Google+

Milwaukee

Budowa zasobników energii w oparciu o elektrochemiczne źródła prądu, jakimi są baterie, wymaga w każdym przypadku odpowiedniego zaprojektowania tych baterii. Wynikiem doboru jest wskazanie technologii wykonania baterii oraz wyliczenie jej wielkości.

Fot. 1. Akumulator AGM stosowany
w OZE i UPS. Fot.: HOPPECKE BATTERIEN Fot. 1. Akumulator AGM stosowany w OZE i UPS. Fot.: HOPPECKE BATTERIEN

W systemach OZE magazyny energii w postaci baterii akumulatorów są nieodłącznie kojarzone w zasilaniem wydzielonych grup odbiorów w tzw. instalacjach wyspowych (tzw. off-grid) chociaż stosowane są również w instalacjach podłączonych bezpośrednio do sieci energetycznej (tzw. on-grid). Podstawowe zalety stosowania magazynu energii:

  • bateria gromadzi nadwyżki energii, aby uniknąć oddawanie energii do sieci,
  • bateria w układzie pozwala uniezależnić moc źródeł energii od mocy oddawanej do sieci,
  • w przypadku wystąpienia awarii sieci bateria zapewnia gwarantowane zasilanie w trybie pracy wyspowej.

W systemach UPS baterie są nieodłączną częścią urządzenia gwarantującego ciągłość zasilania. W UPS typu on-line przejście z zasilania z sieci na zasilanie z baterii następuje bez jakiejkolwiek przerwy w zasilaniu odbiorów. Metodologia doboru baterii w obydwu systemach (OZE i UPS) ma pewne cechy wspólne. Prawidłowy proces doboru baterii powinien uwzględniać następujące etapy:

  • dobór współczynników projektowych ze względu na warunki i charakter pracy baterii,
  • wybór technologii baterii,
  • wskazanie wielkości i liczby ogniw z danego typoszeregu.

Poniżej zostaną opisane zasady doboru baterii ołowiowo-kwasowych.

Współczynniki projektowe

Rys. 1. Ogniwo klasyczne z płytą rurkową. Fot.: HOPPECKE BATTERIEN. Rys. 1. Ogniwo klasyczne z płytą rurkową. Fot.: HOPPECKE BATTERIEN

Istnieją ogólne zalecenia projektowe, które pozwalają prawidłowo zwymiarować baterie w OZE:

  • rozładowanie w jednym cyklu – rekomendowany zakres od 25% do 40% pojemności znamionowej,
  • zabezpieczenia przed głębokim rozładowaniem baterii – maksymalnie do 80%,
  • uwzględnienie spadku pojemności przy temperaturze poniżej 20°C – przyjmuje się zmniejszenie pojemności 1%/1°C,
  • uwzględnienie sprawności procesu ładowania baterii – dla baterii VRLA ok. 90%, dla baterii klasycznej min. 75%.
  • sprawdzenie żywotności cyklicznej dla założonej głębokości rozładowania w charakterystyce dostarczanej przez producenta baterii,
  • określenie minimalnego napięcia rozładowania baterii – zazwyczaj od 1,80 V do 1,90 V na ogniwo,

Klasyfikacja baterii

Rys. 2. Konstrukcje akumulatorów ołowiowo-kwasowych specjalizowanych dla OZE. Fot.: HOPPECKE BATTERIEN Rys. 2. Konstrukcje akumulatorów ołowiowo-kwasowych specjalizowanych dla OZE. Fot.: HOPPECKE BATTERIEN

Baterie ołowiowo-kwasowe są nadal powszechnie stosowane pomimo niewątpliwej przewagi parametrów użytkowych innych konkurencyjnych technologii. Szczególnie jest to widoczne w urządzeniach UPS. Różnice w budowie akumulatorów dotyczą konstrukcji elektrod oraz stanu elektrolitu pojedynczych ogniw 2 V. Zestaw ogniw w jednej obudowie nazywamy blokiem baterii np. blok 12 V. Zmontowane w miejscu docelowym i połączone w jeden system zestaw ogniw lub bloków nazywamy baterią. Warto przyjrzeć się konstrukcji ogniw ołowiowo-kwasowych, ponieważ dostępne typy różnią się znacząco parametrami użytkowymi. We wszystkich typach zasada działania jest ta sama. Elektrody zawierające ołów i dwutlenek ołowiu są naprzemiennie łączone w pakiety i zanurzane w rozcieńczonym kwasie siarkowym. W procesie wyładowania energia wiązań chemicznych zamieniana jest na energię elektryczną. Na obydwu elektrodach powstaje ten sam związek chemiczny – siarczan ołowiu, który w procesie ładowania z powrotem zamienia się w metaliczny ołów i dwutlenek ołowiu. Podział ze względu na stan elektrolitu:

  • klasyczne – elektrolit w postaci ciekłej wypełnia ogniwo,
  • żelowe – elektrolit uwięziony w strukturze krzemionki przybiera postać gęstego żelu,
  • AGM – elektrolit uwięziony we włókninie szklanej dzięki istnieniu siły kapilarnej.

Podział ze względu na konstrukcję elektrody dodatniej:

  • wielkopowierzchniowa – występuje tylko w akumulatorach klasycznych,
  • kratkowa (zwana też pastowaną) – głównie stosowana w akumulatorach klasycznych oraz AGM,
  • rurkowa (zwana też pancerną) – występuje wyłącznie w akumulatorach klasycznych i żelowych. Zapewnia największą żywotność cykliczną.

Analizując podział konstrukcji baterii przedstawiony na rysunku 2, warto zwrócić uwagę, że baterie żelowe występują z dwoma rodzajami elektrod dodatnich. Wybierając baterię żelową, warto się upewnić, że zbudowana jest z elektrodą rurkową, ponieważ zapewnia ona ponad dwukrotnie większą żywotność cykliczną w stosunku do elektrody kratkowej.
Do zastosowań w OZE rekomendowane jest stosowanie AGM z płytą kratkową oraz klasyczne i żelowe z płytą rurkową. Do zastosowań w UPS najlepiej nadają się typy z płytą kratkową.

Dobór baterii w OZE

Fot. 2. Przydomowy magazyn energii OZE. Fot.: HOPPECKE BATTERIEN Fot. 2. Przydomowy magazyn energii OZE. Fot.: HOPPECKE BATTERIEN

Podstawową zasadą jest unikanie głębokiego wyładowania oraz bezwzględne zapewnienie odpowiedniej nadwyżki energii przeznaczonej do ładowania nad ilością energii pobieranej przez odbiory. We wszelkich układach Odnawialnych Źródeł Energii magazynujących energię, dobór akumulatorów musi być przeprowadzany na podstawie wyliczeń energii odbiorów w jednym cyklu. Dane o mocach osiągalnych modułów fotowoltaicznych lub mocy odbiorów nie mają zastosowania przy doborze akumulatorów w typowych instalacjach.
Dobór wielkości ogniw uwzględnia oczywiście napięcie pracy projektowanej baterii. Przy doborze trzeba korzystać w tabel rozładowań producenta lub dodatkowych charakterystyk rozładowania.

Przykład doboru wielkości baterii w OZE

Fot. 3. Fronius-Symo-Hybrid-Powerwall zestaw do przetwarzania i magazynowania energii
elektrycznej z systemów PV na potrzeby indywidualnych gospodarstw domowych
z litowo-jonowym akumulatorem energii Tesla i tzw. inteligentnym licznikiem energii. Fot.: FRONIUS Fot. 3. Fronius-Symo-Hybrid-Powerwall zestaw do przetwarzania i magazynowania energii elektrycznej z systemów PV na potrzeby indywidualnych gospodarstw domowych z litowo-jonowym akumulatorem energii Tesla i tzw. inteligentnym licznikiem energii. Fot.: FRONIUS

W przypadku odbiorów o stałej mocy należy korzystać z tabel rozładowania stałomocowych dla danej baterii. Należy wcześniej wyliczyć wydatek mocy przypadający na jedno ogniwo baterii, a następnie odczytać wartość mocy dla danej głębokości rozładowania oraz czasu.

Przykład:
Zamierzamy rozładowywać baterię o napięciu znamionowym 48 V mocą 4,5 kW w czasie 4 H. Bateria zbudowana z jednego łańcucha posiada 24 ogniwa połączone szeregowo. Stąd obciążenie jednego ogniwa wynosi: 4500 W/24 = 187 W/ogniwo. Zakładamy bezpieczny poziom rozładowania 1,85 V/ogniwo oraz temperaturę pracy 20oC. Maksymalny prąd rozładowania wynosi: 187 W/1,85 V = 101 A. Dobór ogniwa pokazany jest na rysunku 3. Wybieramy pierwszą wartość ogniwa spełniającego warunek prądowy. Nasza bateria będzie zbudowana z 24 ogniw typu 7OPzV.solar. power.620.

Jeżeli zostanie określona pojemność danego ogniwa, zapewniająca energię odbiorów dla jednego cyklu pracy, to należy ją pomnożyć przez następujące przykładowe współczynniki:

  • przy 25% rozładowania: 1/0,25 = 4;
  • przy maksymalnym rozładowaniu do 80%: 1/0,8 = 1,25;
  • przy użytkowaniu w temperaturze o 20°C mniejszej od nominalnej (0°C): 100%/(100%-20%) = 1,25;
  • przy uwzględnieniu współczynnika starzenia: 1,25.

Przy powyższych założeniach pojemność początkową należałoby zwiększyć ok. 8 razy. Podany powyższy sposób wykorzystania współczynników projektowych oraz doboru wielkości ogniw na podstawie maksymalnego prądu rozładowania zawiera pewne uproszczenia. Dlatego bardzo dokładne wymiarowanie należy powierzyć np. producentowi baterii. Niedowymiarowanie baterii, np. przez zwiększenie głębokości rozładowania w jednym cyklu, zmniejszy koszty jej zakupu przy jednoczesnym skróceniu okresu użytkowania.

Dobór baterii w systemach UPS

Rys. 3. Dobór baterii na podstawie tabel rozładowań. Fot.: HOPPECKE BATTERIEN Rys. 3. Dobór baterii na podstawie tabel rozładowań. Fot.: HOPPECKE BATTERIEN

W uproszczeniu dobór baterii rozpoczyna się od wyliczenia maksymalnej mocy pobieranej z baterii przy 100% obciążenia UPS. Należy w obliczeniach uwzględnić współczynnik mocy wyjściowej odbiorów oraz sprawność falownika.
Dla przykładu: przy mocy 80 kVA, wsp. mocy 0,8 i sprawności 95% uzyskujemy 80’000W*0,8/0,95 = 67’370W.
Następnie trzeba wyliczyć liczbę wszystkich ogniw w baterii uwzględniając liczbę ogniw w jednym łańcuchu oraz liczbę łańcuchów. Dzieląc przez siebie obydwie wielkości uzyskujemy obciążenie mocą jednego ogniwa. W kolejnym kroku należy przyjąć:

  • minimalne napięcie rozładowania ogniwa – między 1,8 V a 1,6 V,
  • temperaturę pracy baterii (zazwyczaj 20ºC),
  • czas podtrzymania odbiorów przy zasilaniu z baterii.

Odpowiednią wielkość baterii znajdujemy w stałomocowej tabeli rozładowań podanej dla powyższych założeń. Jest wiele innych aspektów doboru baterii, które nie mogą być tutaj omówione. Najbardziej rekomendowanym podejściem jest przerzucenie odpowiedzialności za prawidłowy dobór baterii na dostawcę.

Często popełniane błędy

Fot. 4. Fast Group 1T2G6055 f. Fot.: FAST GRUP Fot. 4. Fast Group 1T2G6055 f. Fot.: FAST GRUP

Bardzo częstym spotykanym błędem jest poleganie na podawanych w kartach katalogowych pojemnościach ogniw, podczas gdy nie ma jednej normy definiującej pojemność ogniw. Dlatego to samo ogniwo będzie miało różne wartości pojemności w zależności od sposobu pomiaru wynikającego z jego przeznaczenia. Ogniwo nigdy nie pracuje w warunkach znamionowych, Należy dobrać wielkość ogniw dla założonych parametrów pracy. Bardzo dobrym przykładem błędnego określenia wielkości baterii dla UPS jest wymaganie konkretnej wielkości pojemności znamionowej podanej w Ah. Te pojemności są określane dla czasów rozładowań 10 lub 20 godzin, podczas gdy czas pracy baterii w UPS zazwyczaj zamyka się w czasach do 30 minut.
Drugim częstym błędem jest niewiedza o zakresie wielkości dostępnych na rynku ogniw. Skutkuje to próbą budowania większej pojemności przez wielokrotne łączenie równoległe bloków baterii np. 12 V/200 Ah. Znakomita większość producentów zaleca, aby nie łączyć więcej niż 4 łańcuchów baterii równolegle. Wymaganą pojemność w praktyce zawsze daje się zbudować z 1 lub 2 łańcuchów. Warto wiedzieć, że dostępne na rynku pojedyncze ogniwa o napięciu 2 V sięgają pojemnością 12000 Ah.

Podsumowanie

Fot. 5. Fast Group C1T2G8168. Fot.: FAST GRUP Fot. 5. Fast Group C1T2G8168. Fot.: FAST GRUP

Podstawowe trzy wytyczne doboru baterii dla danego zastosowania:

  • dobór wielkości baterii musi uwzględniać dla danego typu zależność charakterystyk pracy od konstrukcji baterii,
  • główne wymagania baterii to przystosowanie do pracy cyklicznej i odporność na głębokie rozładowanie,
  • baterie dobiera się ze względu na zapotrzebowanie ilości energii odbiorów w jednym cyklu.

Należy zapewnić dodatni bilans energii ze strony źródła z uwzględnieniem strat przetwarzania energii i strat ładowania w bateri:.

  • bateria jest elektrochemicznym źródłem prądu, które musi być traktowane jako urządzenie elektryczne podlegające odpowiednim normom i przepisom; oznakowanie znakiem CE dotyczy urządzeń prądu stałego na pięciu powyżej 75 V;
  • baterie wymagają cyklicznych przeglądów serwisowych; nie istnieją baterie bezobsługowe.

dr inż. Sławomir Kanoza
Dyrektor Oddziału w Warszawie
Hoppecke Baterie Polska Sp. z o.o.