Хранилище энергии

Электрохимические батареи, или аккумуляторы, позволяют хранить энергию в легко восстанавливаемой форме. Преимуществами аккумуляторов являются высокая величина параметра плотности энергии. Плотность энергии — это удельное количество накопленной электрической энергии, которое может быть представлено объемно или по массе. К недостаткам использования аккумуляторов относятся их саморазряд, износ аккумулятора, проявляющийся изменением параметров — так называемое старение батареи, длительное время зарядки, влияние температуры на аккумулятор, а в некоторых технических решениях — короткий срок службы.

В решениях, применяемых в системах накопления энергии, используются два типа аккумуляторов: свинцово-кислотные и литий-ионные.

Виды накопителей энергии

Свинцово-кислотные аккумуляторы достигают КПД порядка 70%. Их отличают низкая цена, простая схема зарядки и возможность кратковременной нагрузки большими токами. Это приводит к тому, что они используются в системах бесперебойного питания (UPS). Значительным минусом является короткий срок службы (около 1000 циклов заряд-разряд) и их конструкция. В свинцово-кислотных аккумуляторах электролит находится в жидком состоянии, что может вызывать протечки и требует доливки электролита. Для устранения этой проблемы свинцово-кислотные аккумуляторы изготавливают как необслуживаемые:

• SLA – Sealed Lead Acid – герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы
• VRLA – Valve Regulated Lead – Acid – свинцово-кислотные аккумуляторы с регулирующими клапанами

Их производят по двум технологиям:

• Гелевые аккумуляторы, в которых водный раствор серной кислоты, смешанный с кремнеземом, имеет гелеобразную консистенцию и служит электролитом. Однако у этого решения есть недостаток — ограничение разряда большими токами, из-за чего они реже используются в высокомощных системах.
• Аккумуляторы AGM (Absorbed Glass Mat), в которых электролит впитан в сепаратор, выполненный из пористого стекловолокна.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы достигают КПД порядка 94%. Эти элементы одни из самых легких, поэтому используются в электронной технике. Со временем их начали применять и в электромобилях. Аккумуляторы для электромобилей более долговечны (срок службы достигает нескольких десятков лет, что в пересчёте на циклы заряд-разряд может составлять до 1800 циклов) по сравнению с их электронными аналогами, а также оснащены системами охлаждения и подогрева. Эти элементы могут быстро заряжаться с 0 до 80% за 15–30 минут без существенного влияния на срок службы. Благодаря достижениям в области электромобильности литий-ионные аккумуляторы рассматриваются как стационарные накопители энергии для установок возобновляемых источников энергии, которые характеризуются нерегулярной и нестабильной работой.

Никель-металлогидридные (NiMH) аккумуляторы достигают КПД до 92% при сроке службы до 2000 циклов заряд-разряд. Главным преимуществом этих элементов является отсутствие токсичного кадмия. Они характеризуются высокой плотностью энергии, ёмкостью и сниженным эффектом памяти. Недостатком является неспособность отдавать большие токи. NiMH аккумуляторы подвержены саморазряду, однако производители активно развивают технологию, уменьшая значение саморазряда.

Компенсация реактивной мощности с использованием энергобанков

Системы бесперебойного питания (UPS) используются для питания важных потребителей при пропадании напряжения в сети или для защиты чувствительных элементов от помех в сети.

В системах UPS устанавливаются конденсаторы, из-за чего из сети потребляется не только активная, но и ёмкостная реактивная мощность. Кроме того, в новых конструктивных решениях применяются схемы коррекции коэффициента мощности (PFC), которые снижают содержание высших гармоник и, соответственно, уменьшают потребление реактивной мощности. Это приводит к увеличению коэффициента мощности cosφ при полной нагрузке. Другим решением является применение фазосдвигающего устройства на входном контуре, что позволяет свести ёмкостную входную мощность к нулю.

Как устроена система накопления электроэнергии?

В системе накопления энергии можно выделить следующие составные элементы:

• двунаправленный преобразователь — преобразователь DC/AC и AC/DC,
• аккумуляторный блок — батарея химических аккумуляторов,
• контроллер управления батареей BMS,
• программируемый контроллер — предназначен для управления алгоритмами,
• система мониторинга и визуализации работы GUI (Graphic User Interface) — инструмент, позволяющий пользователю контролировать и управлять системой накопления,
• вспомогательные элементы для подключения к сети — измерение параметров установки или, например, разделительный трансформатор.

Элемент, заслуживающий детального рассмотрения, — двунаправленный преобразователь. Это преобразователь DC/AC и AC/DC, задача которого — контролировать процесс зарядки и разрядки аккумуляторов, а также обмен энергией между энергосетью и накопителем. Преобразователь должен обеспечивать необходимые параметры напряжения и при перегрузке — соответствующий пиковый ток. Система должна иметь возможность синхронной работы с сетью и при отключении питания обеспечивать работу от накопителя. Кроме того, преобразователь должен «заботиться» об аккумуляторе — заряжать его согласно соответствующим характеристикам, чтобы избежать перезаряда, предотвращать перегрев аккумулятора и защищать от теплового разгона. Преобразователь должен иметь возможность связи с системой мониторинга батареи (BMS) и обеспечивать гальваническую развязку системы, например, оснащаясь выходным трансформатором.

Фотовольтаика — накопители энергии, повышающие её экономическую эффективность

Решением, позволяющим повысить экономическую эффективность PV-установок, являются накопители энергии. Фотовольтаика с такими устройствами, вместо того чтобы отдавать излишки энергии в сеть, аккумулирует её в батареях, таких как никель-металлогидридные (Ni-MH) или всё чаще используемые литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Благодаря этому энергию можно использовать в любое время, избегая неудобных правил расчётов для производителей электроэнергии. Накопитель энергии для фотовольтаики позволяет зданию, оснащённому таким сочетанием, стать независимым от электросети. Использование электричества в таком случае действительно становится бесплатным.

Какие требования предъявляет фотовольтаика? — накопитель энергии для PV-систем

Аккумуляторы, подобранные для PV-систем, должны соответствовать специфическим требованиям, характерным для таких систем, как фотовольтаика. Накопитель энергии из предложения DACPOL должен быть в первую очередь подобран по ёмкости. Она должна соответствовать общей мощности установки. Считается, что на 1 Вт пиковой мощности (kWp) установки должно приходиться 1–1,5 кВт·ч ёмкости.

Вторым важным параметром является мощность, которая определяет, сколько устройств одновременно сможет питать накопитель энергии. Фотовольтаика подбирается с учётом энергопотребления здания. Аналогично следует подбирать и аккумуляторы, чтобы они могли использоваться не только для накопления энергии с установок ВИЭ, но и в качестве резервного питания.

Не менее важным фактором является эффективность и производительность аккумуляторов. В домашних накопителях энергии, доступных в DACPOL, устанавливаются:

- литий-ионные аккумуляторы, отличающиеся наивысшим КПД,

- никель-металлогидридные аккумуляторы с немного меньшим КПД.

Накопители энергии с такими батареями обеспечивают эффективную и надёжную работу фотовольтаических систем и устройств, питаемых ими.

Накопитель энергии для фотовольтаики и свинцово-кислотные аккумуляторы

Накопители энергии со свинцово-кислотными аккумуляторами не рекомендуется использовать в сочетании с фотовольтаикой. Они характеризуются низким сроком службы из-за небольшой устойчивости к частым циклам заряд-разряд. Кроме того, быстро теряют ёмкость при высоких температурах и имеют сравнительно большие размеры, из-за чего накопители энергии большой мощности занимают много места.