Цикл статей "Солнечные панели и АКБ для инверторов". Часть 2.

Ниже представлено продолжение цикла статей "Солнечные панели и АКБ для инверторов". С первой частью обзора можно ознакомиться по ссылке – "Солнечные панели и АКБ для инверторов". Часть 1.".

Свинцово-сурьмянистые аккумуляторы OPzS

1500 циклов заряда.

Аккумуляторные батареи типа OPzS, являясь подвидом свинцово-кислотных, обладают самыми высокими характеристиками среди всех других видов свинцово-кислотных батарей. Срок службы может достигать 20 – 25 лет и обеспечивать ресурс до 1800 циклов глубокого 80% разряда.

Применение подобных батарей необходимо в системах с требованиями среднего и глубокого разряда, в т.ч. где наблюдаются пусковые токи средней величины.

Аккумуляторы OPzS обеспечивают стабильную работу в тяжелых условиях. В циклическом режиме работы химические источники питания данной серии также демонстрируют высокие показатели.

Преимущества аккумуляторов серии OPzS:

• Технология производства – OPzS;
• Длительный срок службы в буферном режиме – более 20 лет;
• Высокий ресурс – 1500 циклов при 80% разряде;
• Широкий выбор номинального напряжения – 2, 6 и 12 В;
• Не требуют частого обслуживания (каждые 2 – 3 года);
• Выпуск производится как с электролитом, так и сухозаряженными, по выбору;
• Уплотнение терминалов исключает возможность коррозии и утечки электролита;
• Корпус состоит из прозрачного ударостойкого пластика марки SAN (стирол-акрил-нитрил);
• Вентиляция с защитой от искр и пламени, исключают выбросы паров электролита.

Минусы: заметный саморазряд во время хранения, возможное выкипание электролита, ведущее к осыпанию пластин и опасность для здоровья из-за использования серной кислоты и необходимости вентиляции. Сурьмянистые АКБ нельзя хранить без подзарядки больше месяца.

Сравнительные характеристики по видам свинцово-кислотных батарей.

Li-Ion аккумуляторы

Многочисленные преимущества литиевых аккумуляторов обеспечили им хорошие оценки экспертов и высокую популярность при оснащении портативной и автономной электротехники, где предъявляются особые требования к компактности и эргономичности АКБ:

• высокая плотность аккумулированной энергии;
• минимальный саморазряд, принято считать, что саморазряд составляет 5% в первые 4 часа после зарядки и затем снижается до 1-2% в месяц, 10–20% за год;
• можно регулярно подзаряжать без риска “эффекта памяти”, отсутствие необходимости в «тренировке» после приобретения – полностью заряжать, а потом полностью разряжать литиевые батареи после покупки не нужно;
• выдача более высокого напряжения (по сравнению с аккумуляторами типов NiCd и NiMH), напряжение одного элемента — ≈3.6 В, это значит, что устройствам требуется меньше элементов;
• постоянная готовность к эффективной эксплуатации, нагрузка — держит 3.6 В стабильно до разрядки;
• диапазон рабочих температур -20 ... +50°С;
• рассчитан на более 2000 циклов разряда и заряда;
• обслуживание — не требуется, эксплуатация — без расходов;
• можливість виготовлення Li-Ion акумуляторів різних форм та розмірів;
• легкий вес.

Как и в случае использования любой другой технологии, у литий-ионного аккумулятора имеются существенные недостатки, но все они компенсируются высокой плотностью накопленной энергии:

• Безопасность — требуется защита. Главный минус литий-ионного аккумулятора — ненадёжность в сравнении с другими аккумуляторными технологиями. Чтобы снизить риски и гарантировать безопасность, производители разработали варианты защиты от:
  • чрезмерного заряда,
  • слишком сильного разряда,
  • короткого замыкания,
  • небезопасных пределов тока и так далее.

  Современные интегральные схемы позволяют относительно легко встроить в батарею или в оборудование (когда батарея не взаимозаменяема) систему управления — контроллер. Он делает литий-ионные батареи безопасными и допускает использование элементов без каких-либо специальных знаний.

  Контроллер заряда аккумулятора - простыми словами, это печатная плата внутри элемента питания (иногда крепится прямо на его корпусе). Правильное её название «BMS-плата» (Battery Management System), ), то есть плата системы управления аккумулятором. На BMS-плате распаяны электронные компоненты для защиты устройства от неисправностей по электроцепи питания. Без неё работать литий-ионные аккумуляторы теоретически могут, но это приведёт к их скорейшему выходу из строя с высокой вероятностью взрыва.

  Схема защиты, встроенная в литий-ионную батарею, контролирует ряд аспектов её работы:

  • ограничивает пиковое напряжение каждой ячейки во время зарядки, поскольку чрезмерное напряжение может повредить их;
  • в многоэлементных аккумуляторах ячейки заряжаются последовательно через один разъём питания так, чтобы ни одна ячейка не испытывала напряжение выше требуемого (разные элементы могут требовать разного уровня заряда и существует вероятность, что кто-то перезарядится);
  • предотвращается слишком низкое падение напряжения элемента при разряде (глубокий разряд);
  • пресекается ситуация, когда одна ячейка хранит меньше заряда, чем другие, в аккумуляторе;
  • ещё одним аспектом схемы защиты является температура (ячейка может переохладиться или перегреться).

  Максимальный ток заряда и разряда для большинства аккумуляторов ограничен повышением температуры на 1-2°C. Тем не менее, некоторые из них немного нагреваются при быстрой зарядке.

• Низкая устойчивость к избыточному заряду и полному разряду. Поэтому умные Li-Ion батареи, как и для решения предыдущей проблемы, оснащаются встроенными системами автоматического отключения, т.е. тем же контроллером.
• Износ - это один из самых неприятных недостатков литий-ионных батарей, хотя заявлен эксплуатационный ресурс порядка 10 лет. Не смотря на заявленные в 3000-4000, количество циклов зарядки и разрядки ограничено 500-1000 циклами, после которых ёмкость уже заметно снижается, а деградация усиливается. Ёмкость упадет в любом случае. При интенсивном использовании раньше. При бережном — позже. С развитием литий-ионной технологии эта цифра увеличивается, но рано или поздно без замены не обойтись.

  Помимо износа при эксплуатации аккумулятор подвержен старению даже когда не используется незначительное старение без регулярной эксплуатации – до 20% в год. Причина в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих внутри него без остановки.

  Практически наблюдается зависимость срока службы от времени, а не от числа циклов разрядки и зарядки с течением времени происходит постепенная потеря емкости. Если вы планируете долгое время хранить аккумулятор без использования, то следует частично зарядить его. В различной документации указан диапазон заряда между 40% и 50%. Оптимально сухое, тёмное место с температурой не выше +22°C и не ниже +5°C. Хранение в этих условиях поможет продлить срок службы.

• Транспортировка — затруднена. Взрывоопасность при повреждении корпуса проколе или другом нарушении герметичности. В последние годы многие авиакомпании ограничивают количество принимаемых литий-ионных батарей. Их перевозка ограничена на законодательном уровне. Пассажирам самолётов приходится перевозить литий-ионные аккумуляторы в ручной клади согласно правилам большинства авиакомпаний. Время от времени условия меняются. Но количество батареек, разрешённых с собой, всегда ограничено.
• Любые литий-ионные батареи, переносимые отдельно, должны быть определённой ёмкости, по возможности извлечены из устройства, защищены от короткого замыкания защитными крышками и так далее. Например, большие Li-Ion аккумуляторы (как в ИБП) вовсе нельзя перевезти авиатранспортом. Перед полетом проверяйте, можно ли носить с собой большой повербанк. Иногда требования туманны, и по факту вам предстоит выбор: лететь самолётом и выбросить аккумулятор в аэропорту, либо отказаться от перелёта и выбрать другой транспорт.
• Диапазон рабочих температур (от -20 до + 50 С) не достаточен. Ухудшение работы при высоких температурах, снижение емкости при использовании на морозе, затрудненность зарядки при отрицательных температурах.
• Относительная дороговизна. Цена значительно выше, чем у свинцово-кислотных, но зависящая от типа, точнее применяемой химии.
• Завершённость технологии — незрелая. Li-Ion уже много лет на рынке, и это всё ещё незрелая технология. Она принадлежит к развивающейся области инвестирования и разработок. С одной стороны, это недостаток. С другой стороны, новые литий-ионные технологии разрабатываются постоянно. Может ли это быть преимуществом? Если появляются более совершенные решения, то может, но пока таких по пальцам пересчитать.

По сути Li-Ion АКБ — это целый класс приборов, отличающихся как по форме, так и по химическому составу их составляющих элементов. В целом можно встретить следующие типы литий-ионных батарей по химической реализации:

• Литий-кобальтовые с катодом LiCoO2 — самые емкие модели имеют графитовый анод
• Литий-марганцево-оксидные с катодом LiMn2O4, Li2MnO3 или LMnO, последние могут выступать как просто литий-марганцовые
• Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные или NMC с катодом LiNiMnCoO2
• Литий-железо-фосфатные с катодом LiFePO4 (LFP)
• Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA) с катодом LiNiCoAlO2
• Литий-титанат-оксидные (LTO) с анодом Li4Ti5O12

Разбираться в их отличии не цель данной статьи, а потому оставим это на самостоятельное изучение или на помощь продавцов нашего магазина. Но вот некоторые популярные реализации форм рассмотрим.

В отличие от других типов аккумуляторов, выпускаемых, как в виде ячеек на 1.2, 1.8 и 2 В, так и в виде АКБ – сборок на 6 и 12 В в одном корпусе, литиевые чаще распространены в виде отдельных ячеек на разные напряжения, предназначенные для конкретного оборудования, и в виде стандартизированных элементов универсального применения на 3.2-3.7 В, а также сборки из них, также часто специализированные. Но и это не мешает использовать литий-ионные батареи для резервирования энергии в инверторах.

Цилиндрические ячейки

Классический пример стандартизированных ячеек – это цилиндрические элементы, в названии которых сразу указан их физический размер.

18650 series

от 1200 мAч до 3500 мAч

Наиболее получившими известность являются ячейки 18 мм в диаметре длиной 65 мм, или просто 18650. Аккумуляторы формата 18650 применяются сборками, например, в батареях ноутбуков, где не требуются высокие токи нагрузки.

Кроме того, их применяют в домашней системе накопления энергии, системе накопления солнечной энергии, для запитки велосипедов, самокатов, скутеров, тележек для гольфа, в медицинской аппаратуре, для мотоциклов.

Литий-ионные аккумуляторы не терпят глубокий разряд. Несмотря на остаток в 2.4 – 2.8 В, восстановить работоспособность батареи простой зарядкой невозможно.

Защитное отключение банки от клемм при глубоком разряде предусмотрено для безопасности. Но оно разрывает цепь, когда элемент еще можно зарядить. Поэтому выходное напряжение 0 будет одинаковым, при коротком замыкании внутри банки и заряде, меньше неснижаемого минимума.

Кстати при всей кажущейся стандартности эти аккумуляторы различаются не только по ёмкости.

Из этих элементов собираются, как заводские сборки для инверторов и другого оборудования, так и заказные - кустарные.

Однако, при большём количестве элементов в сборке уже становится не достаточно встроенных в них плат контроллеров и требуется BMS-плата, балансирующая заряд и разряд элементов кроме общей защиты. Но проблема в том, что такая плата зависит и от типа элемента, включая химию и емкость, и от их количества.

Впрочем, в случае работы с инвертором, это не так критично, особенно, если использовать б/у элементы, имеющие ещё большой ресурс, но уже не принимаемые брендовым оборудованием. Они обычно упакованы в цветные пластиковые корпуса и устанавливаются в ноутбуки и другую электронику. Большинство энтузиастов собирают сами сборки литий-ионных аккумуляторов модели 18650 в том числе и для подключения инверторов.

Аккумуляторная батарея TESLA

Кстати большие сборки делаются не только энтузиастами. Аккумулятор Tesla состоит из батарейных модулей. Каждый батарейный модуль состоит из литий-ионных аккумуляторных батареек производства Panasonic визуально и по параметрам похожих на пальчиковые 18650, только без плат защиты от перезаряда/переразряда (так дешевле). В батарее 16 последовательно подключенных блоков, в которых 6 последовательно подключенных модулей, в которых аккумуляторы подключены параллельно.

Недостатком применения больших сборок элементов 18650, впрочем, как и других аналогичных, является то, что их требуется очень много, чтобы набрать нужную ёмкость, а в случае выхода из строя одного элемента найти его довольно трудно, т.к. они либо спаяны вместе, либо склёпаны перемычками точечной сваркой.

В сервисах вручную проверяют каждый элемент, которых более 7000 и заменяют проблемные на новые. Отремонтированный таким образом модуль стоит дешевле нового, и его можно купить для применения не только в автомобиле, но и для инвертора, тратя на это всего несколько тысяч долларов. Однако здесь обязательно придётся устанавливать специфическую BMS-плату, ведь в элементах полностью отсутствует защита.

26650 series

от 2500 мAч до 6000 мAч, 1000-3000 циклов заряда/разряда

Другим уже распространённым элементом является цилиндр с увеличенным диаметром, что позволило сильно нарастить ёмкость.

Аккумуляторы 26650 Li-ion – тип АКБ, который стремительно заменяет батарею типа 18650. Такие батареи обладают длительной работой и высокой силой отдачи тока. Сегодня такие аккумуляторы применяются в фонарях, повербанках, электроинструментах требующих высоких параметров напряжения (от 20 ампер).

Их сборки также можно применять для инверторов, причём количество элементов потребуется меньше, что также приведёт к снижению цены.

Существуют и другие стандарты, в частности Panasonic для электромобилей Tesla новых моделей уже выпускает цилиндры других размеров.

И прелесть здесь в том, что новые модули с большей ёмкостью можно ставить и в прежние модели Tesla, что сподвигает владельцев машин дёшево продавать старые, но ещё годные долгое время. А их можно приобретать для инверторов.

Но всё же останется сложность с подбором соответствующей BMS-платы, что без специалиста не воплотить.

Призматическая маленькая литий-полимерная ячейка

Это ещё один распространённый тип ячеек, представленный двумя видами реализации изделия: в виде алюминиевой коробки или мягкого пакета.

Прямоугольный алюминиевый корпус батареи - является измененной формой цилиндрических. Популярен для стационарного применения и в транспорте.

Сейчас наиболее распространён промышленный незащищенный прямоугольный литий-железо-фосфатный LFP (LiFePO4) аккумулятор в алюминиевой оболочке с контактами под винт.

LiFePO4 находит множество применений в использовании транспортных средств, стационарных приложениях для коммунальных предприятий и резервного питания в устройствах, требующих подзарядки, таких как электромобили, электровелосипед, садовые фонари, электросамокат, электрический мотоцикл, электрические скейтборды, автомобиль для гольфа, зелёные электростанции и т.д.

«Мешочек» или pouch-bag ячейки - мягкий корпус и не всегда оснащается встроенной системой защиты. Фактически удешевленный вариант призматической ячейки. Этот тип аккумуляторов используется, в частности, в мобильных телефонах, планшетах и модулях АКБ, в том числе автомобильных. Это и есть те самые «полимерные» или пакетные аккумуляторы.

Аккумуляторная батарея Nissan Leaf

Примером использования пакетных АКБ является аккумуляторная батарея Nissan Leaf, развитие которой также заставило владельцев продавать дёшево старые блоки при покупке новых с большей ёмкостью.

Современный вид батареи

Старая батарея

Такие ячейки, в свою очередь, собраны из отдельных пакетов. Каждый пакет представляет собой отдельный аккумулятор.

Пакеты электрически соединены между собой. Высоковольтными кабелями последовательно подключены ячейки.

Каждый модуль имеет четыре аккумуляторные батареи, подключенные последовательно и параллельно. Напряжение одной составляет 3.8 вольта, а ёмкость ─ 33.1 Ач. Вес каждой около 800 г. Электрохимическая система ячеек – это литированные оксиды марганца и кобальта плюс углерод. Анод выполнен из углеродосодержащего материала, а катод ─ из LiMn2O4 и LiNiO2.

Там также находится система управления аккумуляторной батареей и система охлаждения воздушного типа. В общей сложности в боксе размещено 48 модулей, сгруппированных в три блока.

Второе поколение Nissan Leaf получает более ёмкую аккумуляторную батарею (40 кВт*ч). Увеличился запас хода, а аккумулятор теперь можно было заряжать до 80 процентов за 40 минут. Сохранился корпус и внешние разъемы, но компоновка серьезно изменилась. Теперь здесь разместили 24 модуля, каждый из которых включает 8 ячеек. Для обеспечения более высокой точности при контроле тока, потребляемого электромотором, было установлено два датчика тока вместо одного.

У нового аккумулятора также изменилось расположение блока предохранителей. Сам блок был модернизирован, поскольку обновлённый вариант АКБ получил большую мощность. Специалистам японской компании удалось увеличить ёмкость аккумулятора на 33, производительность на 37, пропускную способность на 67 процентов. При этом аккумулятор стал лишь на 1 мм толще предыдущего варианта.

В 2019 году прошел очередной «апгрейд» аккумуляторной батареи Nissan Leaf. Ёмкость новой модели составила 62 кВт*ч, что резко увеличило запас хода с 240 до 364 км. Как сообщалось, эта новинка, выпускаемая LG Chem, получила систему терморегулирования.

В таблице ниже можно посмотреть сравнение характеристик АКБ Nissan Leaf.

Как их использовать?

Можно просто соединить четырьмя болтами по 6-8 модулей в зависимости от их поколения, создав банки, из которых собрать необходимую АКБ для Вашего инвертора. Смотреться будет, конечно не совсем эстетично, да и контакты открыты, но в специально выделенном для электростанции помещении на стеллаже вполне допустимо.

Однако, если не хотите не только связываться со сборкой литиевых АКБ, но и с их поиском, то наш магазин может предложить Вам готовые сборки систем накопления энергии в удобных корпусах, в которых уложены и соединены уже сами пакеты

• 12 В – 50 Ач (0.6 кВт*ч), 100 Ач (1.2 кВт*ч) и 200 Ач (2.4 кВт*ч)
• 24 В – 100 Ач (2.4 кВт*ч) и 200 Ач (4.8 кВт*ч)
• 48 В – 200 Ач (9.6 кВт*ч) и 500 Ач (24 кВт*ч)

Что собой представляют системы накопления энергии?

Система хранения электроэнергии представляет собой модуль из литий-ионных аккумуляторов, защищенных от негативных внешних воздействий корпусом. Накопитель имеет продолжительный эксплуатационный ресурс – до 6 тысяч циклов заряда/разряда (80%), что приравнивается 10 годам эксплуатации.

Если одного банка недостаточно для обеспечения объекта бесперебойным энергоснабжением, заказать можно несколько накопителей. Их расчетно-проектное число для конкретного объекта формируют в накопительный модуль. Подключение устройств может быть выполнено параллельным методом, последовательным или комбинированным способом. Оптимальное решение определяют специалисты при заказе проекта.

Емкость аккумулятора указывается в киловатт-часах. К примеру, показатель в 2.4 киловатт-часа означает, что если к накопителю будет подключены приборы суммарной мощностью в один киловатт, то запаса энергии хватит на 2.4 часа. При меньшей мощности нагрузки увеличится время бесперебойной работы приборов. Поэтому рассчитывается продолжительность работы накопителя для каждого объекта с учетом мощности всех приборов.

Главные враги батарей: высокая температура, слишком высокий и низкий заряд, быстрая зарядка.

Мобильный универсальный солнечный инвертор со встроенными АКБ

Для желающих может быть предложен единое устройство со встроенными литиевыми аккумуляторами, способное заряжать от мобильного телефона до танка, работать от солнечных батарей и заряжаться от любого подручного блока питания, сети и от автомобиля.

Такое устройство кроме военных и спасателей может быть полезно «киношникам», «телевизионщикам», организаторам массовых мероприятий, экспедиций и кемпингов в местах с отсутствующей инфраструктурой. Более подробно о нём смотрите на сайте и спрашивайте у наших продавцов.

Литиевая батарея 12 В 100-200 Ач

Ну и напоследок, заводской литиевый аккумулятор на 12 В, для настройки на работу которого необходимо использовать смартфон с поддержкой Bluetooth.

Преимущества:

• С Bluetooth, поддержка через приложение для проверки и настройки данных батареи.
• Использование технологии литий-железо-фосфатного элемента, превосходная безопасность, тысячи циклов, 100% глубина разряда, при нормальных условиях.
• Встроенная автоматическая защита от перезарядки, разрядки, перегрузки по току и перегрева.
• Не требует обслуживания, внутренняя балансировка ячеек.
• Легкий вес: около 40% ~ 50% веса сопоставимого свинцово-кислотного аккумулятора.
• Более широкий диапазон температур: -20℃~60℃.
• Предназначен для дома на колесах, солнечной электростанции, яхты, гольф-кара и т.п.

Эффективное использование аккумуляторов в системах автономного электроснабжения

Хочется также упомянуть об «ответственности» со стороны пользователя, своеобразных «требованиях», предъявляемых к пользователям автономно-альтернативной системы.

Необходимо помнить (и понимать), что установка одной, двух и более солнечных панелей, даже в паре с ветрогенератором, не эквивалентно установке традиционной сетевой розетки.

Поскольку система является альтернативной (а также экологичной), то возникают определенные осознанные самоограничения. Система потребления должна стать разумной и, по возможности, максимально эффективной: следует использовать оборудование высших классов энергоэффективности (А, А+, А++), вести менеджмент и контроль потребления; учитывать баланс нагрузки (в том числе пикового потребления) и возможностей системы.

Кроме того нет смысла использовать фотоэлектрические панели для нужд отопления. Ведь КПД преобразования света в электроэнергию не так велик (около 15-19%), в то время как технологии преобразования солнечного света в тепловую энергию (солнечные коллекторы) обладают высоким КПД (до 90%). Будет более рационально, для поддержания отопления и для нужд горячего водоснабжения, использовать соответствующую технологию — солнечный коллектор.