Вибір типу та розрахунок АКБ для сонячної електростанції

АКБ для сонячної електростанції – один із найважливіших елементів СЕС. Від акумуляторів залежить вартість та ефективність електростанції.

Відео версія 😉

Перед подальшими розрахунками розберемося з деякими поняттями:

  • Ємність, кВт*год  – використовується для порівняння енергетичних показників різних акумуляторів та визначення ціни на АКБ, повний показник ємності;
  • Щільність енергії (об’єм), Вт*год/л – показує скільки місця потрібно виділити під АКБ;
  • Щільність енергії (вага), Вт*год/кг – визначає вагу АКБ;
  • C, А*год – capacity (ємність) використовується для визначення струмів заряду, розряду, для оцінки ємності АКБ з однаковими напругами;
  • Ціна, $/кВт*год – визначає ціну АКБ за одиницю ємності;
  • Середня напруга, В – всі види АКБ працюють в певному діапазоні, а для розразунків береться усереднене значення напруги;

Є основні три типи акумуляторів,  які використовуються в альтернативі: стартерні (свинцево-кислотні), AGM та літієві. Кожний з цих типів АКБ має свої підвиди, які відрізняються за хімією і деякими характеристиками. В автономній сонячній електростанції АКБ працюють в циклічному режимі, якщо у Вас підключена мережа – то АКБ будуть працювати в буферному режимі.

Не ведітсья на гелеві або мультигелеві акумулятори, вони не кращі за своїми характеристикаси від стартерних, а просто спроектовані для спеціальних цілей військових і авіціаї та НЕ підходять для сонячної станції.

Для порівняння візьмемо такі АКБ: свинцевий Fortis (новий та б/у), AGM (Delta)  та літієві (LG). Всі дані занесено в табличку.

 Характеристики

Свинцеві (нові/бу*Fortis

AGM Delta DTM 12100 L

Літій   LG

Середня напруга, В12123.7
Ємність, А*г100/50*10027
Ємність, кВт*г1200/600*1200100
Максимальний струм заряду, А10/*5 (0.1C/0.05C*)30 (0.3C)27 (1C)
Нормальний струм заряду, А5/3*(0.1C/0.03C*)10 (0.1C)7,8 (0.34C)
Максимальний струм розряду, А150/100* (1.5C/1C*)210 (2.1C)135 (5C)
Нормальний струм розряду, А10/5*  (0.1C/0.05C*)10 (0.1C)27 (1C)
Щільність енергії (об’єм), Вт*год/л114,6/57,3*97,4250
Щільність енергії (вага), Вт*год/кг63/31,6*37,5180

Ефективність заряду (ККД) 

без врахування ККД зарядного

100/95*% – 20 год

80/43*% – 4 год

60/25*% – 1 год

100%- 20 год

80% – 4 год

60% – 1 год

100%- 20 год

99% – 4 год

92% – 1 год

Кількість циклів (термін експлуатації) при 100%, 50%, 30% розряду від ємності, залишок ємності >60% (літій >89%)

150-200/80-100* – 100%

250-400/120-200* – 50%

700-1000/350-500-30%

250 – 100%

470 – 50%

1300 – 30%

1000 – 100%

3500 – 50%

>6000 – 30%

Термін служби в буферному режимі, років5/2*9>30
Термін служби в циклічному режимі, років/міс (залишок ємності 60%, літій 89%)

7/4 міс – 100%

11/7 міс – 50%

2-3/1-1.4 – 30%

8-9 міс – 100%

1.3 року – 50%

3-4 роки – 30%

2.7-3 роки – 100%

9,6 років

>16,5 років

Ціна при 100% розряду, $/кВт*год83,3/45*205165
Ціна за 10 років при 30% розряду з урахуванням заміни, $/кВт*год304/325*820100

*взято опесердоковані дані, так як характеристики сильно залежать від зносу АКБ

З представлених данних можна зробити висновок:

1) Не має сенсу використовувати AGM акумулятори, так як вони трошки кращі за свинцеві, проте дорожчі ніж літієві!

2) Літієві АКБ істотно випереджають по характеристикам конкурентів і можуть прослужити так само довго як і сонячні панелі – 20-30 років без заміни.

3) Використання свинцевих акумуляторів істотно знижує ККД системи, що призводить до необхідності збільшення кількості сонячних панелей.

4) В довгостроковій перспективі, мін 10 років, найдешевші акумулятори – літієві, а нові свинцеві вигідніші за б/у.

5) Свинцеві АКБ вразливі до високих струмів заряду. Час їх заряду складає 10год, а середній час роботи СЕС 5 год, тому прийдеться збільшити сумарну ємність АКБ.

6) Для забезпечення довгого терміну експлуатації потрібно використовувати тільки 30% ємності, що так само призводить до збільшення необхідної кількості АКБ.

Маленька ремарка щодо безпечності АКБ

Свинцеві АКБ заборонено встановлювати в непровітрюваних приміщеннях, так як в процесі роботи вони виділяють шкідливі гази. Літієві акумулятори не виділяють нічого шкідливого, а що до їх безпечності пропоную переглянути краш тести батарей LG.

Якщо в когось ще були якісь сумніви щодо використання безпечності літія, то тепер я думаю, вони розвіялись. До того ж літієві АКБ обов’язково йдуть з платою захисту, яка тримає батарею у “формі” і захищає її від небажаних режимів роботи.

Розрахунок ємності (кількості) АКБ для сонячної електростанції

Якщо Ви ще не знаєте власне добове споживання то Вам спочатку сюди. Візьмемо до прикладу 3 кВт*год. Тепер визначаємось з кількістю днів автономної роботи – приймемо 2, загалом нам потрібно забезпечити 6 кВт*год автономної роботи.

!Розрахунок проводиться у урахуванням ККД інвертора!

Багато продавців замовчують цей нюанс і в результаті Ви отримаєте менше енергії ніж Вам потрібно. Підставивши свої дані Ви можете легко розрахувати реальну необхідну ємність АКБ для Вашого будинку.

Варіант 1. Всі споживачі під’єднано на інвертор

Приймемо ККД інвертора 90%, відповідно вже потрібно 6/(1-0,9+1)=6,6 кВт*год.

Стартерні АКБ (свинцево-кислотні)  для продовження часу служби акумулятора можна виокристовувати тільки 30% енергії з нього. Вибираємо АКБ 12В 100А*г = 1200 Вт*год, 30% = 360 Вт*год. Кількість АКБ 6,6*1000/360 = 18,3 = 19 шт. стартерних свинцево-кислотних АКБ. Їх вартість – 1900$. Щоб зменшити вартість, можете прийняти розряд 50%, тоді – 1100$, але прослужать менше.

Літієві – для збільшення терміну служби, потрібно використовувати тільки 80%. Вибираємо батарею LG 3.7В 27А*год = 100Вт*год, 80% = 80 Вт*год. Кількість АКБ 6,6/0,08 = 82,5=83 шт, вартість – 1369,5$ + плата захисту bms 65$ – 1435$.

Варіант 2. 30% споживачів від АКБ, 70% – через інвертор.

В такому випадку певний відсоток енергії піде в обхід АКБ і  небхідна потужність зменшиться: 6*0,3 + (6-6*0,3)/(1-0,9+1) = 6.42 кВт*год.  Далі рахуємо як і в попередньому випадку: свинцеві – 18 шт, 1800$; літій – 81 шт, 1402$. 

Різниця виглядає не суттєва, але при малих потужностях СЕС тут набігає хороша сума. При малих ємностях АКБ необхідно перевіряти на допустимі струми заряду-розряду.

Паралельне та послідовне під’єднання

В залежності від вибору напруги СЕС, акумулятори потрібно під’єднювати певним чином. Наприклад, необхідна ємність АКБ складає 6,42 кВт*год, тобто 18 штук аукумуляторів 12В 100А*г. При напрузі 12В всі акумулятори підєднуємо паралельно (parallel), тобто + до + та – до -. Таким чином ми отримаємо 12В та 1800А*г.  При напрузі 110В ми під’єднаємо 9 штук послідовно (serial), та 2 паралельно – 108В 200А*год. Саме від загальної ємності в А*г (1800А*г та 200А*г) визначаються струми заряду-розряду. Зазвичай ці два методи комбінують.

Перевірка на допустимі струми заряду-розряду

Струм заряду залежить від вихідного струму контролера сонячних панелей. Різні контролери мають різні струми заряду. Якщо струм заряду більший від рекомендованого, то зменшується кількість циклів роботи.

Струм заряду для стартерних АКБ не повинен перевищувати 0.1С, тобто для 100А*г це 100*0,1 = 10А. Якщо батарея 12В 1800А*г, то допустимий струм буде 1800*0,1 = 180А.

Для літій-іоних АКБ допустимі струми заряду різні і описані в документації. В нашому випадку нормальний струм заряду складає 0,34С. При конфігурації батареї 30S3P (30 послідовно, 3 паралельно) 111В 81А*г, струм заряду складає 27,5А.

Струм розряду. Зазвичай допустимі струми розряду перевищують в декілька разів струми заряду, але перевірити всеодно треба. Додаєте струм інвертора (вказаний на самому інверторі аьо в паспорті) та струми споживачів, які підєднанні напряму і перевіряте з допустимим струмами розряду для Вашого АКБ, які вказані в документації.

Таким чином Ви можете підібрати собі придатний АКБ для Вашої СЕС. Якщо Ви не згодні з моїм розрахунком то пишіть в коментарях свою думку! Залюбки обговорю!

Не забувайте підписуватись на розсилку та долучатись соцмережах!

Будьмо дружніми!

Привіт, мене звати Юрій!

Привіт, мене звати Юрій!

Я інженер та блогер. Веду цей блог про альтернативну енергетику, електротранспорт та технології автоматизації.

Останнє з блогу

  Будьмо дружніми!

0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x