Część 3 Magazynowanie energii Akumulatory Układy ładowania
Transkrypt
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