Сонячна батарея – це фотоелектричний модуль, який безпосередньо перетворює сонячне світло в електричну енергію. Це один з головних компонентів сонячної електростанції але не єдиний.
Для нормальної роботи фотоелектричні модулі (сонячні батареї) мають бути підключені до перетворювача – інвертора. Цей пристрій перетворює постійний струм від сонячних батарей в змінний частотою 50Гц і напругою 220В, на яку розраховано всю побутову техніку.
Комбінації сонячних панелей та інвертора достатньо для генерації та споживання електроенергії. Тобто акумулятори не є обов’язковим елементом сонячної електростанції, хоча й важливим та корисним. Далі розберемося навіщо вони потрібні та яким чином підбирається ємність блоку акумуляторних батарей.
Сонце це досить примхлива стихія, тому досить часто автономні електростанції комбінують із фотоелектричних модулів та вітрогенератора. Адже вітер може давати струм і вдень і вночі. На фото нижче зображено компактну електростанцію сонце-вітер для систем вуличного освітлення.
Але ні вітер ні сонце не можуть забезпечити 100% прогнозовану генерацію. Сонячна активність дуже нерівномірна і найчастіше максимум енергії сонячні батареї отримують близько полудня. Тоді як пік споживання електроенергії припадає на ранішні та вечірні години, що підтверджує графік нижче.
Було б добре якось зібрати і зберегти енергію отриману вдень і використати її в зручний час. З цією задачею можуть впоратись акумулятори призначені для накопичення електроенергії, виробленої сонячними панелями.
Приватна електростанція, що оснащена акумуляторним блоком переходить зовсім на інший рівень комфорту та незалежності від електромережі.
Як працюють більшість сонячних станцій в Україні
Зазвичай сонячні батареї використовують паралельно з міською чи сільською електромережею. Сонячні станції в Україні набули популярності через програму «Зелений тариф». Суть її полягає в тому, що державні електромережі закуповують вироблену приватною станцією електроенергію за досить високим тарифом, на момент 2021 року тариф складає 0,164 Євро/кВт, що є достатньо вигідним, щоб інвестувати в будівництво сонячних електростанцій.
По суті власник сонячної станції отримує дохід від виробленої електроенергії, якого вистачає на те щоб вкладені в побудову станції кошти окупились (термін окупності від 4 до 6 років). А далі власник отримує чистий дохід. Прибуток залежить від потужності станції та регіону. Максимальна потужність сонячних станцій для приватного сектору складає 30кВт. Мінімальна потужність яку доцільно використовувати підключення до системи «Зелений тариф» – 5 кВт.
Є кілька варіантів роботи приватної сонячної станції:
- Тільки на власні потреби. Забезпечує якусь частину чи повну потужність споживачів в денний час. У вечірній та нічний час живлення будинку автоматично переходить на зовнішню мережу. Також живлення від зовнішньої мережі працює переважно взимку та в дощову, чи дуже хмарну погоду. Для такого варіанту станцій доцільно встановлювати блок акумуляторних батарей. Адже автономні станції встановлюються в приватному секторі де досить часто бувають аварійні відключення мережі. Особливо взимку. А коли зимової ночі зупиниться циркуляційний насос і автоматично відключиться котел, це вже серйозно. І якщо газовий котел просто вимкнеться, то у випадку твердопаливного котла зупинка циркуляції може призвести до закипання води та зриву аварійного клапана, або навіть руйнування теплообмінника котла. Акумуляторний блок дозволить підтримувати роботу найважливіших систем кілька годин, поки не буде усунуто аварію на лінії. Крім аварійних випадків блок автоматичного керування можна налаштувати так, що коли потік енергії від фотоелектричних модулів недостатній в роботу включаються акумулятори. Так можна компенсувати ранковий та вечірній пік споживання, а вдень сонячні батареї знову зарядять акумулятори. І тільки коли ні потужності акумуляторних батарей ні фотоелектричних модулів не достатньо, блок керування перемикається на зовнішню мережу.
- Гібридна сонячна станція. Має достатню потужність для забезпечення власних потреб плюс запас для продажу надлишків генерації по «Зеленому тарифу». Принцип роботи схожий до попереднього, але як правило тут більша пікова потужність. І теж має сенс встановлення блоку акумуляторів блоку з тих самих причин.
- Комерційна, де вся генерована енергія йде в мережу по «Зеленому тарифу». Такі варіанти теж досить поширені.
Ми розібрались навіщо потрібні акумулятори. Далі розберемо сь, як вибирати акумуляторні батареї. Який час автономної роботи вони можуть дати, і скільки це буде коштувати. Адже коштують акумуляторні батареї досить дорого, та й місця займають багато. І встановлювати стільки акумуляторів щоб весь будинок працював автономно 5 і більше годин дуже дорого.
Час автономної роботи від акумуляторів та кількість захищених споживачів
Щоб раціонально використати ємність аварійних акумуляторів рекомендується розділити мережу на першу та другу категорію споживання.
- Перша категорія – це розетки та світильники які живлять критично важливі прилади, той самий котел з автоматикою та циркуляційним насосом, холодильник, робочий комп’ютер, аварійне освітлення при вході та біля сходів у підвал чи на другий поверх і таке інше. Саме вони будуть підключені до блоку акумуляторних батарей.
- Друга категорія – це всі інші розетки та освітлення без яких можна обійтися.
Зазвичай сумарна потужність споживачів першої категорії не перевищує 0,5-2,5 кВт, а час автономної роботи від акумуляторів знаходиться в межах 2-3 годин. За цей час або буде відновлено живлення, або буде запущено бензиновий чи дизельний генератор.
Встановлювати акумулятори великої ємності які можуть працювати більше 5-6 годин дуже дорого. І набагато раціональніше побудувати систему автоматичного вводу резервного живлення від дизельного генератора. Така система працюватиме в кілька етапів. В перші хвилини відключення захищені споживачі живляться від акумуляторів, чи від акумуляторів та сонячних батарей, якщо на вулиці достатній рівень сонячного освітлення.
Далі, по мірі розряду акумуляторних батарей, блок автоматичного керування дасть сигнал на дистанційний запуск електрогенератора. Який візьме на себе підтримку роботи захищених, а часто й усіх споживачів. Після відновлення живлення мережі блок керування вимкне генератор, переключить акумулятори в режим заряду (джерелом заряду акумуляторів може бути як мережа так і сонячні батареї).
Звичайно, технічно можливо встановити акумуляторний блок, що дозволить працювати в автономному режимі 24 години і більше, але така схема буде мати значний кошторис.
Принцип роботи сонячної батареї
В основі лежить фотоефект, описаний Альбертом Ейнштейном, ще у 1905 році. Що є датою народження сучасних сонячних панелей.
Розберемося як саме сонячна панель перетворює видиме світло (фотони) в електричну енергію (потік електронів). Весь «секрет» в двох шарах кремнію розділених спеціальним шаром. Точніше в домішках, що змінюють властивості верхнього та нижнього шару кремнію. У верхній шар додають фосфор, щоб отримати кремній в якому є «зайві» електрони. Так званий кремній N-типу (negative) бо електрони самі по собі мають негативний заряд.
А додавання бору в кремній дає кремній P-типу (positive) з дефіцитом електронів (дірками). Фотони з потоку сонячних променів вибивають «зайві» електрони із N-кремнію, і ці електрони заповнюють дірки P-кремнію. А впорядкований рух електронів це і є електричний струм.
Принцип роботи акумуляторної батареї
Акумулятор працює на принципі зворотної хімічної реакції. Тут за перенос заряду відповідають заряджені іони.
Кожен акумулятор складається з чотирьох основних компонентів:
- Два електроди: анод (-) і катод (+) які занурені в електроліт і між якими виникає різниця потенціалів.
- Пориста мембрана, що розділяє електроди акумулятора. Мембрана є тільки в сучасних (гелевих та інших) акумуляторах. Старі автомобільні акумулятори мають розділення на відсіки (банки) за допомогою сепараторів. Це дрібноперфоровані пластини через які може циркулювати електроліт, але які не дадуть електродам фізично доторкнутися і замкнутися. Така батарея закрита пробкою з клапаном через яку можна доливати свіжий електроліт, та через яку відводяться гази що утворюються під час роботи акумулятора. Використовувати такі акумулятори для сонячних станцій не можна, через випаровування кислоти. Сучасні автомобільні акумулятори вже не потребують доливання електроліту та нічого не випаровують, але за режимом роботи свинцеві автомобільні акумулятори – це пускові агрегати. Вони можуть давати хороший імпульс для розкрутки двигуна, але не призначені для довготривалої роботи з постійними циклами заряду-розряду. Тому далі розглянемо які типи акумуляторних батарей найкраще підходять для доповнення сонячних електростанцій.
- Електроліт для переносу іонів та підтримання реакції всередині акумулятора (наприклад розчин сірчаної кислоти).
Принцип роботи всіх типів акумуляторних батарей схожий, але відрізняється елементна база. Оскільки найпростішими та найрозповсюдженішими є кислотно-свинцеві акумулятори розберемо принцип роботи на їхньому прикладі.
Для катодів використовується оксид свинцю, а для анодів чистий свинець. В якості електроліту використовується 38% розчин сірчаної кислоти у дистильованій воді. На ілюстрації нижче показано процеси, що відбуваються коли до акумулятора підключено зовнішнє навантаження.
Коли замкнути катод і анод через зовнішнє електричне коло, почне проходити реакція відновлення оксиду свинцю, та окислення чистого свинцю. В результаті реакції на обох електродах акумулятора осідає сульфат свинцю PbSO4. А іони кисню та водню, що вивільняються під час реакції з сірчаної кислоти та оксиду цинку утворюють воду. Тому концентрація електроліту падає.
З часом акумулятор розряджається, це значить що не залишилось вільних іонів, а обидва електроди вкриті однаковою речовиною – сульфатом свинцю.
Коли навпаки подати на електроди акумулятора напругу, то потік електронів почне рухатись в зворотному напрямку. Анод відновиться до металічного свинцю, а катод знову стане чистим оксидом свинцю. Сульфідні групи знов повернуться в електроліт і стануть молекулами сірчаної кислоти.
На іншій ілюстрації зображено конструкцію та принцип роботи нікель кадмієвих акумуляторів. Як бачимо принцип роботи схожий, тільки для переносу заряду використовуються іони інших металів.
Нікель-кадмієві акумулятори поступаються за популярністю кислотно-свинцевим, або літій-іонним, але мають свої переваги – вони дуже надійні і можуть без проблем працювати при екстремально низьких температурах.
Процес заряду і розряду акумулятора може відбуватись багато разів, але на жаль кількість циклів обмежена. Матеріал електродів деградує в електроліті утворюються домішки і рано чи пізно акумулятор виходить з ладу і його потрібно замінити. Наше завдання зрозуміти які акумулятори найкращі для використання спільно з сонячними електростанціями, щоб вони встигли окупитися раніше ніж настане час їх міняти.
Характеристики акумуляторів
Для початку розберемося з характеристиками які є найважливішими при виборі акумуляторних батарей:
- Ємність акумуляторних батарей Q = А*h. Вимірюється в ампер-годинах і на спрощеному рівні означає скільки годин повністю заряджена батарея зможе видавати струм в 1 ампер. Наприклад акумулятор ємністю 10А*г – теоретично може видавати струм в один ампер 10 годин, або струм 10А одну годину. Але це тільки теоретично, бо насправді є кілька обмежень.
- Не можна використати всю ємність до дна. Є обмеження по глибині розряду від 50% до 70%. Тобто з паспортної ємності в 10А*г можна буде використати тільки 5-7А*г – докладніше коефіцієнт допустимого розряду розглянемо далі.
- Якщо струм близький до максимального то ємність також знижується. Ті самі 10А за одну годину з нашого прикладу то досить багато хоча в межах норми. А якщо навантаження розрядить акумулятор за кілька хвилин, то він не тільки перегріється, а й не видасть кількість енергії рівну номінальній ємності. Часто на акумуляторах пишуть кілька значень ємності для різних режимів роботи. Наприклад для 10, 20, 100 годин роботи, вони так і позначаються Q10, Q20, Q100. Струм розряду для кожного режиму теж значно відрізнятиметься. Найкраще для «здоров’я» акумулятора експлуатувати його в середніх режимах.
- Номінальна напруга позначається на корпусі та в супровідних документах. Насправді величина напруги на клемах зарядженого і розрядженого акумулятора відрізняється не дуже сильно. Наприклад повністю заряджена акумуляторна батарея номінальною напругою 12 В покаже при вимірюванні 14,5В, а розряджена близько 10В. Напруга то важливий параметр що впливає на кількість енергії (Дж) що можуть накопичити акумулятори. Енергію батареї можна обчислити за формулою:
W = U*I*h
Де W – енергія, що накопичена акумулятором в Дж;
U – номінальна напруга акумулятора у вольтах (В);
I – струм розряду в амперах (А);
h – час роботи в годинах.
Нескладно помітити, що у формулу можна помістити ємність Q=U*I, тоді формулу можна переписати так:
W = U*Q
Тобто акумулятор ємністю 15А*г і напругою 24В, може накопичити і віддати вдвічі більшу кількість енергії, ніж акумулятор ємністю 15А*г і напругою 12В.
На жаль з часом ресурс акумуляторів зменшується і ємність падає. Кожна батарея може відпрацювати обмежену кількість циклів розряду і заряду.
- Кількість циклів розряду та заряду. Хорошим показником є зниження ємності до 70% від номінальної через 1000 циклів заряду розряду. На жаль не всі типи акумуляторних батарей можуть похвалитись такою «живучістю».
- Коефіцієнт глибини розряду. Наприклад в автомобільних акумуляторах цей показник не більше 30%, в літій-іонних батареях близько 70%. Тобто в першому випадку можна скористатись тільки третиною, а в другому вже 70% енергії, що була запасена в акумуляторі. Саме тому пускові автомобільні акумулятори не дуже підходять для роботи з сонячними батареями. В принципі за потреби акумулятор можна розрядити в нуль. Але після глибоких розрядів знижується ємність і прискорюється знос. І до суттєвого падіння ємності акумулятор витримає не 1000, а тільки 300-400 циклів.
- Безпека – не виділяють хімічних речовин під час роботи не схильні до займання. Тут теж перевага за сучасними гелевими та іншими батареями, що не потребують обслуговування.
- Щільність енергії на кілограм. Різна елемента база призводить до того, що одну й ту ж енергію можна отримати з акумуляторів які відрізняються масою та габаритами в два-три рази. Найгірші показники у «мокрих» свинцево-кислотних акумуляторів, найкращі в літій-полімерних.
Як розрахувати ємність набору акумуляторів для конкретного споживача
Розберемо конкретний приклад. Припустимо нам потрібно щоб якесь навантаження (насос і автоматика котла наприклад) працювали від акумуляторів не менш ніж 1,5 години. Нехай сумарна потужність складає 400Вт. Формула для розрахунку буде виглядати так:
Q = (P*t)/U*k, де:
Q – необхідна ємність в А*г;
P – потужність споживачів Вт;
t – час автономної роботи, в нашому випадку – 1,5 години;
U – напруга на виході блоку батарей, наприклад – 12В;
k – коефіцієнт допустимого розряду, візьмемо для нашого прикладу, що k =0,5.
Q = (400*1.5)/12*0.5 = 100 А*г
Це досить велика ємність, саме тому для блоків безперебійного живлення та сонячних електростанцій все частіше використовують акумулятори на більш високу напругу. Наприклад якщо використаємо АКБ напругою 48В, то в результаті отримаємо:
Q = (400*1.5)/48*0.5 = 25 А*г
Що суттєво менше і блок батарей буде меншим за розмірами і ціною.
Які акумулятори найкраще підходять для сонячних електростанцій
Для наглядності ми склали таблицю де видно переваги та недоліки кожного з варіантів. В останньому стовпчику вказано параметр який ми ще не розглядали. В ідеальних умовах акумулятор плавно розряджається досягає штатної глибини розряду після чого повинен зарядитись повністю без відключень зарядного струму.
Реальний режим роботи може бути будь-яким:
- нерівномірний струм розряду;
- частковий заряд потім знову підключення навантаження і так багато разів підряд.
Без втрати характеристик в такому режимі можуть працювати тільки літій-іонні акумулятори, для всіх інших це дуже несприятливі умови роботи.
Деякі показники неможливо передати цифрами, особливо дані щодо ціни. Тому внесено відносний показник. Найдорожчими є літій іонні акумулятори, отже ціна інших вказана відносно них.
Кольорами позначено ступінь «крутизни» акумулятора за конкретним параметром. Цим ближче колір до зеленого тим краще, чим ближче до червоного тим гірше
| Тип акумулятора | Кількість циклів | Виділення шкідливих парів чи аерозолів | Глибина розряду | Щільність ємності на кілограм | Робочі температури (рекоменд.) | Швидкість заряджання | «Рваний» режим роботи | Ціна |
| “мокрі” або «Закритого типу» свинцево-кислотні (автомобільні з рідким електролітом) | ≤500 | так | 30% | погана | -20 + 45°С | низька | не придатні втрачають ємність та «сипляться» | низька |
| «Закритого типу» свинцево-кислотні (тягові з рідким електролітом) | ≤500 | так | 40-50% | погана | -20 + 45°С | середня | можуть працювати в зі змінним навантаженням режимі, але заряджати треба до 100% | низька |
| «Закритого типу» трубчаті свинцево-кислотні | ≤500 | майже немає | 40-50% | середня | -20 + 45°С | середня | можуть працювати з помірною втратою показників | помірна |
| Свинцево-кислотні герметичні AGM | ≤500 | немає | 40-50% | середня | -20 + 45°С | середня | можуть працювати з помірною втратою показників | помірна |
| Свинцево-кислотні герметичні гелеві GEL | ≤ 1000 | немає | 40-50% | середня | -20 + 45°С | середня | можуть працювати з помірною втратою показників | середня |
| Літій-іонні | ≤ 4000 | немає | до 70% | відмінна | 0 +45°С | висока | можуть без обмежень, режим ніяк не позначається на ємності та часі роботи | висока |
| Нікель кадмієві | ≤1000 | немає | до 60% | добра | – 30 +45°С | середня | можуть працювати в зі змінним навантаженням режимі, але заряджати треба до 100% | висока |
Як бачимо у літій-іонних акумуляторів тільки один суттєвий недолік – це ціна. Але вони таки набувають все більшої популярності і не тільки через довговічність та компактні розміри. Літій іонні акумулятори найкраще з усіх пристосовані до точного відслідковування стану батарей. Не тільки рівня заряду, а й ще багатьох параметрів.
На другому місці за сумою характеристик опиняються гелеві кислотно-свинцеві акумулятори.
Якщо потрібна консультація щодо підбору блоку акумуляторів, інвертора чи сонячних батарей, телефонуйте. Обов’язково допоможемо.
Сподіваємось матеріал статті був для вас цікавим. До наступних публікацій.
Всі літій-іонні акумулятори, в свою чергу, поділяються на три основні групи:
- літій-ферум полімерні
- літій-іонні
- літій ферум-фосфатні
Кожен тип має свої переваги та недоліки, а також кожен тип має свою сферу застосування.
Про переваги, застосування та вибір типу літій-іонного акумулятора читайте в наступній статті про акумуляторні батареї.