Октябрь 2018
Интерес к способам хранения энергии растет постоянно. И это относится не только к автономным системам энергоснабжения. Добавление солнечных батарей в систему резервного энергоснабжения позволяет экономить, иногда значительные средства, и при подключенной централизованной электросети. Не только экономить, но и добавлять необходимую мощность потребителям, если централизованная сеть ограничена по мощности поставщиком, или работает нестабильно при пиковых нагрузках. С общим удорожанием энергоносителей растет и стоимость электроэнергии, и вместе с этим растет интерес к способам сохранения энергии, полученной от солнца днем, или в течение действия "дешевого" тарифа централизованной сети на многотарифных планах.
Аккумуляторы в энергосистемах с солнечными батареями должны уметь работать в условиях нестабильной энергосети, регулярной цикличности (заряда и разряда) и нерегулярной полной зарядки. Создано множество типов аккумуляторов, удовлетворяющих этим условиям в различной степени. Здесь мы рассмотрим особенности каждого типа, включая их стоимость, срок службы, требования к установке и обслуживанию.
Технологии
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Этот тип аккумуляторов используется в системах автономного и резервного энергоснабжения во всем мире уже несколько десятилетий.
Стоимость: стандартные свинцово-кислотные аккумуляторы глубокого разряда стоят значительно дешевле литий-ионных аккумуляторов.
Цикличность: свинцово-кислотные аккумуляторы с регулируемым клапаном (VRLA) включают в себя модели AGM, с абсорбирующим стекловолоконным сепаратором, и GEL, с электролитом сгущенным до состояния геля внутри аккумулятора. Как правило, AGM аккумуляторы дешевле своих гелевых аналогов, но они выдерживают меньшее количество циклов глубокого разряда. Хотя, в последнее время стали появляться модели AGM-аккумуляторов, не уступающих гелевым по ресурсу, что делает их еще более привлекательными для использования в системах автономного и резервного энергоснабжения.
Новый тип VRLA-аккумуляторов с добавлением нано-карбона более устойчив к сульфатированию (окислению пластин), и, со временем этот тип полностью заменит AGM и гелевые аккумуляторы. Присадки нано-карбона замедляют процесс сульфатации, позволяют заряжать аккумулятор более высоким током (а значит, быстрее), а также увеличивают количество гарантированных циклов разряд-заряда, по сравнению с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами.
Замена/обслуживание: на срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов влияет множество факторов, включая их качество изготовления, конструкцию и условия хранения и эксплуатации. Поэтому предсказать, когда они потребуют замены - очень сложно. Наливные свинцово-кислотные аккумуляторы (с жидким электролитом) требуют регулярного долива воды, т.к. она испаряется из электролита во время заряда. Также, наливные аккумуляторы требуют хорошей вентиляции в помещении, где они установлены, для избежания накопления взрывоопасного водорода.
Гелевые и AGM-аккумуляторы являются рекомбинантными, это значит, что они преобразуют образующиеся внутри аккумулятора газы обратно в воду, и они не требуют никакого обслуживания. Электролит внутри этих аккумуляторов находится в связанном виде, и их можно устанавливать в любом положении, кроме перевернутого. Поскольку системы автономного энергоснабжения иногда устанавливаются в труднодоступных и удаленных районах, возможность установки аккумуляторов и их длительная эксплуатация без обслуживания являются серьезным преимуществом.
Утилизация: правильная утилизация свинцово-кислотных аккумуляторов очень важна, т.к. свинец токсичен. К счастью, сейчас технологии переработки свинца весьма развиты. Пластик, из которого изготавливают корпуса также подлежит переработке. В большинстве случаев электролит, содержащийся в аккумуляторах, очищается от примесей и используется повторно, а извлекаемые из электролита сульфаты смешиваются с другими химикатами и применяются как удобрения.
Литий-ионные аккумуляторы
На текущий момент, литий-ионные аккумуляторы являются самыми распространенными, используемыми для хранения энергии в мире. Например плоские ячейки - в смартфонах и планшетах, цилиндрические - в электроинструменте, призматические - электротранспорте. Призматические ячейки иногда имеют ребристые корпуса, для лучшего охлаждения. Именно аккумуляторы на призматических ячейках наиболее часто используются для хранения солнечной энергии.
Стоимость: аналитики оценили стоимость литий-ионного аккумулятора примерно в 500 $/кВт*ч. Частично высокая стоимость литий-ионных аккумуляторов связана с тем, что для контроля заряда, разряда и температуры каждой ячейки используется специальная плата-контроллер (BMS). Использование BMS необязательно со свинцово-кислотными аккумуляторами, т.к. процессом заряд-разряда управляет контроллер заряда инвертора или солнечных батарей.
Цикличность: литий-ионные аккумуляторы обеспечивают большее количество циклов заряда-разряда, чем свинцово-кислотные, а значит, их срок службы больше. Это делает их хорошим выбором в системах с большим количеством циклов заряд-разряда, например, в системах, служащих для сглаживания пиков потребления, поддержки частоты и напряжения. Еще одним важным преимуществом этих аккумуляторов является возможность заряжать их высоким током, а значит, значительно быстрее, чем свинцово-кислотные. А это важно при использовании солнечной энергии в качестве источника - можно сохранить всю собираемую солнечную энергию в течение дня. К приятным дополнениям к остальным преимуществам служит низкий саморазряд литий-ионных аккумуляторов, что важно для систем, используемых время от времени.
Замена/обслуживание: литий-ионные аккумуляторы гораздо легче своих свинцовых аналогов, их проще транспортировать и устанавливать, менять. Они герметичны, и не требуют обновления электролита, или какого-либо еще обслуживания.
Утилизация: в конструкции литий-ионных аккумуляторов могут использоваться органические и неорганические элементы. Аккумуляторы на органических элементах не содержат токсичных примесей. Аккумуляторы на неорганических элементах утилизировать гораздо сложнее. Неорганические литий-ионные аккумуляторы токсичны и должны утилизироваться особым образом. Отработанные литий-ионные аккумуляторы не представляют интерес для переработки, т.к. переработка подразумевает несколько сложных химических процессов, что делает переработку невыгодной - дешевле купить новый материал, чем извлечь его при утилизации.
Проточные аккумуляторы
Доля проточных аккумуляторов на рынке батарей для хранения солнечной энергии неуклонно растет уже четыре года. В большинстве проточных аккумуляторов используются две электролитные жидкости: одна с отрицательно заряженным катодом, и одна с положительно заряженным анодом. Катод и анод разделены на два резервуара специальной мембраной. Большинство случаев выхода из строя литий-ионных аккумуляторов связаны именно с выходом из строя именно их мембраны, что приводит к короткому замыканию. Но обмен заряженными частицами между электролитами в проточных аккумуляторах не приводит к разрушающему воздействию мембраны, что обеспечивает длительный срок службы и быстрое время реакции.
Стоимость: если рассматривать стоимость хранения квт*ч энергии, то проточные аккумуляторы выгоднее литий-ионных, при этом срок службы таких аккумуляторов составляет десятки лет с минимальным обслуживанием, а электролит может быть использован повторно или продан.
Цикличность: производители проточных аккумуляторов заявляют, что технология не имеет ограничений по цикличности заряд-разряда, что значит, эти аккумуляторы могут заряжаться и разряжаться полностью без сокращения срока их службы.
Замена/обслуживание: мембрана - основной элемент проточного аккумулятора, подверженный деградации. Срок, за который мембрана деградирует до нерабочего состояния может составить десятки лет, что делает проточные аккумуляторы самыми долговечными на рынке хранения солнечной энергии. Проточные аккумуляторы требуют минимального обслуживания. При использовании аккумуляторов других типов, для увеличения емкости банка аккумуляторов требуется добавлять сами аккумуляторы, в проточном нужно лишь увеличить объем электролитов.
Утилизация: хотя способ утилизации зависит от химического состава электролитов, как правило, они малотоксичны и легко утилизируются. Электролит легко очищается от примесей, что позволяет использовать его повторно.
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) существуют с начала 1900-ых годов. Хотя у них не такая плотность хранения энергии, как у других технологий, они обеспечивают высокую надежность и длительный срок службы без сложных систем управления.
Стоимость: никель-кадмиевые аккумуляторы относительно недороги, по сравнению с другими типами аккумуляторов.
Замена/обслуживание: никель-кадмиевые аккумуляторы требуют вентиляции, так как при заряде они выделяют газы. Также, заливные никель-кадмиевые аккумуляторы периодически требуют долива, хотя, последние модели этих аккумуляторов имеют конструкцию, рекомбинирующую газы. Наряду с их способностью нормально функционировать при очень низких и высоких температурах, это делает их идеальным решением для использования в системах автономного энергоснабжения в удаленных районах с суровым климатом. Есть примеры их использования в мегаваттных проектах за Полярным кругом.
Цикличность: никель-кадмиевые аккумуляторы - это надежные батареи с большим сроком службы, некоторые производители обещают срок службы до 20 лет.
Утилизация: кадмий - очень токсичный материал. Его использование в Европе стараются ограничить. Кадмий должен быть извлечен из аккумуляторов до утилизации, и может быть использован повторно, а никель извлекается и применяется в металлургии.
Выбор правильных аккумуляторов
При проектировании систем солнечной генерации емкость банка аккумуляторов очень важна (хотя и игнорируется некоторыми пользователями). Важно знать мощность потребителей энергии и время их работы. Многие производители аккумуляторов предоставляют на своих сайтах калькуляторы для расчета необходимой емкости.
Стоимость владения. При определении общей стоимости владения в течение срока службы аккумуляторов следует учитывать несколько факторов.
Цена: аккумуляторы с низкой ценой привлекательны, но если эта цена обеспечивается низким качеством или временем автономной работы, потребность в частых замене таких аккумуляторов может значительно повысить стоимость владения.
Емкость: емкость банка аккумуляторов важна, т.к. от этого зависит продолжительность автономной работы системы.
Напряжение: необходимо учитывать напряжение банка аккумуляторов, и убедиться, что оно соответствует номинальному напряжению других компонентов системы.
Срок службы или цикличность: наиболее важный параметр, показывает сколько циклов заряд-разряда сможет выдержать банк аккумуляторов, до того, как аккумуляторы начнут деградировать и терять свою эксплуатационные параметры. У большинства производителей аккумуляторы имеют схожие конструкции, вес, емкость, но используемые материалы - различаться, и это скажется на сроке службы.
« назад