Цикл статей "Сонячні панелі та АКБ для інверторів". Частина 2.

Нижче наведено продовження циклу статей "Сонячні панелі та АКБ для інверторів". З першою частиною огляду можна ознайомитись за посиланням – "Сонячні панелі та АКБ для інверторів". Частина 1.".

Свинцево-сурм'янисті акумулятори OPzS

1500 циклів заряду.

Акумуляторні батареї типу OPzS, будучи підвидом свинцево-кислотних, мають найвищі характеристики серед усіх інших видів свинцево-кислотних батарей. Термін служби може досягати 20 – 25 років та забезпечувати ресурс до 1800 циклів глибокого 80% розряду.

Застосування таких батарей необхідно в системах з вимогами середнього та глибокого розряду, в т.ч. де спостерігаються пускові струми середньої величини.

Акумулятори OPzS забезпечують стабільну роботу у важких умовах. У циклічному режимі роботи хімічні джерела живлення цієї серії також демонструють високі показники.

Переваги акумуляторів серії OPzS:

• Технологія виробництва - OPzS;
• Тривалий термін служби у буферному режимі – понад 20 років;
• Високий ресурс – 1500 циклів за 80% розряду;
• Широкий вибір номінальної напруги – 2, 6 та 12В;
• Не вимагають частого обслуговування (кожні 2-3 роки);
• Випуск проводиться як з електролітом, так і сухозарядженими, на вибір;
• Ущільнення терміналів виключає можливість корозії та витоку електроліту;
• Корпус складається з прозорого ударостійкого пластику марки SAN (стирол-акрил-нітрил);
• Вентиляція із захистом від іскор та полум'я, виключають викиди парів електроліту.

Мінуси: помітний саморозряд під час зберігання, можливе википання електроліту, що веде до обсипання пластин та небезпека для здоров'я через використання сірчаної кислоти та необхідність вентиляції. Сурм'янисті АКБ не можна зберігати без підзарядки більше місяця.

Порівняльні характеристики за видами свинцево-кислотних батарей.

Li-Ion акумулятори

Численні переваги літієвих акумуляторів забезпечили їм хороші оцінки експертів та високу популярність при оснащенні портативної та автономної електротехніки, де пред'являються особливі вимоги до компактності та ергономічності АКБ:

• висока щільність акумульованої енергії;
• мінімальний саморозряд, прийнято вважати, що саморозряд становить 5% у перші 4 години після зарядки і потім знижується до 1-2% на місяць , 10-20% за рік;
• можна регулярно заряджати без ризику "ефекту пам'яті", відсутність необхідності в "тренуванні" після придбання - повністю заряджати, а потім повністю розряджати літієві батареї після покупки не потрібно;
• видача вищої напруги (порівняно з акумуляторами типів NiCd і NiMH ), напруга одного елемента - ≈3,6 В, це означає, що пристроям потрібно менше елементів;
• постійна готовність до ефективної експлуатації, навантаження - тримає 3,6 В стабільно до розрядки;
• діапазон робочих температур -20+50°С;
• розрахований на понад 2000 циклів розряду та заряду;
• обслуговування - не потрібне, експлуатація - без витрат;
• можливість виготовлення Li-Ion акумуляторів різних форм та розмірів;
• легка вага.

Як і у разі використання будь-якої іншої технології, літій-іонний акумулятор має істотні недоліки, але всі вони компенсуються високою щільністю накопиченої енергії:

• Безпека – потрібен захист. Головний мінус літій-іонного акумулятора – ненадійність у порівнянні з іншими акумуляторними технологіями. Щоб знизити ризики та гарантувати безпеку, виробники розробили варіанти захисту від:
  • надмірного заряду,
  • занадто сильного розряду,
  • короткого замикання,
  • небезпечні межі струму і так далі.

  Сучасні інтегральні схеми дозволяють відносно легко вбудувати в батарею або обладнання (коли батарея не взаємозамінна) систему управління - контролер. Він робить літій-іонні батареї безпечними та допускає використання елементів без будь-яких спеціальних знань.

  Контролер заряду акумулятора - простими словами, це друкована плата всередині елемента живлення (іноді кріпиться прямо на корпусі). Правильна її назва «BMS-плата» (Battery Management System), тобто плата системи керування акумулятором. На BMS-платі розпаяне електронні компоненти для захисту пристрою від несправностей по електроланцюгу живлення. Без неї працювати літій-іонні акумулятори теоретично можуть, але це призведе до їхнього якнайшвидшого виходу з ладу з високою ймовірністю вибуху.

  Схема захисту, вбудована в літій-іонну батарею, контролює низку аспектів її роботи:

  • обмежує пікову напругу кожного осередку під час зарядки, оскільки надмірна напруга може пошкодити їх;
  • у багатоелементних акумуляторах комірки заряджаються послідовно через один роз'єм живлення так, щоб жодна комірка не відчувала напругу вище за необхідну (різні елементи можуть вимагати різного рівня заряду і існує ймовірність, що хтось перезарядиться);
  • запобігає надто низькому падінню напруги елемента при розряді (глибокий розряд);
  • припиняє ситуацію, коли один осередок зберігає менше заряду, ніж інші, в акумуляторі;
  • ще одним аспектом схеми захисту є температура (комірка може переохолодитись або перегрітись).

  Максимальний струм заряду та розряду для більшості акумуляторів обмежений підвищенням температури на 1-2°C. Тим не менш, деякі з них трохи нагріваються при швидкій зарядці.

• Низька стійкість до надмірного заряду та повного розряду. Тому розумні Li-Ion батареї, як й у вирішення попередньої проблеми, оснащуються вбудованими системами автоматичного відключення, тобто. тим самим контролером.
• Знос - це один з найнеприємніших недоліків літій-іонних батарей, хоча заявлений експлуатаційний ресурс близько 10 років. Незважаючи на заявлені у 3000-4000, кількість циклів зарядки та розрядки обмежена 500-1000 циклами, після яких ємність вже помітно знижується, а деградація посилюється. Місткість впаде в будь-якому випадку. За інтенсивного використання раніше. При дбайливому - пізніше. З розвитком літій-іонної технології ця цифра збільшується, але рано чи пізно без заміни не обійтись.

  Крім зносу при експлуатації акумулятор схильний до старіння навіть коли не використовується незначне старіння без регулярної експлуатації – до 20% на рік. Причина в окислювально - відновних реакціях, що протікають усередині нього без зупинки.

  Фактично спостерігається залежність терміну служби від часу, а чи не від кількості циклів розрядки і зарядки з часом відбувається поступова втрата ємності. Якщо ви плануєте тривалий час зберігати акумулятор без використання, слід частково зарядити його. У різній документації вказаний діапазон заряду між 40% та 50%. Оптимально сухе темне місце з температурою не вище +22°C і не нижче +5°C. Зберігання за цих умов допоможе продовжити термін служби.

• Транспортування - утруднене. Вибухонебезпечність при пошкодженні корпусу проколі або іншому порушенні герметичності. В останні роки багато авіакомпаній обмежують кількість літій-іонних батарей, що приймаються. Їхнє перевезення обмежене на законодавчому рівні. Пасажирам літаків доводиться перевозити літій-іонні акумулятори до ручної поклажі згідно з правилами більшості авіакомпаній. Іноді умови змінюються. Але кількість батарей, дозволених із собою, завжди обмежена.
• Будь-які літій-іонні батареї, що переносяться окремо, повинні бути певної ємності, по можливості витягнуті з пристрою, захищені від короткого замикання захисними кришками тощо. Наприклад, великі Li-Ion акумулятори (як ДБЖ) зовсім не можна перевезти авіатранспортом. Перед польотом перевіряйте, чи можна носити з собою великий повербанк . Іноді вимоги туманні, і за фактом ви маєте вибір: летіти літаком і викинути акумулятор в аеропорту, або відмовитися від перельоту і вибрати інший транспорт.
• Діапазон робочих температур (від -20 до + 50°С) не достатній. Погіршення роботи при високих температурах, зниження ємності при використанні на морозі, утрудненість заряджання при негативних температурах.
• Відносна дорожнеча. Ціна значно вища, ніж у свинцево-кислотних, але залежить від типу, точніше застосовуваної хімії.
• Завершеність технології – незріла. Li-Ion вже багато років на ринку, і це незріла технологія. Вона належить до області інвестування та розробок, що розвивається. З одного боку, це недолік. З іншого боку, нові літій-іонні технології розробляють постійно. Чи може це бути перевагою? Якщо з'являються більш досконалі рішення, то може, але поки що таких на пальцях перерахувати.

По суті Li-Ion АКБ - це цілий клас приладів, що відрізняються як формою, так і хімічним складом їх складових елементів. Загалом можна зустріти такі типи літій-іонних батарей з хімічної реалізації:

• Літій-кобальтові з катодом LiCoO2 – найємкіші моделі мають графітовий анод
• Літій-марганцево-оксидні з катодом LiMn2O4, Li2MnO3 або LMnO , останні можуть виступати як просто літій-марганцеві
• Літій-нікель-марганець-кобальт-оксидні або NMC з катодом LiNiMnCoO2
• Літій-залізо-фосфатні з катодом LiFePO4 (LFP)
• Літій-нікель-кобальт-алюміній-оксидні (NCA) з катодом LiNiCoAlO2
• Літій- титанат -оксидні (LTO) з анодом Li4Ti5O12

Розбиратися на їхньому відмінності не мета цієї статті, а тому залишимо це на самостійне вивчення або на допомогу продавців нашого магазину. Але деякі популярні реалізації форм розглянемо.

На відміну від інших типів акумуляторів, що випускаються як у вигляді осередків на 1.2, 1.8 і 2В, так і у вигляді АКБ - збірок на 6 і 12 В в одному корпусі, літієві частіше поширені у вигляді окремих осередків на різні напруги, призначені для конкретного обладнання, і у вигляді стандартизованих елементів універсального застосування на 3.2-3.7В, а також збірки з них також часто спеціалізовані. Але це не заважає використовувати літій-іонні батареї для резервування енергії в інверторах.

Циліндричні осередки

Класичний приклад стандартизованих осередків – це циліндричні елементи, в назві яких одразу вказано їхній фізичний розмір.

18650 series

від 1200 мAг до 3500 мAг

Найбільш популярними є комірки 18мм в діаметрі довжиною 65мм, або просто 18650. Акумулятори формату 18650 застосовуються збірками, наприклад, в батареях ноутбуків, де не потрібні високі струми навантаження.

Крім того, їх застосовують у домашній системі накопичення енергії, системі накопичення сонячної енергії, для питання велосипедів, самокатів, скутерів, візків для гольфу, в медичній апаратурі, для мотоциклів.

Літій-іонні акумулятори не терплять глибокий розряд. Незважаючи на залишок 2.4 – 2.8 В, відновити працездатність батареї простою зарядкою неможливо.

Захисне відключення банки від клем при глибокому розряді передбачено для безпеки. Але воно розриває ланцюг, коли елемент можна зарядити. Тому вихідна напруга 0 буде однаковою, при короткому замиканні всередині банки та заряді, менше незнижуваного мінімуму.

До речі при всій стандартності, що здається, ці акумулятори різняться не тільки по ємності.

З цих елементів збираються як заводські зборки для інверторів та іншого обладнання, так і замовні - кустарні.

Однак, при великій кількості елементів у зборці вже стає мало вбудованих у них плат контролерів і потрібна BMS-плата, що балансує заряд і розряд елементів крім загального захисту. Але проблема в тому, що така плата залежить від типу елемента, включаючи хімію і ємність, і від їх кількості.

Втім, у разі роботи з інвертором, це не так критично, особливо, якщо використовувати вживані елементи, що мають ще великий ресурс, але вже не приймаються брендовим обладнанням. Вони зазвичай упаковані у кольорові пластикові корпуси та встановлюються у ноутбуки та іншу електроніку. Більшість ентузіастів збирають самі зборки літій-іонних акумуляторів моделі 18650 навіть для підключення інверторів.

Акумуляторна батарея TESLA

До речі, великі зборки робляться не тільки ентузіастами. Акумулятор Tesla складається із батарейних модулів. Кожен батарейний модуль складається з літій-іонних акумуляторних батарей виробництва Panasonic візуально і за параметрами схожих на пальчикові 18650, тільки без захисту від перезаряду/ перерозряду (так дешевше). У батареї 16 послідовно підключених блоків, в яких послідовно 6 підключених модулів, в яких акумулятори підключені паралельно.

Недоліком застосування великих зборок елементів 18650, втім, як і інших аналогічних, є те, що їх потрібно дуже багато, щоб набрати потрібну ємність, а у разі виходу з ладу одного елемента знайти його досить важко тому, що вони або спаяні разом, або склепані перемичками точковим зварюванням.

У сервісах вручну перевіряють кожен елемент, яких понад 7000 та замінюють проблемні на нові. Відремонтований таким чином модуль коштує дешевше за новий, і його можна купити для застосування не тільки в автомобілі, а й для інвертора, витрачаючи на це лише кілька тисяч доларів. Однак, тут обов'язково доведеться встановлювати специфічну BMS-плату, адже в елементах повністю відсутній захист.

26650 series

від 2500 мAг до 6000 мAг , 1000-3000 циклів заряду/розряду

Іншим вже поширеним елементом є циліндр із збільшеним діаметром, що дозволило сильно наростити ємність.

Акумулятори 26650 Li-ion - тип АКБ , який стрімко замінює батарею типу 18650. Такі батареї мають тривалу роботу і високу силу віддачі струму. Сьогодні такі акумулятори застосовуються у ліхтарях, повербанках, електроінструментах, що вимагають високих параметрів напруги (від 20 ампер).

Їх зборки також можна застосовувати для інверторів, причому кількість елементів знадобиться менше, що також призведе до зниження ціни.

Існують інші стандарти, зокрема Panasonic для електромобілів Tesla нових моделей вже випускає циліндри інших розмірів.

І принадність тут у тому, що нові модулі з більшою ємністю можна ставити і в колишні моделі Tesla, що спонукає власників машин дешево продавати старі, але ще придатні довгий час. А їх можна придбати для інверторів.

Але все ж таки залишиться складність з підбором відповідної BMS-плати, що без фахівця не втілити.

Призматичний маленький літій-полімерний осередок

Це ще один поширений тип осередків, представлений двома видами реалізації виробу: як алюмінієва коробка або м'який пакет.

Прямокутний алюмінієвий корпус батареї є зміненою формою циліндричних. Популярний для стаціонарного застосування та у транспорті.

Зараз найбільш поширеним є промисловий незахищений прямокутний літій-залізо-фосфатний LFP (LiFePO4) акумулятор в алюмінієвій оболонці з контактами під гвинт.

LiFePO4 знаходить безліч застосувань у використанні транспортних засобів, стаціонарних додатках для комунальних підприємств та резервного живлення в пристроях, що потребують підзарядки, таких як електромобілі, електровелосипед, садові ліхтарі, електросамокат, електричний мотоцикл, електричні скейтборди, автомобіль для гольфу, зелені електростанції та інші.

"Мішечок" або pouch-bag осередки - м'який корпус і не завжди оснащується вбудованою системою захисту. Фактично здешевлений варіант призматичного осередку. Цей тип акумуляторів використовується, зокрема, у мобільних телефонах, планшетах та модулях АКБ, у тому числі автомобільних. Це і є ті самі полімерні або пакетні акумулятори.

Акумуляторна батарея Nissan Leaf

Прикладом використання пакетних АКБ є акумуляторна батарея Nissan Leaf, розвиток якої також змусив власників продавати дешево старі блоки при купівлі нових з більшою ємністю.

Сучасний вид батареї

Стара батарея

Такі осередки, своєю чергою, зібрані з окремих пакетів. Кожен пакет є окремим акумулятором.

Пакети електрично з'єднані між собою. Високовольтними кабелями послідовно підключені комірки.

Кожен модуль має чотири акумуляторні батареї, підключені послідовно та паралельно. Напруга однієї становить 3,8 вольта, а ємність - 33,1 Ач . Вага кожної близько 800 г. Електрохімічна система осередків – це літовані оксиди марганцю та кобальту плюс вуглець. Анод виконаний з вуглецевмісного матеріалу, а катод ─ з LiMn2O4 та LiNiO2.

Там також знаходиться система керування акумуляторною батареєю та система охолодження повітряного типу. Загалом у боксі розміщено 48 модулів, згрупованих у три блоки.

Друге покоління Nissan Leaf отримало більш ємну акумуляторну батарею (40 кВт*год). Збільшився запас ходу, а акумулятор тепер можна було заряджати до 80% за 40 хвилин. Зберігся корпус та зовнішні роз'єми, але компонування серйозно змінилося. Тепер тут розмістили 24 модулі, кожен із яких включає 8 осередків. Для забезпечення вищої точності при контролі струму, споживаного електромотором, було встановлено два датчики струму замість одного.

У нового акумулятора також змінилося розташування блоку запобіжників. Сам блок модернізували, оскільки оновлений варіант АКБ отримав велику потужність. Фахівцям японської компанії вдалося збільшити ємність акумулятора на 33%, продуктивність на 37%, пропускну здатність на 67%. При цьому акумулятор став лише на 1 мм товщі за попередній варіант.

У 2019 році пройшов черговий апгрейд акумуляторної батареї Nissan Leaf . Місткість нової моделі склала 62 кВт*год, що різко збільшило запас ходу з 240 до 364 км. Як повідомлялося, ця новинка, що випускається LG Chem , отримала систему терморегулювання.

У таблиці нижче можна переглянути порівняння характеристик АКБ Nissan Leaf.

Як їх використовувати?

Можна просто з'єднати чотирма болтами по 6-8 модулів залежно від їхнього покоління, створивши банки, з яких зібрати необхідну АКБ для Вашого інвертора. Виглядатиметься, звичайно, не зовсім естетично, та й контакти відкриті, але в спеціально виділеному для електростанції приміщенні на стелажі цілком допустимо.

Однак, якщо не хочете не тільки зв'язуватися зі складанням літієвих АКБ, але і з їх пошуком, то наш магазин може запропонувати Вам готові зборки систем накопичення енергії у зручних корпусах, в яких укладені та з'єднані самі пакети:

• 12В – 50 Агод. (0,6 кВт*год.), 100 Агод. (1.2 кВт*год.) та 200 Агод (2.4 кВт*год.)
• 24В - 100 Агод. (2.4 кВт*год.) та 200 Агод. (4.8 кВт*год.)
• 48В – 200 Агод. (9.6 кВт*год.) та 500 Агод. (24 кВт*год)

Що являють собою системи накопичення енергії?

Система зберігання електроенергії є модуль з літій-іонних акумуляторів, захищених від негативних зовнішніх впливів корпусом. Накопичувач має тривалий експлуатаційний ресурс – до 6 тисяч циклів заряду/розряду (80%), що дорівнює 10 рокам експлуатації.

Якщо одного банку недостатньо для забезпечення об'єкта безперебійним енергопостачанням, можна замовити кілька накопичувачів. Їх розрахунково-проектне число для конкретного об'єкта формують накопичувальний модуль. Підключення пристроїв може бути виконане паралельним методом, послідовним або комбінованим способом. Оптимальне рішення визначають спеціалісти під час замовлення проекту.

Місткість акумулятора вказується в кіловат-годинах. Наприклад, показник о 2.4 кіловат-години означає, що й до накопичувача буде підключено прилади сумарною потужністю один кіловат, то запасу енергії вистачить на 2.4 години. За меншої потужності навантаження збільшиться час безперебійної роботи приладів. Тому розраховується тривалість роботи накопичувача кожного об'єкта з урахуванням потужності всіх приладів.

Головні вороги батарей: висока температура, надто високий та низький заряд, швидка зарядка.

Мобільний універсальний сонячний інвертор із вбудованими АКБ

Для бажаючих може бути запропонований єдиний пристрій із вбудованими літієвими акумуляторами, здатний заряджати від мобільного телефону до танка, працювати від сонячних батарей та заряджатися від будь-якого підручного блоку живлення, мережи та від автомобіля.

Такий пристрій окрім військових та рятувальників може бути корисним «кіношникам», «телевізійникам», організаторам масових заходів, експедицій та кемпінгів у місцях з відсутньою інфраструктурою. Докладніше про нього дивіться на сайті та запитуйте у наших продавців.

Літієва батарея 12 В 100-200 Ач

Ну і наостанок, заводський літієвий акумулятор на 12 В, для налаштування на роботу якого необхідно використовувати смартфон з підтримкою Bluetooth.

Переваги:

• З Bluetooth , підтримка через програму для перевірки та налаштування даних батареї.
• Використання технології літій-залізо-фосфатного елемента, чудова безпека, тисячі циклів, 100% глибина розряду, при нормальних умов.
• Вбудований автоматичний захист від перезаряджання, розряджання, перевантаження по струму та перегріву.
• Не потребує обслуговування, внутрішнє балансування осередків.
• Легка вага: близько 40% ~ 50% ваги зіставного свинцево-кислотного акумулятора.
• Більше широкий діапазон температур: -20℃~60℃.
• Призначений для будинку на колесах, сонячної електростанції, яхти, гольф-кара тощо.

Ефективне використання акумуляторів у системах автономного електропостачання

Хочеться також згадати про «відповідальність» з боку користувача, своєрідні «вимоги», що висуваються до користувачів автономно-альтернативної системи.

Необхідно пам'ятати (і розуміти), що встановлення однієї, двох і більше сонячних панелей, навіть у парі з вітрогенератором, не еквівалентне встановленню традиційної розетки.

Оскільки система є альтернативною (а також екологічною), то виникають певні усвідомлені самообмеження. Система споживання має стати розумною та, по можливості, максимально ефективною: слід використовувати обладнання вищих класів енергоефективності (А, А+, А++), вести менеджмент та контроль споживання; враховувати баланс навантаження (у тому числі пікового споживання) та можливостей системи.

Крім того, немає сенсу використовувати фотоелектричні панелі для потреб опалення. Адже ККД перетворення світла в електроенергію не такий великий (близько 15-19%), тоді як технології перетворення сонячного світла на теплову енергію (сонячні колектори) мають високий ККД (до 90%). Буде раціональніше, для підтримки опалення та потреб гарячого водопостачання, використовувати відповідну технологію — сонячний колектор.