Część 3. Magazynowanie energii. Akumulatory i technologie alternatywne Układy ładowania

Transkrypt

1 Część 3 Magazynowanie energii Akumulatory i technologie alternatywne Układy ładowania

2 Technologie akumulatorów Najszersze zastosowanie w dużych systemach fotowoltaicznych znajdują akumulatory kwasowo-ołowiowe (lead-acid batteries) Akumulatory NiCd mogą być korzystne w systemach, w których nie jest wymagane magazynowanie dużej ilości energii Spotykane są również akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion) 2

3 Akumulatory kwasowo-ołowiowe 0 Pojedyncze ogniwo (cell) napięcie w stanie rozwarcia ~2,12 V Typowy akumulator dla systemu fotowoltaicznego: 6 2,12 V = 12,7 V parametry napięciowe często podawane na ogniwo (per cell) 3

4 Problemy eksploatacyjne Podczas rozładowania na obu elektrodach tworzy się siarczan ołowiu Podczas ładowania część jonów H+ łączy się bezpośrednio z elektronami nie należy dopuszczać do pełnego rozładowania powstają atomy wodoru w formie gazowej: 2H+ + 2e H2 konieczność odprowadzania gazu do otoczenia (wzrost ciśnienia wewnątrz) niebezpieczne z powodu łatwopalności nie tworzy się H2O z anody uwalnia się gazowy O2 (w mniejszej ilości) Kiedy katoda jest w pełni zamieniona w Pb, brak już tam PbSO4 aby utrzymać przepływ prądu jeżeli prąd jest nadal wymuszany, wszystkie elektrony łączą się z H+ (gazowanie gassing) problem narasta do niebezpiecznych rozmiarów 4

5 Bezobsługowe akumulatory kwasowo-ołowiowe Niektóre akumulatory PbCa produkują mniej H2 i O2 Technologie np. katoda PbCa, anoda PbCaSnAg brak parowania nie trzeba uzupełniać wody można je szczelnie zamknąć na cały czas eksploatacji szczelne (sealed lead-acid, SLA) / bezobsługowe (maintenance-free) wchłaniających mat szklanych (absorbent glass mat, AGM) / akumulatory suche (dry) / z niedoborem elektrolitu (starved electrolyte) maty ze szkła borowo-krzemowego stanowią separator między elektrodami i wiążą w sobie płynny elektrolit na zasadzie kapilarnej akumulatory żelowe (gel battery) / suche wypełnione (dryfit) elektrolit ma formę żelu wskutek dodania krzemionki katalizator (mata, krzemionka, ewentualnie dodatki) wspomaga ponowne łączenie H2 i O2 w H2O radykalne ograniczenie parowania związany elektrolit ograniczona możliwość wycieku Droższe od akumulatorów otwartych 5

6 Budowa akumulatora bezobsługowego na przykładzie AGM Produkowany gaz (H2, O2) ulatnia się przez jednokierunkowy zawór akumulatory regulowane zaworem (Valve-Regulated Lead-Acid, VRLA) W czasie normalnej pracy gazu (H2) jest niewiele zawór pozostaje zamknięty nie dopuszcza tlenu z powietrza, co zapobiega utlenianiu Pb Akumulator PbSnCa AGM 6

7 Praca akumulatora bezobsługowego Po pełnym naładowaniu na anodzie tworzy się tlen, który poprzez pory w macie lub szczeliny w żelu łatwo dostaje się do elektrody ( ) prąd ładowania 7

8 Sprawność akumulatora kwasowo-ołowiowego Rozładowanie nie jest w pełni odwracalne, a sprawność zależy od: Straty energii podczas ładowania wypadkowa rezystancja obwodu (zjawiska elektryczne i chemiczne) wydzielanie energii cieplnej do otoczenia (straty omowe) ulatnianie się wodoru mniej energii da się zgromadzić w wiązaniach chemicznych typowo 5% Straty omowe występują również podczas rozładowania temperatury stopnia rozładowania typowo 5% Sprawność wypadkowa ok. 90% Wzrost temperatury zwiększa zdolność magazynowania im większy prąd, tym wyższa temperatura jednak skraca czas życia 8

9 Pojemność (capacity) Jest to ładunek, jaki można zgromadzić / odebrać z akumulatora Prąd ładowania / rozładowania wyraża się w jednostkach względnych CA prąd 1 CA ma taką wartość w A, ile nominalna pojemność akumulatora w Ah prąd CA rozładowuje akumulator idealny w 1 h, CA/4 w 4 h itd. W rzeczywistości im większy prąd ładowania, tym więcej energii musi być dostarczone dla naładowania określonym ładunkiem zwykle mierzony w amperogodzinach, 1 Ah = 3600 C Q = Wbat/Ubat Wch = Pch t = IUbattt It zakładając Ubat const Wloss = Ploss t = I2Rt I2t Wbat = Wch Wloss Char ge del i ver ed t o t he l oad, Ah Analogicznie im większy prąd rozładowania, tym mniejsza energia zostanie odzyskana do odbiornika z określonego ładunku akumulatora 9

10 Zastosowania akumulatorów bezobsługowych Podstawowe źródło zasilania (main power source) telekomunikacja przekaźniki pojazdy, roboty, elektronarzędzia rozruch silników sprzęt foto-wideo-audio, zabawki oświetlenie podstawowe fotowoltaika Zasilanie podtrzymujące lub awaryjne (stand-by / back-up) telekomunikacja stacje bazowe, telewizja kablowa zasilacze bezprzerwowe (UPS) alarmy, sygnalizacja, oświetlenie awaryjne, gaśnice, kontrola położenia zatrzymania (windy) 10

11 Praca cykliczna (cycle charge) Akumulator naprzemiennie: zasila odbiornik jako jedyne źródło ładowany po odłączeniu od odbiornika Czas życia określany liczbą cykli ładowania-rozładowania Parametry eksploatacji wpływające na czas życia: głębokość rozładowania prąd rozładowania metoda (przebieg) ładowania temperatura przerwa między rozładowaniem i ładowaniem (im mniejsza tym lepiej) Czas życia czas, po jakim następuje określona utrata pojemności (zwykle 50%) 11

12 Praca buforowa (trickle charge, float charge) Stale połączone: źródło, akumulator, odbiornik akumulator jest stale podładowywany (kompensacja upływu) stanowi awaryjne źródło zasilania w razie niedostępności źródła Czas życia określany liczbą lat Parametry eksploatacji wpływające na czas życia: napięcie ładowania prąd rozładowania temperatura 12

13 Wpływ parametrów rozładowania na pojemność i czas życia Aktualnie zgromadzony ładunek określa się w % pojemności nominalnej Pojemność nominalna dla temperatury i prądu nominalnego zwykle 20 C i CA/20 I20 (nie CA!) Płytkie rozładowanie DOD do 25% SOC = State of Charge stan ładunku DOD = Depth of Discharge głębokość rozładowania elektrody Pb wzmacniane Ca duży stosunek S/V elektrod większy prąd mniej Pb tańsze Głębokie rozładowanie DOD do 80% elektrody Pb+Sb (antymon) większa grubość, mniejszy stosunek S/V mniejsza obciążalność 13

14 Wpływ czasu składowania Nieodwracalna utrata pojemności powyżej 6 12 mies. (silny wpływ temperatury) Pozostała (resztkowa) pojemność (residual capacity) może być oszacowana przez pomiar napięcia w stanie rozwarcia odłączenie od źródła i odbiornika zalecane na 24 h wcześniej Akumulator musi być odświeżany (wartości dla akumulatorów AGM Panasonic) 14

15 Akumulatory żelowe firmy Sonnenschein 1910 firmę zakłada w Berlinie dr Theodor Sonnenschein, student Maxa Plancka 1957 wynalezienie ogniwa żelowego (Otto Jache) 1978 produkcja komercyjnych ogniw 2 V 15

16 Cechy ogniw żelowych w porównaniu z AGM Większa rezystancja wewnętrzna Kontakt elektrolitu z całą powierzchnią obudowy Niższe napięcie rozwarcia i pracy Niższe napięcie ładowania i większa wrażliwość na za duże w żelu powstają dziury, które zmniejszają pojemność lepsze odprowadzanie ciepła mniejszy wzrost temperatury Wolniejsze samorozładowanie mniejsza obciążalność mniejsza sprawność z powodu strat energii rzadziej wymagane odświeżanie Dłuższy czas życia nawet przy głębokim rozładowaniu 16

17 Zwarcia wewnętrzne Reakcje chemiczne podczas rozładowania stężenie elektrolitu (H2SO4) spada wskutek tworzenia PbSO4 + H2O w niższym stężeniu H2SO4 rozpuszczalność Pb i PbSO4 jest większa Powstają wewnętrzne częściowe zwarcia intensywniejsze samorozładowanie niższe napięcie Ogniwa AGM więcej jonów Pb w elektrolicie podczas ponownego ładowania jony rekonwertują do czystego Pb, jednak częściowo tworząc dendryty tworzywo maty szklanej wspomaga wzrost dendrytów Ogniwa żelowe występuje nadmiar elektrolitu z tego powodu stężenie elektrolitu osiąga zawsze wyższe wartości niż w ogniwach AGM mikropory w separatorze przeciwdziałają tworzeniu dendrytów mniejsza tendencja do tworzenia zwarć oraz samorozładowania 17

18 Odporność na głębokie rozładowanie Test zgodnie z normą DIN akumulator obciąża się opornikiem dającym przy pełnym naładowaniu prąd rozładowania 2 I20 i pozostawia na 30 dni odłącza się opornik i ładuje się akumulator przez 48 h akumulator musi odzyskać co najmniej 75% pierwotnej pojemności Żelowe znoszą głębokie rozładowanie lepiej niż AGM dzięki nadwyżce elektrolitu zżelowany elektrolit wypełnia całą objętość akumulatora w przypadku mat szklanych są one nasycone w ok. 95% (niedobór) dodatkowo stężenie po ponownym ładowaniu jest wyższe obecności separatora z mikroporami ograniczenie zwarć Jednak AGM lepiej znoszą długie składowanie w stanie rozładowanym żelowe mogą trwale utracić pojemność 18

19 Stratyfikacja elektrolitu Nierównomierny rozkład pionowy stężenia kwasu podczas ładowania przy elektrodach tworzy się skoncentrowany H2SO4 większa gęstość niż kwasu rozpuszczonego grawitacja powoduje, że stężony kwas gromadzi się przy dnie efekt szczególnie wyraźny przy pracy cyklicznej Akumulatory otwarte brak możliwości utrzymania kwasu w górnych partiach na koniec ładowania doprowadza się do tworzenia bąbelków H2 celem wymieszania elektrolitu Kwas powinien być absorbowany do elektrolitu zanim opadnie większa skuteczność żelu niż mat szklanych w całej objętości stężenie wyższe niż początkowe 19

20 Rezystancja wewnętrzna Parametr syntetyczny rezystancje połączeń i elektrod zmienna wydajność reakcji chemicznych powodująca zmianę napięcia w funkcji prądu Zależy od temperatury i bieżącego stopnia rozładowania Akumulatory AGM Panasonic Akumulatory żelowe Sonnenschein wartości względne odniesione do θ = 20 C, DOD = 0% / SOC = 100% 20

21 Praca akumulatorów bezobsługowych w niskich temperaturach Pojemność spada wraz z temperaturą W temperaturach ujemnych elektrolit zamarza Odporność na zamarzanie dodatkowe ograniczenie: pojemności w danej temperaturze prądu rozładowania od dołu Pojemność w % nominalnej (w warunkach 20 C, I20) żel zwiększa objętość możliwe pęknięcie obudowy w akumulatorach AGM elektrolit jest związany w matach odporne mechanicznie i elektrycznie po rozmrożeniu pracują poprawnie nie należy ładować zamarzniętego lub częściowo zamarzniętego akumulatora lokalnie większa gęstość prądu możliwe uszkodzenie szczególnie metodą stałoprądową 21

22 Wpływ głębokości rozładowania na punkt zamarzania DOD Tfr (czyli łatwiej zamarza) gęstość względna = 1,28 1,30 dla pełnego naładowania podczas rozładowania spada wskutek zmniejszania stężenia elektrolitu Zapobieganie zamarzaniu jeżeli przewidywana jest praca w ujemnych temperaturach Temperatura zamarzania H2SO4 w funkcji względnej gęstości elektrolitu (względem wody) SOC na koniec cyklu musi być odpowiednio wysoki przewymiarowanie akumulatora zawyżenie napięcia zakończenia rozładowania Temperatura zamarzania H2SO4 w funkcji głębokości rozładowania 22

23 Zasady rozładowywania i ładowania dla pracy cyklicznej Prąd rozładowania powinien wynosić od CA/20 (I20) do (2 4) CA Napięcie rozładowania zależy silnie od prądu rozładowania napięcie mierzone na zaciskach zależy nie tylko od stanu ładunku, ale i prądu Prąd ładowania powinien wynosić od CA/(10 20) do CA/(2,5 3) Napięcie ładowania musi być ograniczone do wartości ok. 2,3 2,5 V/ogniwo (zależnie od technologii i temperatury) 23