МенюРубрики

Вибір акумулятора

Вибір акумулятора для автономного дома

Електрохімічні акумулятори залишаються найбільш поширеним накопичувачем енергії для незалежного енергопостачання в приватному секторі. Однак на ринку є більше десятка різновидів акумуляторів, у яких електрохімічні реакції відбуваються між іншими речовинами, ніж у звичайних свинцево-кислотних АКБ. Деякі моделі за експлуатаційними характеристиками, більш кращі в системах альтернативної енергетики.

Акумулятори в системах автономного энергоснабжения

Характер і режим експлуатації акумуляторів в різних системах, виявляють їх переваги та недоліки для конкретних умов. Наприклад, для мобільних пристроїв, одним з домінуючих вимог до батареї, є мала вага і герметичність в будь-якому положенні. Для автомобіля, маса пристрою не є визначальною, а більш важлива можливість видавати сильний струм на морозі (стартерна навантаження). У системах альтернативного енергопостачання будинку, вага і розміри акумулятора мають таке ж значення, як поросячий вереск при дегустації шашлику з свинини, а кількість циклів зарядки/розрядки ставиться в главу кута.

Аналогічний підхід варто застосовувати при зіставленні більш актуальних параметрів.

Особливості експлуатації акумуляторів в енергонезалежному будинку

У повноцінному житловому будинку електрика потрібно 24 години на добу і 365 днів у році. Зрозуміло, є якісь винятки, але вони лише підтверджують правила. Цим відрізняється експлуатація акумуляторів в автономних будинках.

Ще одна відмінність в циклічності зарядки.

Сам принцип енергонезалежного будинку базується на використанні альтернативних джерел енергії: Сонце, вітер, течія води і частково геотермальні технології. При цьому перші два варіанти, займають близько 95% у приватному секторі. І саме для них характерна циклічність! Якщо для вітру вона слабо передбачувана, то для сонячного світла цикли день/ніч, визначені на мільйони років уперед.

Іншими словами, кожен день акумулятор буде заряджатися, а вночі віддавати енергію. За один рік пройде 365 циклів. В ідеальних умовах експлуатації, при скрупульозному дотриманні глибини і швидкості розряду, а також режиму зарядки, 1500 циклів для гарного свинцево-кислотного акумулятора можна розтягнути на 4 роки.

Важливо відзначити, що з блоку свинцево-кислотних акумуляторів не можна замінювати якусь одну батарею!

Наприклад, в енергонезалежному будинку система зберігання енергії забезпечена блоком з 4 АКБ по 200 А*год кожен. В сумі вони дають 800 А*ч. Якщо через півтора – два роки експлуатації один з акумуляторів вийде з ладу, то замінити його таким же новим неможливо! Адже за час роботи, всі акумулятори в системі рівномірно знижували ємність, що впливало на інші характеристики. Інтелектуальний зарядний пристрій підлаштовує режим заряду під ці параметри. А у нового елемента характеристики експлуатації «паспортні», що виділилися з загальної системи.

Вартість же всього блоку акумуляторів, при грамотному проектуванні, наближається до ціни генеруючих елементів, в даному випадку сонячних панелей.

Вимоги до акумуляторів в системі альтернативного енергопостачання

Ідеальний акумулятор для домашньої системи зберігання енергії повинен:

  • Витримувати максимально можлива кількість циклів зарядки;
  • Володіти високою енергоємністю;
  • Бути невибагливим в обслуговуванні і експлуатації;

І особливо важливо, що ці параметри повинні корелюватися з вартістю батареї. Наприклад, є два типи акумуляторів ємністю 100 А*год і напругою 12 V:

  1. Свинцево-кислотний;
  2. Літій-залізо-фосфатний акумулятор(LiFePO4).

В ідеальній системі при лабораторному дотримання режиму експлуатації, кожна з батарей зможе видати:

1 Допустима глибина розряду 80%, споживач отримує 20% зазначеної ємності. Для обчислення обсягу запасеної потужності, множимо 20 А*год на середню напругу 12 V, і отримуємо 144 Вт*ч.

Кількість циклів 1500, сумарно за час роботи батарея видасть 216 кВт*год

2 Допустима глибина розряду 20%, споживач отримує 80% зазначеної ємності. 80 А*год Х 12 V = 960 Вт*ч.

Кількість циклів від 2 до 7 тисяч, візьмемо середнє 4500 циклів, і отримаємо: 960 Вт*год Х 4500 = 4320 кВт*год

ВАЖЛИВО: для спрощення в описаному порівнянні, не приймалися в розрахунок поступове зниження ємності і швидкість розряду!

Різниця в обсязі накопиченої енергії 20 разів. Вартість LiFePO4 АКБ ємність 100 А*год близько 45 т. р., а звичайний свинцево-кислотний з такою ж ємністю обійдеться в 10 т. р.

Але при цьому, LiFePO4 АКБ повністю заряджається всього за 1 годину, а при віддачі енергії, вихідна напруга залишається стабільним до повної розрядки. Тобто в експлуатації дуже невибагливий.

Загальна формула вибору оптимального акумулятора для енергонезалежного будинку виглядає так: Покупна ціна ÷ (Корисна ємність × Життєвий цикл).

Види акумуляторів для автономного енергопостачання

Звичайні свинцево-кислотні акумулятори можна не розглядати докладно, бо характеристики їх експлуатації в системах альтернативної енергетики вивчені і описані. Але саме ці АКБ будуть братися для порівняння, як найбільш поширений тип, тому нагадаємо, що в них:

  1. Максимальна глибина розряду 20% (80% повинно залишитися);
  2. Кількість робочих циклів при ідеальному контролі експлуатації ≈1200;
  3. Висока чутливість до зміни рекомендованого режиму експлуатації (швидкість і глибина розряду, температура і швидкість зарядки тощо).

Єдине зауваження по хитрому ходу маркетологів, які гарантують роботу в буферному режимі таких батарей протягом 5 і навіть 10 років.

Справа в тому, що буферний режим і енергонезалежний будинок це абсолютно різні категорії. В буферному режимі, акумулятор завжди знаходиться на підзарядці, а на роботу він включається дуже рідко! Ну наприклад на вишках стільникових станцій, акумулятори працюють в буферному режимі, і вони включаються в роботу тільки в екстрених випадках, коли в мережі пропадає напруга. Таке може статися раз на місяць або в квартал.

В будинку отримують енергію з альтернативних джерел, у кращому випадку вдень йде зарядка, вночі розряд. Якщо ж джерелом енергії служить вітрогенератор, то циклічність може змінюватися частіше – на те він і вітер, щоб бути непередбачуваним.

Швидкість розрядки теж серйозно позначається на ємності АКБ. Це явище називається ефект Пойкерта. Швидкість розряду позначається C1, C5, C10, C20 і т. д., де цифровий індекс означає, за скільки годин батарея розрядилася до максимально допустимої величини. Наприклад, при C5 розрядка до 80% буде йти протягом 5 годин, якщо C20, значить енергію акумулятор буде віддавати 20 годин.

Діаграма ефекту Пойкерта

Стандартні характеристики дійсно при C10. Більш висока швидкість розряду знижує ємність, і навпаки. Наприклад при C20, ємність АКБ 100 А*год, фактично збільшитися до 115 А*ч.

Ці правила відносяться майже до всіх типів акумуляторів, але свинцево-кислотних вони проявляються на 100%.

З наведеної формули виводить індекс для свинцево-кислотного акумулятора: 10000 р / (20*год х 1200 циклів) ≈ 0,41 р/кВт*год.

Літій-залізо-фосфатні акумулятори (LiFePO4)

Цей тип акумуляторів входить в різновид літій-іонних батарей. Але у них для катода застосовується LiFePO4. У цих батарей є ряд істотних переваг:

  • Допустима розрядка на 80% (залишається 20%);
  • 7000 циклів при розряді на 50%;
  • Стабільну напругу на виході до повної розрядки;
  • Ефект Пойкерта майже не проявляється (дуже слабо виражений);
  • Температура експлуатації від -30 до +55C.

Але такі привабливі характеристики відбилися на вартості. LiFePO4 АКБ ємністю 100 А*год коштує 45 т. р.

Індекс окупності для батареї 100 А*год в режимі, що щадить експлуатації: 45000 р / (50 А*год х 7000) ≈ 0,12 коп/кВт*год.

Є літій-залізо-фосфатні АКБ і більшої ємності. За собівартістю за кВт*год вони обходяться дешевше.

Літій-титанатные акумулятори (Li4Ti5O12)

Ця батарея теж із сегмента літій-іонних акумуляторів, але в ній вже негативний електрод зроблений з літієвої солі титанатной кислоти (Li4Ti5O12). Така модернізація справила фурор в цьому сегменті альтернативної енергетики, адже літій-титанатные батареї:

  • Можуть заряджатися за 12-15 хвилин;
  • Допускають рівень розряду до 20% (80% віддається);
  • Забезпечують до 25000 циклів зарядки!
  • Саморозряд близько 0,6% на місяць;
  • Діапазон робочих температур від -30 до + 60С.

У літій-титанатных акумуляторів є слабке місце – напруга однієї комірки 2,4 V. Це вимагає застосування спеціальних контролерів заряду і знижує абсолютну енергоємність у перерахунку на одиницю маси. Але феноменально висока тривалість роботи робить ці акумулятори дуже зручними в системах автономного енергопостачання.

До речі, виробники електромобілів уникають встановлювати на свою продукцію ці батареї. Адже вони будуть працювати довше, ніж сам автомобіль!

Індекс окупності для Li4Ti5O12 АКБ ємністю 120 А*год: 33500/ (96 х 10000) = 4 копійки/кВт*год.

Залізно-нікелеві акумулятори (NiFe)

На відміну від попередніх моделей, це лужна батарея, де позитивний електрод залізний, негативний електрод з гідрату окису нікелю, а електроліт – концентрований розчин гідроокису калію і літію. Вперше таку батарею зробив Едісон, на самому початку 20-го століття, і саме від неї живляться перші електромобілі. Тобто технологія перевірена, але у залізо-нікелевих АКБ є слабке місце – саморозряд досягає 35% в місяць (≈1%/добу) і напруга однієї комірки всього 1,2 V. Але зате по всім іншим параметрам у них немає конкурентів:

  • Стандартна глибина розряду на 80% (залишається 20%);
  • Зарядка більш високим або низьким струмом не впливає на ємність та тривалість експлуатації;
  • Зниження ємності близько 10% за 10 років. Заміна електроліту відновлює первісну ємність (рекомендація виробника);
  • Тривалість роботи залізо-нікелевої батареї вимірюється не циклами, а роками! Виробник гарантує 30-50 років роботи при доливе дистильованої води раз в місяць і заміні електроліту раз у 10 років;
  • Допускається перевищення швидкості розрядки в 4 рази без зміни характеристик,

Особливу привабливість залізно-нікелевим акумуляторам дає побічний ефект при зарядці. Справа в тому, що близько 30% енергії витрачається на електроліз, з виділенням водню. В оптимальній комбінації, водень збирається в спеціальні металогідридні балони, а потім може живити паливний елемент. У цій компонуванні ККД залізо-нікелевого накопичувача енергії підвищується до 98%!

До речі, в США і Канаді є NiFe АКБ, які працюють вже 70-80 років, і заміни не потребують.

Індекс окупності прорахувати досить складно, бо ні встановленої циклічності. При дотриманні мінімальних вимог до профілактики, залізно-нікелевий акумулятор купується один раз і на все життя. Може бути саме тому вони не популяризуються в приватному секторі.

Ванадієвий проточний акумулятор

Це одна з останніх розробок, який акумулятором назвати складно, бо виробники і розробники називають його накопичувачем енергії. Навіть ємність ванадієвих акумуляторів вимірюється не Ампер-годинами, а заготовленими кіловатами енергії! Але він відноситься саме до електрохімічних пристроїв, хоча принцип його роботи відрізняється від усього, що вироблялося раніше.

Схематично це можна представити як два резервуара, розділених мембраною. В них знаходиться один і той же розчин, але під час зарядки, елементи в кожному резервуарі, набувають потрібну валентність. Для ванадієвих акумуляторів, робоча речовина оксид ванадію, але в продажу вже кілька років є проточні АКБ на розчині бром-цинк, і навіть цинк-церій.

У них унікальна масштабованість – для збільшення енергоємності, треба тільки збільшувати обсяг розчину. Але зате вони можуть розряджатися на 100%, без шкоди для робочих характеристик. Під час випробувань, в Японії за два роки провели 200000 циклів зарядки/розрядки ванадієвої батареї, і характеристики не змінилися.

Австралійський виробник Redflow вже 4 роки реалізує бром-цинковий проточний акумулятор ZCell. При габаритах 0,48 х 1,16 х 1,02 м, і масі 290 кг, він запасає 10 кВт енергії.

В США ванадієві накопичувачі виробляєте фірма Primus Power. І серед її інвесторів, є і РосНано. Ось в які акумулятори вкладає гроші Росія.

 

Додати коментар

Вашу адресу email не буде опубліковано. Обов'язкові поля позначені *

\n\n<\/ins>\n","html_block":"\n\n<\/ins>\n","group":"0","resolution_from":"\u221e","resolution_to":"\u221e"}]});\n\n<\/ins>\n","html_block":"\n\n<\/ins>\n","group":"0","resolution_from":"\u221e","resolution_to":"\u221e"}]});","html_block":"","group":"0","resolution_from":"\u221e","resolution_to":"\u221e"}]});\n<\/ins>\n\n<\/center>","html_block":"