Jak dobrać pojemność magazynu energii – w autonomicznych systemach zasilania energią słoneczną można stosować różne rodzaje baterii. Ich wybór zależy od kosztu rozwiązania, dostępności i funkcjonalności kontrolera ładowania, warunków pracy, przeznaczenia i innych czynników.
Rodzaje baterii do magazynów energii
Wszystkie akumulatory na rynku można podzielić na 3 typy:
- Kwasowo ołowiowe.
- Alkaliczne.
- Litowo-jonowe.
Akumulatory kwasowo-ołowiowe
Z założenia dzielą się na serwisowane (napełniane) i bezobsługowe (uszczelniane). Te drugie zawierają elektrolit siarczanowy związany we włóknie szklanym (AGM) lub w postaci żelu. W porównaniu do zalanych mają wyższe parametry użytkowe i lepiej nadają się do zastosowania w energetyce słonecznej jako magazyny energii. Niezależnie od zastosowanej technologii, wszystkie akumulatory kwasowo-ołowiowe nie tolerują głębokiego rozładowania, ale można je stale ładować niskimi prądami.
Główne parametry techniczne baterii
Charakterystyki i wymagania dotyczące akumulatorów są określane na podstawie charakterystyki samej fotowoltaiki.
Baterie muszą:
- Być zaprojektowane dla dużej liczby cykli ładowania-rozładowania bez znaczącej utraty pojemności.
- Mają niskie samorozładowanie.
- Zachować wydajność w niskich i wysokich temperaturach.
Za kluczowe cechy uważa się:
- Pojemność baterii.
- Wskaźnik pełnego naładowania i dopuszczalnego rozładowania.
- Warunki i okres eksploatacji.
- Wskaźniki wagi.
Czym jest pojemność magazynu energii?
Taki parametr jak pojemność wyrażany jest w Ah (amperogodzinach) lub w kWh. O czym mówi pojemność magazynu energii? To, ile akumulator jest w stanie zmagazynować energii, pochodzącej z fotowoltaiki, którą potem oddaje do działającej instalacji. Dla przykładu akumulator o pojemności 100 Ah przy napięciu 12V to 100 x 12 = 1, 2 kWh. Czyli taki magazyn energii zgromadzi taką ilość prądu. Nie są ujęte różnego rodzaju straty, które wiążą się z konwersją energii elektrycznej na chemiczną i jej ponowne oddawanie do instalacji.
Magazyny energii mogą być bardziej i mniej odporne. Jeżeli instalacja fotowoltaiczna będzie większa niż nasz magazyn energii np. moc paneli słonecznych wynosi 7 kWp i pojemność magazynu energii do 5 kWh. Jest to dobra opcja, jeśli celem będzie wykorzystanie zgromadzonej energii na potrzeby własnego gospodarstwa domowego.
W sytuacji odwrotnej, gdy to magazyn energii będzie większy niż instalacja paneli fotowoltaicznych przy ich mocy 7 kWp i pojemności magazynu energii do 20 kWh, uzyskamy dłuższą wytrzymałość magazynu. Taki akumulator nie ulegnie całkowitemu wyczerpaniu, co jest nieodzowne w przypadku niedoboru energii elektrycznej w sieci. Jest to optymalne rozwiązanie, dla osób które chcą być niezależne energetycznie i korzystać z zasilania awaryjnego
Jak obliczyć i wybrać baterię?
Obliczenia opierają się na prostych wzorach i poprawkach na straty występujące w autonomicznym systemie zasilania. Minimalny zapas energii w akumulatorach musi zapewniać obciążenie w ciemności. Jeśli od zmierzchu do świtu łączne zużycie energii wynosi 3 kW/h, to magazyn energii musi mieć taką rezerwę.
Optymalna rezerwa energii powinna pokrywać dzienne potrzeby domu. Jeśli obciążenie wynosi 10 kW/h, to magazyn energii o takiej wydajności pozwoli bez problemu spędzić 1 pochmurny dzień, a przy słonecznej pogodzie nie zostanie rozładowany o więcej niż 20–25%, co jest optymalne dla akumulatorów kwasowych i nie prowadzi do ich degradacji.
Tutaj nie bierzemy pod uwagę mocy paneli słonecznych i przyjmujemy za fakt, że są one w stanie zapewnić takie ładowanie akumulatorów. Oznacza to, że budujemy obliczenia na potrzebach obiektu w zakresie energii. Jak już wskazano – zapas energii w 1 akumulatorze o pojemności 100 Ah i napięciu 12 V oblicza się ze wzoru: pojemność x napięcie, czyli 100 x 12 = 1200 watów lub 1,2 kWh. Dlatego hipotetyczny dom o nocnym zużyciu 3 kWh i dziennym zużyciu 10 kWh wymaga minimalnego magazynu energii z 3 akumulatorów. Trzeba wziąć pod uwagę tolerancje strat i cechy sprzętu.
Gdzie jest marnowana energia?
50% to dopuszczalny poziom rozładowania konwencjonalnych akumulatorów kwasowych, więc jeśli magazyn energii jest na nich zbudowany, to powinno być dwa razy więcej akumulatorów niż pokazuje proste obliczenie matematyczne. Baterie zoptymalizowane pod kątem głębokiego rozładowania można rozładować o 70-80%, czyli pojemność magazynu powinna być o 20-30% wyższa od obliczonej.
80% – średnia sprawność akumulatora kwasowego, który ze względu na swoje właściwości oddaje o 20% mniej energii niż magazynuje. Sprawność jest tym niższa, im wyższe są prądy ładowania i rozładowania. Na przykład, jeśli żelazko elektryczne o mocy 2 kW zostanie podłączone do akumulatora o pojemności 200Ah przez falownik, to prąd rozładowania wyniesie około 250A, a sprawność spadnie do 40%. Co znowu prowadzi do konieczności podwójnej rezerwy pojemności magazynu energii zbudowanego na bateriach kwasowych.
80-90% – średnia sprawność falownika, który zamienia napięcie stałe na przemienne 230 V dla sieci domowej. Uwzględniając straty energii, nawet w najlepszych akumulatorach łączne straty wyniosą około 40%, czyli nawet przy zastosowaniu akumulatorów AGM, margines pojemności powinien być o 40% wyższy od wyliczonego.
80% – sprawność kontrolera ładowania PWM, czyli panele fotowoltaiczne nie będą fizycznie w stanie przekazać do akumulatorów więcej niż 80% energii wytworzonej w idealny słoneczny dzień i przy maksymalnej mocy z tabliczki znamionowej. Dlatego lepiej zastosować droższe sterowniki MPPT, które zapewniają powrót paneli fotowoltaicznych do prawie 100% lub zwiększyć magazyn energii i odpowiednio powierzchnię paneli słonecznych o kolejne 20%. Wszystkie te czynniki muszą być uwzględnione w obliczeniach, w zależności od tego, jakie komponenty są używane w systemie wytwarzania energii słonecznej.
