Akumulatory w instalacjach fotowoltaicznych

Kiedy i jaki akumulator w autonomicznych instalacjach off-grid

Obecnie obserwujemy gwałtowny wzrost zainteresowania wszystkim, co jest związane z magazynowaniem energii, przez co instalacje fotowoltaiczne off-grid, czyli samowystarczalne i niezależne instalacje PV stają się coraz bardziej popularne. Operatorzy sieci energetycznych widzą w nich potencjalny sposób na zminimalizowanie swoich problemów. Mogą one zapewnić elastyczność funkcjonowania systemu elektroenergetycznego oraz mocno poprawić bezpieczeństwo całego SEE. Dodatkowo zwiększają możliwości wykorzystania energii ze źródeł OZE. Dla przeciętnego „Kowalskiego” stanowią najczęściej źródło zasilania w domkach letniskowych lub innych miejscach, do których nie opłacalny jest przyłącz do sieci.

Własna elektrownia- instalacja off-grid

O zaletach autonomicznych instalacjo off-grid pisaliśmy w poprzednim artykule, dziś skupimy się na tym, co je wyróżnia -magazynach energii.  Ich naj większą zaletą jest możliwość składowania nadwyżek produkowanej energii elektrycznej i wykorzystanie jej w okresie, kiedy produkcja jest mniej efektywna lub jej nie ma.

schemat działania instalacji off-grid
Budowa instalacji off-grid, (źródło: I. Góralczyk, R. Tytko: Fotowoltaika. Urządzenia, instalacje fotowoltaiczne i elektryczne, 2015)

Każda instalacja off-grid składa się z:

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

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

Należy pamiętać, że sam akumulator nie wystarczy, podłączenie panela słonecznego bezpośrednio do niego może w dzień spowodować jego przeładowanie zbyt wysokim napięciem a w nocy rozładowanie przez wsteczny odpływ prądu a tego nikt nie chce.

Dlatego należy pamiętać o stosowaniu regulatora ładowania, który odpowiada za poprawną współpracę paneli PV oraz magazynu energii i zabezpiecza akumulator przed przeładowaniem lub rozładowaniem. Zapobiega cofaniu się prądu z akumulatora do panela słonecznego i dostosowuje napięcie do odpowiedniej dla pracy akumulatora wartości. Dodatkowo może dostarczyć informacji o stanie pracy, stanie naładowania akumulatora czy stanie panela słonecznego.

Akumulator jako magazyn energii

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

Jak już wspominaliśmy w samowystarczalnych instalacjach off-grid rolę magazynu energii pełni akumulator, dlatego poniżej przybliżymy to urządzenie.

Akumulator to tak zwane ogniwo wtórne, które dzięki zachodzącym w nim odwracalnym reakcjom chemicznym zachodzących w elektrodach zanurzonych w elektrolicie gromadzi a potem uwalnia energie elektryczną.

Podstawowe pojęcia związane z magazynem energii:

Pojemność [Ah] – to ilość prądu elektrycznego o odpowiednim natężeniu, jaką może dostarczyć w pełni naładowany akumulator do jego rozładowania.

Pojemność elektryczna [Wh] – ilość energii elektrycznej, którą może dostarczyć od pełnego naładowania do całkowitego rozładowania akumulator

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 off-grid a w jego wnętrzu energia elektryczna jest przetwarzana na energię chemiczną.

Podczas  cyklu rozładowywania w  akumulatorze zachodzi przemiana energii chemicznej na elektrycznej dlatego stanowi  on w instalacjach PV źródło prądu elektrycznego, którego pobór przez odbiorniki prowadzi do stopniowego rozładowywania urządzenia.  Należy dodać, że każdy akumulator powinien być zabezpieczony przed głębokim rozładowaniem, które może całkowicie go uszkodzić, zazwyczaj regulator ładowania pełni tę funkcję.

Czas życia [liczony w cyklach] – ilość cykli pracy, podczas których akumulator powinien poprawnie pracować.

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 może pracować. 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 której nie wystąpi zmniejszenie trwałości urządzenia. Zależy od wielkości prądu rozładowania i  zazwyczaj jest podawana dla temperatury znamionowej pracy akumulatora- 20º

 

Temperatura pracy, – kiedy samoobsługowy akumulator pracuje w podwyższonych temperaturach drastycznie skraca się jego żywotność -o połowę na każdy wzrost temperatury o 8 °C powyżej znamionowej temperatury pracy, która zazwyczaj wynosi 20 °C. Natomiast praca w niskich temperaturach może powodować spadek pojemności, w temperaturze 0 °C pozostaje do dyspozycji ok  85 % a w minus 10 °C i minus 20 °C, co daje odpowiednio 75% i 65 % pojemności znamionowej.

 

Umiejscowienie akumulatora – parametr powiązany jest z temperaturą pracy.

Wybierając usytuowanie urządzenia należy pamiętać by znajdowało się z dala od urządzeń będących źródłem ciepła, oraz występował przynajmniej 1,5 cm odstęp wokół akumulatora a innymi urządzeniami. Powinno stosować się urządzenia z otworami wentylacyjnymi w obudowie dla zapewnienia swobodnej cyrkulacji powietrza oraz zastosować naturalną lub wymuszoną wentylację.

 

Trwałość akumulatorów – można różnie interpretować, zależy od wielu czynników, przeważnie za miarę trwałości magazynu uważa się ilość cykli, które mogą zależeć od:

  • temperatury pracy,
  • głębokości rozładowania,
  • prądu rozładowania

 

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

  • buforowy– głownie 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. Czas pracy to około 5 lat przy dobrym użytkowaniu między innymi temperatury pracy 20º i przestrzeganiu napięcia ładowania.
  • cykliczny- podłączony jest na stałe do sieci i podlega cyklicznie procesowi ładowania i rozładowywania.

 

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

Akumulatory klasyczne – czyli elektrolit w postaci ciekłej np. kwasowo-ołowiowe

Elektrolitem jest wodny roztwór kwasu siarkowego w postaci ciekłej wypełnia ogniwo a elektrody są z ołowiu i tlenku ołowiu PbO2 (anoda). Zaleca się wykorzystywanie dodatkowego wyposarzenia np. zmniejszające częstotliwość wykonywania przeglądów serwisowych i zmniejszające wymagania wentylacyjne rekombinatorów gazu. Do instalacji fotowoltaicznych off-grid powinno się wykorzystywać tylko akumulatory klasyczne z pancerną płytą dodatnią. Ich zaletą jest niska cena i powszechna dostępność, wykorzystywane są w pojazdach mechanicznych np.: samochodach

Akumulatory żelowe- w którym elektrolit (krzemionka) zamieniono w żel

To odmiana akumulatora kwasowo-ołowiowego, w którym kwas siarkowy ma postać galaretowatego żelu. Posiadają wysoką sprawność ładowania i mniejsze wymagania wentylacyjne oraz brak efektu rozwarstwiania elektrolitu w procesie wolnego ładowania. Zaleca się w instalacjach fotowoltaicznych wybieranie modeli, które zapewniają pełny powrót ze stanu głębokiego rozładowania oraz zwiększoną ilość głębokich cykli ładowania i rozładowania dzięki zastosowaniu pancernych płyt w elektrodach. Zalecane są do stosowania w instalacjach o niestabilnej sieci zasilającej. Główną zaletą tych akumulatorów jest brak rozwarstwienia elektrolitu podczas wolnego ładowania, zjawisko to jest bardzo powszechne w instalacjach fotowoltaicznych off-grid.

Akumulatory AGM- Absorbed Glass Mat

Elektrolit umieszcza się w specjalnych separatorach wykonanych z włókna szklanego, które znajdują się pomiędzy ołowiowymi płytami akumulatora. Nie powinno się ich brać pod uwagę przy magazynach o dużej mocy ponieważ, oferują krótszy od innych okres eksploatacji oraz najmniejszą ilość cykli ładowania i rozładowania

Zaletami są możliwość wyeliminowania wycieku elektrolitu z uszkodzonego mechanicznie akumulatora, i montowanie go w dowolnej pozycji w przeciwieństwie do akumulatorów kwasowo-ołowiowych.

Posiadają  specjalny zawór ciśnieniowy stanowiący zabezpieczenie przed nadmiernym gromadzeniem się gazów (np. podczas przeładowania akumulatora), przez co akumulatory posiadają wysoką sprawność.

Głównymi zaletami są koncentracja energii na znacznie wyższym poziomie i wydajne odprowadzenie ciepła wytwarzanego podczas przepływu prądu.

Największą wadą takich magazynów jest ich  bardzo krótka żywotności i najmniejsza ilość cykli ładowania-rozładowania. Głownie z tego powodu bardzo rzadko stosuje się je w większych instalacjach fotowoltaicznych.

 

Głównymi zaletami akumulatorów żelowych i AGM dzięki którym są wykorzystywane w instalacjach PV są:

  • szybki czas ładowania oraz długi czas samo rozładowania, co stanowi jeden z głównych powodów ich wybierania,
  • stabilność pracy,
  • szeroki zakres pracy temperatur,
  • możliwa praca w różnych położeniach

 

Główne wady to:

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

Jakie akumulatory są najczęściej wykorzystywane w instalacjach off-grid?

Najlepiej przy zestawach fotowoltaicznych dla przeciętnych konsumentów sprawdzą się akumulatory żelowe, które są przystosowane do pracy pulsacyjnej. Powolne rozładowywanie i doładowywanie czy  pozostawienie ich w częściowym naładowaniu ma na nie dużo mniejszy negatywny wpływ.

Niestety podczas ich wybierania do pracy w instalacjach PV należy mieć na uwadze, że nie lubią być pozostawione w stanie rozładowania na dłużej niż 24h, może to spowodować ich uszkodzenie lub skróci ich żywotność.

Natomiast przy zasilaniu urządzeń potrzebujących dużej ilości mocy przy starcie najlepiej sprawdzą się akumulatory AGM.

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 ilość ładowań i rozładowań systemu, ponieważ to ma największy wpływ na skrócenie żywotności akumulatorów.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe najczęściej są wykorzystywane przy nagłych przerwach w dostawie energii, nie zaleca się ich częstego rozładowywania, wręcz przeciwnie powinno się dożyć 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.

Nowym sposobem wykorzystywania akumulatorów jest idea gromadzenia energii w dzień i używanie jej w nocy, w tym celu najlepiej sprawdzą się akumulatory litowo-jonowe, znajdują się między innymi w telefonach komórkowych czy samochodach elektrycznych,

Dzięki spadającym cenom stanowią one niejaką rewolucję na rynku prądu, ponieważ przewyższają pod względem lekkości, trwałości i wygody obsługi dotychczas stosowane typy baterii, Niestety są dużo droższe od standardowych akumulatorów i są dość wymagają stosowania specjalnych zabezpieczeń w celu zapewnienia ich bezpiecznej eksploatacji. W przeciwieństwie do innych odmian wytrzymują co najmniej kilka tysięcy cykli ładowana, co jest bardzo atrakcyjne dla inwestora.

Wszystkie magazyny energii stworzone w technologii litowej potrzebują dokładnej kontroli poszczególnych parametrów ich pracy takich jak napięcie ładowania i rozładowania, temperatura ogniw, dlatego najczęściej są one zaopatrzone w zintegrowany lub zewnętrzny system zarządzania pracą energii BMS (Battery Managment System), która pozwala na wyłączenie poszczególnych ogniw lub całego magazynu w przypadku nieprawidłowej pracy systemu.

Dodatkowo powinno się monitorować następujące parametry, ponieważ po ich przekroczeniu może nastąpić całkowite odłączenie akumulatora:

  • graniczna temperatura ogniwa,
  • maksymalna wartość napięcia ogniwa,
  • minimalna wartość napięcia ogniwa

Jeśli nastąpi ich przekroczenie może dojść do całkowitego odłączenia magazynu od systemu.

Przyszłość magazynowania energii 

W ostatnich latach nastąpiła zmiana w postrzeganiu magazynów energii, instalacje fotowoltaiczne off grid przestały być wykorzystywane tylko w jednym celu – zasilania awaryjnego. W magazynach energii dostrzeżono potencjał rozwiązania nowopowstałych problemów systemu elektroenergetycznego. Mogą pomóc w uniknięciu potrzeby modernizacji urządzeń przesyłowych i dystrybucyjnych SEE oraz w regulacji wahań częstotliwości napięcia w sieci spowodowanymi przeważnie nieregularnym wprowadzaniem do systemu energii produkowanej z OZE. Wszystko to sprzyja rozwijaniu technologii magazynowania energii.

 

 

 

Źródła:

-Radosław Figura, Andrzej Szafraniec, Andriy Azaban, Witaliy Lewoniuk -Eksploatacja litowo-jonowych magazynów energii, Eksploatacja i testy

– I. Góralczyk, R. Tytko: Fotowoltaika. Urządzenia, instalacje fotowoltaiczne i elektryczne, 2015

-https://suntrack.pl/content/26-regulator-ladowania

-https://www.fachowyelektryk.pl/technologie/odnawialne-zrodla-energii/1648-akumulatory-do-instalacji-fotowoltaicznych.html

-https://dladomu.com.pl/akumulatory-do-fotowoltaiki/#jaki-akumulator-do-fotowoltaiki

– https://suntrack.pl/content/26-regulator-ladowania

– http://www.instsani.pl/506/akumulatory

 

 

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj

Najnowsze

wywiady

PARTNER STRATEGICZNY PORTALU

wydarzenia

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE