Część 3 Magazynowanie energii Akumulatory Układy ładowania

Część 3
Magazynowanie energii
Akumulatory
Układy ładowania
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
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
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
Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15
4
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
Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15
5
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
Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15
6
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
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
Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, zima 2014/15
8
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 = IUbatt ∝ It
zakładając Ubat ≈ const

Wloss = Ploss∙t = I2Rt ∝ I2t

Wbat = Wch − Wloss
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