильно снижены характеристики и срок его службы значительно сократится. Визуально начало сульфатации не видно глазу, однако, видимая глазу сульфатация свидетельствует от полном выходе из строй батареи. Выглядит это как раздутый изнутри или треснувший аккумулятор.

Хранить новые аккумуляторы нужно в сухих помещениях при температуре + 25°С вдали от нагревательных приборов, центрального отопления. Аккумуляторы от производителя заряжены и готовы к применению. Реализовать их нужно в кратчайший срок с минимальным временем нахождения на складе. При этом аккумулятор не потеряет своих свойств из-за саморазряда, хранясь до 2-х лет в созданных условиях.

Если необходимо хранить уже поработавшие аккумуляторы, например, объект сезонного использования, то помимо соблюдения вышеуказанных условий, рекомендуется заряжать батарею до 100% примерно 1 раз в 2 года. После демонтажа и перед следующей установкой на объект.

Наиболее популярным и набирающим обороты в мире средством хранения энергии на сегодняшний день являются литиевые аккумуляторы. При такой же емкости, что и у свинцово-кислотных батарей, литиевые батарей значительно дороже, но при этом имеют цикличность в разы выше по сравнению с кислотными. Цикличность порядка 5-6 тысяч полных разрядов и зарядов делает литиевые АКБ лидерами по стоимости хранения одного Ватта энергии. Ряд дополнительных преимуществ перед свинцово-кислотными батареями выделяет литиевые батареи как наиболее понятные для конечного потребителя. К преимуществам можно отнести:

• равномерную отдачу энергии «до последней капли». Аккумулятор будет разряжаться до самого нуля, без снижения мощности, предварительно просигнализировав о своем состоянии, прежде чем отключить питание;
• зарядку от нуля. Начиная заряжаться от полностью разряженного состояния, аккумулятор способен чуть зарядившись, уже питать нагрузки;
• быстрая зарядка током до 10С. К примеру аккумулятор 10 А/ч можно заряжать током до 100 А;
• наличие интерфейса для связи АКБ с инвертором/ другими АКБ с составе сборки/ компьютером для сбора сведений о системе;
• наличие монитора для отображения состояния и возможность местного управления;
• наличие BMS модуля в составе батарей для её защиты от критических воздействий в процессе работы.

Как правило, компания Теслум поставляет литиевые АКБ в виде законченных изделий в едином корпусе. Батареи могут быть настенного, напольного, шкафного исполнения. Ряд номиналов по емкости и напряжению поддерживается на складе партнеров, и имеют сравнительно короткие сроки для перемещения. Также осуществляется производство батареи на заказ. Срок поставки в каждом таком случае обговаривается отдельно.

Существует способ монтажа литиевых АКБ из литиевых ячеек. Ячейки собираются в параллельно-последовательные группы, и к группе подбирается необходимые балансир и BMS модуль. Сборка из ячеек позволяет получить аккумулятор любой емкости, масштабировав его до нужного номинала с течением времени.

Важно заметить, что литиевые и свинцово-кислотные батареи запрещено использовать в одной системе. Дело в том, что для цикличной и буферной работы аккумуляторам требуются разные напряжения. Также требуются и разные токи. К тому же при установке батареи на инверторе или контроллере требуется обязательно выбрать тип АКБ для корректной работы системы.