CC BY
98
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ ДЛЯ СОЛНЕЧНЫХ СТАНЦИЙ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ВЫБОРА
Савин Роман Валерьевич
студент 1 курса магистратуры, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет»
445667, РФ, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14 E-mail: [email protected]
Позднов Максим Владимирович
канд. техн. наук, доцент кафедры «промышленная электроника», федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» 445667, РФ, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14
Шлыков Сергей Викторович
старший преподаватель кафедры «Электроснабжение и электротехника» федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» 445667, Россия, г. Тольятти, ул. Белорусская, 14
ACCUMULATOR BATTERIES FOR SOLAR STATIONS AND PECULIARITIES OF THEIR SELECTION
Roman Savin
the student of 1 course of a magistracy, Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education "Togliatti State University"
445667, Russia, Togliatti, Belorusskaya St., 14
Maxim Pozdnov
Cand. tech. Sci., Associate Professor of the Department of Industrial Electronics, Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education "Togliatti State University"
445667, Russia, Togliatti, Belorusskaya St., 14
Sergey Shlykov
Senior lecturer of the department "Power supply and electrical engineering" Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education "Togliatti State University"
445667, Russia, Togliatti, Belorusskaya St., 14
АННОТАЦИЯ
В статье ставится задача рассмотреть применение аккумуляторных батарей в солнечных станциях В результате анализа авторы определяют особенности выбора аккумуляторных батарей для солнечных станций, что может позволить в дальнейшем более эффективно использовать подобные системы.
ABSTRACT
The aim of the article is to consider the use of storage batteries in solar stations. As a result of the analysis, the authors determine the features of the choice of storage batteries for solar stations, which may allow further use of such systems more effectively.
Ключевые слова: аккумуляторные батареи, солнечные станции, инверторы, контроллеры. Keywords: batteries, solar stations, inverters, controllers.
Библиографическое описание: Савин Р.В., Позднов М.В., Шлыков С.В. Аккумуляторные батареи для солнечных станций и особенности их выбора // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. 2018. № 4(49). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/5816
и^УЕЯЗиМ:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ВВЕДЕНИЕ
Энергетика на возобновляемых ресурсах сегодня переживает бум. Ветровые энергетические установки, солнечные батареи выпускаются в промышленных условиях Вместе с тем, возможность построения решения технических задач для построения малых электростанций стала широкодоступной. Принцип действия устройств заложенных в основе этих станций и законы физики на которые они опираются диктуют оптимальные технические решения с хорошими энергетическими показателями. Однако игнорирование авторами самоделок этих правил приводит к тому, что желаемый результат остается лишь желаемым и затраченные ресурсы времени, капиталов уходят лишь на демонстрационную модель, никак не востребованную в качестве рабочей. Интересным представляется анализ составляющих подобных энергетических систем с целью обоснования выбора оптимальных элементов под заданные технические параметры установки.
СТРУКТУРА МАЛОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Топология любой генерирующей установки состоит в следующем:
1. Средства генерации. Это могу быть фотоэлементы, ветряной генератор, тепловой насос или любое другое устройство, преобразующее энергию природного происхождения (энергия солнца, ветра, воды и прочее) в электрическую энергию;
2. Устройство (программируемый контроллер (ПК), например) решающее, как и сколько электроэнергии направлять в демпфер-накопитель, аккумулятор электрической энергии;
3. Аккумуляторная батарея (АКБ), своего рода демпфер, накопитель. Его задача -накапливание электрической энергии.
4. Устройство (инвертор, например) преобразующее постоянный электрический ток напряжением от АБ в требуемый вид электроэнергии (переменный 50 Гц, например)
Структурно описанная система (рис.1) работает следующим образом: когда аккумулятор осуществляет зарядку от источника генерации, контроллер следит за напряжением на клеммах аккумулятора, и как только оно достигает верхнего предела, процесс зарядки - работа по приему энергии прекращается и ток перенаправляется к нагрузке. В то время, когда генерация электроэнергии отсутствует (темное время суток, отсутствие ветра и прочее подобное) питание всех потребителей (включая и составляющих системы) реализуется исключительно за счет предварительно заряженного аккумулятора. Как только, напряжение на клеммах аккумулятора достигло нижнего предела - контроллер производит отключение работы схемы. В этом случае, без какого-либо постороннего питания установка генерации не будет работоспособна [1].
Рисунок 1. Схема работы установки
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ АКБ.
В основе работы АКБ входят 2 электрохимических процесса:
1. Зарядки;
2. Разрядки.
В упрощенном виде схему АКБ представим следующим образом (рис.2):
в корпус сосуда вставлены две пластины из разнородных металлов с выводами для обеспечения электрических контактов. Между пластинами залит электролит.
Рисунок 2. Устройство АКБ
и^УЕЯЗиМ:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
При работе на внешнюю нагрузку создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Он формируется движением электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.
Этот процесс условно показан на схгме с никель-кадмиевой конструкцией электродов.
Рисунок 3. Пример кадмиево-никелевого АКБ
Окислы никеля - электрод «+»; губчатый кадмий - «-». Во время разряда частицы активного кислорода из окислов никеля выделяются в электролит и направляются на отрицательные пластины, где окисляют кадмий.
При отключенной нагрузке на клеммы пластин подается постоянное напряжение большей величины, чем у заряжаемого аккумулятора с той же полярностью, когда плюсовые и минусовые клеммы источника и потребителя совпадают. Зарядное устройство развивает электрическую мощность для создания электрического тока с направлением, противоположным разряду. В результате внутренние химические процессы между электродами и электролитом изменяются. Например, на банке с никель-кадмиевыми пластинами положительный электрод обогащается кислородом, а отрицательный — восстанавливается до состояния чистого кадмия.
При разряде и заряде аккумулятора происходит изменение химического состава материала пластин (электродов), а электролита не меняется.
В качестве металла электродов могут встретиться различные металлы, в том числе: свинец; литий; титан; кобальт; кадмий; никель; цинк и другие.
Они влияют на электрические выходные характеристики, а, следовательно, на область применения.
Наиболее распространёнными в промышленности пока еще являются свинцово -кислотные АКБ. Они широко используются в транспорте, источниках бесперебойного питания и системах аварийного электроснабжения. Однако постепенно они начинают уступать высокоэнергоемким, но более чувствительными к условиям заряда и эксплуатации литий-ионным или литий-полимерным. Основной об-
ластью их применения являются мобильные и компьютерные устройства, строительный инструмент и электромобили.
Анализ выбора АКБ для того или иного применения производится на основании основных параметров АКБ, которыми являются:
1. емкость;
2. плотность энергии;
3. саморазряд;
4. температурный режим,
5. ресурс - циклов,
6. цена единицы энергии.
КРИТЕРИИ ВЫБОРА АКБ ДЛЯ
СОЛНЕЧНОЙ СТАНЦИИ.
В условиях минимального бюджета всей электростанции следует твердо помнить одно: любая несоответствующая общему принципу деталь всей схемы может свести к нолю все ожидания.
Для солнечной электростанции наиболее привлекательны обслуживаемые аккумуляторы с большим ресурсом - от 1500 циклов при полной разрядке. Наилучшее решение с точки зрения надежность-производительность-цена представляется АОМ батареи.
БАТАРЕИ АОМ представляют собой кислотный аккумулятор. Отличия от обычного свинцово-кис-лотной АКБ:
• они содержат электролит в виде пропитки специального материала, отсеки сепарированы между собой. Сами пластины сделаны из чистого свинца, причем как «положительные» — так и «отрицательные», что позволяет таким аккумуляторам быстрее набирать зарядку [2].
• пусковой ток у АОМ намного выше, чем токи обычных свинцово-кислотных АБ. Отсеки или банки полностью герметичны, они не имеют жидкой токопроводящей жидкости, а сепараторы — разграничители всегда заполнены ей - таким образом, чтобы выдерживать как заряды, так и разряды.
• при зарядке нет выделения газов, при разряде нет замерзания в холодную погоду
• выдерживают более глубокие разряды; разрядка до глубины 20-30% не влияет на работу батареи.
• заряжается «новый тип» быстрее примерно в 2 - 3 раза, чем старый «жидкостный».
• срок службы до 5 - 10 лет, они выдерживает, до 200 циклов разряда глубина 100%, до 350 с показателем в 50% и до 850 с 30%.
Количество аккумуляторов серьезно влияет на сроки окупаемости проекта. Поэтому расчет электроемкости - весьма не простая задача. В упрощенном виде примем следующее:
1. Минимальный запас ёмкости аккумуляторов определяется средним расходом электроэнергии дома. Например, если у вас с вечера и до утра потребляется 3кВт*ч энергии, то в аккумуляторах должен быть такой запас энергии. Если один аккумулятор на напряжение 12 вольт и емкостью 200 Ач, то энергии в нём поместиться 12*200=2400 ватт*ч (2,4кВт*ч). Но в действительности
дополнительно как минимум 0,3% приходиться на саморазряд. Более того, в батарее должен оставаться не менее 50% запас энергии. Поэтому, нужно ставить аккумуляторов в два раза больше чем требуется, иначе их придётся менять каждый год или даже раньше, т.е. АКБ на напряжение 12 вольт 400Ач.
2. Оптимальный запас емкости АКБ - это запас энергии в аккумуляторах на 1-2 суток. Например, если у вас суточное потребление 3 кВт*ч, то рабочая ёмкость АКБ должна быть 2*3кВт*ч=6 кВт*ч, с учетом 50% запаса из п.1 должна составлять 12 кВт*ч. Тогда вы без проблем сможете переживать 12 пасмурных дня, без перебоев. При этом в обычные дни в течение суток аккумуляторы будут разряжаться всего на 20-30%, и это продлит их недолгую жизнь.
3. Важно учесть так же и КПД АКБ. Для свинцово-кислотных аккумуляторов равен примерно 80%. То есть аккумулятор при полном заряде берёт на 20% больше энергии, чем потом сможет отдать. КПД зависит от тока заряда и разряда, и чем больше токи заряда и разряда, тем ниже КПД. Например, если у вас аккумулятор на 12В и 200Ач, и вы через инвертор подключаете электрический чайник на 2кВт, то напряжение на АБ резко упадёт, так как ток разряда АКБ будет около 167 Ампер, и КПД отдачи энергии упадёт до 40-50%. Также если заряжать АКБ большим током, то КПД будет резко снижаться. Таким образом полученную емкость из предыдущего пункта надо еще увеличить на 1/0,8=1,25, т.е. 25%.
Для солнечной электростанции оптимальным решением в выборе АКБ - это специализированные ак-
апрель, 2018 г.
кумуляторы. Отличаются от остальных минимальным током разряда, служат значительно дольше, чем мощные автомобильные, срок службы которых составляет всего 2-3 года против 8-10 лет. Аккумулятор прослужит весь свой заявленный срок только в том случае, если он используется вместе с качественным контроллером заряда, который защищает батарею от чрезмерной зарядки и глубокой разрядки. Так же важно, чтобы батарея АКБ состояла из однотипных аккумуляторов, одного производителя. Так же имеет значение и контроллеры заряда. Важно, чтобы размер батареи позволял хранить энергию как минимум в течение 4 дней.
Иметь собственную солнечную или ветровую электростанцию исходя из уровня электронной элементной базы сегодня доступное техническое решение. Переход или частичное использование альтернативных источников электрического снабжения помогут сохранить чистоту окружающей среды и сократить затраты на выработку энергии, а некоторых случаях позволят получить полностью автономную электросистему и сделает экономически привлекательным ряд проектов (например, автономные магазины на протяженных автотрассах). Однако, использование данных решений в РФ в условиях возможности подключения к стационарным сетям, в силу экономических параметров пока представляется вряд ли выгодным, иная ситуация обстоит в европейских странах где стоимость электроэнергии в разы выше (в Германии в 10! раз выше), здесь альтернативная энергетика давно перешла в разряд устойчивой и востребованной генерации электроэнергии.
Список литературы:
1. Афанасьева O.K. Архитектура малоэтажных домов с использованием возобновляемых источников энергии. / Учебное пособие. (МАРХИ) М., 2007.
2. Беляев B.C., Хохлова Л.П. Проектирование энергоэкономичных и энергоактивных гражданских зданий, - М.: Высшая школа, 1991.
