Google+

Dzięki akumulatorom zyskuje się możliwość gromadzenia i przechowywania energii elektrycznej wytworzonej za pomocą instalacji fotowoltaicznej. W praktyce zastosowanie znajduje kilka technologii wytwarzania takich akumulatorów.

Fot. 1. Instalacja z systemem nadążnym na dachu Uniwersytetu Technologiczno Humanistycznego
w Radomiu.
Na obiekcie zamontowano instalację nadążną o wielkości 3,78 kWp, złożoną
z 21 szt. paneli GreenTech GT-180MCY (180Wp). Instalacja współpracuje z trzema
falownikami SMA SB 1200 oraz z systemem akumulacji energii, opartym o trójfazowy
układ inwerterów SMA Sunny Island SI2012, we współpracy z baterią litowo
-jonową w technologii LFP (LiFePO4) o napięciu znamionowym 12,8 V i pojemności
500 Ah (energia 6,4 kWh). System posiada monitoring pracy układu podłączony do
wewnętrznej sieci obiektu. Fot.: WAMTECHNIK Fot. 1. Instalacja z systemem nadążnym na dachu Uniwersytetu Technologiczno Humanistycznego w Radomiu. Fot.: WAMTECHNIK
Na obiekcie zamontowano instalację nadążną o wielkości 3,78 kWp, złożoną z 21 szt. paneli GreenTech GT-180MCY (180Wp). Instalacja współpracuje z trzema falownikami SMA SB 1200 oraz z systemem akumulacji energii, opartym o trójfazowy układ inwerterów SMA Sunny Island SI2012, we współpracy z baterią litowo -jonową w technologii LFP (LiFePO4) o napięciu znamionowym 12,8 V i pojemności 500 Ah (energia 6,4 kWh). System posiada monitoring pracy układu podłączony do wewnętrznej sieci obiektu.

Jednak dla prawidłowej pracy instalacji fotowoltaicznej ważne są nie tylko akumulatory. Istotną rolę odgrywają bowiem urządzenia takie jak chociażby kontrolery ładowania zapewniające nadzór nad stopniem rozładowania akumulatora i jego prawidłowym ładowaniem. Nowoczesne regulatory bazują na trójpoziomowym algorytmie ładowania przy zapewnieniu kompensacji temperatury. Wszystko po to aby wydłużyć trwałość akumulatorów. Są również systemy kontrolerów ładowania, w których pracują urządzenia typu master zarządzające regulatorami typu slave. Tym sposobem kilka regulatorów może pracować z jedną baterią. Trzeba również wspomnieć o rozwiązaniach zapewniających bezpieczeństwo instalacji – zabezpieczenia przeciwzwarciowe, temperaturowe, nadprądowe itp.

Fot. 2. Akumulatorom pracującym w instalacjach fotowoltaicznych
stawia się szereg dodatkowych wymagań.Fot.: AGNES ELEKTROMAX Fot. 2. Akumulatorom pracującym w instalacjach fotowoltaicznych stawia się szereg dodatkowych wymagań. Fot.: AGNES ELEKTROMAX Fot. 3. Akumulatorom należy zapewnić określone warunki
w zakresie miejsca montażu.Fot.: AGNES ELEKTROMAX Fot. 3. Akumulatorom należy zapewnić określone warunki w zakresie miejsca montażu. Fot.: AGNES ELEKTROMAX

Cechy akumulatorów

Akumulatorem elektrycznym jest określony rodzaj ogniwa galwanicznego z możliwością wielokrotnego użytkowania i ładowania prądem elektrycznym. Zadanie akumulatorów to gromadzenie oraz powolne uruchamianie energii elektrycznej w wyniku reakcji chemicznych o charakterze odwracalnym. Do takich reakcji dochodzi w elektrodach, które są zanurzone w elektrolicie. Praca akumulatora opiera się na dwóch cyklach. Podczas pierwszego akumulator jest ładowany i stanowi on wtedy odbiornik energii chemicznej. We wnętrzu akumulatora dochodzi do przetworzenia energii elektrycznej na energię chemiczną. Cykl drugi obejmuje odbiór energii, zatem akumulator jest wtedy źródłem prądu elektrycznego w efekcie przemiany energii chemicznej na energię elektryczną. Wraz z poborem prądu następuje stopniowe rozładowanie akumulatora.
W momencie ładowania akumulatora prąd przepływa w kierunku przeciwnym niż przy jego rozładowaniu. Zarówno przy ładowaniu jak rozładowywaniu dochodzi do odwracalnych reakcji chemicznych. Oprócz tego zachodzą również nieodwracalne reakcje, w efekcie których następuje utrata parametrów akumulatora.
Podstawowym parametrem akumulatora jest pojemność będąca jego zdolnością do przechowywania ładunku elektrycznego. Pojemność zazwyczaj określa się w amperogodzinach [Ah].

Fot. 4. Zamontowane i połączone akumulatory. Fot.: OZENERGIA Fot. 4. Zamontowane i połączone akumulatory. Fot.: OZENERGIA Fot. 5. Obudowa z zamontowanymi akumulatorami. Fot.: OZENERGIA Fot. 5. Obudowa z zamontowanymi akumulatorami. Fot.: OZENERGIA

Z myślą o instalacjach fotowoltaicznych

Akumulatorom pracującym w instalacjach fotowoltaicznych stawia się szereg dodatkowych wymagań. Ważna jest przede wszystkim możliwość pracy akumulatora w trybie buforowym przy rzadko występującym stanie całkowitego naładowania. Ponadto trzeba mieć na uwadze ciągłą pracę cykliczną i czas wyładowania wynoszący do 100 h. Ważna jest możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur. Z kolei okresy pomiędzy doładowaniami liczy się w dniach. Tym sposobem w przypadku zastosowania w instalacji fotowoltaicznej akumulatora o tradycyjnej konstrukcji może nie być osiągnięty założony okres eksploatacji. Stąd też ważne jest aby w instalacjach fotowoltaicznych stosować akumulatory o konstrukcji dedykowanej.
Uwzględniając stan elektrolitu akumulatory mogą być klasyczne, żelowe oraz wykonane w technologii AGM. Z kolei w odniesieniu do rodzajów płyt dodatnich akumulatorów zastosowanie znajdują płyty wielkopowierzchniowe (tzw. Plante) – w akumulatorach klasycznych oraz płyty kratkowe – rzadko w akumulatorach żelowych, a częściej w akumulatorach klasycznych i AGM. Warto również wspomnieć o płytach pancernych stosowanych tylko w akumulatorach żelowych i klasycznych.

Akumulatory klasyczne

Konstrukcja tradycyjnych akumulatorów bazuje na ciekłym elektrolicie wypełniającym ogniwo. Jak wiadomo elektrolit jest wodnym roztworem kwasu siarkowego. Nie mniej ważne są również elektrody wykonane z tlenku ołowiu PbO2 (anoda) i ołowiu. Akumulatory klasyczne z reguły współpracują z wyposażeniem dodatkowym. Chodzi tutaj głównie o zewnętrzne rekombinatory gazów. Dzięki nim zmniejsza się częstotliwość przeprowadzania przeglądów serwisowych, przy jednoczesnym ograniczeniu wymagań względem wentylacji. Warto również wspomnieć o akcesorium w postaci zewnętrznych systemów mieszania elektrolitu. Taki system jest szczególnie ważny przy wolnym ładowaniu baterii.
Akumulatory klasyczne stosowane w instalacjach fotowoltaicznych zazwyczaj bazują na pancernej płycie dodatniej.

Fot. 6. Nowoczesne akumulatory. Fot. 6. Nowoczesne akumulatory.

Akumulatory żelowe

Konstrukcja akumulatorów żelowych wykorzystuje elektrolit znajdujący się w strukturze krzemionki w postaci żelu. Akumulatory żelowe cechują przede wszystkim niskie wymagania wentylacyjne, wysoki poziom sprawności oraz brak efektu rozwarstwiania elektrolitu przy wolnym ładowaniu. W przypadku akumulatorów dedykowanych dla fotowoltaiki zapewnia się pełny powrót ze stanu głębokiego rozładowania przy zwiększonej ilości głębokich cykli ładowania i rozładowania dzięki możliwości zastosowania płyt pancernych w elektrodach.To właśnie takie cechy konstrukcyjne przemawiają za stosowaniem akumulatorów żelowych w sieciach niestabilnych.

Akumulatory AGM

Dużym uznaniem cieszą się akumulatory wykonane w oparciu o technologię AGM (ang. Absorbed Glass Mat). W rozwiązaniach tego typu elektrolit znajduje się w separatorach w postaci mat z włókna szklanego. Maty zazwyczaj są umieszczone pomiędzy ołowiowymi płytami akumulatora. Zaletą takiej konstrukcji akumulatora jest wyeliminowanie możliwości wycieku elektrolitu w przypadku uszkodzenia mechanicznego. Ponadto system uszczelnienia akumulatorowego ma jednokierunkowy zawór ciśnieniowy (VRLA). Jego zadaniem jest otwieranie przy nadmiernym wzroście ciśnienia gazów nagromadzonych we wnętrzu do czego bardzo często dochodzi przy przeładowaniu akumulatora. Zawór odprowadza na zewnątrz nadmiar powstałego gazu tym samym utrzymując bezpieczne nadciśnienie we wnętrzu obudowy. Zaletą takiego rozwiązania jest wysoka sprawność rekombinacji wewnętrznej, która stanowi zjawisko typowe dla akumulatorów wykonanych w technologii VRLA. Należy podkreślić, że akumulatory montuje się w dowolnej pozycji.
Ponadto akumulatory wykonane w technologii AGM w odróżnieniu od żelowych cechuje niski koszt początkowy. Trzeba również wspomnieć o możliwości uzyskania wyższych wartości natężenia prądy i mocy w przypadku krótkich czasów wyładowania. Z kolei o większej mocy akumulatora decyduje niższa wartość rezystancji wewnętrznej przy skróconym czasie reakcji pomiędzy elektrolitem a masą czynną płyty. Nie mniej ważny jest również wysoki poziom koncentracji energii oraz skuteczne odprowadzanie ciepła, które powstaje przy przepływie prądu. Jednak w kontekście wad trzeba pamiętać o najkrótszym okresie eksploatacji i najmniejszej ilości cykli ładowania-rozładowania. Wobec powyższego akumulatory wykonane w technologii AGM zazwyczaj uwzględnia się przy instalacjach z dużymi magazynami mocy.

Mgr inż. Krzysztof Lubianiec Business Development Partner
Wamtechnik Sp. z o.o. www.wamtechnik.pl Mgr inż. Krzysztof Lubianiec
Business Development Partner Wamtechnik Sp. z o.o.

EKSPERT Fachowego Elekryka
Magazynowanie energii w systemach fotowoltaicznych

Fotowoltaika (PV) jest jednym z najczystszych źródeł energii. Nie wytwarza hałasu tak jak turbiny wiatrowe, nie wymaga też obsługi, a system raz zainstalowany będzie pracował kilkadziesiąt lat.
Stawia jednak duże wymagania jakościowe wobec zainstalowanego sprzętu, paneli słonecznych, sterowników oraz systemu magazynowania energii (SME) wytwarzanej ze słońca (np. akumulatory), który jest niezbędny ze względu na dużą zmienność dobową wytwarzania energii.
Systemy PV, szczególnie instalowane na zewnątrz (outdoor), wymagają w pełni efektywnej pracy SME w szerokim zakresie temperaturowym i w warunkach częstej pracy cyklicznej, i to z głębokimi rozładowaniami podczas cykli. Taki tryb pacy narzuca dwa główne wymagania jakościowe dla SME:
(a) niezawodność w szerokim zakresie parametrów. Niezawodność to utrzymywanie dobrych parametrów pracy przez cały projektowany czas życia, dzięki czemu akumulatory mogą przejąć zasilanie w każdej chwili
(b) żywotność, którą określamy zarówno w latach jak również w cyklach pracy (ładowanie-rozładowanie).
Dobór prawidłowej technologii akumulatorów o wysokiej jakości ma znaczenie kluczowe. Wydaje się, że kwestia kosztów powinna zejść tutaj na drugi plan bowiem system fotowoltaiczny to wieloletnia inwestycja, oszczędności na tym polu zapewne będą miały odwrotny skutek w skali czasu 15-25 lat.
Obecnie na rynku akumulatorów istnieją dwie technologie znakomicie sprawdzające się w systemach PV: technologia kwasowo-ołowiowa w wykonaniu żelowym (GEL) oraz litowo- jonowa w wykonaniu litowo-żelazowo-fosforanowym (LFP).
Obie technologie charakteryzują się szerokim zakresem temperatur pracy i gwarantują wiele cykli. Akumulatory żelowe dobrej klasy pracują od -60oC do +60oC z żywotnością 1000 cykli pracy 50% DOD (rozładowywanie do 50% pojemności), i żywotnością kalendarzową 12 lat. Dla ogniw LFP jest to od -40oC do +60oC (+85oC krótkotrwale), z żywotnością do 5-6 tys. cykli 100% DOD (praca z pełną pojemnością), z żywotnością kalendarzową ~15 lat. Pierwsza to najstarsza technologia akumulatorowa (wynaleziona w 1850 r.) – baterie kwasowo-ołowiowe, w nowoczesnym wykonaniu z elektrolitem żelowym i projektowane do pracy cyklicznej (Deep Cycle Gel type, np. seria SBLCG 12 V o pojemnościach do 200 Ah, lub seria MK-Battery).

Druga technologia to nowoczesne akumulatory litowo-jonowe w wykonaniu LFP (litowo-żelazowo-fosforanowe, ogniwa 3,3 V – pojemności do 3850 mAh, np. ANR26650-M1B-2500 mAh lub K2-26650P-3850 mAh; lub gotowe moduły LFP 51V-60 Ah/3kWh lub 51 V-120 Ah/6 kWh), technologia o znakomitej żywotności w pracy cyklicznej i wysokim bezpieczeństwie użytkowania.

Jak poprawnie zamontować i eksploatować

Dla zachowania parametrów eksploatacyjnych akumulatora przy uzyskaniu maksymalnego okresu eksploatacji trzeba pamiętać o kilku kluczowych zasadach montażowych i eksploatacyjnych. Przede wszystkim przed uruchomieniem trzeba upewnić się czy na wszystkich ogniwach akumulatora są te same numery fabryczne oraz czy nie ma jakichkolwiek uszkodzeń mechanicznych. Nie mniej ważne jest również prawidłowe wykonanie połączeń przy zachowaniu właściwej polaryzacji. Trzeba pamiętać o właściwym dokręceniu śrub za pomocą klucza dynamometrycznego. Chodzi tutaj przede wszystkim o śruby zapewniające połączenie międzyogniwowe.
Baterie podłącza się do instalacji prądu stałego pamiętając o wcześniejszym odłączeniu urządzenia ładującego. Ponadto koniecznie trzeba sprawdzić prawidłowość podłączenia bieguna baterii w stosunku do zacisku regulatora ładowania.
Nie można zapomnieć o okresowym sprawdzeniu akumulatorów. Chodzi o to aby nie rzadziej niż co pół roku przeprowadzać pomiar napięcia baterii, a także temperatury w pomieszczeniu baterii i temperatury powierzchni zewnętrznej kilku wytypowanych ogniw. Jeżeli napięcie poszczególnych ogniw przekracza dopuszczalne wartości to instalację powinien sprawdzić wyspecjalizowany serwis.
Z kolei nie rzadziej niż co rok należy sprawdzić stan połączeń śrubowych pod względem połączenia i dokręcenia. Nie mniej ważna jest kontrola skuteczności wentylacji w pomieszczeniu. Baterie czyści się wilgotną szmatką.

Fot. 7. Budowa akumulatora. Fot.: HOPPECKE BATERIE Fot. 7. Budowa akumulatora. Fot.: HOPPECKE BATERIE

Dobór akumulatora

Dobierając odpowiedni akumulator należy uwzględnić przynajmniej kilka czynników. Przede wszystkim ważne jest aby dla zapewnienia trwałości akumulatora i pokrycia zapotrzebowania na energię zapas energii wynosił 100%. Pozwoli to również na wyeliminowanie zjawiska głębokiego rozładowania akumulatora. Wybierając odpowiedni akumulator trzeba pamiętać, że powinien on kompensować braki dostarczanej energii elektrycznej z głównego źródła do odbiorów. Uwzględnić należy przy tym porę dnia, bowiem więcej energii zużywa się wieczorem a otrzymuje w południe. Kluczowe miejsce zajmują przy tym zmiany natężenia padającego promieniowania oraz konieczność uwzględnienia zapasu energii na około 2-3 dni latem oraz 3-5 dni zimą.
Wybierając odpowiedni akumulator należy pamiętać o tym, że wyliczona pojemność akumulatora zależy bezpośrednio od ilości energii odbiorów w jednym cyklu, a nie od mocy zainstalowanych modułów fotowoltaicznych.

Podsumowanie

Odpowiedni wybór akumulatora do instalacji fotowoltaicznej w dużej mierze decyduje o bezpieczeństwie systemu i zachowaniu jego parametrów eksploatacyjnych. To właśnie dlatego dobór właściwego akumulatora najlepiej powierzyć fi rmie wyspecjalizowanej w tym zakresie.

Damian Żabicki