Akumulatory stosowane w systemach solarnych: AGM, Żelowe, LifePO4

Jeśli zaczynasz przygodę z magazynowaniem energii odnawialnej i szukasz wiedzy na temat akumulatorów, to trafiłeś we właściwe miejsce. 

Każdy akumulator składa się z trzech głównych części: elektrod (dodatniej i ujemnej), elektrolitu i separatora. W akumulatorze zawsze znajdują się co najmniej dwie elektrody, jeden biegun dodatni i jeden biegun ujemny. Biegun dodatni nazywany jest katodą, a biegun ujemny nazywany jest anodą. Elektrolit to ciecz, w której umieszczone są wspomniane elektrody. Elektrolit umożliwia przepływ ładunku pomiędzy katodą a anodą. Separator natomiast zapobiega bezpośredniemu połączeniu anody i katody. Oznacza to, że elektrony muszą przejść przez przewód, aby zaszła reakcja elektrochemiczna.

Zrozumienie różnych standardów i terminów używanych do opisywania akumulatorów będzie miało kluczowe znaczenie w obsłudze akumulatora. Poniższa tabela zawiera te najczęściej spotkane:

Ogólna obsługa i konserwacja: jak najlepiej wykorzystać baterie słoneczne

Celem obsługi i konserwacji baterii jest poprawa jej wydajności i żywotności. Żywotność baterii jest bardzo zmienną właściwością, która zależy od różnych czynników, takich jak temperatura przechowywania i głębokość rozładowania (DOD).

Około 80% awarii akumulatorów jest spowodowanych zasiarczeniem - procesem, w którym kryształy siarki osadzają się na ołowianych płytach akumulatora i zapobiegają zachodzeniu reakcji chemicznych. Zasiarczenie występuje wówczas, gdy poziom naładowania akumulatora czy też poziom elektrolitu w akumulatorze jest niski. Z powodu zagrożeń, jakie niesie ze sobą zasiarczenie bardzo ważne jest monitorowanie, konserwacja i kontrolowanie tych dwóch czynników w akumulatorach z ciekłym elektrolitem. Aby to zrobić, będziesz potrzebować wody destylowanej, woltomierza cyfrowego, areometru z kompensacją temperatury i odpowiedniego sprzętu ochronnego.Pamiętaj, że nie możesz i nie musisz sprawdzać poziomu płynu i ciężaru właściwego w akumulatorach AGM i żelowych. Tak więc pierwsze dwa kroki dotyczą tylko zalanych akumulatorów.

Pamiętaj, że nie możesz i nie musisz sprawdzać poziomu płynu i ciężaru właściwego w akumulatorach AGM i żelowych. Tak więc pierwsze dwa kroki dotyczą tylko akumulatorów zalanych.

Jak sprawdzić poziom naładowania

Określ stan naładowania lub głębokość rozładowania (DOD), sprawdzając gęstość właściwą i napięcie akumulatora. Poniższa tabela gęstości właściwej pomoże Ci określić stan naładowania akumulatora. Jeśli Twoje akumulatory są 6 V zamiast 12 V, po prostu podziel napięcie przez dwa. Podobnie podwój wartości napięcia dla systemu 24 V..

Jeśli nie będziesz odpowiednio monitorować tych dwóch czynników, bateria może ulec znacznemu zasiarczeniu. Gdyby tak się stało, możesz przeładować akumulator, aby zminimalizować straty wydajności. Jednakże to nie naprawi uszkodzenia całkowicie.

Jak ładować akumulatory

Wszyscy właściciele urządzeń wykorzystujących energię słoneczną poza siecią powinni mieć ogólne pojęcie o cyklu ładowania baterii. Istnieją trzy fazy ładowania: "float", "bulk" i absorpcja. Wystarczy znać podstawowe informacje o tych fazach:
Ładowanie "float", zwane także ładowaniem podtrzymującym, polega na ładowaniu akumulatora z taką samą szybkością, z jaką się rozładowuje. To sprawia, że akumulatory pozostają w pełni naładowane.
Ładowanie "bulk" ma miejsce, gdy zaczynasz ładować rozładowany akumulator. Napięcie wzrasta do maksymalnego dopuszczalnego poziomu.
Ładowanie absorpcyjne następuje po fazie „bulk”. Napięcie jest utrzymywane na stałym maksymalnym poziomie, a następnie prąd zaczyna spadać do momentu kiedy akumulator zostanie w pełni naładowany.

Jeśli zainstalujesz regulowany kontroler ładowania, będziesz musiał ustawić napięcia ładowania „bulk”, „float” i absorpcyjnego. Upewnij się, że są one takie same, jak te zalecane przez producenta baterii. W przypadku systemów energii słonecznej czas ładowania z paneli solarnych może być zbyt krótki, aby przejść przez całkowitą fazę "bulk" i absorpcji. W takim przypadku można ustawić takie samo napięcie dla obu faz. Aby uzyskać szczegółowe informacje na temat napięć ładowania, skontaktuj się z producentem lub zapoznaj się z arkuszem danych akumulatora. 

Czym jest łączenie szeregowe akumulatorów?

„Obwód szeregowy” będzie równomiernie rozdzielał napięcie podawane z zasilacza, jednakże prąd pozostanie taki sam w całym obwodzie. Gdy akumulator jest połączony szeregowo, napięcie akumulatora wzrasta, a prąd akumulatora nie zmienia się.

Na przykład: 4 akumulatory 12V 100Ah w połączeniu szeregowym:

Całkowita pojemność wynosi 100Ah (12V + 12V + 12V + 12V = 48V). Łącząc akumulatory szeregowo, zachowujesz taką samą całkowitą pojemność.

Czym jest łączenie równoległe akumulatorów?

„Obwód równoległy” w tym samym scenariuszu rozdzieli prąd równomiernie na wszystkie gałęzie, jednak napięcie w całym obwodzie i we wszystkich gałęziach będzie takie samo jak zasilania.
Gdy akumulator jest połączony równolegle, napięcie akumulatora nie zmienia się, ale zwiększa się pojemność akumulatora.
Na przykład: 4 akumulatory 12V 100Ah w połączeniu równoległym:
Całkowita pojemność wynosi 400Ah (100Ah + 100Ah + 100Ah + 100Ah = 400Ah).
Łącząc równolegle akumulatory, utrzymujesz całkowite napięcie na tym samym poziomie.

Połączenie szeregowe	Połączenie równoległe

Co oznacza nadmierne rozładowanie akumulatora?

Nadmierne rozładowanie może powodować trudności w ponownym naładowaniu ogniwa poprzez zwiększenie rezystancji wewnętrznej akumulatora. Nadmierne rozładowanie może również spowodować wytrącanie się ołowiu w separatorze i spowodować zwarcie w ogniwie lub między ogniwami.
Na zdjęciu poniżej widać, że akumulator jest już zepsuty i nie ma możliwości rozładowania, więc otwieramy go i stwierdzamy, że zaciski akumulatora są utlenione i przylegają do nich białe kryształy. Można ocenić, że po długim okresie użytkowania, akumulator nie ma zasilania podtrzymującego i uzupełniającego, to sprawia, że, akumulator posiada niskie napięcie przez dłuższy czas.

Najczęściej stosowane są poniższe typy akumulatorów kwasowo-ołowiowych:

Akumulatory FLA (zalane)

Najważniejszą różnicą między FLA a VRLA jest to, że zalane akumulatory muszą być ponownie napełniane. Przejdźmy do szczegółowych wskazówek dotyczących postępowania z zalanymi akumulatorami kwasowo-ołowiowymi.

Ładowanie akumulatorów FLA — akumulatory zalane mają największą tolerancję napięcia ładowania spośród akumulatorów omawianych w tym artykule. Aby prawidłowo ładować akumulatory FLA należy zakupić odpowiedni kontroler ładowania i użyć stosownego programu ładowania.

Uzupełnianie akumulatorów FLA - Nie dotykaj elektrolitu ani nie używaj wody morskiej do uzupełniania akumulatorów. Używaj tylko wody destylowanej. Po dodaniu wody morskiej do ogniwa, zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje gazowy chlor. Ten gaz jest bardzo niebezpieczny i był używany podczas I wojny światowej jako broń chemiczna. Jeśli chodzi o elektrolit, akumulatory ołowiowo-kwasowe zawierają stężony elektrolit kwasowy, który spowoduje oparzenia w przypadku kontaktu ze skórą.

Orientacja akumulatorów FLA — Zalanych akumulatorów kwasowo-ołowiowych nie wolno nigdy przechowywać w pozycji bocznej. W przeciwieństwie do akumulatorów VRLA są one przeznaczone wyłącznie do użytku w pozycji pionowej.

Odpowietrzanie akumulatorów FLA — akumulatory te należy przechowywać w bardzo dobrze wentylowanych pomieszczeniach. Jeśli masz jakiekolwiek obawy dotyczące wentylacji wokół akumulatora, korzystanie z zalanych ogniw nie jest dobrym pomysłem.

Akumulatory AGM

Akumulator VRLA AGM to akumulator kwasowo-ołowiowy regulowany zaworami (VRLA), wykonany w technologii Absorbent Glass Mat (AGM). Jest to jeden z rodzajów akumulatorów kwasowo-ołowiowych służących do magazynowania energii.
Właściwości techniczne technologii akumulatorów AGM:

- Uszczelnione specjalnym związkiem epoksydowym i przy użyciu zaworów odpowietrzających sterowanych ciśnieniem.

- Kwas z elektrolitu jest absorbowany przez specjalne separatory z maty szklanej, aby zapobiec przeciekom lub odparowaniu.

- Brak rozlewania- możliwość pracy w dowolnej pozycji. Jednak instalacja akumulatora do góry nogami nie jest zalecana.

- Wykorzystanie reakcji rekombinacji, aby zapobiec utracie wodoru i tlenu i przekształcić te dwa gazy w wodę, która pozwala utrzymać zawartość wody i kwasu na tym samym poziomie.

- Bezobsługowy. Nie ma potrzeby dolewania wody, jak w przypadku zalanego akumulatora.

Akumulator VRLA AGM wykorzystuje technologię rekombinacji. Tlen wytwarzany przez dodatnie płyty akumulatora jest pochłaniany przez płyty ujemne. To hamuje generowanie wodoru na płytach ujemnych. Rekombinacja tlenu i wodoru prowadzi do wytworzenia wody, co powoduje zachowanie stałej ilości elektrolitu w akumulatorze. Uzupełnianie wody nigdy nie jest wymagane.

W porównaniu z zalanym akumulatorem zalety akumulatora AGM to:

• Odporność na wibracje dzięki konstrukcji warstwowej
• Wysoka wydajność w niskich temperaturach
• Odporność na rozlewanie dzięki hermetyzacji kwaśnej cieczy w technologii maty szklanej
• Wysoka moc właściwa, niski opór wewnętrzny
• Do 5 razy szybsze ładowanie niż w przypadku akumulatorów zalanych
• Lepszy cykl życiowy niż w systemach zalanych
• Retencja wody (tlen i wodór łączą się w celu wytworzenia wody)
• Mniejsze zasiarczenie, ponieważ nie ma potrzeby otwierania i dodawania wody

Zalety akumulatora AGM w zastosowaniach:

✔ Bezobsługowy- podczas ładowania akumulatora wodór jest absorbowany i przekształcany w elektrolit przez płytki. Nie wymaga uzupełniania wody i zrównoważonego ładowania, co czyni go bezobsługowym.
✔ Elastyczna instalacja- separator AGM utrzymuje elektrolit w macie szklanej i unieruchamia. Baterii można używać lub ustawiać w dowolnym położeniu.
✔ Niezwykle bezpieczny- gdy dojdzie do nadmiernej produkcji gazu w wyniku niewłaściwego ładowania, zawory bezpieczeństwa automatycznie wyemitują gaz, aby zapobiec pęknięciu akumulatora.
✔ Długi czas czuwania, lepsza wydajność cyklu- antykorozyjna płyta ze stopu ołowiu i wapnia zapewnia dłuższą żywotność ładowania pływakowego. Separator AGM może jednocześnie zatrzymywać elektrolit i zapobiegać spadkowi aktywnych materiałów na płycie dodatniej. Ponadto zapewnia lepszą wydajność cyklu głębokiego rozładowania.
✔ Dłuższa trwałość- specjalne płytki ze stopu ołowiowo-wapniowego zapewniają mniejsze samorozładowanie, co zapewnia dłuższą żywotność.
✔ Wysoka wydajność- niska rezystancja wewnętrzna umożliwia wyższy prąd rozładowania i ładowania w celu uzyskania lepszej wydajności w zastosowaniach o dużej dynamice zmian

Akumulatory żelowe

Akumulator VRLA GEL to akumulator regulowany zaworami (VRLA) z zastosowaniem technologii żelowych ogniw elektrolitycznych.
Akumulator żelowy wykorzystuje żel jako elektrolit zamiast ciekłego kwasu. Żel jest zwykle wytwarzany przez jednorodną dyspersję krzemionki pirogenicznej w rozcieńczonym kwasie siarkowym. Krzemionka pirogeniczna jest rodzajem sproszkowanego, bardzo dobrze rozproszonego SiO, który pochłania kwasową ciecz w ilości przekraczającej 10-krotność jej wagi, w celu wytworzenia żelu. Ze względu na tiksotropowe właściwości żelu, aglomeraty łączą się ze sobą w sieć, która zatrzymuje ciecz w środku i po pewnym czasie przybiera strukturę żelu. W akumulatorze żelowym nie ma płynu, elektrolit ma postać żelu i znajduje się w stanie stałym pomiędzy płytą dodatnią i ujemną wewnątrz akumulatora.

Charakterystyka technologii akumulatorów żelowych:

• Używanie żelu jako elektrolitu
• Tolerancja grubości płyt nie jest istotna, ponieważ nie jest konieczne duże zagęszczenie zespołu płyt
• Więcej elektrolitu dla lepszego kontaktu z płytami i materiałami aktywnymi oraz ścianami pojemnika, jest to korzystne do uwalniania wewnętrznego ciepła i chłodzenia temperatury akumulatora.
• Zastosowanie dodatkowego mikroporowatego separatora, który:
a/ zmniejsza depolaryzację elektrody ujemnej i pozwala uniknąć zasiarczenia płyty ujemnej
b/ bez żadnego płynu, znacznie zmniejsza utratę temperatury
c/ pomaga zapobiegać zwarciom poprzez wzrost dendrytów między płytą dodatnią i ujemną podczas głębokiego rozładowania
• Lepsza konstrukcja zaworu odpowietrzającego w celu zmniejszenia szybkości wycieku gazu, co prowadzi do wydłużenia żywotności baterii.

Zalety akumulatora żelowego w porównaniu z zalanym akumulatorem:

• Bezobsługowy, nie wymaga dolewania wody
• Bezpieczna praca, ponieważ w środku nie ma cieczy
• Może być zainstalowany w pozycji bocznej (instalacja do góry nogami nie jest zalecana)
• Długi cykl życia
• Niskie samorozładowanie wydłuża trwałość.
• Długa żywotność dzięki zdolności do utrzymywania elektrolitu w środku i na stałym poziomie
• Wydajność akumulatora pozostaje na wysokim poziomie i jest stabilna do końca działania akumulatora
• Tolerancja na urazy i ciepło podczas pracy, dobra na ekstremalne warunki pogodowe

Zalety akumulatora żelowego w zastosowaniu:

✔ Bezobsługowy- podczas ładowania akumulatora wodór jest absorbowany i przekształcany w elektrolit przez płytki. Nie wymaga uzupełniania wody i zrównoważonego ładowania, co czyni go bezobsługowym.
✔ Dłuższa żywotność w ekstremalnych warunkach pogodowych- elektrolit w ogniwie żelowym zapobiega parowaniu elektrolitu w wysokiej temperaturze lub zamarzaniu w niskiej temperaturze, co zapewnia wysoką wydajność akumulatora w ekstremalnych warunkach pogodowych.
✔ Wyjątkowo bezpieczny- w przypadku nadmiernego wytwarzania gazu przez niewłaściwe ładowanie, zawory bezpieczeństwa automatycznie emitują gaz, aby zapobiec pęknięciu akumulatora.
✔ Dłuższy okres żywotności
Specjalne płytki ze stopu ołowiowo-wapniowego zapewniają mniejsze samorozładowanie, co zapewnia dłuższą żywotność.
✔ Wysoka wydajność
Niska rezystancja wewnętrzna umożliwia wyższy prąd rozładowania i ładowania w celu uzyskania lepszej wydajności w zastosowaniach o dużej dynamice zmian.

AGM czy GEL? W jaki sposób wybrać akumulator do systemu zasilania energią słoneczną?

Możemy łatwo zrozumieć różnicę między AGM a GEL na podstawie poniższej tabeli:
Głęboki cykl akumulatorów AGM i żelowych jest odpowiedni dla energii słonecznej. Jednakże, jeśli jest to bardziej ekstremalny klimat lub warunki zewnętrzne, akumulator żelowy będzie miał dłuższą żywotność.

Akumulatory LifePO4

Pełna nazwa akumulatora LiFePO4 to akumulator litowo żelazowo fosforanowy. Niektórzy używają również terminu akumulator LFP.
Akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) są wykonane z fosforanu litowo-żelazowego (LiFePO4) jako katody. Jedną rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę w kontekście właściwości chemicznych jest to, że fosforan litowo-żelazowy jest materiałem nietoksycznym, podczas gdy LiCoO2 jest z natury niebezpieczny. Czynnik ten sprawia, że utylizacja tych akumulatorów stanowi poważny problem dla użytkowników i producentów.

Zastosowanie akumulatorów LifePO4

Baterie litowo-żelazowo-fosforanowe są szeroko stosowane w naszym codziennym życiu. Zyskały na popularności w ostatnich latach ze względu na swoją niewielką wagę i przenośny charakter. Poniżej znajduje się kilka przykładów zastosowań akumulatorów LiFePO4:
Akumulatory RV: Jest wielu właścicieli kamperów, którzy wymieniają akumulatory kwasowo-ołowiowe na LiFePO4. Jeśli posiadasz samochód kempingowy, akumulatory LiFePO4 są zdecydowanie najlepszym zapasowym magazynem energii.

Akumulatory morskie: Czy rozważałeś zamontowanie akumulatora litowo-żelazowo-fosforanowego w swojej łodzi rybackiej? Akumulator zasili m. in. Twoją echosondę. I nie musisz się martwić o wyciek z powodu nieprawidłowej instalacji.

Baterie Off-Grid: Czy mieszkasz poza dostępem do sieci elektrycznej? Najlepszą alternatywą dla powerwalla Tesli może być akumulator LiFePO4. Możesz podłączyć równolegle akumulatory 12v 100ah LiFePO4, aby uzyskać większą pojemność. Na przykład, jeśli używasz tylko jednego akumulatora litowo-jonowego 12V 100Ah, może on zasilać ekspres do kawy o mocy 1000W przez 1,1 godziny. Może również zasilać telewizor o mocy 105 W przez 11 godzin.

Wzór obliczeniowy:

1W=1V*1A

1Wh=1V*1Ah

1000Wh=1000W*1h=1kWh

h=Wh/W

Dlaczego akumulatory LifePO4 mają dłuższą żywotność niż kwasowo-ołowiowe?

Ma to związek z właściwościami materiałowymi fosforanu litowo-żelazowego i kwasu ołowiowego. Średnio akumulatory LiFePO4 mogą wytrzymać od 2000 do 5000 cykli ładowania i rozładowania bez straty ich wydajności. Z drugiej strony akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą wytrzymać tylko od 200 do 500 cykli. Zasadniczo akumulatory LiFePO4 wytrzymują około 5 do 10 lat w porównaniu do akumulatorów kwasowo-ołowiowych, które należy wymieniać co 1-3 lata. Analiza porównawcza przeprowadzona przez naukowców pokazuje, że akumulatory LiFePO4 charakteryzują się niskimi stratami i dłuższą żywotnością oraz mniejszymi wskaźnikami wyczerpywania się pamięci niż akumulatory kwasowo-ołowiowe stosowane w systemach mikrosieci elektroenergetycznych.

Właściwe przechowywanie jest również ważne, jeśli chcesz dobrze dbać o swoją baterię LiFePO4.

Baterie mogą ulegać samorozładowaniu podczas przechowywania (<3% miesięcznie dla LiFePO4), a wysokie temperatury mogą zmniejszyć pojemność i wydajność baterii LiFePO4. Dlatego przechowywanie akumulatora w odpowiedniej temperaturze otoczenia wydłuży jego żywotność. Poniżej przedstawiono zalecany zakres temperatur przechowywania:

○ 1 miesiąc: -20°C do 60°C

○ Trzy miesiące: od -20°C do 45°C

○ Sześć miesięcy: od -20°C do 25°C