Magazynowanie energii z fotowoltaiki

W jakich instalacjach fotowoltaicznych stosujemy akumulatory?

Magazyny energii do fotowoltaiki stosuje się, by przechowywać nadwyżki produkowanej energii elektrycznej i wykorzystywać ją w okresie, kiedy produkcja jest mniej efektywna lub jej nie ma. Akumulatory do fotowoltaiki mogą występować w dwóch typach instalacji:

Magazyny energii w instalacjach fotowoltaicznych off-grid

Instalacje fotowoltaiczne off-grid, czyli samowystarczalne i niezależne od sieci, są zwykle używane przy niedużych osiedlach na odległych obszarach, gdzie nieopłacalne jest przyłączenie do sieci.

Magazyny energii w hybrydowych instalacjach fotowoltaicznych 

Jeszcze częściej spotykamy się z instalacjami hybrydowymi, czyli takimi, które posiadają własny magazyn energii, ale podłączone są do sieci. Ich zaletą jest możliwość pobierania energii z sieci, kiedy generacja z paneli fotowoltaicznych jest niewystarczająca, a jednocześnie brak konieczności mniej opłacalnego oddawania do sieci niewykorzystywanej na bieżąco energii (na ile pozwala na to pojemność magazynu).

Zalety magazynowania energii z fotowoltaiki

Obecnie systemy fotowoltaiczne z magazynem energii, dzięki wciąż spadającym kosztom ich instalacji, stają coraz popularniejsze. Zapewniają one właścicielom domów zrównoważony, długoterminowy plan oszczędności i czystą energię.

Samo istnienie instalacji fotowoltaicznych jest jednak źródłem problemów dla systemu elektroenergetycznego. Polskie sieci są w złym stanie i mają bardzo ograniczoną moc przyłączeniową. Dlatego w przypadku instalacji pozbawionych magazynu energii potencjalny prosument często spotyka się z odmową przyłączenia fotowoltaiki.

Operatorzy sieci energetycznych często widzą w fotowoltaice z magazynem energii potencjalny sposób na zminimalizowanie najczęstszych problemów. Magazyny energii mogą zapewnić większą elastyczność przyłączania instalacji generacji rozproszonej oraz mocno poprawić stabilność pracy systemu elektroenergetycznego.

Budowa instalacji fotowoltaicznej z akumulatorem

Instalacja PV z magazynem energii składa się z:

• paneli fotowoltaicznych
• regulatora ładowania
• magazynu energii
• inwertera
• odbiornika

Najważniejsze elementy systemu odróżniające go od instalacji on-grid to regulator ładowania i sam magazyn energii, czyli akumulator – ogniwo galwaniczne, które można wielokrotnie użytkować i ponownie ładować prądem elektrycznym.

Należy pamiętać, że sam akumulator do paneli fotowoltaicznych nie jest wystarczający. Podłączenie panelu słonecznego bezpośrednio do niego może w dzień spowodować jego przeładowanie zbyt wysokim napięciem, a w nocy rozładowanie przez wsteczny odpływ prądu. Dlatego konieczne jest zastosowanie regulatora ładowania, który odpowiada za poprawną współpracę paneli PV oraz magazynu energii i zabezpiecza akumulator przed przeładowaniem lub rozładowaniem. Dodatkowo może dostarczyć informacji o stanie pracy, stanie naładowania akumulatora czy o energii otrzymywanej aktualnie z panelu słonecznego.

Akumulator jako magazyn energii

Istnieje kilka sposobów magazynowania energii elektrycznej: mechaniczne, elektrochemiczne oraz elektryczne.

Akumulator to tak zwane ogniwo wtórne, które dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym zachodzących w elektrodach zanurzonych w elektrolicie podczas ładowania zamienia energię elektryczną na chemiczną, a w czasie rozładowania z powrotem na energię elektryczną.

Najważniejsze cechy akumulatora do fotowoltaiki:

Pojemność akumulatora [Ah] – to ładunek elektryczny, jaki można zgromadzić w akumulatorze; wyrażany przez natężenie prądu elektrycznego, jakim rozładowywany akumulator mógłby pracować przez godzinę

Pojemność elektryczna akumulatora [Wh] – ilość energii elektrycznej, którą może dostarczyć od pełnego naładowania do całkowitego rozładowania akumulator; wyrażany przez moc jaką można rozładowywać w pełni naładowany akumulator przez godzinę

Cykl [1] – okres ładowania lub rozładowywania akumulatora, składa się z czterech podstawowych faz: ładowanie, przerwa, rozładowywanie, przerwa lub rozładowanie, przerwa, ładowanie, przerwa.

Mówi się że akumulator posiada dwa cykle pracy – ładowanie i rozładowywanie. Podczas cyklu ładowania akumulator pełni funkcję odbiornika energii elektrycznej w instalacji, a w jego wnętrzu energia elektryczna jest przetwarzana na energię chemiczną.

Naładowany akumulator stanowi źródło prądu elektrycznego, którego pobór przez odbiorniki prowadzi do stopniowego rozładowywania urządzenia. Każdy akumulator powinien być zabezpieczony przed głębokim rozładowaniem, które może znacząco skrócić jego żywotność, zazwyczaj regulator ładowania pełni tę funkcję.

Czas życia akumulatora (żywotność) [liczony w cyklach] – ilość cykli pracy, podczas których akumulator powinien utrzymywać wymaganą pojemność.

Dobór akumulatora do instalacji fotowoltaicznej

Najważniejszym czynnikiem dla osób chcących skorzystać z magazynów energii jest odpowiedni dobór systemu instalacji i określenie, w jakim celu będziemy ją wykorzystywać, np. praca codzienna czy tymczasowa, w taki sposób, aby zminimalizować liczbę ładowań i rozładowań systemu, ponieważ to ma największy wpływ na skrócenie żywotności akumulatorów. Podczas doboru akumulatora do paneli słonecznych należy mieć na uwadze, że akumulatory nie powinny być pozostawione w stanie rozładowania na dłużej niż 24 godziny. Pozostawienie ich w tym stanie może to spowodować ich uszkodzenie lub skrócić ich żywotność.

Najważniejsze cechy magazynów energii dla fotowoltaiki

Przy wyborze akumulatora należy wziąć pod uwagę następujące parametry:

Pojemność znamionową [Ah] – jest to pojemność nowych akumulatorów (1Ah = 3600C). Należy sprawdzić w charakterystyce pracy urządzenia jak duży prąd i przez jaki czas można z niego uzyskiwać. Przykładowo, jeśli weźmiemy pod uwagę urządzenie o pojemności 100 Ah, to akumulator jest w stanie podawać do odbiorników prąd o natężeniu 1A przez okres 100h lub 100A przez 1h.

Napięcie rozładowania – określa dopuszczalne wartości napięcia rozładowania akumulatora, przy których nie wystąpi zmniejszenie trwałości urządzenia. Zależy od wielkości prądu rozładowania i  zazwyczaj jest podawane dla temperatury znamionowej pracy akumulatora wynoszącej 20ºC.

Wysoka temperatura pracy – kiedy samoobsługowy akumulator pracuje w podwyższonych temperaturach, drastycznie skraca się jego żywotność – aż o połowę na każdy wzrost temperatury o 8 °C powyżej znamionowej temperatury pracy, która zazwyczaj wynosi 20 °C.

Niska temperatura pracy – praca w niskich temperaturach może powodować spadek pojemności znamionowej. W temperaturze 0 °C pozostaje do dyspozycji około  85% pojemności znamionowej. Przy minus 10 °C i minus 20 °C jest to odpowiednio 75% i 65% pojemności.

Umiejscowienie akumulatora – parametr powiązany jest z temperaturą pracy. Wybierając usytuowanie urządzenia, należy pamiętać, by znajdowało się z dala od urządzeń będących źródłem ciepła, oraz by występował przynajmniej 1,5-centymetrowy odstęp między akumulatorem a innymi urządzeniami. Dla zapewnienia swobodnej cyrkulacji powietrza powinno się instalować urządzenia z otworami wentylacyjnymi w obudowie oraz stosować naturalną lub wymuszoną wentylację.

Trwałość akumulatorów – zależy od wielu czynników, przeważnie za miarę trwałości magazynu uważa się liczbę cykli pracy, które mogą zależeć od:

• temperatury pracy,
• głębokości rozładowania,
• prądu rozładowania

Tryb pracy – należy zwrócić też uwagę, w jakim trybie ma pracować akumulator:

• buforowy – głównie wykorzystywany jako urządzenie podtrzymujące napięcie w sieci w czasie awarii (UPS-y). Akumulator podłączony jest na stałe do układu ładowania i podlega ładowaniu i rozładowywaniu raz na jakiś czas. Żywotność takiego akumulatora to około 5 lat przy dobrym użytkowaniu (temperatura pracy 20ºC, przestrzeganie napięcia ładowania).
• cykliczny – podłączony jest na stałe do sieci i podlega cyklicznie procesowi ładowania i rozładowywania.

Samorozładowanie – każdy akumulator, nawet nieużytkowany, traci stopniowo swoją pojemność na skutek procesu samorozładowania. Szybkość tego procesu zależy od warunków, w jakich przechowywany jest akumulator, głównie od temperatury i wilgotności otoczenia. Średnio szybkość samorozładowania wynosi około 3%  na miesiąc w temperaturze 20ºC.

Akumulatory klasyczne w instalacji PV, czyli elektrolit w postaci ciekłej 

Do tej grupy należą na przykład akumulatory kwasowo-ołowiowe. Są one powszechnie znane z powodu ich zastosowania w samochodach. Elektrolitem w akumulatorach kwasowo-ołowiowych jest wodny roztwór kwasu siarkowego w postaci ciekłej, który wypełnia ogniwo. Elektrody zrobione są z ołowiu i tlenku ołowiu PbO₂ (anoda). Przy ich użyciu zaleca się wykorzystywanie dodatkowego wyposażenia – na przykład rekombinatorów gazu. Mają one za zadanie zmniejszać wymagania wentylacyjne. Dzięki ich zastosowaniu przeglądy serwisowe mogą odbywać się rzadziej. Do instalacji fotowoltaicznych off-grid powinno się wykorzystywać tylko akumulatory klasyczne z pancerną płytą dodatnią. Ich zaletą jest niska cena i powszechna dostępność.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe najczęściej są wykorzystywane przy nagłych przerwach w dostawie energii, nie zaleca się ich częstego rozładowywania, a wręcz przeciwnie, powinno się dążyć do jak najmniejszego ich rozładowywania. Dodatkowo posiadają dość spore wymagania w celu zapewnienia im optymalnej pracy, np. zestaw w instalacji off-grid o pojemności około 5 kWh może ważyć blisko 150 kilogramów i powinien stać w piwnicy lub garażu, w miejscu, gdzie zapewniona jest odpowiedni przepływ powietrza.

Akumulatory żelowe do fotowoltaiki 

To odmiana akumulatora kwasowo-ołowiowego, w którym elektrolit (kwas siarkowy) ma postać galaretowatego żelu. Akumulatory żelowe mają wysoką sprawność ładowania i mniejsze wymagania wentylacyjne. Charakteryzuje je także brak efektu rozwarstwiania elektrolitu w procesie wolnego ładowania, co jest szczególnie ważne w przypadku instalacji fotowoltaicznych. Zaleca się, by w doborze akumulatorów do paneli słonecznych wybierać modele, które zapewniają pełny powrót ze stanu głębokiego rozładowania oraz zwiększoną liczbę głębokich cykli ładowania i rozładowania dzięki zastosowaniu pancernych płyt w elektrodach. Są one dobrym rozwiązaniem w instalacjach o niestabilnej sieci zasilającej.

Akumulatory żelowe stanowią dobre rozwiązanie dla większości konsumentów, ponieważ przystosowane są do pracy pulsacyjnej. Powolne rozładowywanie i doładowywanie czy pozostawienie ich w częściowym naładowaniu ma na nie dużo mniejszy negatywny wpływ niż w przypadku innych akumulatorów.

Akumulatory AGM (Absorbed Glass Mat) w instalacjach fotowoltaicznych

W akumulatorach AGM elektrolit umieszcza się w specjalnych separatorach wykonanych z włókna szklanego, które znajdują się pomiędzy ołowiowymi płytami akumulatora. Sprawdzają się przy zasilaniu urządzeń potrzebujących dużej ilości mocy przy starcie.

Zalety akumulatorów żelowych i AGM do paneli fotowoltaicznych:

• szybki czas ładowania
• wysoka sprawność
• długi czas samorozładowania
• stabilność pracy
• szeroki zakres temperatur, w których mogą pracować
• możliwa praca w różnych położeniach
• wyeliminowanie zagrożenia wyciekiem elektrolitu z uszkodzonego mechanicznie akumulatora

Wady akumulatorów żelowych i AGM do paneli fotowoltaicznych::

• cena – są dużo droższe od standardowych akumulatorów z płynnym elektrolitem
• bardzo krótka żywotność
• wymagają zastosowania kontrolerów ładowania, czyli stabilizatorów napięcia, zapewniających prawidłowy proces ładowania i utrzymanie odpowiednich warunków pracy i współpracy z siecią

Akumulatory litowo-jonowe do fotowoltaiki

Częstym sposobem wykorzystywania akumulatorów przy panelach fotowoltaicznych jest  gromadzenie energii w dzień i używanie jej w nocy. W tym celu najlepiej sprawdzą się akumulatory litowo-jonowe. Baterie w tej samej technologii używane są również w telefonach komórkowych czy samochodach elektrycznych.

Akumulatory litowo-jonowe przewyższają pod względem lekkości, trwałości i wygody obsługi opisywane powyżej typy akumulatorów. Niestety, wciąż są droższe od standardowych akumulatorów, ale wraz z rozwijającą się technologią ich ceny gwałtownie spadają. Dodatkowo, ich żywotność to co najmniej kilka tysięcy cykli ładowania, co może być atrakcyjne dla inwestora.

Akumulatory litowo-jonowe wymagają stosowania specjalnych zabezpieczeń w celu zapewnienia ich bezpiecznej eksploatacji. Potrzebują dokładnej kontroli poszczególnych parametrów, takich jak napięcie ładowania i rozładowania czy temperatura ogniw. Dlatego litowo-jonowe systemy magazynowania energii najczęściej są zaopatrzone w zintegrowany lub zewnętrzny system zarządzania BMS (Battery Management System), który pozwala na wyłączenie poszczególnych ogniw lub całego magazynu w przypadku nieprawidłowej pracy systemu.

Przyszłość magazynowania energii z fotowoltaiki

W ostatnich latach nastąpiła zmiana w postrzeganiu magazynów energii. Fotowoltaika z magazynem energii przestała być wykorzystywane jedynie w celu zapewnienia zasilania awaryjnego. Zarówno prosumenci, jak i zakłady energetyczne w magazynach energii dostrzegli potencjalne rozwiązanie dla problemów systemu elektroenergetycznego związanych ze wzrostem popularności OZE.