Технологии аккумулирования

Технологии аккумулирования энергии в системах автономного электроснабжения

По материалам сайта:modernoutpost.com

В этой заметке содержатся общие советы по выбору аккумуляторов для систем с возобновляемыми источниками энергии. В заметке затронуты 3 основные технологии: литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные (AGM, или Gel).

Мы постараемся избегать формул и научных обоснований, просто приведем причины, по которым нужно выбирать тот или иной тип аккумуляторов в зависимости от конкретного применения системы электроснабжения.

Обзор: сага от трех химических процессах

Существует 3 лидирующих технологии аккумуляторных батарей: литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные. Каждая из этих технологий имеет свои уникальные достоинства и недостатки, которые определяют их применение в различных случаях.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Это одна из наиболее новых технологий, которая развивается быстрее других. Существуют несколько вариаций химических процессов литий-ионных технологий, но их обсуждение здесь не затрагивается. Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в малых электронных устройствах, таких как мобильные телефоны, гаджеты и аудиоплееры, электронные часы, карманные компьютеры и ноутбуки. Эти аккумуляторы очень хорошо снабжают малой мощностью в течение длительного времени. Они имеют очень высокую удельную плотность заряда, что значит они могут хранить значительное количество электрической энергии в малом объеме. Однако, такая концентрация энергии приводит в определенной уязвимости литий-ионных батарей.

Химия процесса литий-ионных аккумуляторов требует строгого соблюдения технологии изготовления, и загрязнения при производстве этих аккумуляторов часто приводят к ухудшению качества аккумуляторов. Многие возможно помнят отзыв тысяч ноутбуков Dell и Apple летом 2006 года, когда оказалось, что их аккумуляторы, произведенные Sony, содержат загрязнители, приводящие к их перегреву. Литиевые батареи не переносят перегрев, поэтому часто имеют встроенные электронные схемы, которые обеспечивают их безопасность за счет предотвращения перезаряда — заряд прекращается, если напряжение достигло предельного значения.

Литий-полимерные батареи, которые разработаны в последнее время, являются ‘сухой’ версией литий-ионных батарей. Они лучше себя ведут при высоких температурах (более 25C), а также позволяют изготавливать исключительно плоские батареи, вплоть до толщины кредитной карты. Вследствие особенностей технологии производства, эти батареи очень дороги, и редко их использование оправдано по сравнению с более обычными литий-ионными батареями.

В последнее время на российском рынке появились относительно недорогие литий-железо-фосфатные аккумуляторы производства завода Лиотех. Выпускаемые емкости — от 250 А*ч, поэтому их применение ограничено относительно мощными системами автономного или резервного электроснабжения.  Также, есть неоднозначные отзывы об этих батареях.

Никель металлгидридные аккумуляторы

NiMh аккумуляторы появились на массовом рынке в 1980-х годах как более экологически чистая альтернатива никель-кадмиевым аккумуляторам. NiCd батареи используют высокотоксичный элемент кадмий в своем составе, и так как массовый бытовой потребитель не особо задумывается об утилизации отработанных аккумуляторов, это представляло большую проблему для окружающей среды. К недостаткам NiMh батарей относится сравнительно высокий саморазряд, который приводит к потере примерно 30% энергии в течение 1 месяца. Они также заряжаются в 2 раза дольше, чем литиевые или никель-кадмиевые аккумуляторы.

Хотя электрические параметры NiMh батарей не такие хорошие, как у NiCd, никель-металлгидридные батареи более стабильны и не так страдают от «эффекта памяти» никель-кадмиевых батарей. Их не нужно полностью разряжать перед зарядом, так как это требуют NiCd аккумуляторы, для предотвращения роста внутренних кристаллов, которые приводят к трещинам корпуса NiCd батареи. NiMh аккумуляторы формата «АА» соответствуют обычным алкалиновым батарейкам, и поэтому наиболее популярны при использовании в цифровых фотоаппаратах и камерах, портативных плеерах, радиоприемниках и фонариках.

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы имеют аналогичный принцип действия, как и обычные автомобильные стартерные аккумуляторы. Это наиболее зрелая технология, и по некоторым уникальным параметрам ей до сих пор не найдена замена. Эти аккумуляторы нельзя выбрасывать просто на свалку, так как они содержат высокотоксичные свинец и серную кислоту. Однако они очень легко утилизируются и свинец может быть использован повторно. Эти аккумуляторы заряжаются гораздо медленнее, чем другие аккумуляторы (примерна в 5 раз медленнее), но зато в состоянии обеспечивать гораздо больше мощности для питания мощных потребителей.

Самым большим недостатком свинцово-кислотных аккумуляторов является их вес. Из-за этого они имеют наихудшие показатели по удельной плотности энергии. Однако, широкое распространение элементов, используемых в этих аккумуляторах и простота их производства обуславливают не только их широкое применение, но и намного меньшую цену.

Как выбрать правильную батарею?

Итак, главный вопрос — какая батарея наиболее подходит для моего случая? Ответ довольно прост, а предопределяется природой каждой из вышеперечисленных технологий аккумуляторов.

Для маленьких, маломощных электронных устройств

Литиевые аккумуляторы применяются в карманных компьютерах, мобильных телефонах, и т.п. Они обеспечивают быстрый заряд, малый вес и компактные размеры, и не требуют обслуживания. Обычно вы скорее замените свое электронное устройство, чем литиевая батарея выработает своей ресурс.

Автомобильные адаптеры существуют для большинства этих электронных устройств, и эти же адаптеры можно использовать с 12V солнечной батареей (обычно мощностью до 10 Вт).

Для цифровых фотоаппаратов и камер, радиоприемников и фонариков

Здесь применяются NiMh аккумуляторы как замена стандартных алкалиновых элементов типа ‘AA’ или ‘AAA’. Они питают достаточно хорошо вспышки фотоаппаратов, доступны повсеместно и есть очень много зарядных устройств хорошего качества в любом специализированном магазине.

основным недостатком NiMh аккумуляторов является их неспособность сохранять заряд в течение длительного времени. В 2008 году появились новые технологии NiMh батарей, которые преодолевают эти недостатки (например PowerEx Imedion).

Когда дело доходит до заряда АА батарей, появляются много возможностей. Но лучше купить хорошее зарядное устройство. Многие зарядные устройства, которые позволяют быстро заряжать аккумуляторы, приводят к их перегреву. Помните, что оптимальный ток заряда составляет 200-300 мА. Появившиеся в последнее время мощные зарядные устройства с током до 1 А не позволяют полностью заряжать ваши батареи и сокращают их срок службы.

Для солнечных электростанций

Когда нужно сохранить энергию, выработанную солнечными батареями, королями по прежнему являются свинцово-кислотные аккумуляторы. Домашние фотоэлектрические системы используют специальные аккумуляторы глубокого разряда (похожие на аккумуляторы для гольф-каров). Они имеют низкую цену, широко доступны и способны сохранять энергию месяцами при очень малом саморазряде. когда вы инвестируете в солнечные батареи, очень важно не терять так дорого достающуюся электроэнергию. Работа свинцово-кислотных батарей показала в течение многих лет эксплуатации их стабильность и предсказуемость.

Маленькие переносные устройства с солнечными батареями используют маломощные литиевые аккумуляторы для того, чтобы обеспечить их малый вес и не повлиять отрицательно на их дизайн.

Почему не применяются щелочные и метал-гидридные аккумуляторы в солнечных электросистемах, предлагаемых компанией «Ваш Солнечный Дом»?

Химические процессы в литиевых и метал-гидридных аккумуляторах становятся нестабильными при больших размерах батарей. Сложность регулирования и схемы управления сильно возрастает при увеличении емкости литиевых аккумуляторов. Было бы конечно заманчиво иметь батарею намного более легкую, чем свинцово-кислотная, но, к сожалению, сейчас литиевые и металгидридные аккумуляторы наиболее подходят только для маломощных потребителей постоянного тока. Исключение составляют современные литий-железо-фосфатные аккумуляторы. При правильном подборе системы управления зарядом они могут быть заменой свинцово-кислотным аккумуляторам в системах автономного и резервного электроснабжения.

NiMh батареи трудно сделать большими, и максимальная емкость одного аккумулятора из тех, которые есть на рынке, составляет 4 А*ч. При неправильном заряде, NiMh аккумуляторы могут выделять водород . Это не проблема для пальчиковых батарей, но если аккумуляторная батарея довольно большая, то это нужно учитывать при эксплуатации. Также, если NiMh батарея выходит из строя, это происходит практически сразу. т.е. один день она работает хорошо, но на следующий день она может выдать не более 50% емкости — это не очень хорошо, если вы находитесь далеко от электрической розетки.

Литиевые батареи содержать специальные электронные схемы для обеспечения безопасной работы, и которые не позволяют их заряжать слишком быстро или перезаряжать, а также ограничивают разрядные токи. Большинство литиевых батарей не смогут выдать больше, чем их двойная номинальная емкость. Это означает, что самые большие батареи для ноутбука не могут обеспечить более 100Вт мощности. Попробуйте подключить инвертор к 12В литиевой батареи, и он даже не сможет распознать, что к нему подключена батарея. Почти все аккумуляторные батареи на литиевых аккумуляторах не поддерживают даже самые маленькие инверторы, если к ним подключена нагрузка. Также, как и NiMh аккумуляторы, литиевые выходят из строя неожиданно, когда приближается окончание их срока службы. Многие замечали, что их сотовые телефоны неожиданно начинают работать намного меньше, чем совсем недавно. Это также не добавляет уверенности в работе аккумуляторов, если вы уезжаете далеко от электрической розетки, от которой можно в любое время подзарядить аккумулятор.

Поэтому, для использования в автономных системах электроснабжения остаются только «медленные» свинцово-кислотные аккумуляторы. Они имеют большой срок службы, просты в эксплуатации и предсказуемы в работе. Эти батареи работают как резервуары, которые хранят вашу солнечную энергию до тех пор, пока она не понадобится. Они также работают как буфер для тех моментов, когда ваша солнечная батарея не может полностью обеспечить нагрузку. Они могут быть подключены к оборудованию и заряжаться одновременно — в отличие от литиевых аккумуляторов. Даже 7 А*ч аккумулятор, такой как используется в комплекте для ноутбука, может питать ноутбуки, зарядные устройства для батарей, может заряжаться от солнечных батарей и весит не так уж много.

Почитайте разделы по солнечным батареям и по контроллерам заряда, чтобы иметь более ясное представление о том, как работает солнечная энергосистема, какие режимы заряда и разряда необходимы для обеспечения надежного обеспечения энергией вдали от сетей централизованного электроснабжения.

Выбор батарей: итоговые замечания

Литиевые батареи

  • могут обеспечивать до 5000 зарядных циклов
  • Наиболее длительный срок службы при разряде на 80%
  • Могут заряжаться за 1-2 часа
  • Могут работать при минусовых температурах, но заряжать нужно при плюсовых температурах
  • Не могут заряжаться малыми токами
  • Требуют обслуживания,  выравнивания и специальной системы управления зарядом и разрядом
  • Саморазряд на уровне примерно 10% в месяц
  • Можно хранить в холодном месте при заряженности не менее 40% от полной
  • Низкая токсичность, но желательно утилизировать после окончания срока службы

Никель-металгидридные батареи

  • Могут обеспечить до 3000 зарядных циклов
  • Заряд происходит за 2-4 часа
  • Могут работать при минусовых температурах
  • Не могут заряжаться малыми токами, низкая устойчивость к перезаряду
  • Могут обеспечивать большие токи при мощности до 200Вт (для самых больших NiMh батарей)
  • Требуют периодического обслуживания и выравнивания (каждые 3 месяца)
  • Саморазряд на уровне примерно 30% в месяц
  • Можно хранить в холодном месте при заряженности не менее 40% от полной
  • Низкая токсичность, но желательно утилизировать после окончания срока службы

Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы

  • Могут обеспечить до 3000 зарядных циклов
  • Заражаются за 8-16 часов
  • Могут работать при минусовых температурах
  • Могут заряжаться малыми токами
  • Не требуют обслуживания, но желательно следить за уровнем заряженности и периодически проводить тренировочные циклы
  • Могут обеспечить высокие разрядные токи при больших мощностях
  • Желательно не разряжать более, чем на 50%
  • Саморазряд — около 3% в месяц
  • Хранить при комнатной температуре и полностью заряженными
  • Содержат токсичные материалы и должны быть утилизированы после окончания срока службы

Эта статья прочитана 2585 раз(а)!

Продолжить чтение

  • 77
    Литий-железо-фосфатные аккумуляторы производства Лиотех Использование литий-железо-фосфатных аккумуляторов (lifepo4) сейчас набирает всё большую популярность, так-как они стали более доступны и подешевели относительно других типов аккумуляторов. На сегодняшний день эти аккумуляторы самые неприхотливые и выносливые. Они служат значительно дольше чем свинцово-кислотные, только…
  • 70
    Выбор сечения кабеля Источник: Wind and Sun Ltd Перевод: "Ваш Солнечный Дом" По кабелям, соединяющим инвертор и аккумуляторные батареи, протекает очень большой ток. Поэтому необходимо правильно выбрать сечение кабеля исходя из максимальных токов, которые может потреблять инвертор. Очень важно, чтобы…
  • 69
    Типы свинцово-кислотных аккумуляторов Серийный выпуск и массовая эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторных батарей были начаты еще в конце 19 века. В начале 20 века они начали широко применяться в автомобилях, развивая далее сферу своего применения, легко перешагнули рубеж тысячелетия и до сих…
  • 69
    Техническая спецификация AGM аккумуляторных батарей Leoch Вы можете посмотреть основные параметры аккумуляторных батарей в таблице ниже; по соответствующим ссылкам можно скачать спецификации на эти АБ (грузятся pdf файлы с характеристиками аккумуляторов с сайта производителя, на английском языке). Цены на батареи…
  • 61
    Какой тип аккумулятора выбрать - AGM, гелевый или с жидким электролитом? Определяющими факторами при выборе аккумуляторных батарей для вашей системы являются цена, условия, при которых будет работать батарея (температура, условия обслуживания, наличие специального помещения и т.п.), а также ожидаемый срок…
  • 57
    Основные характеристики аккумуляторов Для безопасной эксплуатации аккумуляторных батарей необходимо придерживаться следующих правил: Не создавать цепь короткого замыкания между клеммами батареи, поскольку значительный ток короткого замыкания заряженной батареи способен расплавить контакты клемм и нанести термический ожог. Не хранить аккумуляторные батареи в…
Реклама

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *