Аккумулятор для солнечных батарей

Расчёт и выбор аккумулятора

Для начала необходимо рассчитать мощность ожидаемой выработки энергии. Расчеты производятся на основе мощности излучения солнца, составленных с учетом погоды в разное время года.

Помимо этого при получении результата необходимо в обязательном порядке учесть углы наклона панели солнечной батареи, причем неважно – горизонтально или вертикально она сориентирована. Угол наклона крайне важен, поэтому его нужно выбирать правильно

Угол наклона крайне важен, поэтому его нужно выбирать правильно.

Если планируется эксплуатировать систему в течение всего года, то лучше всего сориентировать панель под угол на пятнадцать градусов больше, чем значение географической широты расположения объекта, где находится система.

Помимо всего этого необходимо учитывать, что в процессе эксплуатации на панели солнечной батареи будет скапливаться пыль, наледь и снег. Для московского региона угол наклона панели составляет семьдесят процентов с ориентацией на южную сторону. Если планируется использовать фотоэлектрическую батарею, то её можно установить на фасаде дома или на крыше, при этом угол наклона должен быть сориентированным в восточном или западном направлении.

После выбора угла наклона панели солнечной батареи нужно провести расчет возможной производительности солнечной электростанции, требуемого числа солнечных модулей, необходимых для функционирования системы в определенном режиме. Все расчеты осуществляются на примере самого худшего месяца, чаще всего этим месяцем является январь, и самого лучшего для солнечной электростанции – июль, а также для большей части года, периода с последнего месяца зимы, февраля, по последний месяц осени, ноябрь.

Именно в этот период солнце наиболее активно. Стандартный показатель инсоляции рассчитывается для площади в один квадратный метр, при этом номинальное значение мощности определяется при температуре в двадцать пять градусов стандартного потока света в один киловатт на один квадратный метр.

Принимая максимальное значение инсоляции (мощность излучения солнца, падающего на поверхность), расчет показывает, что значение вырабатываемой батареей электрической энергии относится к значению показателя инсоляции одного квадратного метра, точно также, как и вырабатываемая энергия к значению мощности солнечного излучения на поверхности земли при ясной погоде, которая приходится на один квадратный метр, то есть тысячи ватт.

Умножая значение месячной инсоляции на значение вырабатываемой мощности солнечной батареи, поделенное на максимальное значение инсоляции, можно более точно узнать возможную месячную выработку энергии солнечной батарей.

Расчет выработки солнечной панели проводится при помощи перемножения значения месячной инсоляции, выработки электрической энергии и соотношения КПД солнечной батареи и номинального значения мощности батареи.

В свою очередь, значение номинальной мощности устройства рассчитывается при помощи перемножения максимального значения мощности инсоляции и выработки электрической энергии, получаемой от солнечной электростанции, поделенных на произведение месячной инсоляции и КПД.

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

Виды аккумуляторов

Для солнечных батарей можно использовать по сути любой аккумулятор. Но главное, чтобы он работал долго. Функционирование АКБ имеет зависимость от типа изготовления и материалов.

Основные виды накопителей энергии:

1. Литиевые.
2. Свинцово-кислотные.
3. Щелочные.
4. Гелевые.
5. AGM
6. Заливные никель-кадмиевые.
7. OPZS.

Литиевые

Энергия появляется в них в тот момент, когда ионы лития вступают в реакцию с молекулами металлов. Металлы — это дополнительные компоненты.

Данные типы батарей способны очень быстро заряжаться при большой емкости. Весят данные АКБ мало и обладают компактным размером. Кроме этого их себестоимость достаточно высока. Из-за этого их почти не применяют в солнечные энергетики. Работают в 2 раза меньше чем гелевые. Но прослужить еще меньше если заряд превысит 45%. Именно на этой отметке они способны удерживать объем емкости на нужном уровне.

Подобные аккумуляторы функционируют в малых диапазонах напряжения. Существенный минус подобных устройств заключается в уменьшающейся со временем емкости. И это не зависит от соблюдения всех технических правил.

Свинцово-кислотные

На стадии разработки их оснастили несколькими отсеками для электролита с водяным раствором. В эту смесь погружают свинцовые электроды и различные примеси. Благодаря этому АКБ получился стойким к коррозии.

Работают такие устройства не долго. Это объясняется быстротой разряда.

Щелочные

Данные аккумуляторы имеют мало электролита. Их химические вещества не способны в нем раствориться. Они даже не реагируют между собой.

Алкалиновые (щелочные) аккумуляторы способны проработать достаточно долго. Они хорошо устойчивы к скачкам напряжения. В отличие от гелевых данные АКБ способны стабильно работать при пониженных температурах. Причем на морозе они способны проработать много времени.

Хранить их нужно разряженными на 100%. Это нужно для того, чтобы не потерять емкость при будущих зарядках. Такая особенность может серьезно нарушить функционирование солнечной электростанции.

Гелевые

Этот тип имеет такое название потому что электролит в нем представлен в виде геля. За счет решетчатой прослойке он практически не течет.

Данный аккумулятор для солнечных батарей работает долго и может быть много раз перезаряжен. Устойчив к механическим повреждениям. Разного рода трещины не нарушат его функционирование.

Он может работать при низких температурах до -50 градусов и его емкость не снижается. После длительного бездействия гелевый аккумулятор не теряет своих свойств.

Если предстоит использовать этот АКБ в холодном помещение, то его следует утеплить. Ни в коем случае нельзя превышать уровень заряда. В противном случае он может взорваться или выйти из строя. Кроме этого они сильно чувствительны к скачкам напряжения.

AGM

По сути они принадлежат к типу свинцово-кислотных. Но есть отличие — это находящееся внутри стекловолокно, находящееся в электролите. Кислота наполняет прослойки этого материала. Это дает возможность ей не растекаться. Все это говорит о том, что подобный аккумулятор для солнечных батарей можно располагать в любом положении.

Подобные батареи имеют хороший объем емкости, работают долго и могут подзаряжаться до 500 или 1000 раз. Здесь все зависит от производителя. Но несмотря на все достоинства есть существенный недостаток. Они чувствительны к повышенному току. Это может раздуть корпус.

Литые никель-кадмиевые АКБ

Относятся к щелочному типу и нуждаются в заливке электролита. В отличие от аккумуляторов с желеобразным наполнителем они более безопасны. Их стоимость не высока и мощность держат достаточно хорошо. Способны отлично выдерживать много циклов заряда и разряда.

Срок эксплуатации достаточно мал. Чем дольше им пользуешься, тем меньше становится его емкость.

Аккумуляторы для автомобиля

Эти устройства достаточно выгодны в плане экономии денежных средств. Люди, которые самостоятельно изготавливают свою солнечную электростанцию чаще всего используют их.

Минус данных АКБ заключается в быстром износе и частой замене. В результате их можно использовать на небольшой срок и под не высокую мощность солнечных модулей.

Как выбрать аккумулятор

Те, кто предпочел альтернативную энергетику, интересуется, какой АКБ лучше. Недостаточно выбрать наиболее мощную модель, здесь нужно уметь соотносить характеристики с условиями работы. Рекомендации:

• количество циклов «зарядки-разрядки». Отталкиваясь от этого параметра можно прикинуть, сколько прослужит батарея;
• скорость зарядки и разряда. От этого тоже зависит «срок жизни»;
• саморазряд. Чем больше – тем быстрее изнашивается АКБ;
• емкость. От этой характеристики зависят мощности, с которыми сможет работать устройство;
• максимальный ток заряда и разряда. В первом случае определяется, какие токи принимает АКБ, во втором – какие может отдать (без ущерба для работоспособности);
• вес и размеры. Зная массу и габариты элементов проще составить схему подключения и определить для них место;
• условия работы. Каждая модель рассчитана на работу в определенных температурных режимах;
• обслуживание. Параметр не основной, но от этого зависит удобство взаимодействия с АКБ.

Подбирая понадобятся тщательные расчеты, которые помогут установить наиболее эффективную модель.

Для автономных систем

Требования при выборе АКБ для автономной электростанции:

• выдерживание высоких токов заряда;
• минимальный уровень саморазряда;
• работа в широких температурных диапазонах;
• легкость установки и обслуживания.

Расчет емкости

Для этого есть простые формулы и допуски на потери, возникающие при работе системы. Минимального количества энергии в АКБ должно хватать на ночную нагрузку. Если в течение суток расход энергии составляет 3 кВт/ч, значит и система аккумуляторов должна быть с таким запасом, не меньше.

Оптимальный запас – тот, который покрывает суточные потребности объекта. При нагрузке 10 кВт/ч и при наличии «банка» батарей аналогичной емкости – пользователю хватит энергии на 1 сутки. Если погода солнечная, то показатель разряда аккумуляторов будет не более 25%.

Например, батарея с запасом емкости 100 Ач, ее напряжение – 12 В. Формула для расчета: емкость множится на напряжение – 100 х 12 = 1,2 кВт/ч. Поэтому, для гипотетического объекта, где ночное энергопотребление составляет 3 кВт/ч, а суточное – 10 кВт/ч, понадобится связка минимум из 3 АКБ, но оптимально – из 10. Причем это «идеальный» расчет, в котором не учитываются потери и особенности приборов.

Аккумуляторы по типам

Для солнечной энергетики ценность имеют емкие аккумуляторы

Количество циклов заряда также важно, от этого зависит периодичность смены вышедших из строя устройств. Оба фактора непосредственно устанавливаются используемыми технологиями и применяемыми химическими реакциями в батарее

Существуют следующие виды в зависимости от электролитической составляющей:

• Аккумуляторы, в которых электролит находится в виде геля. Такие конструкции не требуют периодического обслуживания в процессе эксплуатации. Что касается химической основы, — это обычные свинцово-кислотные батареи. Применение геля в качестве основы электролита дополнительно дает увеличение количества циклов заряда, за счет отсутствия связывания проницаемого ионами вещества с частями материала анода. Другими словами, у таких аккумуляторов меньше падает кислотность электролита, что дает возможность отказаться от периодического поднятия его плотности в процессе использования батареи. Аккумуляторы такого типа обозначаются, как «GEL» на корпусе. Их, наверное, самый большой минус — непереносимость перезаряда или пополнения слишком высокими токами.
• Обычные AGM. Свинцово-кислотные АКБ, распространенные и зачастую используемые в транспорте. В аккумуляторах этого типа основой реакции служит связка химического обмена ионами между контактами свинца с преобразованием его в оксид металла. Электролитом служит раствор серной кислоты. Как раз последний фактор и обеспечивает минус у таких батарей — жидкость, кроме того, что может закипеть, еще и постоянно теряет свою кислотность из-за оседающих в ней остатков от химических реакций обмена. Такие аккумуляторы требуют периодического повышения плотности в процессе эксплуатации. Уровень электролита в одном положении, относительно пластин электродов, поддерживается пропиткой им специальных матов из стекловолокна.
• Аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется щелочная основа. Материал, применяющийся для пластин электродов — водородный металлогидридный сплав никеля с лантаном или литием в качестве анода, и оксид никеля для катода. Электролитом служит сильнощелочной раствор гидроксида калия (KOH). Маркируются такие аккумуляторы, как NiMH. Плюс подобной батареи — отсутствие «эффекта памяти», что позволяет заряжать ее полностью, вне зависимости от текущего уровня запасенной энергии. Кроме того, они абсолютно безопасны для экологии. Минус — ограниченный срок службы и малое количество циклов.

Также аккумуляторы для солнечных панелей различают по металлам, используемым в качестве основы анода и катода. Среди них:

• Уже упомянутые свинцово-кислотные батареи, основа которых — свинец (Pl), что обязательно бывает отмечено на корпусе накопителя;
• Никель-кадмиевые, в которых анод изготавливается из гидрата закиси кадмия Cd(OH)2 или его металлического варианта Cd. Применяемый электролит состоит из смеси гидроксидов лития (LiOH) и кадмия (KOH). Катод выполнен путем соединения графитового порошка с гидратом закиси никеля Ni(OH)2. Обычно батареи такого типа маркируются, как NiCd. Характерным минусом служит долгое время заряда и относительно невысокая емкость АКБ, которая еще и уменьшается в процессе эксплуатации из-за сильно выраженного «эффекта памяти» никель-кадмиевых накопителей. Плюсом служит — низкая цена в соотношении с аналогами и малый нагрев при зарядке.
• Литий ионные с пометкой Li-ion на корпусе. Анод в них выполнен на основе графита, нанесенного на алюминиевую фольгу, а катод с использованием кобальтита лития (LiCoO2) на тонкой медной поверхности. Литиевые аккумуляторы характеризуются низким уровнем саморазряда и быстрым набором энергии. К сожалению, взрывоопасны при неправильном использовании. Еще один минус — они дороги.

Применяются и другие виды по структуре и составу аккумуляторные батареи, но частота их использования с солнечными панелями практически равна нулю.

Что влияет на долговечность солнечных панелей

У солнечных батарей . Солнечные батареи долговечны, могут работать при экстремальных температурах и продолжать обеспечивать необходимым количеством энергии даже после многих лет эксплуатации. В первую очередь их долговечность связана с тем, что солнечные панели не имеют движущихся частей и редко ломаются, как правило, повреждаются только извне, например, из-за плохой установки или ненастной погоды. Поэтому срок службы солнечных панелей относится к их плюсам, делает установку таких конструкций привлекательной. Но есть много факторов, которые влияют на срок службы солнечных батарей – это влияние ультрафиолета, погодных условий (перепады температур, перегрев панелей), особенности установки, качество обслуживания. И если сами фотоэлементы практически не изнашиваются, повреждаться могут другие части конструкции. Например, к снижению эффективности может приводить помутнение прослойки между фотомодулем и защитным стеклом, разрушение пленки герметизации или задней поверхности модуля и пр. 

Поэтому вопрос об ожидаемой продолжительности работы панелей возникает у владельцев гелиоустановок достаточно часто. Трудно оценить наперед свои вложения и стоимость солнечной батареи, если непонятно, как долго солнечные панели будут генерировать достаточное количество энергии. Для этого нужно изучить множество нюансов, связанных с их техническими параметрами, особенностями работы, условиями эксплуатации.

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