Зберігання енергії

Електрохімічні батареї, або акумулятори, дозволяють зберігати енергію в легкодоступній формі. Перевагами акумуляторів є висока величина параметра густини енергії. Густина енергії — це питома кількість накопиченої електричної енергії, яка може бути представлена об’ємно або за масою. Недоліками використання акумуляторів є їхнє саморозрядження, знос акумулятора, що проявляється зміною параметрів — так зване старіння батареї, тривалий час заряджання, вплив температури на акумулятор, а в деяких технічних рішеннях — короткий термін служби.

У рішеннях, що застосовуються в системах зберігання енергії, використовують два типи акумуляторів: свинцево-кислотні та літій-іонні.

Види накопичувачів енергії

Свинцево-кислотні акумулятори досягають ККД близько 70%. Їх відрізняє низька ціна, проста схема заряджання та можливість короткочасного навантаження великими струмами. Це призводить до того, що їх використовують у системах безперебійного живлення (UPS). Значним мінусом є короткий термін служби (приблизно 1000 циклів заряд-розряд) і їхня конструкція. У свинцево-кислотних акумуляторах електроліт знаходиться у рідкому стані, що може спричиняти витікання і потребує доливання електроліту. Для усунення цієї проблеми свинцево-кислотні акумулятори виготовляють як необслуговувані:

• SLA – Sealed Lead Acid – герметичні свинцево-кислотні акумулятори
• VRLA – Valve Regulated Lead – Acid – свинцево-кислотні акумулятори з регулюючими клапанами

Їх виробляють за двома технологіями:

• Гелеві акумулятори, у яких водний розчин сірчаної кислоти, змішаний із кремнеземом, має консистенцію гелю і виконує роль електроліту. Однак у цього рішення є недолік — обмеження розрядки великими струмами, через що вони рідше використовуються у високопотужних системах.
• Акумулятори AGM (Absorbed Glass Mat), у яких електроліт абсорбований у сепараторі з пористої скляної маси.

Літій-іонні (Li-ion) акумулятори досягають ККД близько 94%. Ці елементи одні з найлегших, тому їх використовують в електроніці. Згодом їх почали застосовувати і в електромобілях. Акумулятори для електромобілів більш довговічні (термін служби сягає кількох десятків років, що у перерахунку на цикли заряд-розряд може сягати до 1800 циклів) порівняно з їхніми електронними аналогами, а також оснащені системами охолодження та нагрівання. Ці елементи можуть швидко заряджатися від 0 до 80% за 15–30 хвилин без значного впливу на термін служби. Завдяки досягненням у сфері електромобільності літій-іонні акумулятори розглядають як стаціонарні накопичувачі енергії для установок відновлюваних джерел енергії, які характеризуються нерегулярною та нестабільною роботою.

Нікель-металогідридні (NiMH) акумулятори досягають ККД до 92% при терміні служби до 2000 циклів заряд-розряд. Головною перевагою цих елементів є відсутність токсичного кадмію. Вони характеризуються високою густиною енергії, ємністю та зменшеним ефектом пам’яті. Недоліком є відсутність можливості віддавати великі струми. NiMH акумулятори піддаються саморозряду, проте виробники активно розвивають технологію, зменшуючи значення саморозряду.

Компенсація реактивної потужності за допомогою енергобанків

Системи безперебійного живлення (UPS) використовують для живлення важливих споживачів у разі зникнення напруги в мережі або для захисту чутливих елементів від перешкод у мережі.

В системах UPS встановлюють конденсатори, через що з мережі споживається не лише активна, а й ємнісна реактивна потужність. Крім того, у нових конструктивних рішеннях використовують схеми корекції коефіцієнта потужності (PFC), які знижують вміст вищих гармонік і, відповідно, зменшують споживання реактивної потужності. Це призводить до підвищення коефіцієнта потужності cosφ при повному навантаженні. Іншим рішенням є застосування фазосдвигового пристрою на вхідному контурі, що дозволяє звести ємнісну вхідну потужність до нуля.

Як влаштована система накопичення електричної енергії?

У системі накопичення енергії можна виділити такі складові елементи:

• двонаправлений перетворювач — перетворювач DC/AC та AC/DC,
• акумуляторний блок — батарея хімічних акумуляторів,
• контролер управління батареєю BMS,
• програмований контролер — призначений для керування алгоритмами,
• система моніторингу та візуалізації роботи GUI (Graphic User Interface) — інструмент, що дозволяє користувачеві контролювати та керувати системою накопичення,
• допоміжні елементи для підключення до мережі — вимірювання параметрів установки або, наприклад, роздільний трансформатор.

Елемент, що заслуговує детального розгляду, — двонаправлений перетворювач. Це перетворювач DC/AC та AC/DC, завдання якого — контролювати процес заряджання та розряджання акумуляторів, а також обмін енергією між енергосистемою та накопичувачем. Перетворювач повинен забезпечувати необхідні параметри напруги та при перевантаженні — відповідний піковий струм. Система має мати можливість синхронної роботи з мережею і при відключенні живлення забезпечувати роботу від накопичувача. Крім того, перетворювач повинен «дбати» про акумулятор — заряджати його згідно з відповідними характеристиками, щоб уникнути перезаряду, запобігати перегріванню акумулятора та захищати від теплового розгону. Перетворювач має мати можливість зв’язку з системою моніторингу батареї (BMS) та забезпечувати гальванічну розв’язку системи, наприклад, оснащуючись вихідним трансформатором.

Фотовольтаїка — накопичувачі енергії, що підвищують її рентабельність

Рішенням, що дозволяє підвищити рентабельність PV-установок, є накопичувачі енергії. Фотовольтаїка з такими пристроями, замість того, щоб віддавати надлишок енергії в мережу, акумулює її в батареях, таких як нікель-металогідридні (Ni-MH) або все частіше використовувані літій-іонні (Li-ion) акумулятори. Завдяки цьому енергію можна використовувати у будь-який час, уникаючи незручних правил розрахунків для виробників електроенергії. Накопичувач енергії для фотовольтаїки дозволяє будівлі, оснащеній таким поєднанням, стати незалежною від електромережі. Використання електроенергії в такому випадку справді стає безкоштовним.

Які вимоги ставить фотовольтаїка? — накопичувач енергії для PV-систем

Акумулятори, підібрані для PV-систем, повинні відповідати специфічним вимогам, характерним для таких систем, як фотовольтаїка. Накопичувач енергії з пропозиції DACPOL має бути в першу чергу підібраний за ємністю. Вона має відповідати загальній потужності установки. Вважається, що на 1 Вт пік потужності (kWp) установки має припадати 1–1,5 кВт·год ємності.

Другим важливим параметром є потужність, яка визначає, скільки пристроїв одночасно зможе живити накопичувач енергії. Фотовольтаїка підбирається з урахуванням енергоспоживання будівлі. Аналогічно слід підбирати й акумулятори, щоб вони могли використовуватися не лише для накопичення енергії з ВДЕ, а й як резервне живлення.

Не менш важливим фактором є ефективність і продуктивність акумуляторів. У домашніх накопичувачах енергії, доступних у DACPOL, встановлюють:

- літій-іонні акумулятори, що відрізняються найвищим ККД,

- нікель-металогідридні акумулятори з трохи меншим ККД.

Накопичувачі енергії з такими батареями забезпечують ефективну і надійну роботу фотовольтаїчних систем та пристроїв, що живляться ними.

Накопичувач енергії для фотовольтаїки та свинцево-кислотні акумулятори

Накопичувачі енергії зі свинцево-кислотними акумуляторами не рекомендується використовувати разом з фотовольтаїкою. Вони характеризуються низьким терміном служби через малу стійкість до частих циклів заряд-розряд. Крім того, швидко втрачають ємність при високих температурах і мають порівняно великі розміри, через що накопичувачі енергії великої потужності займають багато місця.