Część 3. Magazynowanie energii. Akumulatory Układy ładowania

Transkrypt

1 Część 3 Magazynowanie energii Akumulatory 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) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 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) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 3

4 Problemy eksploatacyjne Podczas rozładowania na obu elektrodach tworzy się siarczan ołowiu nie należy dopuszczać do pełnego rozładowania Podczas ładowania część jonów H + łączy się bezpośrednio z elektronami powstają atomy wodoru w formie gazowej: 2H + + 2e H 2 konieczność odprowadzania gazu do otoczenia (wzrost ciśnienia wewnątrz) niebezpieczne z powodu łatwopalności nie tworzy się H 2 O z anody uwalnia się gazowy O 2 (w mniejszej ilości) Kiedy katoda jest w pełni zamieniona w Pb, brak już tam PbSO 4 aby utrzymać przepływ prądu jeżeli prąd jest nadal wymuszany, wszystkie elektrony łączą się z H + (gazowanie gassing) problem narasta do niebezpiecznych rozmiarów Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 4

5 Bezobsługowe akumulatory kwasowo-ołowiowe Niektóre akumulatory PbCa produkują mniej H 2 i O 2 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) Technologie 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 H 2 i O 2 w H 2 O radykalne ograniczenie parowania związany elektrolit ograniczona możliwość wycieku Droższe od akumulatorów otwartych Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 5

6 Budowa akumulatora bezobsługowego na przykładzie AGM Produkowany gaz (H 2, O 2 ) ulatnia się przez jednokierunkowy zawór akumulatory regulowane zaworem (Valve-Regulated Lead-Acid, VRLA) W czasie normalnej pracy gazu (H 2 ) jest niewiele zawór pozostaje zamknięty nie dopuszcza tlenu z powietrza, co zapobiega utlenianiu Pb Akumulator PbSnCa AGM Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 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 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 7

8 Sprawność akumulatora kwasowo-ołowiowego Rozładowanie nie jest w pełni odwracalne, a sprawność zależy od: temperatury stopnia rozładowania 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 typowo 5% Sprawność wypadkowa ok. 90% Wzrost temperatury zwiększa zdolność magazynowania im większy prąd, tym wyższa temperatura jednak skraca czas życia Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 8

9 Pojemność (capacity) Jest to ładunek, jaki można zgromadzić / odebrać z akumulatora zwykle mierzony w amperogodzinach, 1 Ah = 3600 C 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 Q = W bat /U bat W ch = P ch t = IU bat t It zakładając U bat const W loss = P loss t = I 2 Rt I 2 t W bat = W ch W loss Charge delivered to the load, Ah Analogicznie im większy prąd rozładowania, tym mniejsza energia zostanie odzyskana do odbiornika z określonego ładunku akumulatora Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15 9